近日，厦门大学海洋与地球学院、海洋生物地球化学全国重点实验室王为磊教授团队在海洋生物泵研究领域取得新进展，相关成果以“Surface Recycling Versus Deep Export: Insights from Tracer‐Constrained Inverse Modeling of the Biological Carbon Pump”为题发表于Journal of Geophysical Research: Oceans.
该研究明确量化了卫星净初级生产力（NPP）中不参与深海封存的、在海表快速循环部分的占比，揭示了基于卫星和经验方程方法估算生物泵强度的不确定性来源，提升了对生物泵碳输出通量估算的准确性。
研究背景
海洋生物泵将光合作用合成的有机碳输送到深海，是维持海洋碳汇功能的重要组成部分。目前，全球尺度生物泵强度的估算多依赖于卫星和经验公式，其估算结果存在较大的不确定性（5-12 Pg C yr−1），且在部分海域与现场实测结果不符。其不确定性的重要原因之一是卫星观测无法区分初级生产过程产生的有机物在表层快速循环或能被进一步向深海输送部分的占比。
本研究基于自主研发的逆向反演模式，通过碳和营养盐的分布对生物泵的碳输出通量进行了稳健估算。该方法受不同卫星NPP产品差异的影响较小，估算结果相较基于经验方程以及地球系统模式的结果，与实测数据更为吻合，从而表明尽管表层NPP的估算存在较大的不确定性，但通过深海示踪剂的约束仍能得出可靠的生物泵强度估算值，从而为评估海洋在全球碳循环中的作用提供了一种更有效的方法。
研究结果
本研究基于磷循环逆向模型发现，通过增加初级生产中分配给活性溶解有机磷的比例（σ2），可将模型NPP从22 Pg C yr⁻¹迅速提高至59 Pg C yr⁻¹（图1），而模型中溶解无机磷的空间分布却基本保持不变。该结果表明，约60%的卫星观测得到的NPP在海表快速循环，这一现象主要源于卫星遥感难以准确量化海表强烈的呼吸作用。
图1. 磷循环逆模型活性有机磷产率占比（σ2）对模型NPP空间分布（mg C m-2 day-1）的影响。其中（a）~（f）分别代表σ2从0逐步增长到0.5（增幅为0.1）时的模型NPP的变化。
为了进一步探究卫星观测的NPP中海表快速循环部分的空间分布及其对生物泵输出通量的影响，本研究在耦合的磷-碳-氧循环逆向模型中使用了3种卫星NPP产品来驱动模型。结果显示，总有机碳在真光层底部（约73m）的输出通量为13.72至15.55 Pg C yr⁻¹，其不确定性明显小于卫星NPP产品（47.74–59.86 Pg C yr⁻¹）。其中，颗粒有机碳（POC）和半活性溶解有机碳（DOCs）的输出通量基本不变，而活性溶解有机碳（DOCl）的初级生产力和输出通量都具有更大的不确定性（图2）。POC和DOCs输出通量之所以稳定是因为二者受到用于约束模型的示踪剂（溶解无机磷，溶解无机碳，总碱度及溶解氧）分布的严格限制；而DOCl的初级生产力定义为卫星NPP与模型POC和DOCs初级生产力的差值，后两者变化较小（同样由于示踪剂分布的限制）。因此，不同卫星NPP产品所含快速循环比例的不同，使得DOCl对卫星NPP较为敏感，进而导致其输出通量差异较大。此外，DOCl输出通量的空间变异性主要集中在极地海域，这可能源于卫星观测的不足以及逆向模型在模拟极地环流方面的局限性，凸显了加强极地相关观测的迫切需求。
图2. 磷-碳-氧耦合循环逆模型中，真光层底部输出通量和初级生产力的空间分布（mg C m-2 day-1）。(a)-(c)，DOCl输出通量；(d)-(f)，DOCs输出通量；(g)-(i)，POC输出通量；(j)-(l)，DOCl初级生产力。其中第一列基于SeaWiFS VGPM NPP产品，第二列基于MODIS CAFE NPP产品，第三列基于VIIRS CbPM NPP产品。
将逆模型100 m处POC输出通量与经验方程以及4个地球系统模式的结果进行比较后发现，逆模型预测效果最佳，其与实测数据间的相关系数较高（0.8 - 0.9，图3），均方根偏差较低（12 - 15 mg C m-2 day-1），空间变异性适中（12 - 15 mg C m-2 day-1）。相比之下，基于卫星和经验方程的估算效果较差，而不同地球系统模式之间的结果差异显著。此外，不同的卫星NPP产品对逆模型估算结果影响很小，但会显著改变基于经验方程估算的输出通量，尤其在选用不同NPP算法时更为明显。
图3. 磷-碳-氧耦合循环逆模型、地球系统模式以及经验方程估算的100米深度处POC输出通量与长时间序列站点观测值之间的对比。图中蓝色、黑色和绿色坐标轴分别代表各模型POC输出通量的标准差、模型与观测值之间的皮尔逊相关系数以及均方根偏差。
该研究采用多种示踪剂约束的逆模型，量化了卫星预测的NPP中快速循环组分，并指出其是经验方程预估输出通量不确定性的主要来源，通过在逆模型调整该组分的占比，成功匹配了不同的卫星NPP产品的预测结果。结果表明逆方法相较于经验方程具有更强的稳健性，且对观测数据的模拟更为准确。未来需进一步扩展原位与卫星观测，并将这两种高时空分辨率数据与生物地球化学模型相结合，从而更准确地评估生物泵强度的时间变率。
研究团队及资助
该论文第一作者为厦门大学博士生吴逸尘，通讯作者为王为磊教授，论文的共同作者还包括美国加州大学欧文分校François W. Primeau教授，厦门大学李忠平教授和戴民汉院士。该研究获得国家自然科学基金（42476031）、国家重点研发计划（2025YFF0517304）和福建省自然科学基金（2023J02001）的联合资助。
论文来源及链接
Y.-C. Wu, F.W. Primeau, Z. Lee, M. Dai, and W.-L. Wang, Surface Recycling Versus Deep Export: Insights from Tracer‐Constrained Inverse Modeling of the Biological
Carbon Pump, Journal of Geophysical Research: Oceans, 130, e2025JC023021.
https://doi.org/10.1029/2025JC023021
供稿：吴逸尘
审核：朱佳 苏颖
排版：陈蕾
审核：黄毅彬 柳欣 曹知勉
