南海北部沿岸上升流对固氮生物群落结构及其固氮影响的研究

Biological nitrogen fixation plays an important role in the marine biogeochemical cycle. Most of the previous studies on nitrogen fixation have been focused on oligotrophic tropical and subtropical open ocean waters. By contrast, we have only limited knowledge of diazotroph composition and nitrogen fixation in upwelling areas. Our previous studies indicated that high nitrogen fixation rates occurred in the coastal upwelling in the northern South China Sea. We conjecture that the upwelling may affect the nitrogen fixation though regulating nutrients regimes and diazotroph community structure. To examine the hypothesis, by using molecular and isotope tracing techniques, this project intends to conduct field investigation and incubation experiments, to investigate the diversity, distribution and nitrogen fixation of diazotroph, and to evaluate the contribution of nitrogen fixation to the nitrogen demand by primary production, and to find the limiting nutrient factors of the nitrogen fixation in the coastal upwelling in the northern South China Sea. Based on the above studies, we aim to understand the distribution pattern of nitrogen fixation and its regulation mechanism in the coastal upwelling in the northern South China Sea, and clarify mechanisms for the high nitrogen fixation in upwelling areas, and discuss the role of nitrogen fixation in the upwelling area in the global nitrogen carbon and nitrogen cycles.

海洋生物固氮在海洋生物地球化学循环中起着重要作用，已有研究主要关注热带亚热带的寡营养海域，对上升流区域固氮生物群落结构及其固氮的认识十分有限。我们前期的研究表明，粤东上升流区域存在较高的固氮速率，据此提出上升流可能通过改变营养盐结构和固氮生物群落结构而影响固氮的假设。本项目拟通过野外调查和原位培养实验，采用分子生物学和同位素示踪技术检测南海北部沿岸上升流影响区域固氮生物群落结构、丰度和固氮速率，同时结合初级生产力数据评估上升流区域固氮对初级生产所需氮的贡献，研究上升流区域生物固氮的限制性营养因素，以期揭示南海北部沿岸上升流区域固氮的分布模式及其调控规律，阐明上升流区域高固氮的形成机制，为探讨上升流区域生物固氮在全球氮碳循环中的作用提供了参考。

海洋生物固氮在全球碳氮循环中具有重要作用。传统认为，活跃的生物固氮仅发生在寡营养盐区域，然而，最近的一些研究表明固氮在高营养盐区域也较为活跃，但是产生这种现象的机制一直不清楚。为了研究沿岸上升流对固氮生物群落结构和固氮的影响和机制，本研究利用同位素示踪法和分子生物学方法，通过在粤东上升流区域的野外调查、五个原位培养实验（包括粤东上升流和琼东上升流）和室内对固氮蓝藻Crocosphaera的培养实验，研究南海北部粤东沿岸上升流区域生物固氮。调查结果表明：夏季粤东上升流区域存在相对较高的固氮作用，上升流中心固氮速率是其他站位两个数量级，上升流中心发生束毛藻和单细胞固氮A类群藻华；原位培养实验表明，有机磷添加可以显著刺激所有站位总固氮速率。室内培养实验表明，有机磷（ATP和G6P）可以显著刺激固氮蓝藻Crocosphaera的生长速率、固氮速率、细胞内碳氮磷元素含量、光合色素（叶绿素a，藻蓝蛋白和藻红蛋白）和光合电子传递速率，表明固氮蓝藻可以很好的利用有机磷进行生长和固氮，有机磷可以作为其生长所需磷的有益补充。综上所述，我们的结果表明有机磷是导致南海北部沿岸上升流区域高生物固氮和固氮蓝藻藻华暴发的关键性因素.