近日，國際地學(xué)刊物The ?Innovation ?Geoscience《創(chuàng)新地球科學(xué)》在線發(fā)表了中國科學(xué)院海洋研究所深海生態(tài)系統(tǒng)過程和健康評價課題組在南海冷泉甲烷原位探測研究中的最新進(jìn)展。深海冷泉是海底甲烷排放的關(guān)鍵通道，長期以來，由于難以直接、準(zhǔn)確地量化聲學(xué)羽流分布和原位甲烷濃度等關(guān)鍵參數(shù)，全球海洋甲烷預(yù)算存在顯著的不確定性。海洋所研究人員基于最新的深海原位探測與穩(wěn)態(tài)模型發(fā)現(xiàn)南海冷泉的甲烷排放量遠(yuǎn)超想象，這一發(fā)現(xiàn)為海洋溫室氣體源匯核算提供了重要科學(xué)依據(jù)。
?基于深海原位探測的南海活躍冷泉區(qū)甲烷排放通量
深海冷泉作為海底甲烷排放的重要通道，其通量估算對全球碳循環(huán)和氣候變化研究具有重要意義。基于原位探測的深海冷泉甲烷排放通量估算較為稀少，目前研究多依賴于多波束聲學(xué)監(jiān)測氣泡羽流，或結(jié)合視頻/照片估算氣泡參數(shù)與模型計算通量，僅能提供半定量或偏差較大的估算。長期以來，受限于關(guān)鍵參數(shù)（聲學(xué)羽流分布、原位濃度）難以直接準(zhǔn)確量化的瓶頸，全球海洋甲烷收支估算存在顯著不確定性。
本研究以南海北部陸坡活躍冷泉區(qū)Site F為研究對象，結(jié)合深海原位探測技術(shù)與地球化學(xué)穩(wěn)態(tài)模型，定量刻畫了冷泉甲烷從海底釋放到水體的遷移轉(zhuǎn)化過程。本工作的技術(shù)突破在于集成多參數(shù)協(xié)同探測設(shè)備，并進(jìn)行精細(xì)尺度的海底原位環(huán)境探測。研究團(tuán)隊(duì)利用集成甲烷傳感器、溶解氧傳感器、底層海流計及溫鹽深測量儀的多參數(shù)傳感系統(tǒng)及同步精準(zhǔn)取樣設(shè)備，通過“科學(xué)號”科考船搭載的遙控?zé)o人潛水器（“發(fā)現(xiàn)號”ROV）在2017、2018和2020年三個航次中對活躍冷泉區(qū)不同生境近底層海水環(huán)境場進(jìn)行精細(xì)探測，克服了傳統(tǒng)采樣方法的空間代表性問題，實(shí)現(xiàn)了對甲烷、溶氧等關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)的連續(xù)、高分辨率觀測。
基于原位觀測數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)建立了穩(wěn)態(tài)箱式模型，量化了冷泉區(qū)甲烷的遷移轉(zhuǎn)化路徑：水平平流（Adv）、垂直擴(kuò)散（Dif）和微生物氧化（Ox）。研究結(jié)果顯示，活躍滲漏區(qū)的甲烷通量達(dá)到0.53-3.23 mol m-2 d-1，比冷泉沉積物－水界面擴(kuò)散通量高出3個數(shù)量級。這一顯著差距揭示了過去研究嚴(yán)重低估了冷泉甲烷的排放強(qiáng)度。同時，模型結(jié)果顯示南海海底冷泉甲烷的遷移和清除主要受水平平流控制，相比之下，垂直擴(kuò)散和微生物氧化過程的貢獻(xiàn)較小。這一結(jié)果揭示了冷泉區(qū)甲烷遷移的新機(jī)制：冷泉區(qū)大量甲烷并非在原位水體被氧化，而是通過水平平流輸送至遠(yuǎn)離滲漏區(qū)的海域。這一發(fā)現(xiàn)解釋了以氧化為主導(dǎo)的傳統(tǒng)模型的估算為何低估甲烷通量，也為理解甲烷的海洋生物地球化學(xué)循環(huán)提供了新視角。
據(jù)此估算，南海冷泉區(qū)甲烷年排放量達(dá)0.70-4.22 Gmol，若將這一結(jié)果外推至全球大陸坡活躍冷泉，則每年以溶解態(tài)形式進(jìn)入水圈的甲烷相當(dāng)于126 Tg碳。這一數(shù)值是淺海大陸架甲烷排放估算值的2倍，也顯著高于此前對全球泥火山甲烷釋放量的估算值，凸顯了深海冷泉在全球甲烷循環(huán)中被長期忽視的重要地位。
本研究結(jié)合深海原位觀測與穩(wěn)態(tài)模型，首次定量揭示了南海冷泉甲烷排放通量被嚴(yán)重低估的事實(shí)，并明確了水平平流在冷泉海底甲烷遷移中的主導(dǎo)地位。這些發(fā)現(xiàn)不僅革新了對深海甲烷循環(huán)機(jī)制的認(rèn)識，也為全球甲烷收支評估提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。未來研究需要擴(kuò)大觀測范圍，覆蓋更多類型的冷泉系統(tǒng)，并開展長期觀測以捕捉時間變異特征，從而進(jìn)一步提高全球海洋甲烷收支的估算精度。
論文第一作者為中國科學(xué)院海洋研究所深海中心曹磊助理研究員，中國科學(xué)院南海海洋研究所李超倫研究員和中國科學(xué)院海洋研究所王敏曉研究員為共同通訊作者。本研究得到了國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金、南海冷泉科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。
