近日，5123导航、海洋与地球学院戴民汉教授领衔的海洋碳循环研究组（OCG）在西北太平洋颗粒态镉和磷的非耦合循环方面取得新进展，相关成果以“Decoupled cycling of particulate cadmium and phosphorus in the subtropical Northwest Pacific”为题，发表在Limnology and Oceanography.
该研究从海洋颗粒物的视角，揭示了在生物吸收、有机质再矿化、颗粒动力学等过程中，元素镉（Cd）和磷（P）循环的非耦合性。
金属镉对人类具有高度毒性，但在海洋中却是重要的痕量营养盐。现代海洋中溶解态镉与磷酸盐的浓度分布具有显著的相似性，因此沉积记录中的镉常被用来推算磷酸盐的浓度，进而反演古海洋生产力。然而，近年来全球主要海盆更多的观测数据表明，镉和磷浓度之间并非简单的线性关系。在中深层水体中，控制镉和磷分布的主要因素是大洋环流及水团混合；但在上层水体中，浮游生物的吸收利用和有机质再矿化等颗粒物循环过程同样重要。然而，目前针对后者的影响评估大多基于溶解态数据的间接推算，对海洋颗粒物的直接观测和研究仍十分有限。
该研究是国际科学研究计划GEOTRACES GP09航次的成果之一。由5123导航“嘉庚”号科考船执行的GP09航次，是我国首次自主实施的GEOTRACES断面调查航次，旨在系统探究西北太平洋痕量元素及其同位素的海洋生物地球化学循环，揭示其对环境变化的响应，为环境保护政策和应对气候变化提供科学依据。
该研究首次报道了西北太平洋副热带流涡区颗粒态镉和磷元素的浓度剖面，观测到其范围分别为0.06 – 2.15 pmol L-1和0.33 – 10.19 nmol L-1，在全球海洋观测数据中处于较低值。镉相对于磷的浮游植物吸收比率（Cd:P）和再矿化比率（ΔCd:ΔP）存在显著的空间差异，流涡区中心低于其南部边缘（图１）。
图1. （a）GEOTRACES GP09航次分粒级颗粒物采样站位；（b）各个站位的颗粒态镉（pCd）与磷（pP）浓度在真光层中的累计平均及二者的比值（pCd:pP）。NPSG：北太平洋副热带流涡区；NEC：北赤道流；KC：黑潮；MC：棉兰老流。
该研究发现，在真光层中，浮游植物的Cd:P吸收比率与溶解态磷酸盐浓度显著正相关，而与溶解态铁与磷酸盐比值显著负相关（图2）。这种现象的机理在于，镉通常作为生物必需痕量金属（如铁、锌等）的补充或替代元素参与生命活动。当真光层中的磷酸盐等常量营养盐输入增加时，铁、锌等痕量营养盐的相对不足会促使浮游生物上调对镉的吸收利用。
图2. 真光层中颗粒态镉与磷的比值（pCd:pP）与溶解态磷酸盐浓度（dPO4）、溶解态铁与磷酸盐的比值（dFe:dPO4）之间的相关关系图。数据点代表的是真光层中的累积平均值。
在弱光层中，镉相对于磷的再矿化比率ΔCd:ΔP（图3b）大致接近于二者在真光层中被浮游植物吸收的化学计量比（图3a）。然而，这一再矿化比率会随深度发生变化，浅层的ΔCd:ΔP再矿化比率低于深层，显示磷相较于镉优先矿化；这一现象在真光层Cd:P吸收比率较高的海域特别显著（图3b）。因此，以往的研究中使用真光层Cd:P吸收的化学计量比来代表弱光层的再矿化比率，不能准确反映其在不同深度的变化。
图3. 弱光层中ΔCd:ΔP再矿化比率的变化特征。（a）本研究的实测数据；（b）机制示意图，其中橙色和紫色线条分别表示真光层中浮游植物Cd:P吸收比率较高和较低的海域。
此外，在两种粒径范围（0.8 – 51 µm和>51 µm）的颗粒物中，镉和磷的分布也存在显著差异。80%以上的颗粒态镉和磷通常分配在小颗粒物中，这与研究海域的浮游生物群落主要由小粒径的原核生物（即原绿球藻和聚球藻）组成有关。同时，小颗粒物的Cd:P比值低于大颗粒物，这主要是由于大颗粒物中占比较多的硅藻，其吸收Cd:P的比率通常高于小粒径的原绿球藻和聚球藻。该研究不仅为相关海洋模型提供了理论基础和实测数据支持，同时提示，利用镉作为古磷酸盐指标来重建古海洋生产力的方法尚有较大的不确定性。
该论文第一作者为5123导航博士后张衎，通讯作者为戴民汉教授，共同作者还包括周宽波副教授、蔡毅华教授、袁忠伟助理研究员、陈耀瑾工程师、徐飞鹏研究助理、柳欣教授和曹知勉教授。该研究得到国家自然科学基金项目（42188102，41890804，42006045）和中国博士后科学基金项目（2019M662235，BX20190182）的联合资助。
论文来源及链接
Zhang K., Zhou K., Cai Y., Yuan Z., Chen Y., Xu F., Liu X., Cao Z. and Dai M.* 2024. Decoupled cycling of particulate cadmium and phosphorus in the subtropical Northwest Pacific. Limnology and Oceanography 69: 1941-1954.
http://doi.org/10.1002/lno.12635
