我实验室戴民汉教授领衔的团队与国内外合作者以“Enhanced phosphate consumption stimulated by nitrogen fixation within a cyclonic eddy in the Northwest Pacific”为题在地学领域著名期刊Journal of Geophysical Research: Oceans发表最新研究成果。该研究揭示了在亚热带西北太平洋的中尺度气旋涡影响下由固氮作用驱动的磷酸盐消耗增加现象。这一发现为理解该地区气旋涡的生态系统和磷酸盐循环提供了新的认识。
研究背景 Background
中尺度气旋涡是次表层水体向真光层垂向输送的主要物理驱动力之一，是平衡上层营养盐收支的重要因素，其对新生产力的贡献高达20%–50%。在亚热带西北太平洋，表层营养盐和生物量都处于较低水平，并且该地区受涡旋影响的可能性也越来越大。因此，通过气旋涡的上涌过程，可能会暂时缓解氮、磷或铁对表层总的浮游植物的生长限制。此外，由于氮和铁的相对供给速率的改变，这一过程还可能影响固氮生物生长。然而，至今鲜有研究关注气旋涡和固氮作用耦合作用下表层营养盐的空间分布及浮游植物的响应特征。
研究结果 Research Results
在此背景下，本研究通过对亚热带西北太平洋的一个气旋涡展开四次连续断面观测，深入解析了在涡旋演化过程中包括营养盐、固氮速率和浮游植物的空间分布格局及其相互作用 （图1）。具体而言，本研究发现涡中心混合层内磷酸盐浓度显著低于涡边缘，且混合层内磷酸盐平均浓度与相应的海平面异常（SLA）之间存在显著的正相关关系。此外，涡中心的固氮速率比在涡边缘高约3倍，且总体与SLA存在显著的负相关关系。进一步分析发现，混合层内磷酸盐平均浓度与表层固氮速率之间存在显著的负相关关系，相较而言，混合层内磷酸盐平均浓度与总叶绿素a平均浓度之间仅存在微弱的负相关关系（图2）。因此，涡中心更低的磷酸盐浓度很可能是涡中心固氮生物的消耗增多导致先前相对过量的表层磷酸盐浓度降低，而总的浮游植物吸收可能对磷酸盐的消耗影响较小。研究还发现相较于涡边缘，涡中心真光层以深水体的溶解无机氮和无机磷比值较高，这可能反映了由上层高固氮作用引入的新氮在真光层以深发生再矿化累积。此外，在涡中心的叶绿素最大值层观察到浮游植物生物量有所增加，但在整个真光层浮游植物总生物量并未显著增加，这可能是由于浮游动物摄食率也随之增加所致。
有别于传统认知“气旋涡中心区营养盐跃层最浅导致营养盐输入更多”，本研究首次在气旋涡的涡中心观测到其表层磷酸盐浓度实际上要低于涡边缘的分布特征，而这一现象可归因于气旋涡中心更高的固氮速率，导致磷酸盐消耗增多。这一发现揭示了气旋涡在局地区域磷酸盐的空间格局形成中的重要影响，为理解气旋涡中复杂生物地球化学过程提供了新的视角。
图1. 研究区域和气涡旋的演变
图2. 混合层中生地化参数相关性分析
研究团队及资助 Research Group and Funding
该论文第一作者为厦门大学博士生袁忠伟，通讯作者为戴民汉教授，共同作者还包括德国亥姆霍兹基尔海洋研究中心（GEOMAR）Thomas Browning研究员、海南大学杜川军副教授、自然资源部第三海洋研究所王磊副研究员、浙江大学江宗培副教授、厦门大学博士生沈辉、马轶凡博士、刘志宇教授、周宽波副教授和高树基教授。该研究获得国家自然科学基金项目（41890804和41730533）的资助。袁忠伟获得近海海洋环境科学国家重点实验室海洋环境创新型人才国际合作培养项目（202106310003）的支持。
论文来源：Yuan, Z., Browning, T. J., Du, C., Shen, H., Wang, L., Ma, Y. Jiang, Z., Liu, Z., Zhou, K., Kao, S., and Dai, M.*, 2023. Enhanced phosphate consumption stimulated by nitrogen fixation within a cyclonic eddy in the Northwest Pacific. Journal of Geophysical Research: Oceans, 128(11), e2023JC019947, doi: org/ 10.1029/2023JC019947.
