作為巨大的碳儲庫，海洋對不同時間尺度的大氣二氧化碳（CO2）變化起著至關重要的作用。南極冰心記錄了千-百年尺度大氣CO2波動，但是這些波動具體是受哪些海洋過程調控呢？這一問題至今尚未解決。為更準確地預測未來大氣CO2變化，人們亟需深入理解全球碳和營養物質循環及其與溫鹽環流的耦合機制，這也是深入理解全球碳循環-氣候變化機制的一個重要渠道。

由于海-氣CO2交換發生在海洋表層，因此大多數科學家憑借生長在表層海洋的生物載體（如浮游有孔蟲的鈣質殼體、硅藻的蛋白石骨骼等）來開發不同指標，用以研究海洋與大氣的碳交換。然而，依據這些載體指標所獲得的數據信號存在著諸多不確定性和時空差異，從而影響碳循環機制的準確理解。例如，大多數有孔蟲類和硅藻主要生長在春、夏兩季，即便基于它們的測試表明某海域向大氣釋放CO2，也不能斷言該海域是大氣的一個碳源，因為在春、夏兩季釋放的CO2可能會在其他季節又被海洋重新吸收，而年均CO2凈釋放量可能甚小。

與表層海洋對比，海洋內部水體可綜合全年的海-氣CO2交換信號，基本不受季節變化的影響。因此，在一定程度上，海洋內部水體可更好地反映大范圍海域對大氣CO2的影響。不過，海洋內部碳循環也受多個過程調節，并非所有過程都可直接反映海-氣CO2交換信息。譬如，生物降解作用會增加深海中的碳含量，但是僅有一部分碳含量增加與海-氣CO2交換直接相關（即碳從大氣封存到了深海)，而其他部分的碳含量增加則是碳在海洋內部的轉移（比如，碳從淺海被轉移到深海）。顯然，若要探索大氣CO2變化機制，海-氣交換部分的CO2是關鍵信息。那么，如何從海洋內部海水數據中提取有價值的海-氣CO2交換信號呢？這是全球碳循環研究中一個關鍵而極具挑戰性的任務。

針對這一關鍵任務，青島海洋科學與技術試點國家實驗室研究員于際民領銜的國際研究團隊開發了一種全新的、可有效反映海-氣CO2交換的示蹤計—DICas（Nature Communications，2019）。利用這一新型示蹤計，并結合數值模擬，該研究團隊巧妙地量化了南大洋排碳通量，進而揭示了末次冰消期海洋與大氣之間的CO2交換過程。結果發現，在末次冰消期早期，海洋內部水體主要是通過南大洋向大氣釋放CO2，控制著千年尺度大氣CO2變化。更有意義的是，該研究提出了一種新的機制，有效地解釋了大約1.46萬年前Bolling暖期所呈現的百年尺度CO2快速上升的現象：即南極中層水向南大洋的驟然擴張。與其他水體相比，南極中層水對大氣CO2的封存效率低，因此該水體的擴張會降低海洋對大氣CO2的封存能力，從而導致大氣CO2上升。這表明，海洋內部水體的大氣CO2封存能力與洋流循環密切相關。

相關研究成果于近日發表在Nature Geoscience上。于際民為第一/通訊作者，中國科學院地球環境研究所研究員金章東為第三作者。這項工作由來自青島海洋科學與技術試點國家實驗室、澳大利亞國立大學、美國伍茲霍爾研究所、中科院、澳大利亞新南威爾士大學、美國康涅狄格大學等單位的科學家組成的國際團隊完成。