《Science》文章：颗石藻对海洋碳封存的贡献

颗石藻是一种浮游钙化单细胞藻类，广泛分布于全球海洋，常在中、高纬度海域发生藻华(图3)。颗石藻可通过光合作用生产有机碳，通过钙化作用生产无机碳，分别贡献于生物碳泵和碳酸盐反向泵，对海洋碳循环与碳输出有重要作用。本文概述了颗石藻的生理特征与地理分布情况，阐述了颗石藻对生物碳泵和碳酸盐反向泵的贡献途径，并基于以往的培养实验和野外调查，总结了气候变化背景下环境因子（如温度、营养盐浓度、光照强度和二氧化碳浓度）的改变将如何影响颗石藻的碳积累和沉降速率。研究结果可为未来全球变暖情境下评估颗石藻对碳输出的贡献奠定基础。

图3 1955至2017年间颗石藻藻华的全球分布和细胞丰度。注：若一个区域有多个藻华记录，则只标注丰度最高者；带黑色边框的不透明圆圈表示无细胞丰度数据。

研究结果

颗石藻对海洋碳封存的贡献是重要且复杂的 (图4)。作为一种钙化浮游植物，颗石藻可以吸收并富集溶解于海水的二氧化碳，将其转化为颗粒有机碳 (Particulate organic carbon, POC)，随后借助自身重力和食物网等过程不断向下沉降；同时，颗石藻可以通过钙化作用将海洋表层的溶解无机碳和钙离子转化为碳酸钙，即颗粒无机碳 (Particulate inorganic carbon, PIC)。碳酸钙具有较快的沉降速率，包裹POC沉降可增强生物泵过程，此即“压舱效应”。然而，颗石藻钙化过程会释放一定的二氧化碳，由此颗石藻藻华期间二氧化碳的源汇效应和碳输出贡献存在复杂性和不确定性。颗石藻生产的POC和PIC是评估其对碳输出贡献的重要指标，二者的总和代表理想条件下颗石藻储碳的“量”；同时，考虑到再矿化作用，引入沉降速率参数可以表征颗石藻碳输出的效率；此外，颗石藻生产PIC:POC是碳循环中的一个重要参数，决定了细胞水平上生物碳泵与碳酸盐反向泵的相对强度——当颗石藻的 PIC:POC 低于环境海水碳化学性质的临界值时，颗石藻生长的净效应则成为二氧化碳的源，反之则为汇。

图4 颗石藻对海洋碳输出的贡献

气候变化背景下各种环境因素的改变可引发颗石藻多方面的生理响应。本文基于以往的培养实验和长时间尺度的野外调查，以赫氏颗石藻 (Emiliania huxleyi) 为模式物种讨论了海洋酸化、表层海水升温、光照强度改变和营养盐限制对颗石藻碳累积与沉降的影响 (图5) 及简要的综合效应 (图6) 。

图5 环境因子变化下颗石藻碳累积与沉降速率的改变

图6 环境因子交互作用对颗石藻碳累积与沉降的影响

总结

本文总结了颗石藻对海洋碳输出的贡献途径，探讨了未来气候变暖情境下，环境因子变化对颗石藻碳累积和沉降速率的影响。准确预测未来海洋中颗石藻对碳泵的贡献仍任重道远，由此，本文展望了未来气候变化相关的颗石藻研究方向，包括但不限于颗石藻应对环境变化的分子调控机制研究、长期培养的适应性研究、极端环境对颗石藻影响的研究等。

来源：OLAR海陆气研究、Science