近日，5123导航、环境与生态学院的海洋环境生态学课题组（CEG）柳欣教授团队与国内外合作者在海洋中尺度涡生物泵作用过程与效应研究方面取得新进展，相关成果以“Stimulation of small phytoplankton drives enhanced sinking particle formation in a subtropical ocean eddy”为题，发表于《湖沼与海洋》（Limnology and Oceanography）。该研究搭载5123导航“嘉庚”号科考船在西北太平洋流涡区开展中尺度涡多学科综合观测（KK1902 SILICON航次），并结合卫星遥感和生物地球化学剖面漂流浮标（BGC-Argo），系统评估了浮游植物初级生产的上行控制（Bottom-up control）和下行控制（Top-down control）过程及其对生物泵的影响，为深入理解寡营养海区中尺度涡生物泵过程在海洋碳循环中的作用提供了科学依据。
研究背景
浮游植物是海洋生态系统的初级生产者，它们主要是由个体微小的单细胞生物组成，其周转速率很快，对环境变化非常敏感，能够快速响应和反馈各种海洋物理-生物地球化学过程。中尺度涡旋是海洋中普遍存在的物理过程，其中气旋式涡旋能够驱动富含营养盐的深层海水向上涌升，增强真光层内浮游植物的初级生产力，继而影响海洋生物泵的结构和效率。然而，近年来卫星遥感及现场观测发现，海洋气旋涡对浮游植物生物量的增加并非都起到促进作用（尤其是在低纬度寡营养海域），这对涡旋在海洋碳循环中作用的传统认知提出了挑战。同时，由于涡旋是个时空高度动态的物理动力过程，单一的观测模式难以全面准确地评估其生物地球化学过程与生态效应。
研究结果
本研究在卫星遥感数据基础上，结合高频船基现场观测和BGC-Argo数据资料，较系统地解析了西北太平洋寡营养海域一个成熟期气旋涡真光层内的生物泵过程（图1），着重分析了上行（营养供应）和下行（浮游动物摄食）控制的综合作用（图2）。结果发现，西北太平洋寡营养海域气旋涡中的营养盐向上输送能力相对较弱，气旋涡主要刺激了小粒径微微型浮游植物（<2 μm）的初级生产过程。然而，由于寡营养海域浮游动物对小粒径浮游植物迅速而强烈的摄食行为，导致涡旋真光层积分的浮游植物生物量并未显著增加，甚至出现了降低。但值得注意的是，摄食行为使涡旋中心的次表层叶绿素最大层潜在可沉降的颗粒物浓度增加了3 倍。此外，通过BGC-Argo的海气CO2通量估算还发现，由于涡旋中心水温下降、生产力增加以及伴随的强风应力导致涡旋中心出现明显的大气CO2汇区，证实了仅凭浮游植物叶绿素 a浓度或碳生物量的增加与否很难准确判断海洋碳汇的功能。这些结果表明在广袤的海洋荒漠区，气旋涡上行效应促进的浮游植物生物量变化，可能会被浮游动物摄食的下行效应所掩盖，也暗示着以单一浮游植物生物量为核心的生态模型，可能并不能准确估算寡营养海域气旋涡的固碳和储碳能力。该研究对深入了解气旋涡中的生物泵过程及其在碳循环中的作用具有重要意义。
图1. 船基和BGC-Argo高频观测中尺度气旋涡
图2. 中尺度气旋涡真光层生物泵过程关键参数的响应
研究团队及资助
该论文第一作者为5123导航刘浩然博士，通讯作者为柳欣教授，共同作者包括:5123导航戴民汉教授、黄邦钦教授、周宽波副教授、黄毅彬副教授、尚毅威(硕士毕业，现美国南加州大学博士生)，自然资源部第三海洋研究所王磊研究员，自然资源部第二海洋研究所邢小罡研究员，浙江大学江宗培副教授，美国路易斯安娜州立大学Edward A. Laws教授，以及德国亥姆霍兹基尔海洋研究中心Thomas J. Browning博士。该研究获国家自然科学基金“海洋荒漠”重大项目(41890803)、优秀青年科学基金项目(42122044)、重点项目(42130401, 41730533)、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(202106310098)和海洋生物地球化学创新引智计划(BP0719030)等联合资助。
论文来源及链接
Liu, H., Browning, T.J., Laws, E.A., Huang, Y., Wang, L., Shang, Y., Xing, X., Zhou, K., Jiang, Z.-P., Liu, X., Huang, B. and Dai, M. (2024), Stimulation of small phytoplankton drives enhanced sinking particle formation in a subtropical ocean eddy. Limnol Oceanogr.
https://doi.org/10.1002/lno.12529
供稿｜刘浩然、柳欣
编辑｜朱佳
排版｜陈蕾
审核｜周宽波、张瑶
