北冰洋太平洋扇區(qū)碳循環(huán)過(guò)程對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)的研究進(jìn)展與展望

魏 皓，羅曉凡，祁 第，鄭字佳，趙 偉

（1.天津大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072；2.集美大學(xué) 極地與海洋研究院，福建 廈門(mén) 361000）

人類活動(dòng)不斷排放二氧化碳（CO2），并在大氣中積累，使得其濃度迅速攀升，并由此帶來(lái)了一系列環(huán)境問(wèn)題，如全球變暖和海洋酸化等[1]。在此背景下，提高海水對(duì)大氣CO2的吸收，從而實(shí)現(xiàn)“碳中和”已成為保障人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必要措施。極區(qū)是全球主要的海洋碳匯區(qū)域，而北冰洋海冰覆蓋減少可能會(huì)吸收更多的大氣CO2，是潛在的碳增匯區(qū)域[2]。在北冰洋，海表吸收CO2除了受控于開(kāi)闊海域大氣CO2溶解外，其他復(fù)雜的碳循環(huán)過(guò)程，如水體中浮游植物生長(zhǎng)固碳、顆粒有機(jī)物的沉積埋藏和總碳的深海封存等，均可大大提高海洋的碳匯效率[3]。探究“溶解泵” “生物泵”和“陸架泵”對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)是認(rèn)識(shí)北極碳匯過(guò)程及其調(diào)控機(jī)制的關(guān)鍵，是預(yù)測(cè)北冰洋碳匯的基礎(chǔ)。

北冰洋太平洋扇區(qū)（圖1）是北冰洋最重要的碳匯區(qū)域之一。流經(jīng)白令海峽的太平洋入流水為楚科奇海輸入了豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽，使其具有很高的初級(jí)生產(chǎn)固碳能力[4]，對(duì)北冰洋總固碳能力的貢獻(xiàn)最高可達(dá)58%[5]。高初級(jí)生產(chǎn)力支撐著復(fù)雜的食物網(wǎng)，形成以楚科奇海南部和漢娜淺灘毗連海區(qū)兩個(gè)生物熱點(diǎn)區(qū)域，向底層輸出大量有機(jī)碳，啟動(dòng)高生物量的大型底棲生物食物網(wǎng)[6]。具有高營(yíng)養(yǎng)鹽、高溶解無(wú)機(jī)碳（Dissolved Inorganic Carbon,DIC）和低pH 值特征的太平洋入流水[7-8]攜帶陸架生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的有機(jī)碳流出陸架后，進(jìn)入陸坡和海盆次表層以進(jìn)一步完成碳的深海封存，引起次表層酸化擴(kuò)展[7]，并可在不同垂直過(guò)程作用下對(duì)表層海-氣CO2通量產(chǎn)生影響。

圖1 北冰洋太平洋扇區(qū)地形及主要海區(qū)Fig.1 Topography and major seas in the Pacific Arctic Region

近20 a 來(lái)太平洋扇區(qū)環(huán)境變化劇烈，其海冰覆蓋面積下降速率明顯高于大西洋扇區(qū)[9-10]，太平洋入流水通量增加20%[11]，波弗特高壓增強(qiáng)且西移南下，整個(gè)氣候系統(tǒng)在2007 年前后發(fā)生躍變[12]，由此造成了太平洋扇區(qū)環(huán)流和物質(zhì)輸運(yùn)的大幅度調(diào)整[13]。碳循環(huán)過(guò)程對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)是復(fù)雜的，存在很大的不確定性和時(shí)空差異，需要基于觀測(cè)和數(shù)值模式的研究給出定量解釋。在國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目和科技部重點(diǎn)研發(fā)國(guó)際合作計(jì)劃等支持下，我國(guó)學(xué)者基于10余a 北極科考和海洋-海冰-生物地化耦合的數(shù)值模式開(kāi)展研究，已躋身國(guó)際先進(jìn)行列：整理并訂正了所有中國(guó)北極科考數(shù)據(jù)和近30 a 的國(guó)際碳數(shù)據(jù)集，分析了初級(jí)生產(chǎn)和海冰變化對(duì)海-氣CO2通量的影響，提出環(huán)流變化是太平洋扇區(qū)海盆區(qū)域酸化擴(kuò)展的決定因素，目前這一觀點(diǎn)已被國(guó)際公認(rèn)[7]；構(gòu)建了包含北大西洋、北太平洋和整個(gè)北冰洋的海洋-海冰-生態(tài)系統(tǒng)-碳循環(huán)耦合模式（North Atlantic and Pacific Oceans and the Arctic Ocean-Biogeochemical Model，NAPA-BGC）[14-15]，評(píng)估結(jié)果表明，自由運(yùn)行（無(wú)同化）20 余a 的NAPA-BGC 模式達(dá)到國(guó)際北冰洋模式比較計(jì)劃[16-17]相同水平，區(qū)域海碳循環(huán)模式的建立推動(dòng)了我國(guó)對(duì)于北冰洋太平洋扇區(qū)碳循環(huán)響應(yīng)機(jī)理研究?；诖?，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)工作進(jìn)行概述，并對(duì)未來(lái)研究需要聚焦的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題予以展望。

1 基于觀測(cè)的太平洋扇區(qū)夏季海-氣CO2 通量變化與影響因素

海-氣CO2分壓差決定了海洋碳源匯格局和強(qiáng)度，表層海水CO2分壓（pCO2）增加（減?。?dǎo)致碳匯能力的減弱（增強(qiáng)）。在年代際尺度上，世界大洋海表pCO2幾乎都在增加，包括中低緯度海區(qū)以及南大洋[18-20]。在北冰洋，早期觀測(cè)研究指出高初級(jí)生產(chǎn)力的陸架-陸坡區(qū)域表層海水pCO2持續(xù)較低，是碳匯增強(qiáng)海區(qū)[21]。而海盆無(wú)冰區(qū)的最新觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，由于快速的海-氣交換和增溫變暖，海表pCO2值接近大氣CO2水平，碳匯能力沒(méi)有顯著增加[22-23]。整合北冰洋20 余a 走航觀測(cè)數(shù)據(jù)，自然資源部第三海洋研究所碳化學(xué)團(tuán)隊(duì)給出了北冰洋太平洋扇區(qū)夏季海表pCO2的年代際變化及調(diào)控機(jī)理[24]，指出在1994—2017 年，受暖化和海冰消融的影響，加拿大海盆夏季表層海水pCO2的 增加速度是大氣的2 倍，因而海-氣CO2梯度（ΔpCO2）迅速減小，碳匯減弱并可能在20 a 內(nèi)降至接近于0；相比之下，楚科奇海陸架、陸坡表層海水pCO2并沒(méi)有顯著增加，該區(qū)不斷增強(qiáng)的生物吸收作用促使海表pCO2保持在較低水平[25-26]，未來(lái)隨著大氣CO2的增加楚科奇海碳匯可能進(jìn)一步增強(qiáng)（圖2），Tu 等[27]用遙感反演產(chǎn)品對(duì)整個(gè)楚科奇海夏季碳通量研究得到相同結(jié)論。

圖2 1994—2017 年間楚科奇海陸架、加拿大海盆和波弗特海夏季Δ pCO2的變化趨勢(shì)Fig.2 Trends of Δ pCO2 in the Chukchi Shelf,Canada Basin and Beaufort Sea during the year of 1994—2017

Ouyang 等[26]基于北極科考2016 和2018 年夏季代表凈群落初級(jí)生產(chǎn)力（Net Community Productivity,NCP）的海表O2/Ar 和pCO2走航觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步細(xì)化了不同海冰和營(yíng)養(yǎng)鹽供給條件下NCP 和海-氣CO2通量的關(guān)系（圖3）：在海冰覆蓋區(qū)，由于海冰阻隔了氣體交換，海-氣CO2通量較小，微弱的初級(jí)生產(chǎn)導(dǎo)致了較大的海-氣CO2濃度梯度；在冰邊緣區(qū)，NCP 和CO2通量之間具有顯著的線性相關(guān)關(guān)系，表明在海冰融化初期，海-氣CO2通量主要由生物吸收過(guò)程所調(diào)控；無(wú)冰水域，NCP 和CO2通量的耦合因營(yíng)養(yǎng)鹽供應(yīng)的差異而呈現(xiàn)區(qū)域性的變化：在寡營(yíng)養(yǎng)鹽的開(kāi)闊海盆中，NCP 和CO2通量之間不存在明顯的相關(guān)性，微弱的NCP 和較低的海-氣CO2梯度限制了海盆的碳匯潛力，使之無(wú)法成為重要的CO2匯，而營(yíng)養(yǎng)鹽豐富的楚科奇海陸架則具有較強(qiáng)的NCP 和碳匯作用。

圖3 北冰洋太平洋扇區(qū)NCP 的估算Fig.3 Estimations of net primary production（NCP）in the Pacific Arctic Region

2 楚科奇海海-氣CO2 通量季節(jié)、年際變化及控制機(jī)制的定量認(rèn)識(shí)

夏季觀測(cè)數(shù)據(jù)揭示了北冰洋生物泵作用的重要性，營(yíng)養(yǎng)鹽供給匱乏的海盆區(qū)碳匯能力無(wú)法隨著海冰融化而持續(xù)增加。在年均碳匯通量中，夏季占多大份額？碳匯能力在季節(jié)、年際和氣候狀態(tài)轉(zhuǎn)換中有什么樣的響應(yīng)？對(duì)哪些環(huán)境要素變化響應(yīng)？整個(gè)北冰洋的碳循環(huán)是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，僅靠夏季表層觀測(cè)還不足以回答上述問(wèn)題，區(qū)域海-氣CO2通量季節(jié)、年際變化及控制機(jī)制還需要可靠的數(shù)值模式及準(zhǔn)確的碳收支估算來(lái)定量認(rèn)識(shí)。

魏皓等[15]和Zheng 等[15]構(gòu)建了北冰洋海洋-海冰-生態(tài)系統(tǒng)-碳循環(huán)全耦合模式（NAPA-BGC），重點(diǎn)解析了楚科奇海陸架海-氣CO2通量的季節(jié)及年際變化機(jī)理。Zheng 等[28]利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模式模擬的海表DIC 和pCO2進(jìn)行了嚴(yán)格的評(píng)估比較（圖4 和圖5），結(jié)果表明該模式是目前為止已發(fā)表模式研究中對(duì)楚科奇海碳循環(huán)過(guò)程模擬最為準(zhǔn)確的3 維模式，模式抓住了太平洋入流通過(guò)狹窄海峽（白令海峽、巴羅峽谷）補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)楚科奇海陸架及下游太平洋扇區(qū)碳匯的調(diào)控作用，這是低分辨率地球系統(tǒng)模式很難反映的過(guò)程。

圖4 2008 年夏季航次（CHINARE08 和ISSS08）期間楚科奇海169°W 斷面、5 m 層和30 m 層觀測(cè)和模擬的溶解無(wú)機(jī)碳異常分布Fig.4 Distributions of observed and simulated dissolved inorganic carbon（DIC）anomalies along the 169°W section,at the 5 m and 30 m depth layers in the Chukchi Sea during the summer 2008 cruises（CHINARE08 and ISSS08）

圖5 1999 年、2008 年和2012 年夏季觀測(cè)和模擬的楚科奇海海表CO2 分壓（ pCO2）異常分布Fig.5 Distributions of observed and simulated partial pressure of CO2（ pCO2）anomalies in the summer of 1999,2008,and 2012 in the Chukchi Sea

Zheng 等[28]模式結(jié)果表明，楚科奇海陸架全年表現(xiàn)為CO2凈匯，其海-氣CO2通量的季節(jié)變化顯著（圖6紅色實(shí)線）。6 月，海冰消退導(dǎo)致開(kāi)闊水域面積增大，楚科奇海迅速成為1 個(gè)較強(qiáng)的碳匯；7—10 月，CO2通量維持在較高水平（＜-6.93 mmol·m-2·d-1），尤其是楚科奇海北部區(qū)域，模式獲得的CO2通量空間分布與觀測(cè)一致，我國(guó)北極考察均在8—9 月進(jìn)行，此時(shí)碳通量約占全年40%；11—12 月，隨著海冰快速凍結(jié)，海-氣CO2通量迅速減小直至為0 并維持到次年5 月。將海-氣CO2通量的季節(jié)變化影響因子分解為氣體交換系數(shù)（風(fēng)速主導(dǎo)）（圖6 深紅色）、海-氣CO2分壓差（圖6 綠色）和海冰密集度（圖6 淺藍(lán)色）的季節(jié)變化三個(gè)分量，分析了其調(diào)控機(jī)制。海冰融凍（或開(kāi)闊水域面積）的季節(jié)變化主控了碳通量的季節(jié)變化，但在6—7 月的融冰期，初級(jí)生產(chǎn)吸收CO2所致海-氣CO2分壓差的增大對(duì)碳匯起到了重要作用，在10—11 月結(jié)冰期，秋季大風(fēng)對(duì)于楚科奇海尚存的水面吸收大氣CO2有較大的貢獻(xiàn)。海冰覆蓋的1—5 月，生物降解、群落凈呼吸使表層海水pCO2增加，海-氣CO2分壓差小于年均值，起到減小碳匯的作用。

圖6 楚科奇海海-氣CO2 通量季節(jié)變化影響因素Fig.6 Factors affecting the seasonal air-sea CO2 flux variation in the Chukchi Sea

Zheng 等[28]模擬的1998—2015 年多年平均碳通量分布體現(xiàn)了1 個(gè)事實(shí)：楚科奇海陸架（圖7b 黑線框內(nèi)）是太平洋扇區(qū)主要碳匯區(qū)，海盆源匯作用極弱、河口附近則為碳源（圖7b）。楚科奇海海-氣CO2通量多年平均值約為10 Tg C·a-1，自1998 年以來(lái)以0.28 Tg C·a-1速率增加（圖8a 黑線）；初級(jí)生產(chǎn)和開(kāi)闊水域面積的增加主控了楚科奇海融冰期（6—7 月）（圖7a 綠線）和開(kāi)闊水域期（8—9 月）（圖7a 藍(lán)線）CO2通量的顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，其增速分別為0.08 Tg C·a-1和0.11 Tg C·a-1，這2 個(gè)時(shí)期（6—9 月）CO2通量的增加趨勢(shì)決定了楚科奇海全年總CO2通量的長(zhǎng)期增長(zhǎng)趨勢(shì)；而結(jié)冰期（10—11 月），CO2通量受開(kāi)闊水域面積和局地風(fēng)速年間巨變影響，年際波動(dòng)打破了上升趨勢(shì)（圖7a 紅線），它主控了楚科奇海陸架總CO2通量的年際變化（r=0.86，p＜0.01）。

圖7 楚科奇海陸架海-氣CO2 通量年際變化及長(zhǎng)期趨勢(shì)、太平洋扇區(qū)多年平均CO2 通量分布和2007—2015 年與1998—2006 年年均值之差Fig.7 Interannual variability and long-term trend of air-sea CO2 flux over the Chukchi Sea shelf,distribution of multi-year averaged air-sea CO2 flux in the Pacific Arctic Region and changes between 2007—2015 and 1998—2006

圖8 1998—2007 年和2008—2015 年50～250 m 溶解無(wú)機(jī)碳和硝酸鹽平均濃度及兩階段平均濃度之差Fig.8 DIC and nitrate concentration averaged within 50—250 m water column during 1998—2007,2008—2015 and the differences between the two periods

模擬結(jié)果展現(xiàn)了太平洋扇區(qū)氣候轉(zhuǎn)換前（1998—2006 年）和后（2007—2015 年）狀態(tài)之間顯著的碳吸收差異（圖7c），表現(xiàn)為強(qiáng)源/匯各自增強(qiáng)，寡營(yíng)養(yǎng)海盆區(qū)對(duì)氣候變化并不敏感。陸架區(qū)初級(jí)生產(chǎn)增加對(duì)增匯貢獻(xiàn)已是定論，陸坡和海盆區(qū)除海冰狀態(tài)變化影響外，營(yíng)養(yǎng)鹽供給變化的貢獻(xiàn)還需繼續(xù)量化。

3 太平洋水在陸坡和海盆區(qū)輸運(yùn)變化及其對(duì)海洋碳匯作用的影響

高DIC 的太平洋水流經(jīng)楚科奇海陸架底層時(shí)進(jìn)一步吸收有機(jī)物再礦化釋放的額外CO2[5,7,30]，流出陸架后繼續(xù)進(jìn)入陸坡和海盆區(qū)，占據(jù)北冰洋太平洋扇區(qū)次表層[31-32]，在海盆內(nèi)次表層（50～250 m）形成DIC 最大值層[33-34]。Chen[35]基于觀測(cè)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)1994 年馬卡洛夫海盆次表層沒(méi)有DIC 最大值層，而2010 年次表層太平洋水占比達(dá)到50%、存在DIC 最大值層，推測(cè)這可能是環(huán)流的改變使得太平洋水?dāng)U展至此帶來(lái)的。Qi等[7]基于150°W 至170°W 多個(gè)經(jīng)向斷面多年觀測(cè)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)次表層酸性水體也從1990s 到2010 年不斷向高緯海盆擴(kuò)展并且在垂向上有所加深。太平洋水同時(shí)也是高營(yíng)養(yǎng)鹽水體，在進(jìn)入海盆后會(huì)在上鹽躍層中形成營(yíng)養(yǎng)鹽的最大值層[36]。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)馬卡洛夫海盆1996 年上鹽躍層中不存在營(yíng)養(yǎng)鹽最大值層，2014 年則出現(xiàn)了營(yíng)養(yǎng)鹽最大值層[37]。可見(jiàn)太平洋扇區(qū)陸坡和海盆在2007 年前后營(yíng)養(yǎng)鹽供給和DIC 分布均發(fā)生了氣候態(tài)轉(zhuǎn)型，這會(huì)引起其碳匯能力怎樣的響應(yīng)呢？

Chu 等[29]利用NAPA-BGC 模式，揭示了太平洋扇區(qū)是次表層DIC 和營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)北冰洋環(huán)境快速變化響應(yīng)的敏感區(qū)，解析了變化格局的主控過(guò)程及太平洋水輸入在敏感區(qū)次表層-表層的界面交換對(duì)表層碳匯效率的影響。模式結(jié)果表明：太平洋水分布范圍在氣候轉(zhuǎn)變的前后2 個(gè)階段（1998—2007 年和2008—2015 年）發(fā)生很大變化，次表層DIC 和硝酸鹽（DIN）濃度高值區(qū)在向高緯擴(kuò)展，最遠(yuǎn)至85°N 左右，同時(shí)也向深處擴(kuò)展，最深到達(dá)300 m 左右；2 個(gè)時(shí)段次表層（50～250 m）DIC 和DIN 濃度差異均在馬卡洛夫海盆和楚科奇-東西伯利亞陸架坡折區(qū)最為顯著（圖8）。波弗特流渦對(duì)波弗特高壓南下、西移的響應(yīng)使得楚科奇-東西伯利亞陸坡流增強(qiáng)，同時(shí)也有利于物質(zhì)向陸坡和馬卡洛夫海盆輸運(yùn)。然而，環(huán)流水平輸運(yùn)帶來(lái)陸坡區(qū)的營(yíng)養(yǎng)鹽供給增加同時(shí)發(fā)生的表層和次表層，海盆區(qū)僅發(fā)生在次表層，垂直交換帶來(lái)截然不同的效果：陸坡區(qū)表層初級(jí)生產(chǎn)提升、碳匯增加，DIC、DIN 由表層向次表層輸運(yùn)，同時(shí)碎屑沉降增加導(dǎo)致次表層有機(jī)物再礦化增強(qiáng)，進(jìn)一步加劇陸坡次表層DIC 濃度增加；馬卡洛夫海盆區(qū)海表碳匯增加并不明顯（圖7c），因?yàn)槠浔韺訝I(yíng)養(yǎng)鹽是通過(guò)次表層與表層（0～50 m）的垂向向上交換增加的，但同時(shí)DIC 也向表層輸運(yùn)，兩物質(zhì)通量的比值（DIC∶DIN）遠(yuǎn)大于Redfield 碳氮比（RC∶N），對(duì)上層海洋吸收CO2能力產(chǎn)生抑制作用，營(yíng)養(yǎng)鹽供給差異在氣候態(tài)碳匯變化中起了重要作用（圖9）?？梢?jiàn)海盆區(qū)增匯潛力較弱有復(fù)雜的物理過(guò)程影響，同時(shí)可推測(cè)只有在寡營(yíng)養(yǎng)海區(qū)增加表層營(yíng)養(yǎng)鹽而不同時(shí)增加DIC 的地球工程才能起到增匯作用。

圖9 楚科奇-東西伯利亞陸架坡折和馬卡洛夫海盆次表層與表層DIC 和DIN 交換概念模型Fig.9 Schematic diagrams of DIC and DIN exchanges between surface and subsurface in the Chukchi-East Siberian Shelfbreak and the Makarov Basin

4 楚科奇海營(yíng)養(yǎng)鹽供給與初級(jí)生產(chǎn)維持及年際變化機(jī)制

常言道“太平洋水哺育了北冰洋”。NAPA-BGC 模式結(jié)果[38]進(jìn)一步明確了白令海納瓦林角附近陸架/陸坡交換-安納德?tīng)柫髁鹘?jīng)海區(qū)-白令海峽西側(cè)是營(yíng)養(yǎng)鹽向楚科奇海輸運(yùn)的主要通道，指出納瓦林角附近陸架/陸坡交換（CN 斷面，圖10）對(duì)硝酸鹽向極輸運(yùn)有調(diào)控作用，這個(gè)交換通量與白令海峽冬（2—3 月）、夏季（7—8 月）硝酸鹽通量年際變化的相關(guān)關(guān)系奠定了營(yíng)養(yǎng)鹽向極輸運(yùn)通量的季節(jié)預(yù)報(bào)基礎(chǔ)。對(duì)夏季白令海陸架營(yíng)養(yǎng)鹽輸運(yùn)通道的硝酸鹽收支估算表明：生物吸收作用對(duì)硝酸鹽向極補(bǔ)充通量年際變化的影響較小，平流輸運(yùn)作用占優(yōu)。白令海海洋環(huán)流年際差異主要是由阿留申低壓位置決定的，隨著阿留申低壓中心的加深及向西偏移，富含營(yíng)養(yǎng)鹽的安娜德?tīng)柫鞔蟛糠謺?huì)在安娜德?tīng)枮硟?nèi)發(fā)生逆轉(zhuǎn)而無(wú)法北上，從而引起白令海峽營(yíng)養(yǎng)鹽通量的急劇減少，這個(gè)大氣環(huán)流異常引起下游楚科奇海整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)到碳匯能力的巨大變化，確實(shí)是“太平洋打個(gè)噴嚏楚科奇海就感冒”的關(guān)聯(lián)。

圖10 1998—2015 年白令海冬季與夏季500 m 深度平均硝酸鹽分布Fig.10 Depth-averaged simulated nitrate concentration in the upper 500 m water column in the Bering Sea averaged for winter and summer seasons over 1998—2015

楚科奇海浮游植物具有較長(zhǎng)的生長(zhǎng)期，Arrigo 和Dijken[39]指出1998—2009 年間楚科奇海水華時(shí)長(zhǎng)平均為119 天，而Hill 和Cota[40]認(rèn)為楚科奇海生長(zhǎng)期達(dá)150 d。楚科奇海初級(jí)生產(chǎn)的年均值在55～720 g C·m-2·a-1之間[4,41-42]，伴隨著海冰對(duì)光限制的改變，楚科奇海初級(jí)生產(chǎn)有著顯著的季節(jié)變化。5 月初，楚科奇海的初級(jí)生產(chǎn)開(kāi)始啟動(dòng)，其值普遍小于300 mg C·m-2·d-1[40]，近年的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)在5—6 月，楚科奇海存在冰下浮游植物水華[43-44]。夏季（7—8 月），由于表層營(yíng)養(yǎng)鹽被春季水華大量消耗，楚科奇海初級(jí)生產(chǎn)向深層發(fā)展，最大值出現(xiàn)在次表層25～30 m 之間，與營(yíng)養(yǎng)鹽躍層上界一致[40]，且生產(chǎn)力處于相對(duì)較高水平，平均值在700～1 400 mg C·m-2·d-1之間[4,45]。秋季（9—10 月），垂向混合作用加強(qiáng)，表層營(yíng)養(yǎng)鹽逐漸得到補(bǔ)充，表層出現(xiàn)強(qiáng)度較弱的秋季水華，總初級(jí)生產(chǎn)在255～578 mg C·m-2·d-1之間[46-47]。已有研究強(qiáng)調(diào)了太平洋冬季水對(duì)東北楚科奇海生態(tài)系統(tǒng)的重要性[48-50]，然而楚科奇海的初級(jí)生產(chǎn)存在較大的空間差異，形成了以楚科奇海南部和漢娜淺灘毗連海區(qū)為中心的南北兩個(gè)生物熱點(diǎn)區(qū)。5 月南、北熱點(diǎn)區(qū)初級(jí)生產(chǎn)分別可達(dá)2 166 mg C·m-2·d-1和407 mg·C·m-2·d-1，7 月更是分別高達(dá)3 015 mg C·m-2·d-1和2 016 mg C·m-2·d-1[4]，8 月南、北熱點(diǎn)區(qū)浮游植物平均固碳速率分別為1 630 mg C·m-2·d-1和180 mg C·m-2·d-1[51]，9 月南、北熱點(diǎn)區(qū)初級(jí)生產(chǎn)平均值分別為437 mg C·m-2·d-1和126 mg C·m-2·d-1，年均值分別為208 g·C·m-2·a-1和173 g C·m-2·a-1[4]?？傮w而言，楚科奇海南部生物熱點(diǎn)區(qū)初級(jí)生產(chǎn)高于北部生物熱點(diǎn)區(qū)[6]。

楚科奇海在整個(gè)生長(zhǎng)季都維持著相對(duì)較高的初級(jí)生產(chǎn)，正是這種高生產(chǎn)使楚科奇海發(fā)揮著高效的生物泵作用，Zheng 等[14]通過(guò)分析NAPA-BGC 模式結(jié)果，揭示了楚科奇海2 個(gè)生物熱點(diǎn)區(qū)高初級(jí)生產(chǎn)的維持機(jī)制。從水團(tuán)角度的分析結(jié)果表明，楚科奇海南北兩個(gè)生物熱點(diǎn)區(qū)的初級(jí)生產(chǎn)啟動(dòng)均以太平洋冬季水?dāng)y帶的營(yíng)養(yǎng)鹽為基礎(chǔ)，而生長(zhǎng)季內(nèi)初級(jí)生產(chǎn)的主要貢獻(xiàn)者分別為白令海夏季水和太平洋冬季水。南北兩個(gè)生物熱點(diǎn)區(qū)生長(zhǎng)季真光層內(nèi)的硝酸鹽收支估算結(jié)果表明（圖11）：南區(qū)真光層內(nèi)的硝酸鹽主要來(lái)源于平流作用輸運(yùn)的白令海夏季水；在北區(qū)，受地形誘導(dǎo)的環(huán)流結(jié)構(gòu)使得富營(yíng)養(yǎng)鹽的太平洋冬季水可較久地存留于漢娜淺灘附近，待上層水體營(yíng)養(yǎng)鹽被春季初級(jí)生產(chǎn)消耗后，垂向混合作用將存留太平洋冬季水內(nèi)的硝酸鹽持續(xù)補(bǔ)充至真光層，以此維持著漢娜淺灘附近夏秋季的初級(jí)生產(chǎn)，形成該區(qū)長(zhǎng)達(dá)110 d 的水華期。模式結(jié)果顯示，楚科奇海在1998—2015 年間春季（6—7 月）初級(jí)生產(chǎn)（圖12 綠線）和碳匯（圖7a 綠線）均呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)，且前者為因后者為果[28]?？紤]到營(yíng)養(yǎng)鹽自白令海峽進(jìn)入楚科奇海再向下游輸運(yùn)的時(shí)間[32]，對(duì)楚科奇海春季初級(jí)生產(chǎn)與白令海峽2—7 月硝酸鹽通量年際變化進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)兩者的相關(guān)性非常顯著（r=0.90，p＜0.01），高于初級(jí)生產(chǎn)與春季楚科奇海營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的相關(guān)性（r=0.79，p＜0.01）（圖12），也就是說(shuō)2—7 月太平洋水營(yíng)養(yǎng)鹽通量決定了春季楚科奇海生物固碳能力，調(diào)控了海-氣CO2的通量。

圖11 楚科奇海南北兩個(gè)生物熱點(diǎn)區(qū)真光層內(nèi)的硝酸鹽收支Fig.11 Nitrate budgets in the euphotic zones of the southern and northern biological hotspots in the Chukchi Sea

圖12 白令海峽2—7 月硝酸鹽通量與楚科奇海春季（6—7 月）硝酸鹽濃度和初級(jí)生產(chǎn)力Fig.12 Nitrate flux through the Bering Strait during February—July and spring（June—July）nitrate concentration and primary production in the Chukchi Sea

5 太平洋扇區(qū)有機(jī)碳輸出

生物泵增匯的關(guān)鍵在于大量顆粒有機(jī)碳快速移出真光層，進(jìn)入沉積埋藏或者進(jìn)入深海封存。長(zhǎng)時(shí)間序列觀測(cè)的難度阻礙了這個(gè)方向的發(fā)展，沉積物捕獲器是近年來(lái)開(kāi)始使用的觀測(cè)手段，極大推動(dòng)了人們對(duì)太平洋扇區(qū)有機(jī)碳輸出響應(yīng)環(huán)境變化的認(rèn)識(shí)?；趪?guó)際合作，2015—2016 年布放在東北楚科奇海的漢娜淺灘南側(cè)CEO 站的沉積物捕獲器（37 m）首次獲取了太平洋扇區(qū)淺海陸架的周年連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)期間顆粒有機(jī)碳（Particulate Organic Carbon，POC）垂向通量為145 g C·m-2·a-1，春夏季POC 通量的高值主要由硅藻通量貢獻(xiàn)，秋季依然存在較高的有機(jī)碳輸出[51]。阿拉斯加大學(xué)Danielson 團(tuán)隊(duì)在白令海峽附近海域布放了2 個(gè)錨系（～36 m）和7 個(gè)漂流沉積物捕獲器，受白令陸架水和安娜德?tīng)査郀I(yíng)養(yǎng)鹽水體影響，2017—2018 年2 個(gè)錨系站位的POC 通量分別為204 和215 g C·m-2·a-1，這是全球海洋中有記錄以來(lái)的最高通量之一，且該海域初級(jí)生產(chǎn)的輸出效率極高，平均為82%[52]。Lalande 等[53]綜合2017—2019 年北白令海和楚科奇海3 個(gè)生物熱點(diǎn)區(qū)站位的沉積物捕獲器數(shù)據(jù)，在融冰早的年份發(fā)現(xiàn)高葉綠素和硅藻通量的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)減少，生物泵效率較低，初級(jí)生產(chǎn)的能量主要進(jìn)入水層生態(tài)系統(tǒng)而非底棲生態(tài)系。2017—2018 年，韓國(guó)團(tuán)隊(duì)[54]在楚科奇-東西伯利亞陸坡分別布放了沉積物捕獲器，楚科奇海陸坡站位（325 m）的POC 通量為2.1 g C·m-2·a-1且無(wú)明顯年際差異，東西伯利亞陸坡站位115 m 和335 m 層的POC 通量分別為2.3 和2.0 g C·m-2·a-1，但由于高營(yíng)養(yǎng)鹽陸架水的入侵，2018 年8 月的POC 通量比2017 年8 月高1 個(gè)數(shù)量級(jí)。日本W(wǎng)atanabe 團(tuán)隊(duì)在楚科奇海臺(tái)南部NAP站和CAP 站布放的沉積物捕獲器中發(fā)現(xiàn)了大量的陸源物質(zhì)，認(rèn)為楚科奇海陸坡流和中尺度渦的發(fā)展及移動(dòng)對(duì)陸架物質(zhì)的輸運(yùn)會(huì)影響楚科奇海臺(tái)碳輸出[55-57]。我國(guó)自然資源部海洋二所陳建芳團(tuán)隊(duì)自2008 年起在北冰洋布放沉積物捕獲器開(kāi)展長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)研究，在參與國(guó)際北極漂流冰站計(jì)劃（Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate，MOSAiC）期間布放了我國(guó)首套北極冰基沉積物捕獲器，通過(guò)分析長(zhǎng)時(shí)間序列顆粒物通量、浮游生物群落組成、生物標(biāo)志物等參數(shù)取得了豐富的前沿認(rèn)識(shí)[58-61]。在北風(fēng)海脊附近布放的沉積物捕獲器（870 m）數(shù)據(jù)顯示，夏季海冰開(kāi)闊期顆粒有機(jī)碳通量較高（8.78 mg C·m-2·d-1），而秋冬季有冰期顆粒有機(jī)碳通量較?。?.46 mg C·m-2·d-1），觀測(cè)期間POC 總通量為1.9 g C·m-2·a-1；同時(shí)他們還發(fā)現(xiàn)2009 年顆粒有機(jī)碳通量高于2008 年，認(rèn)為這與海冰融化早、開(kāi)闊時(shí)期長(zhǎng)（生長(zhǎng)期延長(zhǎng)）有關(guān)[58]。由此可見(jiàn)，陸架存在極高的POC 沉降通量，這是對(duì)陸架高生產(chǎn)力的體現(xiàn)；在陸坡和海盆區(qū)，POC 輸出通量較低。海冰、營(yíng)養(yǎng)鹽、環(huán)流結(jié)構(gòu)等環(huán)境因素的變化都會(huì)深刻影響太平洋扇區(qū)有機(jī)碳輸出，需要進(jìn)行持續(xù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。目前的研究主要聚焦在有機(jī)碳移出真光層，進(jìn)入沉積埋藏或者進(jìn)入深海封存的相關(guān)研究較少[62-66]，這限制了人們對(duì)太平洋扇區(qū)碳匯能力的全面理解。未來(lái)需密切結(jié)合觀測(cè)和模式結(jié)果，估算太平洋扇區(qū)陸架有機(jī)碳沉積埋藏通量和向海盆輸出通量，深入認(rèn)識(shí)有機(jī)碳輸出對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)。

6 展 望

北冰洋太平洋扇區(qū)是海冰快速消退、氣候系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、環(huán)境劇烈變化的區(qū)域，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，“生物泵”“陸架泵”效率提高會(huì)帶來(lái)陸架、陸坡區(qū)自然碳匯能力的提升。海盆區(qū)由于生物泵作用較弱，碳匯能力提升并不顯著，加之受到酸化的嚴(yán)重限制[67]，海冰在高緯海區(qū)的進(jìn)一步消退、甚至30 a 后夏季無(wú)冰，都不可能同比提升太平洋扇區(qū)對(duì)CO2的吸收能力。同樣，楚科奇海陸架海底層也在不斷酸化[68]，我們對(duì)于海冰消退、初級(jí)生產(chǎn)增加帶來(lái)的碳匯紅利依然不能過(guò)分高估。

楚科奇海是巨大的CO2匯，每年可從大氣中固定近1 000 萬(wàn)t 碳，以區(qū)區(qū)55 萬(wàn)km2面積，固碳量可達(dá)整個(gè)北冰洋太平洋扇區(qū)（面積495 萬(wàn)km2）的44% ± 6%。每年沉降到海底的有機(jī)碎屑啟動(dòng)了楚科奇海龐大的底棲生物群落的生命活動(dòng)，并由此支撐了個(gè)體巨大的食底棲哺乳動(dòng)物（如海獅、海豹、海牛等），再通過(guò)復(fù)雜的生物地球化學(xué)循環(huán)而在沉積地層中埋藏，這部分碳埋藏通量有待評(píng)估，楚科奇海陸架向深海的碳輸出通量及“陸架泵”運(yùn)作機(jī)制還需深入理解，觀測(cè)技術(shù)的突破為有機(jī)碳輸出研究帶來(lái)曙光。

楚科奇海因太平洋的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充而具有極高的初級(jí)生產(chǎn)能力，其碳匯增加的結(jié)論能否推廣到北冰洋其他陸架海區(qū)還不確定。東西伯利亞海、拉普捷夫海會(huì)受到陸地河流、冰凍圈融化入海攜帶營(yíng)養(yǎng)鹽（硝酸鹽）、DIC（含甲烷）的影響，這些因素疊加在海冰融化背景上使其碳匯變化更加復(fù)雜，但因觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺失，目前還沒(méi)有定論?？：桶蛡愔Шt受河流和大西洋水影響，其中巴倫支海因大西洋水缺硅（Si）而呈現(xiàn)微型浮游植物占優(yōu)的生態(tài)特征，固碳能力小于硅藻占優(yōu)的太平洋扇區(qū)[69]，目前尚缺乏北冰洋快速環(huán)境變化背景下整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)及其對(duì)海洋碳匯能力的影響認(rèn)識(shí)，應(yīng)開(kāi)展太平洋扇區(qū)和大西洋扇區(qū)陸架、陸坡、海盆固碳能力對(duì)環(huán)境響應(yīng)的對(duì)比研究，改善北冰洋碳匯的預(yù)測(cè)能力。波弗特海淡水增加與向北歐海泄漏被認(rèn)為是影響大西洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流的關(guān)鍵，目前是氣候變化的熱點(diǎn)話題，這個(gè)變化是否與北冰洋碳匯能力變化有關(guān)？北冰洋是全球海洋酸化的領(lǐng)頭羊，酸化背景下北冰洋碳匯能力變化的定量研究需要關(guān)注。當(dāng)然，北冰洋碳匯能力變化在全球氣候系統(tǒng)的反饋一直是學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)，畢竟尋找自然碳匯、實(shí)現(xiàn)“碳中和”以減緩暖化是目標(biāo)，因此評(píng)估北冰洋碳匯能力增加在減緩氣候變暖中的作用是當(dāng)務(wù)之急，人為提高碳匯能力的地球工程可行性探究也進(jìn)入大眾視野。