全球海洋表层碳储存与酸化的长期趋势及人为强迫机制研究

本研究基于高分辨率神经网络重建数据（1985-2022），系统揭示了全球海洋表层溶解无机碳（DIC）以0.75±0.015 μmol·kg?1·yr?1速率显著累积，年碳汇量达～2.0 PgC·yr?1，同时pH以-0.00164±0.000034 units·yr?1持续下降。研究发现海气CO2通量（fgCO2）从0.32增至0.72 mol·C·m?2·yr?1，北大西洋和南大洋为关键碳汇区，而赤道区域呈现持续CO2逸出。通过Bai–Perron断点分析发现1997–1998与2012–2013年间碳动力学结构转变，TA:DIC比值下降预示海洋缓冲能力减弱，对海洋碳封存效率提出警示。

　　

Highlight

表层海洋碳参数的长期变化主要受人为CO₂强迫、大尺度海洋环流和区域化学缓冲能力共同影响。DIC持续上升与pH下降与海洋对大气CO₂的吸收一致。断点分析显示自1990年代末以来DIC积累和pH下降加速，表明人为强迫加强。北大西洋和南大洋等关键碳汇区DIC增长最快，而赤道上升流区因垂直混合带来富含DIC的深层水，导致CO₂持续逸出。TA:DIC比值下降趋势（-0.0006±0.0002 yr^?1）表明缓冲能力减弱，可能影响未来海洋吸收人为CO₂的效率。气候变化通过改变海表温度、盐度和环流进一步调节碳参数，如变暖减少CO₂溶解度，而环流变化影响营养盐供应和生物泵效率。

Drivers and mechanisms of ocean carbon parameter changes

过去四十年表层海洋碳参数的变化由人为CO₂强迫、大尺度海洋环流和区域缓冲能力变异共同塑造。DIC持续增加和pH逐渐下降与海洋持续吸收大气CO₂相符。断点分析揭示自1990年代末以来DIC积累和pH下降加速，表明人为强迫加剧。空间上，北大西洋和南大洋等关键碳汇区DIC增长最快，主要因这些区域深层水上升将积累的人为碳输送到表层。相反，赤道上升流区因垂直混合将富含DIC的深层水带到表层，导致CO₂持续逸出。TA:DIC比值下降（全球趋势-0.0006±0.0002 yr^?1）表明缓冲能力减弱，可能限制海洋未来吸收人为CO₂的效率。气候变化通过改变海表温度、盐度和环流进一步调节碳参数：变暖减少CO₂溶解度，而环流变化影响营养盐供应和生物泵效率。例如，南大洋风力增强加剧上升流，增加自然CO₂释放，部分抵消人为碳汇。这些机制共同决定了海洋碳汇的时空变异性和未来轨迹。

Conclusions

本研究对1985–2022年表层海洋碳储存和酸化的长期变异及人为影响进行了全面分析。结果表明关键碳参数发生显著变化，包括溶解无机碳（DIC）、总碱度（TA）、表层CO₂分压（spCO₂）、pH和海气CO₂通量（fgCO₂）。这些变化主要由人为CO₂排放驱动，空间异质性受海洋环流和缓冲容量调节。全球DIC以0.75±0.015 μmol·kg^?1·yr^?1增加，对应年碳汇约2.0 PgC·yr^?1，而pH以-0.00164±0.000034 units·yr^?1下降。fgCO₂从0.32升至0.72 mol·C·m^?2·yr^?1，碳汇增强（1.2至2.6 PgC·yr^?1），但2021–2022年因COVID-19疫情期间排放减少暂时下降。空间上，北大西洋和南大洋DIC和fgCO₂增加显著，而赤道区域持续CO₂逸出。TA:DIC比值下降预示缓冲能力减弱，对海洋碳封存可持续性构成挑战。断点分析识别出1997–1998和2012–2013年碳动力学结构转变，与加速的人为强迫相关。这些发现强调海洋在缓解大气CO₂中的关键作用，同时揭示其面对持续人为压力的脆弱性增加。