人工上升流对海域生物固碳作用的机理研究

The key of understanding the impact of artificial upwelling (AU) on oceanic carbon source or sink budget is to elucidate the mechanism of how does AU influence the regional biological carbon sequestration. Based on the previous research, different hydrodynamic designs of AU could form a plume on the top of thermocline layer with different physico-chemical parameters. The phytoplankton which live in there would exhibit a corresponding response, such as different growth rate, different C:N:P ratio, different dominant species. Therefore, the biological carbon sequestration effect by phytoplankton could vary in a large range. In this project, we designed to establish a phytoplankton culture environment in lab that could simulate the physico-chemical parameters of different plumes. Marine phytoplankton was batch cultured there to evaluate its response and the corresponding carbon sequestration effect. Based on the investigation on the relationship among the hydrodynamic design of AU, physico-chemical parameters of the plume, the response of phytoplankton and the biological carbon sequestration, an inherent law should be established. Data from an open sea trial of AU (2018-2019) would be collected and used to verify the relationship. Based on the results of this study, it could help to better evaluate the carbon sink or source budget of AU, and better understand the biogeochemical cycling of artificial/natural upwelling system.

阐明人工上升流作用下海域的生物固碳机制，是揭示人工上升流对海域碳源或碳汇影响的重要前提。前期研究显示，人工上升流工程参数的不同设置，会在温跃层上部形成不同环境参数的羽流。藻类在不同环境中将形成不同的响应，从而导致其生物固碳量的显著差别。本项目拟在实验室模拟由人工上升流工程参数的不同设置所形成羽流的环境参数，通过监测藻种在各参数环境中的响应状态及其产生的固碳量，建立工程参数设置-羽流物理化学参数-藻类响应-生物固碳的内在联系。项目将搭载2018-2019年的人工上升流海试，收集海试过程中的羽流参数、藻类生长状态、与海域营养盐碳酸盐数据，验证实验室所建立的“人工上升流参数设置-羽流参数-藻类响应-生物固碳”关系。人工上升流工程与其生物固碳作用之间关系的建立，将为准确评估人工上升流碳源或碳汇的作用，理解人工和自然上升流海域的生物化学过程，提供理论和数据的支撑。

人工上升流技术作为一种改善海洋环境、降低大气温室气体的可能解决方案，受到越来越多国家的重视。据文献报道，人工上升流工程影响下海洋年吸收大气CO2的速率理论上可达0.9PgC，相当于海洋年吸收CO2量的一半。然而，从作用机制分析，人工上升流工程对海域碳循环的影响应存在生物吸收和物理混合释放两个相反方向的机制。人工上升流的固碳作用主要通过生物吸收效应完成。因此，人工上升流创造的微环境是否能促进藻类生长，被促进的藻类以怎样的效率固碳，厘清固碳效率与微环境之间的关系是保障实现人工上升流碳增汇的最重要环节。本项目通过在实验室创建人工上升流能形成的物理化学环境，实现了对藻类培养过程中的固碳效应的解析。.实验结果发现，除温度、营养盐之外，湍流强度是影响藻类生长及固碳的重要因素。在低强度下湍流促进藻类的生长而在高强度下湍流可能抑制藻类生长及固碳。对不同藻类而言，湍流达到破坏性的强度差别很大，有硅质外壳的硅藻有较强的耐受湍流的能力。在实验中，项目意外发现了硅藻（中肋骨条藻）这种非钙化藻类促进碳酸钙析出的现象，并揭示了其促进机理。联系海试现象，我们发现这种硅藻藻华引发碳酸钙析出的现象可能并非个例，但是由于种种原因，之前被忽略了。这是一个对理解海洋碳循环非常重要的发现。同时，为了深入研究硅藻生长促进碳酸钙析出的过程，本项目研发了基于离子色谱的对海水中Ca2+浓度的高精度测量法，研发了可用于实时监测培养体系的原位pH电极系统，解析了表层海水碳酸钙过饱和不析出的原理。