近日，新利体育、近海海洋环境科学国家重点实验室史大林教授团队在西北太平洋固氮速率的时空格局及其环境调控机制方面取得新的研究进展，相关成果以“Assessing N2 fixation flux and its controlling factors in the (sub)tropical western North Pacific through high-resolution observations”为题发表于Limnology and Oceanography Letters.
氮是限制寡营养海域初级生产力的关键因素之一，生物固氮作用可以提供新的生物可利用氮，对支撑寡营养海域的固碳和储碳过程具有重要意义。北太平洋副热带流涡区作为全球海洋的重要碳汇区之一，其表层海水中的硝酸盐浓度极低，这意味着固氮作用对该区域的初级生产可能具有重要的支撑作用。（亚）热带西北太平洋占据了北太平洋副热带流涡区面积的三分之一，近年来的观测显示固氮速率在春季较高，且具有显著的空间异质性。然而，由于现场观测数据有限，目前对该区域固氮速率的时空分布格局及其环境调控机制仍然知之甚少，这限制了我们对该区域固氮通量的评估。
为了解决上述问题，史大林教授团队于2016到2021年在西北太平洋开阔海区和南海北部对固氮速率开展了不同季节的高分辨率观测，在此基础上通过机器学习算法评估了（亚）热带西北太平洋固氮速率的时空分布格局，并分析其环境调控机制，进而估算区域固氮通量。
高分辨率的观测结果显示，（亚）热带西北太平洋固氮速率从低于检测限到接近31 nmol N L-1 d-1，其中，89%的固氮速率低于5 nmol N L-1 d-1。该区域的固氮速率表现出显著的时空变化特征（图1）：时间上，西北太平洋开阔大洋和南海北部的固氮速率均表现出春夏季高于冬季的特征；空间上，西北太平洋固氮速率的呈现出黑潮上游和北太平洋副热带流涡区西部高于南海北部、北太平洋过渡区和北赤道流的空间格局。
图1 固氮速率观测数据的时空分布特征
(a, b)表层固氮速率；(c, d)深度积分固氮速率；(a, c)春夏季(4-8月)测得的固氮速率；(b, d)秋冬季(10月及12-2月)测得的固氮速率。
结合机器学习算法，对该区域固氮速率的连续时空分布格局进行了推演，实现了对观测结果的准确还原和有效扩展（图2）。基于此，估算得到（亚）热带西北太平洋的年固氮通量为5.72-6.45 Tg N yr-1，单位面积的固氮通量（5.72×10-7到6.45×10-7 Tg N km-2 yr-1）甚至高于已知的固氮热点海区，如热带北大西洋（3.36×10-7 Tg N km-2 yr-1）、北太平洋副热带流涡区东部（4.47×10-7 Tg N km-2 yr-1）和热带西南太平洋作比较（2.91×10-7 Tg N km-2 yr-1）。
通过随机森林算法和相关性分析，确定了（亚）热带西北太平洋固氮速率的环境调控机制。固氮速率季节变化的主要影响因子是海表温度和光合有效辐射，而空间分布则主要由氮、磷和铁营养盐的供给水平所决定。相较于独立的环境因子，不同因子之间的耦合关系对固氮速率的时空分布而言可能更为重要。
上述研究结果表明，高分辨率的现场观测是全面理解（亚）热带西北太平洋固氮速率时空格局的关键，特别是秋冬季节的观测数据显著提高了固氮速率时空格局推演的可靠性。该研究进一步强调了（亚）热带西北太平洋存在强烈的固氮作用及其在全球海洋固氮中的重要性。
图2 固氮速率和通量的模拟结果
(a, b)随机森林模型和(c, d)支持向量机模型对研究区域不同季节固氮速率的推演；(e)固氮通量月变化结果；(f, g)年固氮通量的空间分布
该论文第一作者为我院博士生于昕冉，通讯作者为我院史大林教授和上海交通大学周韫韬副教授，共同作者还包括我院洪海征教授，厦门大学海洋与地球学院曹知勉教授、温作柱副教授、杨进宇助理教授和我院博士生姜若桐。该研究获得国家自然科学基金以及重点研发计划等项目的联合资助。
Yu XR, Wen ZZ, Jiang RT, Yang JY, Cao ZM, Hong HZ, Zhou YT*, Shi DL*. Assessing N2 fixation flux and its controlling factors in the (sub)tropical western North Pacific through high-resolution observations. Limnology and Oceanography Letters, 2024.
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