厦门大学等发表海洋中尺度动力-生物地球化学耦合研究重要成果
近日，厦门大学海洋与地球学院、近海海洋环境科学国家重点实验室张瑶教授团队在海洋中尺度涡旋的生物地球化学响应方面取得重要研究进展，相关成果以“Reduced nitrite accumulation at the primary nitrite maximum in the cyclonic eddies in the western North Pacific subtropical gyre”为题发表于Science Advances。该研究综合利用物理-化学-生物多学科海洋现场观测资料，首次揭示了西北太平洋副热带流涡区中尺度气旋涡所诱导的两步硝化解耦（decoupling）现象。该研究为全球海洋“上层亚硝浓度极大值（PNM）”的纬向分布模式提供了一种可能的形成机制，指出在海洋碳氮循环模式中充分考虑由动力过程所诱导的非稳态过程的重要性，对全面理解海洋动力系统中的生物地球化学循环具有重要意义。亚硝酸盐（NO2–）作为复杂氮循环的关键中间产物，参与了众多生物介导的氧化还原过程，显著影响海洋氮营养盐组成和生物生产力，其浓度是指征海洋氮循环中氧化和还原途径的重要指标。海洋现场观测和数值模拟均表明，在有氧海区的真光层底部附近，两步硝化过程（即氨氧化和亚硝酸盐氧化）会造成NO2–的累积，从而在上层海洋形成一个NO2–浓度的极大值层，通常称为Primary Nitrite Maximum（PNM）。从全球范围来看，PNM中的NO2–浓度值在高纬度海区和赤道上升流缺氧区最高，而在副热带流涡区最低，具有显著的纬向分布格局。西北太平洋副热带流涡区（wNPSG）是全球海洋PNM浓度值最低的区域之一；同时，受副热带逆流斜压不稳定过程的影响，wNPSG也是全球海洋中尺度涡旋活动最为活跃的区域之一。研究表明，中尺度涡旋可显著调控上层海洋的物质输运过程，从而对上层海洋的生物地球化学过程产生显著影响。因此，该研究提出如下科学假说：中尺度涡旋会造成氨氧化和亚硝氧化过程的非稳态过程，并进而对海盆尺度上PNM的时空变化产生显著影响。研究团队结合15N稳定同位素标记技术和分子生物学技术，首次在wNPSG的气旋涡系统中，对氨氧化和亚硝氧化过程的速率、米氏动力学和关键功能基因进行了系统深入的研究。研究发现，中尺度气旋涡所引起的等密度面抬升将次表层的硝酸盐（NO3–）带入真光层，造成浮游植物初级生产的加强，以及浮游植物与硝化菌之间对底物氨/铵（NH3/NH4+）竞争的缓解，并进而增强了两步硝化过程。除NO3–之外，等密度面抬升也将次表层中具有高底物亲和力特征的硝化菌带入真光层；这些硝化菌能够迅速通过增强的两步硝化过程消耗环境中的NH3/NH4+和NO2–，直至将其浓度降低到更低的水平。这也解释了中尺度气旋涡系统中增强的生物生产与降低的NH4+和NO2–浓度之间的“矛盾”。更为重要的发现是，中尺度动力过程造成了两步硝化过程的解耦。随着等密度面的抬升，相较于氨氧化古菌（AOA），亚硝氧化细菌（NOB）在垂直剖面上的丰度分布和底物亲和力发生了更大的变化；这导致亚硝氧化速率的增强显著高于氨氧化速率，进而加快了NO2–的周转，并降低了PNM中NO2–的浓度。增强的硝化过程将导致更多的还原态氮转化为氧化态氮，这必然显著影响初级生产力的结构。结合NO2–氧化和NO3–吸收速率的估算表明，硝化过程为真光层提供的NO3–占浮游植物所消耗NO3–的比例约为17%（涡边缘）⁓24%（涡中心）。这表明，如果不考虑增强的硝化作用，会造成涡旋系统中新生产力和碳输出估值的显著高估。该研究揭示了中尺度动力过程调控PNM分布的机制，并量化了中尺度气旋涡对上层海洋硝化作用的刺激效应以及对新生产力和碳输出估算的影响。这些发现对于全面理解海洋动力系统中的生物地球化学循环具有重要意义。
图1. 中尺度气旋涡对上层海洋硝化菌的分布和活性、其所驱动的两步硝化过程，以及由此导致的营养盐浓度分布和PNM的影响
该论文的第一作者为厦门大学海洋与地球学院博士生刘丽，通讯作者为张瑶教授，共同作者包括：厦门大学博士生陈明明、胡振东、沈辉、赵铎，硕士生袁岚瑛，博士后侯蕾、万显会（现为普林斯顿大学博士后），戴民汉教授、刘志宇教授、周宽波副教授、林宏阳副教授、杨进宇助理教授、李骁麟教授、高树基教授，以及海南大学杜川军副教授、浙江大学江宗培副教授、卡内基科学研究所Emily Zakem研究员、美国俄克拉荷马大学秦玮教授。该研究依托由戴民汉教授主持的国家自然科学基金重点项目（Silicon-Eddy，41730533）所组织的西太平洋多学科现场综合观测航次（“嘉庚”号），并获得国家基金杰出青年科学基金项目（42125603）和基础科学中心项目（42188102）等的联合资助。Liu, L., Chen, M., Wan, X.S., Du, C., Liu, Z., Hu, Z., Jiang, Z.-P., Zhou, K., Lin, H., Shen, H., Zhao, D., Yuan, L., Hou, L., Yang, J.-Y.T., Li, X., Kao, S.-J., Zakem, E.J., Qin, W., Dai, M. and Zhang, Y*. (2023) Reduced nitrite accumulation at the primary nitrite maximum in the cyclonic eddies in the western North Pacific subtropical gyre. Science Advances, 9(33), eade2078.http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade2078
