Water Research&LO-Letters | 揭示大灣區(qū)碳“源-匯”機制與生態(tài)驅(qū)動力
在國家"雙碳"戰(zhàn)略與深圳建設(shè)"全球海洋中心城市"的時代背景下,海洋碳匯的精準量化已成為亟待攻克的科學(xué)難題?;浉郯拇鬄硡^(qū)近海生態(tài)系統(tǒng)承受著高強度人類活動的壓力,對其藍碳儲量與固碳效率進行高分辨率科學(xué)評估,具有重大戰(zhàn)略意義與現(xiàn)實價值。
近日,集成所光電中心姚泓名副研究員、祝銘高級工程師所在團隊通過與暨南大學(xué)王艷研究員團隊、中國海洋大學(xué)林賢彪副教授團隊開展合作,依托先進院搭建的"大灣區(qū)近海藍碳移動監(jiān)測平臺",搭載水下原位光譜分析儀、葉綠素a傳感器、輻照度計等多款自主研發(fā)的海洋生化傳感器,通過對珠江口海域?qū)嵤┛缂竟?jié)尺度的高時空精度走航監(jiān)測與碳循環(huán)數(shù)據(jù)分析,在大灣區(qū)碳匯時空格局與機制研究方面取得突破性進展。研究成果分別發(fā)表于國際權(quán)威期刊Water Research與Limnology and Oceanography Letters,兩項研究從宏觀與微觀雙重維度,系統(tǒng)性揭示了大灣區(qū)(珠江口)碳"源-匯"動態(tài)的時空演變規(guī)律及其生物地球化學(xué)驅(qū)動機制,構(gòu)成了大灣區(qū)河口碳循環(huán)的全面"科學(xué)診斷報告"。
河口生態(tài)系統(tǒng)是全球碳循環(huán)的關(guān)鍵樞紐,但正日益遭受富營養(yǎng)化和酸化的雙重威脅。傳統(tǒng)離散采樣難以捕捉河口復(fù)雜多變的高頻波動 ,這種觀測缺陷導(dǎo)致全球河口碳通量估算存在30%-150%的巨大不確定性。關(guān)于海洋酸化與硝化互作的研究多依賴單變量實驗室培養(yǎng),難以還原自然環(huán)境中復(fù)雜的非線性反饋,導(dǎo)致對河口碳“源-匯”轉(zhuǎn)換及其微觀驅(qū)動力的認知存在盲區(qū)。
依托大灣區(qū)近海藍碳移動監(jiān)測平臺的高頻走航觀測數(shù)據(jù)(5米空間分辨率)和強大的多參數(shù)、多介質(zhì)(水體、生物)采樣和分析能力,精細刻畫了伶仃洋河口(大灣區(qū)核心水域)的碳通量分布格局,并深入剖析了珠江口(大灣區(qū)水域)碳循環(huán)“泄露”的微觀驅(qū)動機制,首次揭示了富營養(yǎng)化驅(qū)動下的“酸化–硝化”協(xié)同效應(yīng)。
研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)域并非單一的碳源或碳匯,而是一個由河流與海洋共同塑造的“空間劃分的碳處理器”,上游(河流影響區(qū))為強CO? 釋放源,洪泛期通量峰值高達291.6 mmol C·m?2·d?1;下游(海洋影響區(qū))則轉(zhuǎn)變?yōu)?CO? 吸收匯,凈自養(yǎng)作用驅(qū)動通量降至-48.6 mmol C·m?2·d?1;這一“源—匯”轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在距河口約40公里的空間閾值處,反映出水文混合與營養(yǎng)鹽利用效率的綜合調(diào)控作用。此外,研究揭示出大灣區(qū)藍碳系統(tǒng)存在顯著的季節(jié)性脈沖效應(yīng)——洪汛期的碳通量遠高于旱季,陸源輸入的增強成為調(diào)控碳釋放的關(guān)鍵因素。 盡管浮游植物光合作用驅(qū)動碳吸收,但高達 40%–60% 的固定碳會因異養(yǎng)作用被重新釋放回大氣。這種“即產(chǎn)即消”的機制形成了一個“碳循環(huán)回路”,顯著削弱了河口生態(tài)系統(tǒng)的凈固碳效率,也意味著基于葉綠素或衛(wèi)星數(shù)據(jù)的碳匯估算可能被系統(tǒng)性高估。
同時,研究進一步發(fā)現(xiàn),長期富營養(yǎng)化狀態(tài)下,珠江口水體酸化速率遠高于開闊海域。在伶仃洋中游區(qū)域(即40公里的“源—匯”轉(zhuǎn)換閾值處)形成了顯著的“酸化–硝化”耦合熱點。在該熱點中,氨氧化微生物以銨鹽為“燃料”進行硝化作用,每次反應(yīng)都會釋放出氫離子,削弱水體堿度并導(dǎo)致pH下降,形成局部“酸化中心”。該發(fā)現(xiàn)揭示了珠江口河口系統(tǒng)中存在一個自我強化反饋回路:富營養(yǎng)化驅(qū)動硝化作用,硝化引發(fā)酸化,而酸化環(huán)境又會篩選并塑造特定的微生物群落,反過來再次增強硝化過程。這一機制從微觀層面揭示了大灣區(qū)水域固碳效率下降的根本原因,也為治理富營養(yǎng)化、提升區(qū)域碳匯潛力提供了新的科學(xué)思路。
從宏觀空間格局到微觀生物機制,這兩項研究構(gòu)建了大灣區(qū)海洋碳匯的“全景式畫像”。它們不僅深化了對河口海岸帶碳循環(huán)的科學(xué)認知,更展示了深圳先進院在海洋科技領(lǐng)域“產(chǎn)–學(xué)–研–用”一體化創(chuàng)新體系的成果轉(zhuǎn)化能力。未來,大灣區(qū)藍碳移動監(jiān)測平臺將繼續(xù)服務(wù)于大灣區(qū)及全國海洋碳中和戰(zhàn)略,推動海洋電子信息、智能裝備與生態(tài)決策的深度融合,讓更多科研成果在“深藍”中落地生根。
其中姚泓名副研究員分別作為兩篇論文的第一作者和通訊作者,研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金的支持。團隊所屬的海洋學(xué)儀器研發(fā)實驗室(Instrument Development for Oceanology Laboratory, I-DO Lab, https://coet.siat.ac.cn/page/show/136.shtml)將持續(xù)致力于海洋原位觀測儀器與智能集成算法的自主研發(fā)與創(chuàng)新,誠摯歡迎學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注與合作,期待志同道合者的加盟。
論文原文鏈接:https://doi.org/10.1002/lol2.70072;https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.124829

圖:大灣區(qū)藍碳移動監(jiān)測平臺及自研傳感器展示

圖:碳“源-匯”與初級生產(chǎn)力的精細化時空格局展示

圖:海-氣CO2通量的宏觀驅(qū)動因素解析

圖:大灣區(qū)海域酸化與富營養(yǎng)化的耦合效應(yīng)

圖:相關(guān)微生物組學(xué)解析

圖:相關(guān)自研儀器展示
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