近日，廈門大學海洋與地球學院、近海海洋環境科學國家重點實驗室戴民漢院士和羅亞威教授二十余位科研人員，聯合國內外同行，以Upper Ocean Biogeochemistry of the Oligotrophic North Pacific Subtropical Gyre: from Nutrient Sources to Carbon Export為題，在地學領域高影響力期刊《Reviews of Geophysics》發表綜述文章。

該綜述總結了在副熱帶流渦區、特別是北太平洋副熱帶流渦區的生物地球化學研究進展，分析了過去幾十年其生物地球化學參數的長期變化，從營養鹽來源到與輸出生產力的關系，提出了新的真光層雙層結構研究框架。

研究背景

副熱帶流渦是海盆尺度的反氣旋式流場，占據著全球中低緯度海洋表面的廣袤海域，具體包括南北太平洋、南北大西洋、印度洋五個副熱帶流渦區，是全球海洋最大的生態系統。由于伴隨反氣旋式流場的下沉運動，深層的營養鹽較難輸送到海洋真光層。這造成副熱帶流渦區，物質濃度（包括微量營養鹽、痕量金屬、生物量）極低，因此對采樣、分析和現場培養技術均提出了極高的要求。基于有限的研究數據，過去一般認為，副熱帶流渦是生產力低下的海洋荒漠區，其生物地球化學指標在時間和空間上比較均一。而對北太平洋副熱帶流渦區（NPSG），科學家們的生物地球化學認知，大多來自于過去三十余年的夏威夷海洋時間序列站（HOT）的觀測和研究。對于NPSG其他區域的生物地球化學特征，尚缺乏系統的總結和認識。

研究結果

文章以海洋衛星遙感得到的流場和海表葉綠素（低于0.1 mg m^-3）為指標，計算出副熱帶流渦區占據海洋面積的26%到29%（圖1）。進一步分析發現，副熱帶流渦區的營養鹽濃度存在較大的空間變化。同時，關于副熱帶流渦區的初級生產力水平，已有的研究雖缺乏可靠的估計，然而，某些衛星遙感產品、生物地球化學模型和有限的現場觀測數據顯示，副熱帶流渦區的生產力并不顯著低于全球海洋的平均水平，這對副熱帶流渦區是海洋荒漠的觀點提出了異議。

圖1. 根據（a）海面高度和（b）葉綠素濃度（小于0.1 mg m^-3）計算的海洋五個副熱帶流渦區范圍

在NPSG，固氮是支持生物生長和碳輸出的主要氮源之一（圖2）。在NPSG的不同區域，固氮可能受鐵、磷單一或者共同限制。本研究的數據初步分析顯示，在HOT附近，觀測到的鐵濃度比NPSG其它海域高，可能是NPSG一個固氮的熱點區域。

圖2. NPSG上層50 m固氮速率

對過去近30年的數據分析顯示，NPSG面積的年際變化與大尺度的氣候指標（如PDO和ENSO）有較強關系（圖3）；同時，NPSG的平均溫鹽、混合層深度、營養鹽和葉綠素水平也和這些氣候指標存在較強的相關性。但是，在NPSG西部的137°W斷面和東部的HOT站，這些指標并沒有顯示出顯著的年際變化特征。總體而言，在過去30年，NPSG的生物地球化學特征展現為年際或年代際的波動，并沒有顯著的長期變化趨勢。

圖3. NPSG的（a）面積、（b）PDO指數和（c）ENSO指數的長期變化

在NPSG真光層內，營養鹽躍層往往比混合層深；因此，營養鹽躍層以上形成了一個營養鹽匱乏層（Nutrient-depleted layer, NDL）；NDL以深到真光層底部，則形成了一個營養鹽充足層（Nutrient-replete layer, NRL）。在真光層的這兩層結構中，營養鹽的來源、初級生產力的水平、生態系統的結構以及輸出生產力運作效率等，都存在顯著差別。本研究提出，對副熱帶流渦區海洋真光層生物地球化學過程，在此雙層結構框架下進行研究（圖4），有望極大提高我們對副熱帶流渦區固碳機理及增匯潛力的認識。

圖4. 副熱帶流渦區上層海洋生物地球化學過程的傳統單層研究結構框架（左圖）和新定義的雙層結構研究框架（右圖）

本研究發現，NPSG存在較大的空間變異性。NPSG的生物地球化學特征和碳匯的調控機制等，尤其是其西部海域，可能與我們從HOT獲得的認識不同。國家自然科學基金重大項目“海洋荒漠生物泵固碳機理及增匯潛力”（ Carbon-FE），聚焦NPSG的西部海域，已開展春、夏、秋三個大面觀測航次，從采樣到分析逐一攻關，取得了一批穩定、可靠、綜合、系統的數據，其覆蓋海域范圍廣，涉及學科、領域多，并結合現場培養和數值模擬等研究，逐步揭開海洋荒漠的“神秘面紗”。項目擬基于真光層雙層結構研究框架，系統探究海洋荒漠區生物泵的結構、過程和機理，評估其在全球變化背景下的發展趨勢，進而構架寡營養系統生物泵新理論框架，并為海洋荒漠的增匯途徑及其有效性提供科學論證。

研究團隊及資助

該綜述文章是Carbon-FE團隊的重要成果之一，戴民漢院士和羅亞威教授為共同第一作者和共同通訊作者；各章節撰寫的領銜共同作者包括Eric Achterberg、曹知勉、杜川軍、高樹基、柳欣、Hiroaki Saito、商少凌、史大林、萬顯會、王為磊，博士生羅偉成承擔了大部分歷史數據的分析和圖表制作工作。其他共同作者包括Thomas J. Browning、蔡毅華、柴扉、陳炳章、Matthew J. Church、慈東箭（博士生）、高坤山、郭香會、胡振東（博士生）、Edward A. Laws、李忠平、林宏陽、劉茜、孟菲菲、宋魯平（博士生）、王云濤、溫作柱、修鵬、張勁、張瑞峰和周寬波。

Reviews of Geophysics是AGU旗下的高影響力綜述期刊（影響因子24.9），對文章質量要求嚴苛，每年發表地學領域高質量綜述文章總計僅二十余篇。文章應適合地學領域整個科學群體的閱讀；作者團隊需預先提交投稿建議，由該領域高水平專家組成的期刊編輯部審議、并經與作者團隊共同討論修改后，方邀請投稿。

該研究主要獲得國家自然科學基金項目（41890800及其子課題、41730533、42076153、42188102和92258302）的聯合資助。

論文來源

Dai, M., Luo, Y.-W., et al., (2023). Upper ocean biogeochemistry of the oligotrophic North Pacific subtropical gyre: from nutrient sources to carbon export. Reviews of Geophysics, 61(3), e2022RG000800.

https://doi.org/10.1029/2022RG000800

供稿：羅亞威、孟菲菲

編輯：朱佳、劉琰冉、蘇穎

審核：王桂芝、劉志宇、唐騰鳳