近日，5123导航、海洋与地球学院戴民汉院士和罗亚威教授等二十余位科研人员，联合国内外同行，以Upper Ocean Biogeochemistry of the Oligotrophic North Pacific Subtropical Gyre: from Nutrient Sources to Carbon Export为题，在地学领域高影响力期刊《Reviews of Geophysics》发表综述文章。
该综述总结了在副热带流涡区、特别是北太平洋副热带流涡区的生物地球化学研究进展，分析了过去几十年其生物地球化学参数的长期变化，从营养盐来源到与输出生产力的关系，提出了新的真光层双层结构研究框架。
副热带流涡是海盆尺度的反气旋式流场，占据着全球中低纬度海洋表面的广袤海域，具体包括南北太平洋、南北大西洋、印度洋五个副热带流涡区，是全球海洋最大的生态系统。由于伴随反气旋式流场的下沉运动，深层的营养盐较难输送到海洋真光层。这造成副热带流涡区，物质浓度（包括微量营养盐、痕量金属、生物量）极低，因此对采样、分析和现场培养技术均提出了极高的要求。基于有限的研究数据，过去一般认为，副热带流涡是生产力低下的海洋荒漠区，其生物地球化学指标在时间和空间上比较均一。而对北太平洋副热带流涡区（NPSG），科学家们的生物地球化学认知，大多来自于过去三十余年的夏威夷海洋时间序列站（HOT）的观测和研究。对于NPSG其他区域的生物地球化学特征，尚缺乏系统的总结和认识。
文章以海洋卫星遥感得到的流场和海表叶绿素（低于0.1 mg m-3）为指标，计算出副热带流涡区占据海洋面积的26%到29%（图1）。进一步分析发现，副热带流涡区的营养盐浓度存在较大的空间变化。同时，关于副热带流涡区的初级生产力水平，已有的研究虽缺乏可靠的估计，然而，某些卫星遥感产品、生物地球化学模型和有限的现场观测数据显示，副热带流涡区的生产力并不显著低于全球海洋的平均水平，这对副热带流涡区是海洋荒漠的观点提出了异议。
图1. 根据（a）海面高度和（b）叶绿素浓度（小于0.1 mg m-3）计算的海洋五个副热带流涡区范围。
在NPSG，固氮是支持生物生长和碳输出的主要氮源之一（图2）。在NPSG的不同区域，固氮可能受铁、磷单一或者共同限制。本研究的数据初步分析显示，在HOT附近，观测到的铁浓度比NPSG其它海域高，可能是NPSG一个固氮的热点区域。
图2. NPSG上层50 m固氮速率。
对过去近30年的数据分析显示，NPSG面积的年际变化与大尺度的气候指标（如PDO和ENSO）有较强关系（图3）；同时，NPSG的平均温盐、混合层深度、营养盐和叶绿素水平也和这些气候指标存在较强的相关性。但是，在NPSG西部的137°W断面和东部的HOT站，这些指标并没有显示出显著的年际变化特征。总体而言，在过去30年，NPSG的生物地球化学特征展现为年际或年代际的波动，并没有显著的长期变化趋势。
图3. NPSG的（a）面积、（b）PDO指数和（c）ENSO指数的长期变化。
在NPSG真光层内，营养盐跃层往往比混合层深；因此，营养盐跃层以上形成了一个营养盐匮乏层（Nutrient-depleted layer, NDL）；NDL以深到真光层底部，则形成了一个营养盐充足层（Nutrient-replete layer, NRL）。在真光层的这两层结构中，营养盐的来源、初级生产力的水平、生态系统的结构以及输出生产力运作效率等，都存在显著差别。本研究提出，对副热带流涡区海洋真光层生物地球化学过程，在此双层结构框架下进行研究（图4），有望极大提高我们对副热带流涡区固碳机理及增汇潜力的认识。
图4. 副热带流涡区上层海洋生物地球化学过程的传统单层研究结构框架（左图）和新定义的双层结构研究框架（右图）。
本研究发现，NPSG存在较大的空间变异性。NPSG的生物地球化学特征和碳汇的调控机制等，尤其是其西部海域，可能与我们从HOT获得的认识不同。国家自然科学基金重大项目“海洋荒漠生物泵固碳机理及增汇潜力”（CARBON-FE），聚焦NPSG的西部海域，已开展春、夏、秋三个大面观测航次，从采样到分析逐一攻关，取得了一批稳定、可靠、综合、系统的数据，其覆盖海域范围广，涉及学科、领域多，并结合现场培养和数值模拟等研究，逐步揭开海洋荒漠的“神秘面纱”。项目拟基于真光层双层结构研究框架，系统探究海洋荒漠区生物泵的结构、过程和机理，评估其在全球变化背景下的发展趋势，进而构架寡营养系统生物泵新理论框架，并为海洋荒漠的增汇途径及其有效性提供科学论证。
该综述文章是CARBON-FE团队的重要成果之一，戴民汉院士和罗亚威教授为共同第一作者和共同通讯作者；各章节撰写的领衔共同作者包括Eric Achterberg、曹知勉、杜川军、高树基、柳欣、Hiroaki Saito、商少凌、史大林、万显会、王为磊，博士生罗伟成承担了大部分历史数据的分析和图表制作工作。其他共同作者包括Thomas J. Browning、蔡毅华、柴扉、陈炳章、Matthew J. Church、慈东箭（博士生）、高坤山、郭香会、胡振东（博士生）、Edward A. Laws、李忠平、林宏阳、刘茜、孟菲菲、宋鲁平（博士生）、王云涛、温作柱、修鹏、张劲、张瑞峰和周宽波。
Reviews of Geophysics是AGU旗下的高影响力综述期刊（影响因子24.9），对文章质量要求严苛，每年发表地学领域高质量综述文章总计仅二十余篇。文章应适合地学领域整个科学群体的阅读；作者团队需预先提交投稿建议，由该领域高水平专家组成的期刊编辑部审议、并经与作者团队共同讨论修改后，方邀请投稿。
该研究主要获得国家自然科学基金（41890800及其子课题、41730533、42076153、42188102和92258302）的联合资助。
论文来源及链接
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｜罗亚威、孟菲菲
编辑｜朱佳、刘琰冉
审核｜王桂芝、刘志宇
