海洋研究所

海洋所量化浮游动物季节性垂直移动对南大洋碳封存的关键贡献

2025-07-09 来源：海洋生态与环境科学重点实验室 | 【大中小】

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近日，中国科学院海洋研究所海洋浮游生物与生态系统健康研究团队在南大洋生物泵研究领域取得新进展，首次量化了南大洋浮游动物（包括磷虾、桡足类、被囊类）如何通过其季节性垂直移动增强碳封存，研究成果 “Seasonally migrating zooplankton strongly enhance Southern Ocean carbon sequestration”发表于海洋生态学期刊Limnology and Oceanography。

南大洋是全球重要的碳储存区。传统观点认为，该区域的碳封存主要由大型浮游植食动物（如南极磷虾）产生的碎屑通过重力沉降主导。而这项新研究则聚焦于一个相对较新认知的过程——“季节性垂直移动泵”。该过程指浮游动物每年从表层水域迁徙至500米以下的深海越冬，并通过其呼吸作用和死亡将碳储存在深水层。

浮游动物碳输送的两种机制。左图：传统观点认为，夏季浮游动物摄食表层浮游植物后，其排泄物（颗粒有机碳，POC）被动沉降至深海，实现碳封存。右图：新研究揭示的“季节性垂直移动泵”过程表明，浮游动物在秋季向下迁徙至500米以深越冬，通过呼吸和死亡直接向深海注入碳。

研究团队整合了1920年以来南大洋数千次拖网采样数据，构建了迄今最完整的南大洋浮游动物生物量数据库，并取得三项突破性发现（1）年封存6500万吨碳：浮游动物季节性垂直移动每年向500米以深输送约6500万吨碳，相当于该区域通过有机颗粒物沉降碳量的50%至100%；（2）桡足类主导“季节性垂直移动泵”：中型浮游动物（主要是桡足类）贡献了该碳通量的80%，而磷虾和被囊动物分别贡献14%和6%；（3）显著的气候敏感性：南大洋是关键碳汇，但当前气候模型未考虑该机制。气候变暖导致的物种组成变化（如磷虾减少、桡足类增加）可能显著改变碳封存格局。

南大洋吸收了人类活动产生并被海洋吸收的约40%的二氧化碳，然而浮游动物在其中发挥的作用长期被低估。与沉降碎屑（会同时移除碳和铁等关键营养物质）不同，垂直迁移的浮游动物将碳高效注入深海长期储存，同时在海洋表层附近循环营养物质。随着海洋生态系统对气候变化的响应，这种“季节性垂直移动泵”机制可能愈发重要。该研究呼吁在气候模型中紧急纳入浮游动物驱动的碳通量，并强调了对南大洋生态系统进行管理和保护的必要性，因为商业捕捞和气候变暖正威胁着支撑碳输出和南极独特生物多样性的关键物种——南极磷虾。

这项国际合作研究汇集了中国、英国和加拿大等多国家极地科学家，整合了跨越一个世纪的南大洋浮游动物生物量、分布、呼吸及死亡率数据。合作作者包括中国科学院海洋研究所的杨光研究员，英国普利茅斯海洋实验室的Angus Atkinson教授，加拿大英属哥伦比亚大学的Evgeny Pakhomov教授，英国普利茅斯大学的Katrin Schmidt教授，厦门大学的王为磊教授，英国南极局的Jennifer Freer研究员和Geraint Tarling研究员。研究得到了国家自然科学基金、自然资源部南极专项、泰山学者项目、BIOPOLE、PICCOLO、CONSEC等极地海洋生态研究相关项目的资助。

论文第一及通讯作者杨光研究员指出“我们的工作揭示南大洋浮游动物是碳封存的无名英雄。其季节性垂直迁移产生了巨大的、此前未被量化的碳通量，模型必须将其纳入考量。后续我们将依托中国南大洋秋冬季国际联合航次，对此生态过程开展更深入的现场验证”。合作作者Angus Atkinson教授（大英帝国MBE勋章获得者）表示“这项研究首次估算出了该碳储存机制的总量级，凸显了大型数据库汇编在揭示新见解、全面评估各类碳储存机制的相对重要性方面的关键价值”。合作作者Katrin Schmidt教授认为“该研究表明季节性垂直移动泵是极地地区一种重要的自然碳封存途径，保护这些垂直移动生物及其栖息地将有助于减缓气候变化”。合作作者Jennifer Freer研究员总结道“南极磷虾因其在南极食物网中的核心作用而闻名，但我们发现，在越冬期间桡足类在碳储存方面明显占主导地位。随着海洋变暖及其栖息地可能迁移，这一点意义重大”。

该研究发表后引发国际媒体广泛报道，BBC以《微小生物大快朵颐、增肥、助力对抗全球变暖》（Tiny creatures gorge,get fat,and help fight global warming）为题进行专题解读。普利茅斯海洋实验室、英国南极局、普利茅斯大学、Limnology and Oceanography杂志、ScienceDaily 、EURekAlert！（AAAS主办）、Geographycal（英国皇家地理学会主办）、AOL（美国在线）、Phys.org、Oceanographic、Earth、Ground News、Mirage News、Environmental News Network等多家国际权威研究机构与媒体进行了联合报道。评论指出，该研究“重新定义了对海洋碳汇的认知，将推动全球海洋碳循环模型的重大更新”。