2020年8月22日，“嘉庚”号科考船顺利抵达福建厦门，标志着中国科学院院士、近海海洋环境科学国家重点实验室（MEL）主任戴民汉领衔的国家自然科学基金重大项目“海洋荒漠生物泵固碳机理及增汇潜力”（Carbon Fixation and Export in the oligotrophi cocean，Carbon-FE）的首个西太平洋科考航次（KK2003）圆满结束。

　　海洋荒漠，这是一个对大多数人而言都很陌生的概念。事实上，当前全球海洋中约有30%的面积是海洋荒漠。

　　海洋荒漠通常处于一个流涡区之中，其上层缺乏维持生命所需的营养盐及痕量元素铁（Fe）且初级生产力低下，好比大陆中的沙漠，因而被称为“海洋荒漠”。当前，在地球大洋中的太平洋、大西洋、南印度洋中都存在着海洋荒漠。

　　戴民汉在早些时候举行的“第二十二届中国科协年会世界海洋科技论坛”中指出，海洋荒漠是地球上最大的生态系统，对碳汇而言具有很大的潜力。全球气候变化中，在浩瀚的大海里实际上具有代表性的就是这些流涡区。

　　他指出，在海洋荒漠大部分区域，固主要受微量营养铁的限制，增铁应该是增汇的潜在手段之一，但仍需要大量研究加以论证。

　　重新定义真光层生态系统

　　由于对海洋荒漠中痕量元素Fe和营养元素磷（P）的含量及其来源知之甚少，使得对生物地球化学过程及其与全球气候变化的紧密联系的认知也很缺乏。

　　真光层是海洋生物地球化学生命活动中最主要的集中地。在过去的三十至五十年间，均以Dugdale等人在1967年提出“新生产力”概念进行阐述。

　　但戴民汉认为，这实际上是过于简化的一个构架，目前随着新的观测证据以及新的认知的出现——特别是成化现象、光的性质等，需要更新这一概念框架。

　　“所有海洋的生产驱动力都是光合作用。在光合作用中，光的质量是第一要素。而在200米水深中，无机氮是极其缺乏，但这一领域生产力高。营养物质的输送和供给以及它所支撑的物种都是不一样的。因此，我们需要在这个基础上去更新概念框架。”戴民汉分析道。

　　在戴民汉重新构架的大洋真光层生态系统的结构中，海洋物理的特征以及营养盐构成了海洋上层真光层的结构。

　　上层的结构基本上在大洋的荒漠区，没有营养盐；而下层的营养盐处于营养盐的跃层，该处存在着营养盐——事实上，大洋深处并不缺乏营养盐，只有上层真光层才缺乏营养盐。

　　气候变化中的海洋生物泵

　　当前，全球大气中二氧化碳浓度已达80万年来的最高值，遏制气候变暖进程是国际社会所面临的严峻挑战。

　　2015年，地球上出现了人类历史上第一次里程碑的事件：大气组分里二氧化碳的平均浓度超过400ppm，上次出现同样情况时，人类尚未在地球上出现。

　　在2019年与2020年，二氧化碳浓度仍然以每年两到三个ppm的速度非常稳定地增长。即使今年出现了新冠肺炎疫情，全球能源消耗快速下降，这一趋势却仍在持续。预计十年后的2030年，地表的温度将升温1.5摄氏度左右，如何应对这一趋势显然迫在眉睫。

　　戴民汉说：“过去两百年，地球气温的增暖基本上由二氧化碳——主要为化石燃料燃烧、土地利用方式的改变所驱动的增暖。海洋在整个调控现代大气气候中，起到了非常关键性的作用。”

　　海洋通过物理泵与生物泵的过程调节二氧化碳，物理泵即低温溶解过多的二氧化碳；生物泵则是把无机物质转化成有机物质，再向海洋深部输送，这样就不会再回到大气中。

　　数据显示，如果失去生物泵这一过程，目前全球大气中的二氧化碳浓度或将增加200ppm，达到600ppm左右。

　　戴民汉指出，海洋生物泵的结构与效率一直是整个海洋科学研究的重点。“简单而言，就是将无机碳转化为有机碳进行输送，将大气里的二氧化碳通过一系列物理、化学、生物过程再往深水输送的过程。”

　　为何往深层输送的这一过程很重要？因为海洋是有记忆效应的，海洋的深度就代表年龄即时间尺度。如果将二氧化碳输送到一百米水深的地方，大约经过10年时间的固定，二氧化碳就不会再回到大气中。

　　“海洋固氮的效率越往深处走，就越能持久，这是特别重要的一个概念。”戴民汉说。

　　实际上，由于生物泵的过程涉及整个海洋生态系统，因此非常复杂。戴民汉指出，生物泵的驱动其实是将无机碳转化为有机碳的过程，物质基础就是营养盐。

　　输铁或可以增强固氮

　　当前，全球各大洋中的几个流涡区占全球面积的30%，体积占比约为31%，平均深度达到4300米。上层100米水深处的硝酸盐占全球海洋硝酸盐总量的5.6%，生物量则很低，小于0.1毫克。

　　戴民汉指出，此处的二氧化碳通量是一个“大的问题”。其中，北太平洋的流涡区是全球最大的生态系统，与其他五个海洋中的荒漠区非常相似。营养盐最寡、最贫瘠的是南太平洋的海洋荒漠，北太平洋荒漠则为第二贫瘠。

　　在表层海洋氮磷比值及其垂直分布方面，除了北大西洋，其余大部分海洋荒漠的表层海洋生产力均受到氮的限制。

　　“生物的生产力光合作用受到氮的限制。大部分流涡区的氮磷比值都小于生物所需的16：1。这些海洋荒漠极其缺乏氮，如果加氮进去就会促进生物的生长。”在碳的吸收量方面，北太平洋的海洋荒漠却以占全球8%的海洋面积、5%的营养盐物质，吸收了12%的二氧化碳。戴民汉认为：“从碳的角度看，海洋荒漠是很重要的。”

　　在真光层中，虽然下层有营养盐，但无法向上输送。上层水体的持久成化限制了深层营养盐向上输运，使得真光层的上部营养盐极度匮乏，初级生产受到氮的限制，但仍存在显著的初级生产力及变化。

　　观测结果显示，极其贫乏的海域，一旦输入氮便会驱动生物泵的运作。戴民汉指出：“固氮的酶需要大量的铁，而在全球这几个海洋的荒漠区中，铁的含量特别低。事实上，这暗示着如果有了铁便可以促进固氮，让这些系统里可以增加额外的营养盐。”

　　他解释道，海洋真光层营养盐的来源分为两个结构，上层的营养盐主要通过固氮得来，“这是‘从天上来’的，海里不可能提供出这一层的营养盐”。

　　真光层的双层结构

　　事实上，在海洋荒漠的真光层中存在两个生态系统，其物理结构与营养物质的来源都不一样。

　　“上一层营养盐主要是‘天上掉下来’的，而下一层则是从海洋底部输送来的。”戴民汉说。

　　由于海洋荒漠区的真光层具有这种特征迥异的结构，其营养盐来源与结构的不同，引起生物群落组成的差异，进而决定了双层结构不同的输出生产力。

　　他指出，营养盐匮乏层的输出生产力由固氮作用等引入的外源驱动，营养盐充足层的输出生产力则由深层输入的营养盐驱动。

　　在海洋荒漠的大部分区域，固氮主要受微量元素铁的限制。去年戴民汉团队海洋科考采集的数据显示，在岛屿附近的冷泉、热泉中含有铁元素。而在海洋中间的部分，营养元素铁在表层极其匮乏。

　　“铁元素的最大值基本跟岛屿的存在有很大关系。这次航次初步证实了双层结构特征——虽然很低。”戴民汉说。

　　他还在现场展示了当时未返航的“嘉庚”号科考船今年在海上即时传回的数据，可以看出真光层上层营养盐非常匮乏，以及营养盐开始累积生长的过程，进一步证实了溶解铁的空间跟垂向分布特征，可能决定了固氮受铁限制的事实。

　　仍需要大量研究佐证

　　戴民汉总结道，现有的基本认识为，海洋荒漠中虽然营养盐与初级生产水平极低，但存在显著的空间变异，生产力受氮限制，可能存在共同限制；初步验证了海洋荒漠区真光层具有特征迥异的双层结构，海洋荒漠区固氮极有可能受铁的限制。

　　而在气候变化方面，可以通过地球工程学降低温室气体的浓度，如铁施肥，或者通过工程手段降低太阳辐射水平。

　　戴民汉说：“海洋中缺铁，把铁加进去可以促进生产力，能将大气中的二氧化碳固定下来，增强碳汇。”

　　但是生物泵的固定能不能往深海输送，决定了二氧化碳是否还会回到大气，即储碳效率能否有效。其次加入铁元素对生态系统会产生影响效应，生物的多样性会降低，硅藻则会出现非常快速的发展。

　　他指出，在海洋荒漠大部分区域，固氮主要受微量营养铁的限制，增铁应该是增汇的潜在手段之一，但仍需要大量研究加以论证。

　　“通过铁限制固氮是在国际上从来没做过的试验，我们希望在现有科学技术的基础上能够探讨这个问题。如果铁是限制固氮的，增加铁后就会增加固氮的作用，进而可以改变群落结构，增加碳汇。”