近日，《地球與行星科學(xué)通訊》（Earth and Planetary Science Letters）發(fā)表了中國科學(xué)院海洋研究所研究員張鑫團隊在冷泉生態(tài)系統(tǒng)研究領(lǐng)域取得的進展。該團隊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)研究中的潛力。

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。研究人員在南海冷泉區(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，該團隊采用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。研究人員提出了“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，需要考慮“電容器”的關(guān)鍵作用。該工作揭示大型動態(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影響。

相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等的支持。

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原位實驗示意圖