南海水体硝酸盐动力学与水团示踪

Marine nitrogen cycle exploration has been a key issue to the regulating factors of marine biogeochemical cycle and the study of global climate change. Dynamics of nitrate, the largest active nitrogen pool in the ocean, deserves more comprehensive research; however, it is still poorly understood in the open ocean not mentioning the marginal seas with complicated environmental conditions. We are well versed in stable isotope application and have been in a long-term work relation with international laboratories. We equipped with wide knowledge of the nitrogen dynamics in fresh water system, land-ocean boundary, and in Chinese marginal seas. We successfully established a nitrogen isotope tracer laboratory with cutting-edge labeling techniques and sophisticated analytic skill for natural abundance. In this proposal, we selected the South China Sea (SCS) as a research target, which characterizes by both marginal sea and open ocean features. We hope to apply nitrogen and oxygen isotopes in nitrate to trace the origin, flowpath and nitrogen transformation processes of the water mass in the SCS. Combined with spiking method, we can qualitatively and quantitatively explore the nitrate dynamics and effects of associated processes, such as the activities of organisms and micro-organisms, human activities and terrigenous inputs, on the N cycle, over temporal and spatial scale. We also proposed to use the contents and stable isotope of different nitrogen species in the sediments to uncover the history of nitrogen dynamics in water column, and to identify possible controlling factors. Nitrogen cycle in the SCS, closely linked with marine carbon cycle, is one of key factors to study “the carbon cycle in deep sea and the role of microbes”.

海洋氮循环已成为影响海洋生物地球化学循环和研究全球气候变化的关键问题之一。硝酸盐是海洋最大的活性氮库，其动力学过程具有重要研究意义，而现今对环境条件复杂的边缘海氮循环认知更是明显不足。申请人和团队近十多年来有丰富的同位素应用经验与国际实验室合作基础，对淡水流域、陆海通量和中国边缘海的氮循环过程有深入了解，并掌握国际领先的稳定、人工标记同位素分析技术。本计划拟以兼具边缘海和大洋特征的南海为研究区域，尝试通过稳定同位素示踪南海不同水团主要来源，结合分析硝酸盐稳定氮、氧同位素组成，以及人工标记手段，在时空尺度上全面而系统地定性和定量分析南海硝酸盐动力学过程，并探讨生物、微生物活动，人为活动和陆源输入的影响，并尝试利用沉积物中不同形态氮含量与同位素组成反演水体氮动力学变化历史与潜在控制因子。本项目基于南海氮循环过程研究，与碳循环紧密联系，是回答“深海碳循环以及微生物的作用”这一科学问题的关键之一。

海洋氮循环是影响海洋生物地球化学循环和研究全球气候变化的关键问题之一。硝酸盐是海洋中最大的活性氮储库，其动力学过程具有重要研究意义。本项目以南海为研究区域，通过稳定同位素示踪南海不同水团主要来源，结合分析天然同位素组成以及人工标记手段，定性和定量分析南海硝酸盐动力学过程，并尝试利用沉积物中不同形态氮含量与同位素组成反演水体氮动力学变化历史与潜在控制因子。.研究结果表明，在南海和西菲律宾海硝酸盐稳定氮、氧同位素组成（δ15NNO3和δ18ONO3）分布差异明显。南海营养盐跃层位于真光层内部，浮游植物同化作用和硝化作用主导真光层内部δ15NNO3和δ18ONO3的变化。两个区域的次表层均呈现δ15NNO3最小值，但主导因素却不同。在西菲律宾海固氮作用影响显著，而在南海大气氮沉降可能更为重要。利用硝酸盐浓度和δ15NNO3示踪南海和西菲律宾中、深层水团来源和交换。结果显示南海深层水源自西菲律宾海深层水，由于南海整体上涌，其能够影响南海中层水的硝酸盐特征；西菲律海中层水表现为北太平洋中层水和黑潮水的混合，其硝酸盐特征还显示其与南海中层水在不同层位相互影响。.培养实验结果显示南海氨吸收峰值出现在混合层内部的高光区，而硝化极大值出现在真光层下部。进一步发现在硝酸盐跃层以浅浮游植物对氨的高亲和力直接决定以吸收氨为主导；而在高硝酸盐环境下，真核藻类转向以硝酸盐为主要氮源同时对于氨的亲和力显著下降，使硝化作用得以成为主要的氨消耗路径。硝酸盐跃层是寡营养盐层化海域光区内区分氨吸收和氧化的一个界限。同时发现上层海洋光区内存在显著N2O产生过程，其与硝化作用密切相关。估算上层200 m产生的N2O占海气释放通量的50 %以上，显示上层海洋活跃的N2O生产与释放行为。.沉积物氮同位素分析结果显示在高沉积速率的亚洲边缘海含氮的陆源矿物质输入会稀释和掩盖沉积物中δ15Nbulk的真实信号，使之可能不能完全指示水体中的氮循环过程，同时指出在利用δ15Nbulk反演上层水体中氮循环过程需要充分考虑水深效应的影响。此外，还利用物理模型探讨了海平面变化及东亚季风对南海中层水交换的影响。