作為巨大的碳儲(chǔ)庫，海洋對(duì)不同時(shí)間尺度的大氣二氧化碳（CO2）變化起著至關(guān)重要的作用。南極冰心記錄了千-百年尺度大氣CO2波動(dòng)，但是這些波動(dòng)具體是受哪些海洋過程調(diào)控呢？這一問題至今尚未解決。為更準(zhǔn)確地預(yù)測未來大氣CO2變化，人們亟需深入理解全球碳和營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)及其與溫鹽環(huán)流的耦合機(jī)制，這也是深入理解全球碳循環(huán)-氣候變化機(jī)制的一個(gè)重要渠道。

由于海-氣CO2交換發(fā)生在海洋表層，因此大多數(shù)科學(xué)家憑借生長在表層海洋的生物載體（如浮游有孔蟲的鈣質(zhì)殼體、硅藻的蛋白石骨骼等）來開發(fā)不同指標(biāo)，用以研究海洋與大氣的碳交換。然而，依據(jù)這些載體指標(biāo)所獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)存在著諸多不確定性和時(shí)空差異，從而影響碳循環(huán)機(jī)制的準(zhǔn)確理解。例如，大多數(shù)有孔蟲類和硅藻主要生長在春、夏兩季，即便基于它們的測試表明某海域向大氣釋放CO2，也不能斷言該海域是大氣的一個(gè)碳源，因?yàn)樵诖?、夏兩季釋放的CO2可能會(huì)在其他季節(jié)又被海洋重新吸收，而年均CO2凈釋放量可能甚小。

與表層海洋對(duì)比，海洋內(nèi)部水體可綜合全年的海-氣CO2交換信號(hào)，基本不受季節(jié)變化的影響。因此，在一定程度上，海洋內(nèi)部水體可更好地反映大范圍海域?qū)Υ髿釩O2的影響。不過，海洋內(nèi)部碳循環(huán)也受多個(gè)過程調(diào)節(jié)，并非所有過程都可直接反映海-氣CO2交換信息。譬如，生物降解作用會(huì)增加深海中的碳含量，但是僅有一部分碳含量增加與海-氣CO2交換直接相關(guān)（即碳從大氣封存到了深海)，而其他部分的碳含量增加則是碳在海洋內(nèi)部的轉(zhuǎn)移（比如，碳從淺海被轉(zhuǎn)移到深海）。顯然，若要探索大氣CO2變化機(jī)制，海-氣交換部分的CO2是關(guān)鍵信息。那么，如何從海洋內(nèi)部海水?dāng)?shù)據(jù)中提取有價(jià)值的海-氣CO2交換信號(hào)呢？這是全球碳循環(huán)研究中一個(gè)關(guān)鍵而極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

針對(duì)這一關(guān)鍵任務(wù)，青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室研究員于際民領(lǐng)銜的國際研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種全新的、可有效反映海-氣CO2交換的示蹤計(jì)—DICas（Nature Communications，2019）。利用這一新型示蹤計(jì)，并結(jié)合數(shù)值模擬，該研究團(tuán)隊(duì)巧妙地量化了南大洋排碳通量，進(jìn)而揭示了末次冰消期海洋與大氣之間的CO2交換過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在末次冰消期早期，海洋內(nèi)部水體主要是通過南大洋向大氣釋放CO2，控制著千年尺度大氣CO2變化。更有意義的是，該研究提出了一種新的機(jī)制，有效地解釋了大約1.46萬年前Bolling暖期所呈現(xiàn)的百年尺度CO2快速上升的現(xiàn)象：即南極中層水向南大洋的驟然擴(kuò)張。與其他水體相比，南極中層水對(duì)大氣CO2的封存效率低，因此該水體的擴(kuò)張會(huì)降低海洋對(duì)大氣CO2的封存能力，從而導(dǎo)致大氣CO2上升。這表明，海洋內(nèi)部水體的大氣CO2封存能力與洋流循環(huán)密切相關(guān)。

相關(guān)研究成果于近日發(fā)表在Nature Geoscience上。于際民為第一/通訊作者，中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所研究員金章東為第三作者。這項(xiàng)工作由來自青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室、澳大利亞國立大學(xué)、美國伍茲霍爾研究所、中科院、澳大利亞新南威爾士大學(xué)、美國康涅狄格大學(xué)等單位的科學(xué)家組成的國際團(tuán)隊(duì)完成。