碳排放对海洋核心固碳生物的影响

由于二氧化碳的排放，海洋正在酸化。现在，人们发现，这将改变被称为硅藻的海洋生物的外壳溶解性，从而改变海洋中营养物质和浮游生物的分布。2022年5月25日，Nature（自然）期刊的NEWS AND VIEWS（新闻和观点）板块重点推荐了本期的一篇相关文章，由德国GEOMAR Helmholtz海洋研究中心Jan Taucher等人发表的题为“Enhanced silica export in a future ocean triggers global diatom decline”的文章，报道了未来海洋中二氧化硅输出的增加，将引发全球硅藻的减少。

[NEWS AND VIEWS] Sinking diatoms trap silicon in deep seawater of

acidified oceans

[新闻和观点] 下沉的硅藻将硅困在酸化海洋的深海海水中

大部分海洋中，生态上占主导地位的浮游植物是一组单细胞有机体，称为硅藻。Taucher等人在《自然》杂志上发表了一项研究，该研究结合了实验、观测和建模方法，以研究海洋酸化的硅藻驱动效应（海水中二氧化碳浓度升高的结果）将如何影响生物地球化学循环。单独的证据表明，海洋酸化将对元素向深海的输出产生深远影响。

硅藻通过光合作用将溶解的二氧化碳高效地转化为有机碳，因此，这些有机碳会被整合成粒子，迅速沉入深海。因此，硅藻是“生物泵”的主要引擎，将碳输出到深海进行封存。每个硅藻细胞都被封闭在二氧化硅（SiO2，其中Si是硅）的外壳中，硅在这种生物矿物中的溶解度对pH值敏感——随着海水酸度的升高，硅的可溶性降低。虽然海洋科学家对硅藻的这些特征很熟悉，但尚未探讨它们对海洋酸化背景下未来生物地球化学循环的综合影响。

Taucher及其同事在海洋的不同地区进行了一系列五项实验，其中自然浮游植物群落生长在大型围隔（体积为35-75立方米）中，称为中观世界，模拟未来的海洋酸化。当作者测量中观层底部硅藻衍生碎屑的元素组成时，他们观察到硅与氮的比率远远高于悬浮在表面附近的颗粒的比率。这表明，在海水pH值较低的情况下，硅藻硅壳的溶解速度比含氮化合物在同一沉陷材料中的溶解速度慢得多。换言之，硅优先从地表输出到更深的水域，而不是氮。作者通过记录公海下沉生物碎屑中的硅氮比来验证这一发现，硅氮比是海水pH值的函数，并从研究船部署的颗粒收集沉积物捕集器中获得。

海洋学家早就知道，硅藻壳中的硅比下沉颗粒中的碳和氮等元素具有更深的再矿化深度剖面，这意味着随着颗粒下沉，硅转化为溶解形式的速度更慢。因此，相对于其他元素的浓度，硅在颗粒下降到水柱时逐渐富集。Taucher及其同事的研究进展是，海洋酸化大大放大了下沉硅藻细胞碎片中元素溶解速率的现有差异。

作者将他们的发现整合到一个复杂的生物地球化学模型中，该模型将这种差异再矿化推断到2200年。他们的建模表明，由于生物泵向下输送高硅富集颗粒，广泛的酸化可能导致海洋硅库存大量被困在深海中（图1）。这意味着，通过大规模、中等深度的海洋环流模式返回上层海洋的溶解硅的数量将减少，从而减少这种在阳光照射的地表水中支持硅藻生长的必要营养素的数量。因此，该模型预测未来全球硅藻丰度将急剧下降，因为硅藻将缺乏建造外壳所需的溶解硅。

图1 硅藻壳在酸化海洋中的溶解度影响海洋硅通量

Taucher及其同事的预测中的一个主要问题是，对二氧化硅溶解有相反影响的两个同时发生的全球变化过程的相对重要性：海洋酸化和变暖。尽管作者令人信服地表明，海洋酸化加剧会降低二氧化硅颗粒的溶解度，但海水温度也会升高，并会增加溶解速率。研究人员计算，酸化的负面影响可能会超过变暖的正面影响。然而，由于下沉颗粒的硅溶解发生在整个水柱中，因此总体结果将取决于作者的模型捕捉二氧化碳衍生的酸度和热量从表面转移到更深海洋的相对速率。

另一个需要明确解决的问题是，酸化介导的下沉颗粒中硅损失速率的降低将如何影响生物泵的固碳。硅藻产生的二氧化硅比有机碳密度更大，因此人们很容易假设，增加二氧化硅的截留率将产生实质性的压载效应，这将使颗粒更快下沉，从而提高向深海输出碳的效率。

然而，Taucher等人在观测到的中间层下沉粒子的硅碳比中未发现明显的pH相关趋势。他们将这种趋势的缺失归因于海洋酸化对不同浮游植物群落产生的颗粒碳氮比影响的可变性。如果正确，这将极难确定硅藻介导的碳输出到深海的二氧化硅溶解速率未来变化的净结果。

这项新研究提出的关于海洋环境变化对生物必需元素再矿化深度剖面的直接影响的问题，也可能涉及其他关键营养素。例如，铁限制了大部分海洋表面有机化合物的光合生产，尤其是硅藻的光合生产。铁和硅目前在海洋中的再矿化深度分布相似，但酸化可能会增加铁在下沉颗粒中的溶解度。因此，海洋酸度的增加应该会使浅水中下沉颗粒释放更多的铁，而不是像硅那样释放更少的铁。这些额外溶解的铁可能很容易被硅藻和生长在海面附近的其他浮游植物重新利用。Taucher及其同事的研究的一个持久贡献可能是鼓励重新审视全球变化因素（如酸化、变暖和脱氧）对营养元素再矿化的相对影响，从而对其未来通过海洋生物泵输出的影响。

正文

Enhanced silica export in a future ocean triggers global diatom decline

未来海洋中二氧化硅输出的增加引发全球硅藻下降

摘要

硅藻占海洋初级生产力的40%，需要硅酸来生长和建造蛋白石壳层。在生理和生态层面上，硅藻被认为对海洋酸化具有抵抗力，甚至可以从中获益。然而，全球范围的反应和对未来海洋生物地球化学循环的影响在很大程度上仍然未知。在这里，我们开展了五次对不同生物群落中的自然浮游生物群落的原位中尺度实验，发现：预计在2100年，海洋酸化使下沉生物源物质中硅（Si）与氮（N）的元素比率增加17 ± 6%。Si:N的这种变化似乎是由于海水pH值降低时二氧化硅的化学溶解变慢所致。我们利用全球沉积物捕集器数据对这一发现进行了测试，这些数据证实了pH值对海洋水柱中Si:N的广泛影响。地球系统模型模拟表明，未来pH值驱动的下沉物质二氧化硅溶解减少会降低表层海洋中硅酸的可用性，从而引发全球硅藻数量因海洋酸化在2200年时下降13–26%。这一结果与以往实验研究的结论形成了鲜明对比，从而说明了我们目前对海洋变化生物影响的理解如何通过地球系统中意外的反馈机制在全球范围内发生重大变化。

[研究背景]

全球浮游植物生物地理学与表层海洋的营养物可用性密切相关。硅藻是硅化物的主要类群，维持着一些最具生产力的海洋生态系统，是海洋生物CO2封存的主要驱动力。与大多数其他浮游植物类群不同，它们需要硅酸（Si(OH)4）来实现蛋白石壳（称为圆台）的生物矿化。因此，与氮等其他主要营养素相比，硅的可用性决定了硅藻的大规模生长和分布。通过生物粒子（称为生物泵）的重力下沉，硅和氮从表层海洋中剥离出来，并输送到更深的水层，在那里，有机质的再矿化和生物蛋白石的化学溶解将其转换回溶解形式。因此，颗粒物输出的化学计量Si:N比（Si:Nexport）与全球海洋环流的物理输送相结合，决定了无机营养物在长时间尺度上的大规模分布以及硅藻在世界海洋中的流行程度。然而，未来全球硅和氮营养分布的潜在变化，以及它们可能如何影响海洋中的硅藻，目前尚不清楚。

海洋酸化（OA）研究的现状表明，硅藻将主要受到生理水平的影响（例如，通过改变光合作用的CO2可用性）或浮游生物群落内生态相互作用的改变。许多生理学和生态学研究表明，OA对硅藻的影响是非常多变的，这可能是由于相关性状（例如，细胞大小或碳吸收机制）的多样性，以及与其他环境因素（如光、营养和温度）的相互作用。总的来说，越来越多的证据表明，对硅藻的正面影响比负面影响更常见，无论是对物种还是群落水平。因此，硅藻被认为是OA的“赢家”。

海洋酸化对Si:Nexport的影响

我们分析了五年来垂直粒子通量的Si:N组成数据的原位中层实验，不同生物群落中的自然浮游生物群落（包括硅藻）暴露于模拟OA中。这种实验方法使我们能够区分OA对生产的影响（例如，硅藻群落的反应）和对输出/降解的影响（例如，下沉期间生物颗粒组成的变化）。为了测试OA对Si:Nexport的系统性影响，我们根据第五次政府间气候变化专门委员会（IPCC）评估报告的6.0至8.5情景的代表性浓度途径（RCP），使用对数响应比（LNR）和世纪末的概率密度对OA效应进行量化。我们的分析显示总体增长了17%（lnRR = 0.16），在OA条件下的Si:Nexport比率（图1）。5项研究中有4项出现了显著影响，影响程度非常相似（lnRR范围从瑞典的0.14到斯瓦尔巴群岛的0.19）。在不同的生物群落中，观察到的Si:Nexport的变化令人惊讶地一致，硅藻对浮游生物总生物量的贡献不同，如基线Si:N比率的范围所示（斯瓦尔巴特群岛<0.1，瑞典约1.8；图1b）。

图1: 在不同海洋生物群落原位中观研究中，OA对下沉颗粒物Si:N的影响

图S1：OA的介观实验

值得注意的是，OA对Si:N的影响仅对沉降颗粒（收集在沉积物捕集器中）可检测到，而对悬浮在水柱中的颗粒物不可检测到（图1c）。这表明，观察到的OA对Si:N的影响主要出现在生物碎屑颗粒下沉时，而不是由于其产生过程中的生物效应。较低的pH值很可能加速了下沉蛋白石的溶解，从而增加了Si:Nexport。海水通常在硅酸中不饱和，因此对硅藻壳的无定形二氧化硅具有腐蚀性。因此，硅藻保护其细胞壁二氧化硅免受化学溶解，并在细胞周围形成有机涂层。一旦这种保护涂层被细菌降解（随着衰老的开始），硅藻二氧化硅的溶解速度会急剧增加。这通常与硅藻水华的终止和生物量的下沉（例如，海洋雪）同时发生。这一机制解释了为什么在我们的介观数据中，OA对蛋白石溶解的影响只在下沉物质中变得明显，而在悬浮颗粒物中则不明显。这一解释得到了理论和实证研究的支持，这些研究表明，在较低的pH下，生物硅的化学溶解速率会降低。在我们的实验中观察到的OA效应是，当pH值降低约0.3时，Si:Nexport增加17%。假设这完全是由蛋白石溶解的pH敏感性驱动的，这对应于蛋白石溶解速率每单位pH下降57%。这一数字与化学研究的结果非常一致，化学研究发现每单位pH 的二氧化硅溶解变化为60%-70%。此外，这些结果与理论溶解动力学一致：生物成因二氧化硅主要由四面体结合的Si–O–Si二氧化硅组成，但也包含羟基化二氧化硅（例如，硅醇：Si–OH）。生物二氧化硅的化学溶解由桥接Si–O键的断裂控制，在较高pH下，由于反应性粒子表面上硅醇基团的脱质子化增加，桥接Si–O键的断裂变得容易。虽然不能完全排除观察到的OA对Si:N影响的其他解释，但各种独立的证据线和数据集的一致性（中观世界、海洋沉积物陷阱、以前的化学研究）表明，生物硅溶解的pH依赖性是我们发现的最可能的解释。

这一机制也可以解释为什么之前没有观察到OA对Si:Nexport的这种影响，因为很少有实验研究能够区分悬浮物质和下沉物质（即下沉颗粒的产生和降解）。此外，蛋白石溶解动力学可能也是芬兰唯一未检测到OA对Si:N影响的研究地点的原因（图1）：因为盐度是控制蛋白石化学溶解速率的另一个相关因素，较高的盐度可提高溶解速率-低盐度约为6 psu（芬兰的实用盐单位）可能掩盖了OA的任何潜在影响。应注意的是，由于OA下C:N的额外和可变位移，Si:C的响应模式比Si:N的响应模式变化更大（图S2）。

图S2：OA对下沉生物物质不同元素比(Si:N、C:N和Si:C)的影响比较

为了进一步验证我们的解释，即观察到的OA对Si:Nexport的影响是由蛋白石溶解的pH敏感性驱动的，我们分析了沉积物捕集器数据的全球汇编，以检查pH对海洋中下沉颗粒的Si:N比的影响。众所周知，蛋白石在水柱中的溶解速度慢于有机物的再矿化，导致颗粒物在下沉至深度时逐渐富硅。我们的分析表明，在较低的pH值下，海洋水柱中的硅与氮相比（Si:N随深度增加而增加）的这种保存增强（图2）。这一结果与我们的OA实验结果一致，表明pH值在控制蛋白石溶解和海洋中二氧化硅再矿化深度方面具有相关作用。然而，迄今为止，在全球范围的OA研究中，这种影响一直被忽视，因为控制水柱中生物硅溶解的主要因素是温度。

图2: pH对海洋中生物硅溶解的影响

全球生物地球化学意义

我们在浮游生物群落中的实验结果的一致性，以及pH依赖性蛋白石溶解作为主要驱动机制的证据，为我们的研究结果提供了一个有充分根据的机制解释，表明Si:Nexport对OA的敏感性是一个全球相关机制。我们应用了一个地球系统模型（维多利亚大学地球系统和气候模型，UVic ESCM）来评估直到2200年，pH敏感蛋白石溶解产生的Si:Nexport变化如何影响全球浮游生物生物地理和营养分布（继扩展RCP8.5和RCP6.0情景之后）。与其他地球系统模型一致，我们的模拟预测了气候变化对世界海洋的深远影响，例如，海面变暖和营养供应减少，这反过来导致浮游植物生物量下降（包括硅藻）。最重要的是，我们对蛋白石溶解和Si:Nexport的pH影响进行的模拟揭示了OA的其他生物地球化学影响，这对未来几个世纪的海洋硅循环和硅藻产生了深远的影响。在这种情况下，值得注意的是，未来温度和pH值的变化对蛋白石溶解有拮抗作用，即众所周知的升温加速和此处显示的OA反应的减缓，以及pH值降低对升温影响的过度补偿（图S3）。

图S3：升温和OA对二氧化硅溶解的影响对比

OA下蛋白石的缓慢溶解放大了硅酸盐泵，也就是说，增强了硅从表面向深海的转移（图3a）。生产表层Si(OH)4的这种损失在南部海洋最为严重，目前硅藻驱动的生产力和蛋白石出口量最高（图S4），北太平洋和大西洋的损失程度较小。一般来说，南部海洋在海洋硅循环中起着关键作用：（i）通过充当“硅陷阱”（全球约一半的硅酸在这里被回收），以及（ii）通过形成模式水和中间水，这些水通过经向翻转循环构成全球大部分海洋初级生产的主要营养源。在我们的模拟中，OA改变了这两种机制。升高的Si:Nexport实际上将Si重新分布到南极次锋面以南2000–3000 m更大的深度位置（~ 55° S） ，主要进入南极底水，部分通过绕极深水上升流返回南部海洋的辐散区。这就产生了一个粒子输出循环，Si:N含量升高，蛋白石溶解变慢，南极辐散区富含硅的绕极深水上升流变缓，但这不足以抵消较强的硅酸盐泵（图3a）。总的来说，这会逐渐耗尽1000–2000年上限的Si(OH)4，并增强南大洋深处硅的永久积累（“捕获”）。因此，在南极模式和中间水域，Si减少，这些水域将营养物质向北分布在全球翻转环流的分支内。一旦南极模式和中间水域到达北半球（主要在大西洋）的表面，这些已经缺乏硅的水团就为硅藻的生产提供了燃料，并且升高的Si:Nexport进一步将硅从表面重新分布到深海。

图3: OA作用下二氧化硅缓慢溶解的全球影响

图S4：海洋表面硅酸的模型与数据对比

这些过程的结合导致了OA驱动的表层海洋硅的全球损失及其在深海中的捕获。2200年之前，由于OA，表层海洋中Si(OH)4的全球平均浓度减少了−11%至−27%（分别为RCP6.0和RCP8.5）。透光区Si(OH)4的逐渐减少，降低了硅藻这一重要资源的可用性，导致2200年之前，全球硅藻生物量的OA驱动下降−13%至−26%（分别适用于RCP6.0和RCP8.5；图3b）。几乎一半的下降发生在南大洋栖息地的北部边界，大约55° S（图3c），其中Si(OH)4在工业化前的条件下已经受到限制（图S4），并且由于OA增强的Si:Nexport而逐渐耗尽。我们注意到，上述数字是指OA驱动的二氧化硅溶解变化的净影响，这些变化发生在气候变化的其他影响之上，例如，由于增强的热分层导致营养供应减少。

虽然这些结果应被视为OA对Si:Nexport的影响的第一个估计，可能会影响硅藻的未来生物地理学，但我们强调，硅藻的模拟全球衰退是由非生物机制驱动的，从而大大减少了通常对OA的复杂和可变生物反应固有的不确定性。因此，可以合理地假设，如果将OA对Si:Nexport和蛋白石溶解的影响纳入其他全球模型，将产生类似的结果。然而，生态系统功能和碳循环的相关后果更难评估，因为我们的模拟（类似于大多数地球系统模型）没有考虑到可能引发食物网结构和生物泵连锁效应的潜在相关生理和生态机制。

图S5：模拟OA对硅酸和硅藻的影响

综上所述，我们从中观世界实验和地球系统模型模拟中得出的结果表明，OA可能会导致Si:Nexport的系统性增加，从而导致表层海洋中Si(OH)4的减少以及未来几个世纪硅藻的全球减少。这一结果与生理和生态实验的结果形成了对比，这些实验表明硅藻可能对OA具有抗性或从中受益。值得注意的是，我们的研究结果产生于OA诱导的海洋硅循环中先前被忽视的生物地球化学反馈，而不是CO2升高对硅藻生理的影响。有趣的是，上述研究表明，如果OA有利于硅藻在浮游植物群落中的竞争力，通过硅泵的这种反馈机制可能会进一步加剧。在这种情况下，硅藻将更有效地耗尽表层海洋中的硅，并加速其最终的衰退。我们的研究表明，通过不可预见的生物地球化学反馈机制，海洋生物群对OA的预期反应如何在全球范围内发生改变，甚至发生颠倒。在更广泛的背景下，这表明，我们目前对海洋变化的生物影响的理解，主要基于单一物种和小规模生态研究，如果不考虑地球系统的复杂性，可能是欺骗性的。