碳酸鹽泵(Carbonate Pump)指海洋生物通過固定海水中的碳酸鹽，生成碳酸鈣質地的保護外殼，並最終將碳酸鈣顆粒物沉降埋藏於海底的過程。由於海洋生物利用碳酸氫鹽生成碳酸鈣的過程會釋放CO2，因此該過程也被稱為碳酸鹽反向泵(Carbonate Counter Pump, CCP)。碳酸鹽泵是海洋生物泵(Biological Pump)的重要組成部分，在海洋碳循環中發揮著關鍵的作用。
基本介紹
- 中文名：碳酸鹽泵
- 外文名：Carbonate Pump
- 別名：碳酸鹽反向泵
- 相關名詞：鈣化作用
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作用機理
碳酸鹽泵的作用機理是海洋生物的鈣化作用(Calcification)。生活在海洋表層的鈣質生物，如顆石藻和浮游有孔蟲等，其體表都會沉積碳酸鈣。這些生物會利用海水中的溶解無機碳(Dissolved Inorganic Carbon, DIC)形成碳酸鈣，從而產生堅硬的保護外殼。隨著這些生物的死亡，殼體中的碳酸鈣會同生物一起沉降至海底，其中可能會伴隨著微型生物的分解利用造成的部分碳的回收利用，完全逃離這些過程的碳酸鈣顆粒則會到達海底，並在海底的沉積物中封存幾千年或更長的時間，真正意義上降低了大氣中的CO2水平。
需要注意的是，碳酸鈣在海洋中沉降的同時也驅動了海水中碳酸鹽反向泵過程，最終會導致溶解在海水中的CO2不斷向大氣中釋放，這在一定程度上抵消了生物有機碳泵和顆粒無機碳(Particle Inorganic Carbon, PIC)沉降的固碳效應。
碳酸鹽泵的反應過程較為複雜，可以被簡化為如下化學反應式：
Ca2+ + 2 HCO3-→CaCO3 + CO2 + H2O
作用影響
在海洋生物的鈣化作用下，每形成1個單位的碳酸鈣就會降低1個單位的DIC，但同時也會造成海洋中的鹼度(TAlk)降低2個單位，可以表示為如下化學反應式：
Ca2+ + CO32-→CaCO3
DIC = [CO2] + [HCO3-] + [CO32-]
TAlk = [HCO3-] + 2[CO32-] + [B(OH)4-] +[OH-] – [H+]
由此可知，生物體在體表沉積碳酸鈣並不僅僅是簡單地將海洋中的DIC結合到顆粒碳酸鈣中，同時也會促進海洋鹼度的垂向梯度的形成和維持，從而進一步影響海洋中溶解無機碳體系的平衡。除此之外，碳酸鹽反向泵的過程還會造成溶解CO2在表層水的分壓升高，使得水體中CO2過飽和，最終導致CO2向大氣中釋放。因此，海洋鈣質生物的鈣化作用對調節海氣互動面的CO2平衡也具有重要作用。
顆石藻與碳酸鹽泵
今生顆石藻(Living Coccolithophorid)是浮游植物中的一類重要的功能群，既可以通過有機碳泵對海洋生態系統碳循環過程起到重要作用，也可以通過碳酸鹽反向泵影響海水中的碳酸鹽和CO2體系，從而影響全球的碳循環過程。
- 光合作用與鈣化作用
與一般的浮游植物相比，顆石藻兼具光合作用和鈣化作用的能力，因而在海洋碳循環過程中占據了十分特殊的地位。顆石藻對光的需求大於其他浮游植物，而且對強光具有耐受型。此外，顆石藻還可以在低磷酸鹽環境中占據優勢。雖然如此，顆石藻的生長時常會受到海水中低濃度CO2的限制。
除了光合作用以外，顆石藻還可以通過鈣化作用形成碳酸鈣質地的細胞壁外殼，而且顆石藻的鈣化過程也依賴於光的存在。有人依據顆石藻光合作用和鈣化作用的特性提出了相關的假說，認為鈣化作用可以削弱顆石藻在海洋表層受到的光抑制作用，同時還能通過吸收碳酸氫鹽對細胞內的CO2進行補充。關於鈣化作用的生理生態功能，目前已經有許多尚待證實的假說，如抵禦攝食、抵禦病毒入侵、改變光學吸收特性、營養鹽緩衝和吸收、調節沉降以及補充細胞內的CO2等。
由以上內容可知，顆石藻的鈣化作用對調節顆石藻的生物泵和碳酸鹽反向泵過程具有重要作用。
- 有機碳泵與碳酸鹽反向泵
顆石藻的有機碳泵和碳酸鹽反向泵具有完全相反卻又相互耦合的特性。顆石藻在進行初級生產的過程中，可以吸收CO2，並將其固定為有機碳，而在進行鈣化作用的過程中，顆石藻又會利用海水中的碳酸氫鹽生成碳酸鈣質地的外殼，同時向海水中釋放CO2。很明顯可以看出，有機碳泵和碳酸鹽反向泵是兩個相反的過程，前者使得顆石藻生活的海區成為CO2的匯，後者則使其成為源。為了衡量顆石藻對於海洋表層CO2的淨貢獻，通常用雨率(真光層的生源顆粒物中無機碳和有機碳的比值，即PIC/POC)來表示兩種碳反應過程的相對強度。
除此之外，也有不少研究表明這兩種碳反應過程之間存在緊密的聯繫：一方面來說，光合作用產生的能量可以驅動碳酸氫根離子和鈣離子的吸收，從而促進鈣化作用；另一方面來說，鈣化作用可以向光合作用提供必需的CO2和H+，此外，由於顆石藻表面沉積的碳酸鈣會加速生物沉降的過程，因此這種“壓載”(Ballast)效應也可以促進生物泵過程。
由以上內容可知，要考察某海區顆石藻對CO2是源還是匯，需要儘可能綜合地考慮有機碳泵和碳酸鹽反向泵包含的碳反應過程。儘管顆石藻光合作用和鈣化作用相互耦合的機制並沒有研究得十分清楚，但這種耦合機制的確可以通過調節海區顆石藻的生物泵和碳酸鹽反向泵過程對海區的CO2通量造成很大影響，因此，對這兩種碳反應過程的研究具有重要生態學意義。
- 微量元素對碳酸鹽泵的影響
近期的研究表明，海水中微量元素(如鐵)的含量會對顆石藻的鈣化作用的強度產生較大的影響。Salter等在南大洋顆石藻鈣化機制的研究中發現，與其他海區相比，在高營養、低葉綠素的海區中，海水中的鐵元素含量比較豐富，有機碳和無機碳從表層到底層的通量會更高，然而碳酸鹽反向泵對有機碳泵的抵消作用也會更強。此外，同樣是在南大洋地區，相似的研究發現，在末次冰消期，南大洋上升流加強導致的海水中鐵肥含量的增加，促進了碳酸鹽反向泵過程和CO2向大氣的釋放，這在很大程度上降低了生物泵的固碳效率。碳酸鹽反向泵的加強和生物有機碳泵的減弱的耦合進一步提高了大氣中CO2的濃度，極大地促進了地球末次冰期的結束。
研究意義與展望
對今生顆石藻及其相關的生物泵和碳酸鹽反向泵的研究，可以為我們研究全球氣候變化下海區生態系統的變化趨勢以及人類所需採取的應對策略提供科學依據，具有十分重要的研究意義。
