南海末次冰期浮游植物生产力与群落结构对东亚季风响应的生态模型模拟

The South China Sea (SCS) which locates in the East Asian Monsoon (EAM) area has variable seasonal wind direction. Phytoplankton in SCS is sensible to the variability of EAM. Phytoplankton primary productivity (PP) and its community structure determine whether SCS is a source or sink to the atmospheric CO2. On glacial/interglacial scale, proxy of PP shows opposite trend in the norther SCS and southern SCS, respectively. Whether higher PP in southern SCS during interglacial or glacial is still unraveled.The answer to this question may underlie the change of phytoplankton's community structure.This project aims to model phytoplankton PP and community structure in SCS during last glacial maximum (19-21 Ka) and to compare their modern counterpart using physics-ecosystem coupled regional ocean model system (ROMS).Designed numerical tests will produce distribution and seasonal variability of biomass and production of three kinds of phytoplankton: dinoflagellate, diatom and coccolithphore under both LGM and modern condition. Variability of detritus will also be modeled. Modeled results will be useful to ravel the dispute on pale-PP proxies in northern and southern SCS, respectively, and to determine source and sink area for atmospheric CO2 in SCS.This project is based on the idea that physics (wind stress, ocean circulation) and nutrient supply are forcings to ecosystem, which provide a solution to probe mechanisms how PP and community structure respond to EAM.This project makes sense to the understanding of EAM change.

南海地处东亚季风区，风场季节性变化明显。浮游植物生产力对东亚季风变化反应敏感。生产力和群落结构变化可直接影响南海究竟是大气CO2的源还是汇。在冰期-间冰期尺度上，南海南部与北部沉积物记录表现出明显不同的变化趋势。南部生产力在冰期和间冰期时孰高孰低还存在很大争议，可能与浮游植物的群落变化有关。本课题计划利用高分辨率物理-生态耦合的区域海洋模式来模拟南海的浮游植物生产力和群落结构在末次冰期最盛期(LGM，19-21 Ka)和现代间冰期条件下对东亚季风的响应。模拟结果将给出甲藻、硅藻和颗石藻在LGM和现代的生物量、生产力以及颗粒物的空间分布和季节性变化。将对冰期-间冰期尺度上南海南部与北部古生产力指标变化不一致的现象进行解释，确定南海对大气CO2的源与汇。以物理场（风场、流场）和营养盐驱动生态系统的视角，从机理上解释东亚季风对南海浮游植物生产力和群落结构的影响。本课题将促进对东亚季风变迁的认识。

南海地处东亚季风区，风场季节性变化明显。浮游植物生产力对东亚季风变化反应敏感。生产力和群落结构变化可直接影响南海究竟是大气CO2的源还是汇。利用ROMS-CoSiNE生物地球化学模式对南海现代浮游植物生产力、营养盐、群落以及输出生产力进行了模拟。模拟结果显示微型藻、硅藻、颗石藻分别占总量的33.7%，57.7%和13.6%。硅藻的季节性变化大于微型藻和颗石藻。硅藻数量在冬季最多，只在越南岸外上升流区硅藻数量在冬季和夏季都升高。微型藻和颗石藻则在夏季时最高。模拟结果说明浮游植物生产力的季节性变化受东亚季风控制。冬季的东北季风使吕宋岸外和巽他陆架区海水混合加强，大量的营养物质使生产力增加。夏季西南季风在越南沿岸产生上升流，增加营养盐供给，提高生产力。在年际尺度上，生产力与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）成反相关关系。厄尔尼诺年时生产力降低而拉尼娜年时生产力升高。输出生产力在南海东北部和中北部显示冬季高夏季低的特点，而在南海中部，西南和南部则表现为“W”形态：冬季和夏季出现最高值，春季和秋季出现最低值。年际尺度上输出生产力也与ENSO反相关。厄尔尼诺年时夏季的输出生产力低而拉尼娜年时夏季输出生产力升高。整个南海年平均输出生产力为1.95 mmol m-2 d-1。模拟结果比实际观测要低，说明本模型低估了输出通量。F比值为0.4。Martin方程中b值为1.18±0.03。POC的矿化速度高于经典Martin方程但与其它亚热带海区的数值接近。南海是大气CO2非常微弱的源，通量为1.0 mmol m-2 d-1。.LGM时期大量的碳被认为储存在深海，利用中等复杂程度GENIE模型模拟了LGM时期DOC的分布。模拟结果显示由于南大洋的“brine rejection”效应，底层水的层结加强，溶解氧浓度降低。高层结底层水储存了更多的营养物质，从而导致DOC库减小。为了平衡这种负反馈机制，DOC的滞留时间应该达到2万年。模拟结果还得到DOC增加（减少）100 Pg, 大气CO2浓度减少（增加）9.1 ppm， 海水δ 13C变轻（变重）0.06‰