海洋是地球系統中最要的碳匯 (carbon sink) ，每年吸收人類二氧化碳 (CO₂) 總排放量的四份之一，對緩減氣候變化速度有重要作用。

海洋中部份浮游生物 (Plankton) 會以光合作用製造能量，同樣會吸收少量碳；當牠們死後會沉積在深海海底，將吸收的碳封存達數世紀。不過，同一時間耗氧細菌 (aerobic bacteria) 會將部份浮游生物屍體消化，並會透過呼吸作用排出 CO₂ ，而大部份 CO₂ 都會重新回到大氣之中。

最新刊於《美國國家科學院院刊 (PNAS) 》的研究顯示，由於海洋受氣候問題影響暖化，現時耗氧細菌已增加消耗浮游生物屍體，令這種碳循環正不斷加快，最終可能削弱多個海域原本已受損的碳封存能力。研究又警告，海水水溫持續上升的話，問題將會於更多海域中蔓延。

每年，全球浮游生物相信製造 4-500 億噸固態有機碳，團隊則推算有約 8-100 億噸能成功封存到 100 米以下的深海海底，不被細菌消化。然而一直以來，學界對不同海洋深度生物如何應用 CO₂ ，以及其回到大氣的幅度有多大，都了解甚少。

因此哥倫比亞大學的研究團隊利用 2013 年秘魯至大溪地調查船獲得的數據，再仔細集中分析其中兩個水域：南美洲海岸營養豐富、高產水域，以及在赤道以下屬於南太平洋環流 (South Pacific Gyre) 的緩慢流動貧瘠水域。

過去，測量如碳的有機顆粒能沉到多深的水域，學界都只用相對原始的裝置捕獲顆粒。然而這種收集方式在深度與數量上均有限制。在是次研究，團隊則在不同深度抽取大量海水，直接抽離出有機碳顆粒和釷元素同位素，這兩種元素可助團隊能夠較準確計算每個深度下沉的碳量，獲得的數據亦比傳統方法多。

團隊發現在高產水域，由於有大量細菌與其他生物消耗有機碳，表面海域的氧氣較快被耗盡；但在 150 米深的海域，由於氧含量接近零，所有生物有氧活動都被停止，一旦有機物質到達這一層稱為海域氧最少區 (Oxygen minimum zone, OMZ) 的水域，就會不受影響地沉入更深處。

雖然，穿過 OMZ 後深海含氧量會回升，耗氧細菌活動也會恢復，但牠們在此種深處製造的任何 CO₂ 都需要幾個世紀才能透過向上環流回到大氣之中。

另外，研究推出前許多學者都認為大部分海表產生的有機物質都會通過 OMZ ，因此大部分 CO₂ 都會於深海重新製造。然而，研究數據表明，實際上只有約 15％ 有機碳穿過 OMZ ，其餘大部份都是在 OMZ 以上被轉換成 CO₂ 。

這是重要的發現，因為團隊預測，隨著海洋暖化， OMZ 將在更廣泛水域全方位擴張。在傳統的估算下，這將允許更多有機物質到達深海並在該處被封存。然而，是次研究表明，隨著 OMZ 擴張， OMZ 上的 CO2 製造量也會增加，抵消任何 OMZ 以下有機碳沉積量增加的好處。

領導研究的 Frank Pavia 指， OMZ 擴張並不如此前想像中有這麼大的好處，而且 OMZ 本身就會殺死生物，危害已受威脅的多個捕魚區產量。

至於南太平洋環流水域的結果則較為明確：由於缺乏養分，生物活動量低於 OMZ 以上水域，但由於海表溫暖， CO₂ 製造量遠超過 OMZ 以下的碳封存量。

這亦相當重要，因為像 OMZ 一樣，南太平洋環流以及海洋其他類似環流系統預計會海水暖化而擴張，環流將會導致海洋有更多分層 (stratification)  ，各層溫度差異會變得更大。根據是次研究， OMZ 、分層擴張最終會導致更廣泛水域製造更多 CO₂ 重回大氣之中，而且將無平衡機制抵消環流擴張帶來的碳儲存效率降低。

不過，團隊提醒研究只調查海洋碳循環的其中一部分。獨立於生物活動的物理與化學反應對碳循環系統佔更大比重，而這些過程會與生物產生複望與不可預測的互動。

來源：
Phys.org, As oceans warm, microbes could pump more CO2 back into air, study warns, 29 April 2019

報告：
Pavia, F.J., Anderson, R.F., Lam, P.J. & et al. (2019). Shallow particulate organic carbon regeneration in the South Pacific Ocean. PNAS first published 29 April 2019. doi: 10.1073/pnas.1901863116

文／Alan Chiu 、審核／Edward Ho