近期，我所卫星海洋环境监测预警全国重点实验室室海洋动力与生态耦合智能预警团队与德国赫姆霍兹协会Hereon研究中心张文彦团队合作，在Nature Communications发表题为“Polar and subpolar shelf seas dominate enhanced coastal CO₂ uptake during marine heatwaves”的研究成果。论文第一作者胡振涛硕士毕业于我所卫星海洋环境监测预警全国重点实验室，通讯作者为Hereon研究中心张文彦研究员。我所周锋研究员、孟启承副研究员参与研究。该成果是第三轮中德海洋与极地领域合作重大项目“自然灾害与海洋生态系统响应——因果关系与可预测性”（NECO）的标志性成果。
海洋热浪（Marine Heatwaves，MHWs）是持续数天至数月的异常高海温事件，其发生频率、持续时间和强度在全球海洋中均呈上升趋势。海洋热浪可通过改变海水CO₂溶解度、海冰覆盖、生物生产以及海洋环流等过程，显著影响海气CO₂交换。已有研究表明，海洋热浪总体上会削弱开阔海洋的CO₂吸收，但全球近海陆架海的综合响应仍缺乏系统评估。由于近海具有高生产力、强陆海相互作用和显著区域差异，其碳汇对极端增暖事件的响应可能与开阔海洋存在本质不同。
针对这一问题，研究综合使用4套基于观测重建的全球海气CO₂通量数据，其中重点采用专门面向近海区域构建的ULB–SOM–FFN–coastalv2数据集，对1985—2020年全球陆架海海洋热浪月份的海气CO₂交换异常进行了系统评估，并结合全球海洋生物地球化学模式ICON-Coast解析其物理和生物地球化学机制。结果显示，海洋热浪期间全球陆架海净CO₂吸收总体增强11.0±1.6%，累计通量异常约为−40.02 Tg C，与开阔海洋中海洋热浪平均削弱CO₂吸收的特征形成鲜明对比。
图1 海洋热浪期间全球近海CO₂通量异常的空间分布及不同陆架海区域的综合响应。蓝色表示CO₂吸收增强或释放减弱，红色表示CO₂释放增强或吸收减弱。
进一步的区域分析表明，全球近海碳汇增强主要由极地和亚极地陆架海贡献。热带陆架海和部分西边界流区域受增暖导致的CO₂溶解度降低影响，往往表现为CO₂释放增强或吸收减弱；而西伯利亚陆架、巴伦支海和喀拉海、南极陆架以及西北太平洋高纬陆架等区域则普遍表现出更强的CO₂吸收。极地和亚极地陆架海的年际CO₂通量异常与全球近海异常具有最强相关性，表明高纬陆架海是决定海洋热浪期间全球近海碳汇变化的关键区域。
研究诊断了海洋热浪期间海气CO₂交换异常的控制因素。结果表明，海气CO₂分压差（ΔpCO₂）是控制全球近海CO₂通量异常的主导因素。海洋增暖本身会降低CO₂溶解度并促进海洋向大气释放CO₂，但在高纬陆架海，这一热力效应被海冰减少和海水pCO₂非热力变化显著抵消。对抵消热力效应的负向贡献中，海冰减少约占21.9%，非热力过程约占78.1%。这说明，在高纬陆架海，海冰变化和生物地球化学过程能够超过单纯升温效应，从而使海洋热浪最终表现为CO₂吸收增强。
图2 海洋热浪期间全球及典型近海区域海气CO₂交换异常的主要驱动因素。高纬陆架海中，海冰减少和非热力过程共同抵消并超过增暖产生的热力效应。
机制分析显示，非热力pCO₂变化主要源于表层溶解无机碳（DIC）的降低。观测重建结果表明，在西北太平洋、西伯利亚陆架、巴伦支海和喀拉海以及南极陆架等典型高纬区域，DIC变化均是非热力pCO₂异常的首要控制因素。进一步利用ICON-Coast模式开展上层海洋碳收支分析发现，海洋热浪期间极地和亚极地陆架海的净初级生产力普遍增强。海冰减少扩大了开阔水面并提高上层海洋光照条件，同时较高水温有利于生物生产，从而加强生物固碳并消耗表层DIC。模式结果显示，海洋热浪期间高纬海区开阔水面面积可增加约30%，而营养盐供给变化很小，说明生产力增强主要由光照和温度条件改善驱动。
值得注意的是，这一机制与开阔海洋存在明显差异。在部分开阔海区，海洋热浪引起的DIC异常主要由水平输运等物理过程控制；而在高纬陆架海，高生产力和海冰过程使生物固碳对碳循环异常具有更强控制作用。尤其在西北太平洋陆架，海洋热浪期间初级生产力增加可超过有机碳分解增强的影响，形成净生态系统生产增加。
图3 典型高纬陆架海非热力pCO₂异常及上层50 m碳收支变化。DIC降低是非热力pCO₂下降的主要来源，增强的生物固碳是其重要驱动机制。
本研究首次从全球尺度揭示了海洋热浪对近海碳汇的综合影响及其显著的纬向差异，指出极地和亚极地陆架海在海洋热浪期间并非简单因增暖而削弱碳汇，而是可在海冰减少和生物固碳增强的共同作用下显著增加大气CO₂吸收。研究强调，在全球变暖和海洋极端事件不断加剧的背景下，高纬陆架海是评估全球海洋碳汇变化不可忽视的关键区域，也表明近海与开阔海洋可能具有不同的碳循环响应机制。相关结果为理解气候极端事件下全球海洋碳汇的稳定性及其未来变化提供了新的科学依据。
论文引用
1. Hu Z, Mathis M, Li H, Ilyina T, Voynova Y G, Macovei V A, Zhou F, Meng Q, Schrum C, Zhang W. (2026) Polar and subpolar shelf seas dominate enhanced coastal CO₂ uptake during marine heatwaves. Nature Communications. https://doi.org/10.1038/s41467-026-77165-0
