科学家首次实现定量测量全球海洋碳循环

　　就像陆地上的植物一样，海洋中微小的浮游生物通过光合作用消耗二氧化碳，并将其转化为有机物和氧气。这种生物转化被称为海洋初级生产力。近日，在发表于《自然—地球科学》的一项新研究中，美国蒙特里海洋生物研究所高级科学家Ken Johnson和前MBARI博士后研究员Mariana Bif演示了机器人浮标舰队如何在全球范围内改变了人们对海洋初级生产力的理解。

　　通过将二氧化碳转化为有机物，浮游植物不仅支撑着海洋食物网，它们还是海洋生物碳泵的第一步。这些机器人收集的数据将使科学家能够更准确地估计碳是如何从大气流向海洋的，并为全球碳循环提供新线索。研究人员表示，浮游植物生产力的变化会产生深远的影响，比如影响海洋储存碳的能力，改变海洋食物网。

　　“我们已经知道在温暖的海洋中，海洋浮游植物的初级产量将减少，但我们没有办法进行全球尺度的测量来验证模型。”Johnson说，而且，海洋初级生产力随气候系统的变化而起伏，但初级生产力“可能在一些地方上升，在另一些地方下降，但我们不知道这些将如何平衡”。

　　由于资源和人力的限制，在全球范围内进行直接观测获得具有季节性和年度分辨率的数据十分困难且成本高昂。相反，卫星遥感或计算机生成的环流模型能提供所需的空间和时间分辨率。“卫星数据可以用来绘制初级生产力的全球地图，但这些数值是基于模型而不是直接测量的。”Johnson警告说。

　　现在，科学家有了一种研究海洋生产力的新方法——在海洋中漂浮的数千个自主机器人。Bif表示，这些机器人让科学家得以了解海洋各区域、深度和时间的初级生产力。“这项工作是海洋数据采集的一个重要里程碑。我们不再需要真的去那里，就可以从海洋中收集大量数据。”

　　随着生物地球化学—阿尔戈（BGC-Argo）浮标在全球的不断部署，相关数据为研究人员提供了氧气随时间变化的散射测量数据。借助氧气生成模式，Johnson和Bif可以计算出全球范围内的海洋净初级生产力。例如，通过测量浮游植物随时间释放多少氧气，研究人员可以估计它们消耗了多少二氧化碳。

　　Johnson表示，虽然这是一个众所周知的模式，但这项工作是首次用被布放在全球海洋的工具定量测量，而不是通过建模和其他工具进行估计。

　　但是，目前浮标每10天只进行一次采样，研究人员需要在一天内进行多次测量才能得到一个每日循环。于是，Johnson和Bif用一种新方法分析了浮标数据，从而计算出海洋初级生产力。每个浮标在一天的不同时间上浮，结合来自300个浮标的数据和来自一天不同时间的样本，研究人员就可以重现氧气的每日循环，然后计算初级生产力。

　　为了确认计算出的初级生产力的准确性，研究人员将两个海域的浮标数据与基于船舶的采样数据进行了比较——夏威夷海洋采样点（HOT)和百慕大大西洋采样点（BATS)，结果两者数据相似。

　　Johnson和Bif发现浮游植物每年产生约53拍克碳。这一测量值接近最新计算机模型估计的每年52拍克碳。（1拍克等于1000000000000千克，大致相当于2亿头大象的重量。）

　　研究人员希望，这些新数据能帮助科学家通过模拟不同的情景，如温度变暖、浮游植物生长变化、海洋酸化和营养物质变化等，进一步预测海洋初级生产力将如何响应气候变化。

　　相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41561-021-00807-z