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【前沿報道】Nature Communications:未來海洋會成為一潭死水嗎?
2019-09-20 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  工業革命以來,大氣CO2的濃度不斷的攀升,造成了全球變暖的趨勢。在這個背景下,溫度的升高造成海洋中水體中含氧量(氧逸度)不斷降低,缺氧的海洋面積不斷的擴大,也威脅到了海洋生物的生存。人們不禁要問,未來的海洋最后是否會變為一潭缺氧的死水? 

  現今的海洋氧氣遍布其中,只是在赤道附近的一些上升洋流區域,才存在一些缺氧的水體。因為它缺氧的特殊性,這些區域吸引了地球科學家和海洋科學家的眼光。德國Helmholtz海洋研究中心Oschlies 博士等人,近期在Nature Communications發表了研究成果。他們通過維多利亞大學開發的地球系統氣候模型UVicWeaver et al., 2001)對未來6000年的海洋進行了模型推演。相比過去的模型只注重洋流對海洋氧氣變化的影響,該模型重點考慮了生物地球化學循環中的氮循環在其中起到的重要作用。氮循環是海洋生物化學循環的重要一環,因為氮元素是海洋生物發育必需的營養物質,它既參與了海洋生物的光合作用(產氧),也參與了海洋生物的礦化降解作用(耗氧)。 

  在海洋中,光合作用的氧氣一產生,就會快速與海水中的還原性物質發生氧化還原反應而消耗掉,如對光合作用產生的有機物質進行氧化降解,這是氧氣消耗的重要組成。一旦這個區域的海水中的氧氣消耗殆盡,海水中另一重要的離子NO3-就會參與到有機質礦化降解過程,而且只要NO3-的量足夠多,這個作用會一直持續下去,直至NO3-也消耗殆盡。在這個有機物降解過程中,NO3-會被轉變為N2并釋放到大氣中,這就是所謂的反硝化作用。通過估算,含1摩爾含氮有機物因為反硝化作用會消耗了7.48摩爾的NO3-,同時減少10.6摩爾的氧氣的消耗。這相當于消耗1摩爾的NO3-會減少了1.4摩爾氧氣的消耗(Paulmier et al., 2009)。這樣NO3-代替氧氣參與有機質的降解,反而變相地造成了氧氣在海洋中的凈增長。因此,溫度的升高雖然導致了隨著海洋缺氧水體的不斷擴大,但卻加強了以反硝化作用為主的有機物的降解作用,導致氧氣消耗減少,進而造成了海洋水體中氧氣的凈增長(圖1)。 

  通過這項研究,可以預測隨著CO2濃度的升高,海洋的一個顯著變化是溫度不斷升高,溶解氧氣量在初期會減少,但經歷數千年左右時間后,會恢復甚至超過現在的氧氣水平(圖1,圖2),海洋至少不會成為一潭缺氧的死水。該研究增加了反硝化和固氮作用的視角,為地球歷史時期普遍存在的缺氧海洋研究提供了一個很好的啟示。 

1 基于UVic模型模擬得到的未來6000年間地球海洋重要參數演化曲線(修改自Oschlies et al., 2019

 

2 基于UVic模型模擬得到的公元8000年時期的海洋與現今海洋含氧量的對比圖(Oschlies et al., 2019    

  主要參考文獻 

  Oschlies A, Koeve W, Landolfi A, et al. Loss of fixed nitrogen causes net oxygen gain in a warmer future ocean[J]. Nature Communications, 2019, 10(1): 2805.鏈接 

  Paulmier A, Kriest I, Oschlies A. Stoichiometries of remineralisation and denitrification in global biogeochemical ocean models[J]. Biogeosciences, 2009, 6: 923–935.鏈接 

  Weaver A J, Eby M, Wiebe E C, et al. The UVic Earth System Climate Model: Model description, climatology, and applications to past, present and future climates[J]. Atmosphere-Ocean, 2001, 39(4): 361-428.鏈接     

  (撰稿:馮連君/科技平臺)

 
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