海洋生物泵是指在海洋的生態環境中以生物或生物行為為動力，將碳元素從海洋表面向深層傳遞的過程。
基本介紹
- 中文名：海洋生物泵
- 外文名：Marine biological pump
- 用法：將二氧化碳轉化有機顆粒
- 作用：緩解大氣中的二氧化碳
由有機物生產、消費、傳遞、沉降和分解等一系列生物學過程構成的碳從表層向深層的轉移稱之為生物泵。海洋的生態環境中，在海水處於垂直穩定狀態下，碳要實現從表層向深層的垂直轉移需完成兩個步驟：1．從溶解態轉化為顆粒態；2．沉降。正是一系列的生物學過程完成了這兩個步驟。首先是生活在真光層(也叫有光層)內的大量的浮游植物進行光合作用吸收cq將其轉化為顆粒態，即有生命的顆粒有機碳(Living POC)，大多為單細胞藻類，粒徑幾個到幾十微米。然後，通過食物鏈(網)，逐級轉化為更大的顆粒(浮遊動物、魚等)。未被利用的各級產品將死亡、沉降和分解。轉化過程中產生的糞便、蛻皮等也構成大顆粒沉降，即非生命顆粒有機碳(Non—living POC)的沉降。生活在不同水層中浮遊動物的垂直洄游也構成了有機物由表層向深層的接力傳遞。由於沉降速度低，小顆粒有機物，如單細胞藻類在離開真光層不遠即死亡分解，只有大顆粒有機物才能抵禦微生物的分解活動得以到達深層，乃至沉積物中，進入長周期循環或“永世不得翻身”。光合作用產品中有相當一部分是以溶解有機碳的形式釋放到海水中，動植物的代謝活動也產生大量溶解有機碳。它們的一部分將無機化進入再循環，也有相當一部分被異養微生物利用再次轉化為顆粒態(微生物自身生物量)，並通過微型食物網(Microbial foodweb)再進入主食物網。上述海洋的生態環境中由有機物生產、消費、傳遞、沉降和分解等一系列生物學過程構成的碳從表層向深層的轉移稱之為海洋生物。
生物泵過程
生物泵是以一系列生物為介質，通過光合作用將大氣中的無機碳轉化為有機碳，之後在食物網內轉化、物理混合、輸送及沉降將碳從真光層傳輸到深層中的過程。
地球大氣CO2在海水中的溶解吸收是通過海洋浮游植物的光合作用而進行的。
海洋中的浮遊動物吞食浮游植物，食肉類的浮遊動物吃食草類浮遊動物。
這些生命系統所產生的植物和動物碎屑沉降在海洋中，某些沉降物將分解並作為營養物回到海水中，但也有一些（大約1%），到達深海或海床，在那裡被沉積而不再進入碳循環。
海洋生物泵主要分為3個階段，具體如下圖所示：
生物泵過程生物泵效率
生物泵效率是表征生物過程對大氣CO2的去除能力，影響生物泵效率的物理—化學過程很多，就生物生態過程來說，諸如生物量、初級生產力、群落結構、食物鏈與微食物環、呼吸過程等過程均會影響其對有機碳的輸出效率。
總的來說，影響生物泵效率的因素主要有以下幾個：
（1）營養鹽的限制； （2）鐵的作用； （3）固氮作用； （4）生態系統結構
生物泵中的重要環節作用及意義
海洋生物泵是全球碳循環的重要組成部分，調節上層海洋有機碳顆粒向下層海洋的傳輸，對維持大氣CO2濃度具有重要作用。生物泵的作用主要是通過CO2的轉化實現碳的向下轉移和營養鹽的消耗升高表層水的鹼度，從而降低水中的P（CO2），促進大氣CO2向海水中擴散。
生物泵的淨化效果是減少表層海水中的碳含量使得它可以從大氣中獲取更多的二氧化碳以恢復表層平衡。海洋浮游植物通過光合作用吸收大氣CO2、釋放出氧氣，成為海洋食物鏈中其它各級生物的有機質食物來源，同時產生各種鈣質生物骨骼或殼體，死亡後的殘骸逐漸沉降到洋底。這就猶如水泵那樣，將上層海水中的CO2最終被“抽提”輸送到洋底沉積物之中。一般來說，海洋初級生產力越高，大氣CO2濃度就越低。
研究歷史及現狀起源及發展
海洋碳主要有3種存在形式：
溶解無機碳（DIC），溶解有機碳（DOC）和顆粒有機碳（POC）
其大致比例是2 000：38：1。
生物體產生和持有的碳主要為DOC和POC，基本上都是通過初級生產過程實現的。基於海洋對大氣CO2的調節能力，海洋碳循環主要受兩種機制調控：溶解泵(solubility pump，又稱物理化學泵)和生物泵（biological pump）。溶解泵是一個生物地球化學概念，是將溶解無機碳從海洋表層傳輸到海洋體系中的過程。生物泵是以一系列生物為介質，通過光合作用將大氣中的無機碳轉化為有機碳，之後在食物網內轉化、物理混合、輸送及沉降將碳從真光層傳輸到深層中的過程。
在早期碳循環研究中，溶解泵受到極大的重視，但隨著大氣CO2分壓的持續增高，海洋表層的溶解泵趨於飽和。此時，生物泵過程卻在持續不斷地工作，因此，海洋生物泵日益成為科學家的研究熱點。 研究者正在構想通過提高某些海區的新生產力，加速生物泵的運轉以提高海氣界面碳通量。
研究現狀
我國對生物泵的研究歷史較短，相關研究較少，研究涉及的範圍較窄，下面介紹一些國內相關研究進展。 黃邦欽等在全球氣候變化背景下，研究了海洋浮游植物生物量及群落結構的變動趨勢，探討了浮游植物群落結構演變與厄爾尼諾—南方濤動（ENSO），太平洋年代際濤動（PDO）和北大西洋濤動（NAO）等現象的關聯，分析了群落結構與生物泵效率的耦合關係； 金心等通過溶解度泵模式與包含溶解度泵和生物泵的組合模式的對比研究表明生物過程產生的海氣通量的量級非常大，在高緯度和赤道地區兩種泵的量級差不多，只是高緯度地區兩者的符號相反，而赤道地區兩者的符號相同； 徐永福等使用一個包括浮游生物和無生命氮的食物網描述海洋上層的生物過程，並將此生物模式用於佛羅里達海峽的一個固定位置和從佛羅里達海峽流經挪威海的一個水團中，研究顯示生物泵對水團吸收大氣CO2的貢獻約為16%； 目前，對海洋生物泵的組成結構和時空變化的研究有初步認識，主要是對浮游植物、海雪等顆粒物質的碳通量進行的估算，但是對於TEP的研究還很缺乏。研究海洋生物泵的效率和機制是未來科研工作的重點，對於預測全球海洋變暖具有重要的意義。
未來挑戰
海洋—大氣耦合模型的初步結果表明，未來100年，由於表層水變暖，海洋的層化作用會加強，熱量環流會減弱。這不僅會削弱物理泵的作用，而且會改變提供至上層海洋的營養鹽通量，進而對生物泵有明顯影響。以下科學問題有待深入的探討：
（1）長期的時間系列採樣仍需重視，從而有可能更深入地了解時間演化現象；
（2）最近對大陸架區域的觀測表明，不少的大氣CO2被吸收到海洋邊緣海域；未來的研究必須確定沿岸海域整體是否是人類來源的碳“匯”區，並定量確定沿岸水體與大洋水體之間的碳交換通量；
（3）鐵的可利用性會影響到浮游生物種群結構。全球變暖有可能改變風速及其模式，陸地的開發利用有可能改變塵埃的來源，這些均會導致鐵提供量的變化，從而可能影響到HNLC區域生物泵的效率，改變海洋吸收大氣CO2的能力。
（4）全球氣候會影響到海洋環流模式，由此改變NO3-，SiO32-,PO43-等的生物可利用量；
（5）當前的研究主要集中於100～200m及近海底區域，但已認識到，由生物泵輸送的有機物的降解主要發生在真光層以下至500～1000m的區域，未來的研究有待加強此區域研究；
（6）顆粒物的輸出與降解是生物泵中的重要環節，未來的生物泵地球化學模型必須加入有關顆粒有機物、溶解有機物轉化方面的信息；
（7）對浮遊動物主動遷移所導致的輸出過程的研究有待加強。
