海洋所發(fā)現(xiàn)可燃冰是深海冷泉生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的電容器
近日,國際地學(xué)自然指數(shù)(Nature Index)期刊Earth and Planetary Science Letters在線刊發(fā)了中國科學(xué)院海洋研究所張鑫研究團隊在冷泉生態(tài)系統(tǒng)研究領(lǐng)域取得的重要進展。研究人員利用自主研制的深海原位實驗室,通過長期的深海原位實驗揭示冷泉沉積物中淺表層天然氣水合物(可燃冰)是冷泉化能合成生態(tài)系統(tǒng)繁榮穩(wěn)定的緩沖器(電容器),展示出深海原位實驗室在冷泉化能生態(tài)系統(tǒng)研究中的巨大潛力。

原位實驗示意圖

高分辨率時間序列拉曼光譜
地球上大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)依賴光合作用,然而深海的黑暗、高壓、低氧環(huán)境長期以來被認為不適宜生物生存。近年來,深海探測技術(shù)的進步揭示了以化能合成為基礎(chǔ)的深海冷泉生態(tài)系統(tǒng),重新定義了生命的邊界。在冷泉區(qū),甲烷是冷泉生物群落的主要能量來源。我們在南海冷泉區(qū)進行了多次原位實驗,發(fā)現(xiàn)冷泉噴發(fā)雖為偶發(fā)事件,但冷泉生態(tài)系統(tǒng)在較長時間內(nèi)保持相對穩(wěn)定,與其他海域的研究結(jié)果相符。這引發(fā)了冷泉噴發(fā)間歇性與冷泉生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定性之間的悖論。
為解釋這一悖論,張鑫團隊采用了自主研制的深海原位實驗室平臺,在南海冷泉系統(tǒng)的天然實驗環(huán)境中進行了原位實驗。原位拉曼光譜數(shù)據(jù)顯示,在冷泉噴發(fā)活動中,大量甲烷水合物迅速形成。噴發(fā)活動減弱或停止后,甲烷水合物分解釋放出甲烷。深海高清視頻顯示,盡管冷泉噴發(fā)間斷,但冷泉生物群落總體規(guī)模未見明顯變化,冷泉底層水體的物理化學(xué)參數(shù)整體穩(wěn)定。
海底氣體流動是瞬時事件,氣體在運輸管道或淺層沉積物中形成水合物,甚至可能暴露在海底。我們提出了“天然氣水合物電容器”概念,強調(diào)其在生物地球化學(xué)過程中的主導(dǎo)作用。這一動態(tài)“電容器”能夠緩沖海底瞬時涌入的甲烷,并確保其更穩(wěn)定地向甲烷貧化的底層水體擴散。這有助于維持生物群落接收的甲烷和硫化物通量的穩(wěn)定性,從而維持繁榮穩(wěn)定的冷泉生物群落。研究表明,在評估全球冷泉區(qū)生物群落與冷泉環(huán)境相互作用時,必須考慮“電容器”的關(guān)鍵作用,并凸顯了大型動態(tài)“電容器”構(gòu)成了潛在的大規(guī)模天然海底碳匯,對全球碳循環(huán)和氣候變化具有潛在的影響。

冷泉淺表層天然氣水合物層充當(dāng)化能合成生態(tài)系統(tǒng)中的“電容器”模型示意圖
論文第一作者為中國科學(xué)院海洋研究所博士研究生張雄,通訊作者為張鑫研究員,海洋所正高級工程師欒振東、副研究員杜增豐等人為文章共同作者。研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等項目的聯(lián)合資助,以及“科學(xué)”號科考船、“發(fā)現(xiàn)”號ROV運維團隊支持。
相關(guān)成果論文題目及發(fā)表鏈接如下:
Xiong Zhang, Zhendong Luan, Zengfeng Du, Shichuan Xi, Lianfu Li, Chao Lian, Jianxing Zhang, Ziyu Yin, Liang Ma, Xin Zhang*. Gas hydrates in shallow sediments as capacitors for cold seep ecosystems: Insights from in-situ experiments. Earth and Planetary Science Letters, 2023, 624, 118469.
https://doi.org:10.1016/j.epsl.2023.118469
Zengfeng Du, Xiong Zhang, Chao Lian, Zhendong Luan*, Shichuan Xi, Lianfu Li, Liang Ma, Jianxing Zhang, Wenzao Zhou, Xiufeng Chen, Zhijun Lu, Chuanbo Wang, Yu Chen, Jun Yan, Xin Zhang*. The development and applications of a controllable lander for in-situ, long-term observation of deep sea chemosynthetic communities[J]. Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 2023, 193: 103960.
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