风尘刺激下的固氮作用在西北太平洋亚热带环流区沉积物捕获器中的记录

The North Pacific subtropical gyre (NPSG) is considered to be the marine analogues of terrestrial desert because of chronic nutrient depletion. Despite of low rates of ecosystem production, it contributes significantly to the global productivity as NPSG is one of the largest ecosystems in the world, and even a small change of marine productivity in this area will influence distinctly on global carbon cycle. N2 fixation as the most important nitrogen supplier plays a key role to promote the primary production, and has an important contribution to the export production in this area. On the other hand, the N2 fixation is basically controlled by aeolian-supplied Fe in this area. In this project, the seasonal and annual change of nitrogen export and nitrogen isotopic composition in the NPSG will be analyzed using the particle samples collected by time-series sediment traps, and nitrogen isotopic composition of water column nitrate will also be measured. The intensity of N2 fixation and its contribution to the export production and to the settling particle organic carbon will be calculated with the method of the nitrogen isotope balance. The change of aeolian dust deposition recorded by real-time satellite observation will be utilized to study the relationship between the variations of N2 fixation and aeolian-supplied Fe flux, and their impact on the biological carbon export in the studied area.

北太平洋亚热带环流区是典型的寡营养海域，该区域表层水体中硝酸盐长期处于耗尽状态，生物生产力极低。尽管如此，由于该海域生态系统是地球上最大的生态系统之一，该海域生态系统生产力的微小变化都会对全球碳循环都有一个重要的影响。生物固氮作用引入的结合态氮是该海域的一个重要氮源，对输出生产力有着重要的贡献，大气沉降输入的Fe是限制该海域固氮作用的主要化学因子，因此大气沉降通量的变化对该区域的固氮作用有着重要的影响。本项目拟通过沉积物捕获器中沉降颗粒有机氮含量及其同位素组成分析，结合水体硝酸盐氮同位素组成，利用氮及其同位素质量平衡模型估算：（1）上层海洋生物固氮作用强度及其对输出生产力贡献的季节和年际变化；（2）固氮作用对在深层沉降颗粒有机碳的贡献。在此基础上结合卫星遥感手段观测该区域大气沉降通量的时间序列变化，研究大气沉降输入的铁对生物固氮的刺激作用，并探讨该海域大气沉降通量的变化对生物碳泵的影响。

2012-2015年西北太平洋研究海域沉降颗粒氮的通量为29.74 -72.64 µg/m2/d。总体来看，颗粒氮通量的季节变化和年际变化特征与气溶胶厚度的变化特征不是很吻合，但是颗粒氮通量在每年8-9月和4-5月出现的高值可能是较高的大气沉降通量引起的，此时气溶胶的厚度较大。因此本研究认为大气沉降对研究区域的颗粒氮通量有一定的影响，但还存在其它过程影响着颗粒氮向下输出通。2012-2015年研究海域1000 m，2000 m和4000-5300 m处沉降颗粒氮的δ15N的平均值分别为3.8‰，2.3‰和2.4‰。沉降颗粒氮的δ15N明显低于该海域由真光层底部向上输送硝酸盐的δ15N值，且由1000 m到2000 m沉降颗粒氮的δ15N存在明显下降的趋势。在南海我们也发现了沉降颗粒氮的δ15N由上层向下降低的现象。根据沉降颗粒物中氮同位素数据结合我们获得的硝酸盐氮同位素数据，固氮作用和大气沉降作用已经无法解释西北太平洋和南海沉降颗粒物中氮同位素向下降低的现象。因为如果只考虑固氮作用和大气沉降作用的影响，它们的贡献在南海中深层必须到达29%甚至更高，在西北太平中深层要达到40%以上，远远高于在真光层输出的PN中所占的贡献。本研究认为西北太平洋和南海出现的沉降颗粒有机氮δ15N值向下减小的现象主要是由于沉降颗粒有机质中铵氮的比例增加所致，这部分铵氮具有较低的δ15N值。沉降颗粒有机质中铵氮的来源包括：（1）一部分铵氮来自河流输入和大气沉降，这部分铵盐结合到矿物中很难再释放出来，在随着PN一起向下沉降的过程中，沉降颗粒物中的有机氮含量由于降解作用逐渐减少，结合在矿物中铵氮的比例就会逐渐增加；（2）沉降颗粒物中的有机氮一部分会被浮游动物摄食，产生同位素的分馏。浮游动物摄食有机氮后，转变为自身组织的一部分。动物组织中的氮同位素比值通常比食物中的氮同位素比值高3-4‰，其排泄物通常含有氮同位素比值较低的铵氮，这部分氮同位素比值较低的铵氮可能会重新结合到沉降颗粒物中导致沉降颗粒物中氮同位素比值的降低。