课题组在蓝洞碳循环研究方面取得重要进展
发布人:姚鹏  发布时间:2020-02-13   浏览次数:51



国际地学刊物《地球物理学研究-生物地球科学》(JGR-Biogeosciences, IF3.621)近日在线发表中国海洋大学姚鹏教授(第一作者/通讯作者)与三沙航迹珊瑚礁保护研究所、美国佛罗里达大学和德克萨斯农工大学等单位合作的最新研究成果“Carbon cycling in the world’s deepest blue hole”。科研人员通过对在我国南海发现的世界上最深蓝洞的水体进行取样,对其中溶解态有机碳(DOC)和无机碳(DIC)的含量和同位素组成进行了分析,发现其含量和14C年龄均与普通海洋环境差异较大,其中DOC含量显著低于大洋深层水,表明蓝洞具有独特的碳循环过程。

蓝洞(Blue Holes)是碳酸盐岩台地中完全被海水淹没的大型海洋洞穴。近岸碳酸盐岩体在海平面低位时出露海面受到溶蚀形成溶洞(喀斯特竖井),全新世高海面时,溶洞充水则形成蓝洞。由于与外界仅通过潮汐交换海水,蓝洞内往往具有较大的生物地球化学梯度,跃层明显,微生物群落与普通海洋环境迥异。在过去的几十年里,针对蓝洞环境的物理、化学和生物特征已经开展了较为丰富的研究,但对于蓝洞内碳循环过程了解却很有限。对于蓝洞内碳的来源、分布、年龄(活性)和迁移转化过程以及蓝洞地形和地球化学特征等对碳循环的影响仍然知之甚少。

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图1. 三沙永乐龙洞地理位置

 “三沙永乐龙洞”(Sansha Yongle Blue Hole)位于南海西沙群岛的永乐环礁中石屿的珊瑚礁坪上(图1)。2016年7月由三沙航迹珊瑚礁保护研究所探明其水深超过300米,是目前世界上已知最深的海洋蓝洞,比世界上深度第二和第三的蓝洞(巴哈马迪恩斯蓝洞和洪都拉斯伯利兹大蓝洞)分别深98m和177m。永乐龙洞是具有极高价值的独特海洋地貌单元,它独特的自然条件,对研究海洋特殊生态系统等意义重大。

2017年3月,研究团队在永乐龙洞开展了多学科综合调查,分析了水文、化学、地质和微生物等多种参数,以研究控制其溶解碳循环的潜在机制。研究表明,永乐龙洞内100m以下是无光、无氧、硫化和产甲烷的环境(图2)。DOC含量最低仅有22 µM,显著低于大洋深层水最低的36µM,14C年龄约6810 yr. BP,也比大洋深层水DOC年龄要老(图3)。在DOC含量最低的层次,硫氧化细菌的相对丰度明显升高(图4),表明在永乐龙洞内碳循环过程与硫循环过程紧密耦合在一起(图5)。DIC含量最高达到3090 µM,年龄达8270 yr. BP,均显著高于大洋深层水数值。DIC与碱度变化的比值约为1:1.5,表明有机碳分解(硫酸盐还原)和酸性环境下碳酸盐溶解对于永乐龙洞内DIC的富集同等重要。除此之外,甲烷的厌氧氧化也可能对DIC含量的增加有贡献,但作用可能有限(图5)。

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图2. 永乐龙洞基础理化参数分布((a) 盐度、(b) 溶解氧 (DO)、(c) 硫化氢, 和(d) 甲烷)

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图3. 永乐龙洞溶解碳含量和同位素组成分布((a) DOC含量、(b)DIC含量及其(c) δ13C和 (d) Δ14C 和14C年龄)

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图4. 永乐龙洞微生物群落分布((a)门水平细菌群落组成,(b)硫氧化细菌和硫还原细菌相对丰度)

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图5. 永乐龙洞碳循环过程及潜在控制机制概念图

这些研究结果表明,永乐龙洞是一个独特的天然实验室。从有氧到无氧的梯度转变不但可以用来研究碳循环过程,还可以用来研究多种元素的氧化还原过程,对理解现代海洋乃至古海洋元素的生物地球化学过程有巨大应用潜力。

该项工作得到了国家自然科学基金项目(91428101)、三沙航迹珊瑚礁保护研究所航迹南海海洋科研发展项目(HJLD16-01和HJLD-1701)、中国海洋大学中央高校基本科研业务费项目(201762038和201762009)、111创新引智计划项目(B13030)及青岛海洋科学与技术试点国家实验室创新团队项目(LMEES-CTSP-2018-2)等资助。

文章信息:Peng Yao*, Xuchen Wang, Thomas S.Bianchi, Zuosheng Yang, Liang Fu, Xiao-Hua Zhang, Lin Chen, Elise Morrison,Michael R. Shields, Yina Liu, Naishuang Bi, Yuanzhi Qi, Shun Zhou, Jiwen Liu,Honghai Zhang, Chenjian Zhu, Zhigang Yu. Carbon Cycling in the World’s Deepest Blue Hole. JGR:Biogeosciences, 2020.https://doi.org/10.1029/2019JG005307.