基于生态系统模型对白令海陆架营养盐收支的研究

The concentration and structure of nutrients of the Pacific water undergo changes when passing by the Bering Sea shelf associated with strong biological activities and complicated dynamic processes. This affects the polarward transport of nutrients and thence regulates the primary productivity in the Arctic Ocean. Thus, research on nutrient budgets with their variations over the Bering Sea shelf is a basis for further study on the variability of the Arctic ecosystem. Due to the complicated influencing factors and their uncertainties, the nutrient dynamics and biogeochemical cycling over the Bering Sea shelf have not yet been fully explained through on observational studies only, and it is expected that including modeling component will help to advance the studies. Guided by the conceptual model of nutrient budget over the Bering Sea shelf, this project will make use of a coupled ocean, sea-ice and ecosystem model (i) to analyze the nutrient budget and identify the key influencing factors, through quantifying the relative contributions of multiple processes including the slope-shelf nutrient exchange, the Bering Strait nutrient flux, biological consumption, remineralization of organic material, nitrogen loss through sedimentary processes, and river inputs; (ii) to clarify the source, migration, transformation, and the final destination of Bering Sea shelf nutrient; and (iii) to determine the factors controlling the nutrient supplement and changes in nutrient structure from the Pacific to the Arctic Ocean. The findings will provide a new perspective on understanding the role of Bering Sea in the material exchange between the two oceans and predicting the shifts of primary production in the Arctic Ocean.

白令海陆架强烈的生物活动及复杂的物理过程使得太平洋水在流经该海域时营养盐浓度和结构发生改变，从而影响向北冰洋的营养盐补给，进而调控北冰洋初级生产。研究白令海陆架营养盐收支，寻找其主控过程和变化规律，是系统性认识北冰洋生态系统变动的基础一环。然而因影响营养盐收支的陆架过程复杂且不确定性强，仅靠观测难以全面理解营养盐在陆架的动力及生物地球化学行为，需结合模型方法深入探究。本项目立足于陆架营养盐收支概念模型，拟以海洋-海冰-生态系统模拟为研究手段，定量化评估陆坡-陆架营养盐交换、白令海峡营养盐通量、生物消耗作用、有机物矿化作用、沉积层脱氮作用、河流输运等对白令海陆架营养盐收支的相对贡献，并分析影响收支的关键过程；厘清白令海陆架营养盐的来源、迁移转化及其最终归宿；探究太平洋水向北冰洋营养盐的补充通量与结构变化的调控机制，为认识白令海在两大洋物质交换中的作用以及预测北冰洋初级生产变化提供新视角。

受冰下取样的困难及观测数据时空不连续性的局限，太平洋水经白令海陆架向北冰洋的营养盐补给机制尚不明确，需结合观测和模式进行系统性认识。本项目根据收集的走航观测数据改进了海洋-海冰-生态系统耦合模式，更为合理地再现了白令海及其邻近海域物理与生态环境要素的时空分布特征。基于模式1998-2015年的后报结果，重点解析了影响白令海陆架营养盐收支的关键过程，以及太平洋水向北冰洋营养盐补充的调控机制及其生态效应。主要研究有：1）分析了白令海海冰环境变化，发现纳瓦林角附近海冰边缘区先冬时期海冰密集度与白令海峡开阔水域形成时刻高度相关，为评估下游楚科奇海浮游植物物候变化提供基础；2）分析了白令海陆架硝酸盐浓度、上游白令陆架-陆坡硝酸盐交换通量以及下游白令海峡硝酸盐通量的季节变化特征，阐明纳瓦林角附近海区-阿纳德尔流流经海区-白令海峡西侧是硝酸盐向极输运的主要通道；3）揭示了纳瓦林角附近的陆架-陆坡交换在硝酸盐向极输运中的调控作用，认识了其与白令海峡硝酸盐通量冬、夏季年际变化的相关关系，奠定营养盐向极输运通量的季节预报基础；对夏季白令海陆架营养盐输运通道的硝酸盐收支估算表明生物净作用对硝酸盐向极补充通量年际变化的影响较小，平流输运占优；4）楚科奇海营养盐收支估算表明经过白令海峡向极平流输运的太平洋冬季水触发了下游楚科奇海浮游植物春季水华，之后，白令海夏季水平流输运继续维持楚科奇海南部生物热点区的高初级生产，在楚科奇海北部生物热点区，垂向混合作用将下层存留的太平洋冬季水内的硝酸盐持续补充至真光层，以此维持着北区夏秋季的初级生产。本项目共发表文章10篇；搜集并整理了亚北极及极区海水营养浓度观测数据集；按研究计划完成项目任务，所取得的成果系统评估了太平洋水对北冰洋入流陆架区海冰环境和生态系统的影响，为认识白令海在两大洋物质交换中的作用提供了新视角，也为预测北冰洋浮游植物物候和初级生产力变化奠定基础。