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張瑤教授團隊在海洋中尺度渦旋的生物地球化學響應方面取得重要研究進展，相關成果以“Reduced nitrite accumulation at the primary nitrite maximum in the cyclonic eddies in the western North Pacific subtropical gyre”為題發表于Science Advances.該研究綜合利用物理-化學-生物多學科海洋現場觀測資料，首次揭示了西北太平洋副熱帶流渦區中尺度氣旋渦所誘導的兩步硝化解耦（decoupling）現象。該研究為全球海洋“上層亞硝濃度極大值（PNM）”的緯向分布模式提供了一種可能的形成機制，指出在海洋碳氮循環模式中充分考慮由動力過程所誘導的非穩態過程的重要性，對全面理解海洋動力系統中的生物地球化學循環具有重要意義。

研究背景Background

亞硝酸鹽（NO₂^–）作為復雜氮循環的關鍵中間產物，參與了眾多生物介導的氧化還原過程，顯著影響海洋氮營養鹽組成和生物生產力，其濃度是指征海洋氮循環中氧化和還原途徑的重要指標。

海洋現場觀測和數值模擬均表明，在有氧海區的真光層底部附近，兩步硝化過程（即氨氧化和亞硝酸鹽氧化）會造成NO₂^–的累積，從而在上層海洋形成一個NO₂^–濃度的極大值層，通常稱為Primary Nitrite Maximum（PNM）。

從全球范圍來看，PNM中的NO₂^–濃度值在高緯度海區和赤道上升流缺氧區最高，而在副熱帶流渦區最低，具有顯著的緯向分布格局。西北太平洋副熱帶流渦區（wNPSG）是全球海洋PNM濃度值最低的區域之一；同時，受副熱帶逆流斜壓不穩定過程的影響，wNPSG也是全球海洋中尺度渦旋活動最為活躍的區域之一。研究表明，中尺度渦旋可顯著調控上層海洋的物質輸運過程，從而對上層海洋的生物地球化學過程產生顯著影響。因此，該研究提出如下科學假說：中尺度渦旋會造成氨氧化和亞硝氧化過程的非穩態過程，并進而對海盆尺度上PNM的時空變化產生顯著影響。

研究結果Results

研究團隊結合¹⁵N穩定同位素標記技術和分子生物學技術，首次在wNPSG的氣旋渦系統中，對氨氧化和亞硝氧化過程的速率、米氏動力學和關鍵功能基因進行了系統深入的研究。

研究發現，中尺度氣旋渦所引起的等密度面抬升將次表層的硝酸鹽（NO₃^–）帶入真光層，造成浮游植物初級生產的加強，以及浮游植物與硝化菌之間對底物氨/銨（NH₃/NH₄⁺）競爭的緩解，并進而增強了兩步硝化過程。除NO₃^–之外，等密度面抬升也將次表層中具有高底物親和力特征的硝化菌帶入真光層；這些硝化菌能夠迅速通過增強的兩步硝化過程消耗環境中的NH₃/NH₄⁺和NO₂^–，直至將其濃度降低到更低的水平。這也解釋了中尺度氣旋渦系統中增強的生物生產與降低的NH₄⁺和NO₂^–濃度之間的“矛盾”。

更為重要的發現是，中尺度動力過程造成了兩步硝化過程的解耦。隨著等密度面的抬升，相較于氨氧化古菌（AOA），亞硝氧化細菌（NOB）在垂直剖面上的豐度分布和底物親和力發生了更大的變化；這導致亞硝氧化速率的增強顯著高于氨氧化速率，進而加快了NO₂^–的周轉，并降低了PNM中NO₂^–的濃度。

增強的硝化過程將導致更多的還原態氮轉化為氧化態氮，這必然顯著影響初級生產力的結構。結合NO₂^–氧化和NO₃^–吸收速率的估算表明，硝化過程為真光層提供的NO₃^–占浮游植物所消耗NO₃^–的比例約為17%（渦邊緣）?24%（渦中心）。這表明，如果不考慮增強的硝化作用，會造成渦旋系統中新生產力和碳輸出估值的顯著高估。

該研究揭示了中尺度動力過程調控PNM分布的機制，并量化了中尺度氣旋渦對上層海洋硝化作用的刺激效應以及對新生產力和碳輸出估算的影響。這些發現對于全面理解海洋動力系統中的生物地球化學循環具有重要意義。

圖1. 中尺度氣旋渦對上層海洋硝化菌的分布和活性、其所驅動的兩步硝化過程，以及由此導致的營養鹽濃度分布和PNM的影響

研究團隊及資助Research Group and Funding

該論文的第一作者為廈門大學海洋與地球學院博士生劉麗，通訊作者為張瑤教授，共同作者包括：廈門大學博士生陳明明、胡振東、沈輝、趙鐸，碩士生袁嵐瑛，博士后侯蕾、萬顯會（現為普林斯頓大學博士后），戴民漢教授、劉志宇教授、周寬波副教授、林宏陽副教授、楊進宇助理教授、李驍麟教授、高樹基教授，以及海南大學杜川軍副教授、浙江大學江宗培副教授、卡內基科學研究所Emily Zakem研究員、美國俄克拉荷馬大學秦瑋教授。該研究依托由戴民漢教授主持的國家自然科學基金重點項目（Silicon-Eddy，41730533）所組織的西太平洋多學科現場綜合觀測航次（“嘉庚”號），并獲得國家基金杰出青年科學基金項目（42125603）和基礎科學中心項目（42188102）等的聯合資助。

論文來源及鏈接

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.

論文鏈接

http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade2078

供稿：張瑤

編輯：朱佳、蘇穎

審核：劉志宇、唐騰鳳