《科学通报》
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深时海洋生物泵演变对海洋碳循环和生态系统的影响
2022-07-31 10:31:00一句话导读：探究深时海洋生产者以及生物泵的组成与演变，对理解海洋碳循环过程具有重要作用。近日，中国地质大学（武汉）宋海军、贾恩豪、罗根明和山西农业大学雷勇、河海大学姜仕军在《科学通报》发表评述文章，综述了晚古生代—早中生代海洋生产者与生物泵的演化过程，讨论了浮游生物革命在海洋生态系统演化和碳循环中的作用，并提出了值得进一步深入研究的科学问题。
内容展开：
海洋碳库的碳储量高达38.4×1012吨，是地球表层最活跃的一个库，其碳收支极大地影响了全球气候的变化。生物泵是海洋主要储碳途径之一，生产者通过光合作用固碳是其主要储碳方式。硅藻、沟鞭藻和颗石藻等海洋浮游藻类是现代主要的海洋生产者，其净初级生产力总量约占海洋生产力的80%，也是现代生物泵的重要组成部分。
有研究提出，现代海洋生物泵的形成可能始于晚三叠世-早侏罗世，它的出现有效地缓解了由于海平面升降、大陆风化速率变化而导致的海洋碳循环和海水化学扰动，对海水化学和海洋生态系统都产生了重大影响。以古示今是地球科学领域思考和解决问题的重要方法，了解深时海洋生产者和生物泵的演变，可以更深入地理解当前碳循环的过程和机制。
图1古生代-中生代主要初级生产者类群变化
该文通过对地质历史时期海洋生产者的实体化石记录及分子化石记录进行总结，发现从晚古生代到早中生代，海洋生产者类群中主要出现了两个重大变化：（1）远洋浮游藻类的崛起；（2）红色谱系藻类（所含光合色素以叶绿素a和c为主）对绿色谱系藻类（所含光合色素以叶绿素a和b为主）的取代（图1）。
在这一基础上，根据生产者类型、多样性高低、地史分布及古地理分布, 本文将显生宙生物泵的演化分为两种类型：古生代型（古生代—中三叠世）和现代型（晚三叠世—现代）。古生代型生物泵以宏体浅海底栖藻类和微体浮游疑源类为主导（图2a），现代型由远洋超微浮游生物主导（图2c）。此外，在二叠纪-三叠纪之交大灭绝这一特殊地质突变期，由于古生代型的海洋生物泵遭到摧毁, 海洋的碳循环被扰乱，海洋中短暂出现了由蓝细菌和其他自养细菌为主导的特殊生物泵（图2b）。
图2古生代和现代型的海洋生物泵示意图
化石记录表明，浮游藻类（颗石藻和沟鞭藻）在晚三叠世起源并在侏罗纪快速辐射, 促进了现代型远洋浮游生态系统的建立，即“中生代海洋浮游革命”。沟鞭藻的出现, 加速了初级生产者产生的物质和能量向更大体型的消费者与更高的营养级转移, 海洋生态系统的中等营养水平获得了更多的资源, 为底栖生物群落大规模重组和现代演化动物群崛起提供了物质基础，促进了“中生代海洋动物革命”。
同时，由于海洋浮游生物群落的辐射，远洋生物泵得以形成，提高了海洋储碳的能力。在无机碳方面，促进了生源碳酸盐沉积模式由古生代的浅海底栖型扩张到现代的远洋浮游型，海水碳酸盐饱和度等化学条件发生变化，这被称为“中生代中期海洋化学革命”。一系列的变化共同提升了海洋生态系统对碳循环扰动的缓冲能力，从侏罗纪开始海洋生物泵的调节作用更为明显，全球碳同位素波动幅度逐步变小，深海碳酸盐的堆积和溶解成为调控碳循环的重要环节，为现代海洋生态系统提供了稳定的环境。
这些重大变化，共同组成了广义上的“中生代海洋革命”，而中生代海洋浮游生物革命是连接“动物革命”和“化学革命”的关键一环（图3）。
图3中生代海洋革命过程及其对碳循环的影响
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