近日，厦门大学海洋生物地球化学全国重点实验室史大林教授课题组在海洋酸化影响浮游植物初级生产力的研究领域取得新进展，相关成果以“Eukaryotic phytoplankton drive a decrease in primary production in response to elevated CO2 in the tropical and subtropical oceans”为题，发表于Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.
该研究通过对2016-2022年在西北太平洋中低纬度寡营养海区和南海北部开展的9个现场航次、48次酸化培养实验的结果进行综合分析，揭示了小粒径真核浮游植物 (< 20 µm) 驱动酸化对热带亚热带寡营养海域初级生产力的抑制效应，并阐明了氮营养盐供给水平对酸化效应的调控机制，为准确预测全球变化对海洋碳循环的影响提供了重要的理论依据。
工业革命以来，海洋吸收了约三分之一人为排放的CO2，以迄今3亿年来最快的速度酸化（CO2升高、pH下降），这势必影响海洋生态系统的关键过程和功能。浮游植物是海洋中的初级生产者，以1% 地球光合生物量贡献了超过45％全球净初级生产 (Field et al., Science, 1998)。因此，海洋酸化对浮游植物及其初级生产力的影响备受学界关注。近20年来，尽管研究人员围绕该科学问题开展了大量的中尺度围隔和船基培养实验，但大部分研究主要在营养盐相对丰富的近岸和中高纬度区域开展，在热带亚热带寡营养海域相关研究相对较少。值得注意的是，尽管热带亚热带寡营养海域被认为是生产力低下的海洋荒漠区，但是近年来的研究表明仅副热带流涡区 (叶绿素低于0.1 mg m-3) 就占据海洋面积的26%到29%，且基于CbPM模型结果显示能贡献约20%全球海洋初级生产力 (Dai et al., Reviews of Geophysics, 2023)，因此热带亚热带寡营养海域在贡献海洋初级生产力和调控全球气候方面同样发挥着不可忽视的作用。综上所述，开展海洋酸化对热带亚热带寡营养海域浮游植物及其初级生产力影响的研究具有重要意义。
围绕上述科学问题，研究团队于2016至2022年依托9个现场航次在西北太平洋中低纬度寡营养海区和南海北部（NSCS）开展了48次酸化培养实验，结合流式细胞计数、同位素标记、DNA分子测序等技术对酸化前后群落中主要浮游植物丰度、浮游植物群落结构和初级生产力开展研究。研究发现：
1）酸化降低热带亚热带寡营养海域浮游植物群落初级生产力 (图1B)：其中，夏季副热带流涡区（NPSG）显著下降约30%，冬季副热带流涡区和夏季南海寡营养区域显著下降约15%。但酸化对中纬度北太平洋过渡区 (NPTZ) 没有显著影响。
图1. 海洋酸化对西北太平洋中低纬度寡营养海区初级生产力的影响
A：实验站位图 (地图背景颜色表示全球海洋表层的年均硝酸盐浓度 ，数据来源为The World Ocean Atlas)；B：海洋酸化对不同区域 (季节) 初级生产力的影响。y轴表示每个培养实验酸化前后初级生产力变化百分比，虚线y=0表示酸化没有影响，虚线以下即表示酸化影响为负效应，反之则为正效应。红色代表夏季西北太平洋副热带流涡区，蓝色代表冬季西北太平洋副热带流涡区，绿色代表夏季中国南海北部海盆，灰色代表夏季中纬度北太平洋过渡区。
2）酸化对热带亚热带寡营养海域初级生产力的抑制效应主要由小粒径真核浮游植物 (< 20 µm) 驱动 (图2)。尽管热带亚热带寡营养海域浮游植物群落主要由原核的原绿球藻（Prochlorococcus）和聚球藻（Synechococcus）主导，小粒径真核浮游植物（Nano-/pico-eukaryotic）丰度比二者低1-2个数量级，但酸化对两类原核浮游植物影响表现为无效应或正效应，对真核浮游植物影响则与酸化对初级生产力的效应相一致。
图2. 微型浮游植物丰度和浮游植物群落初级生产力对海洋酸化的响应
图中y轴代表每个培养实验酸化前后原绿球藻、聚球藻、微型真核浮游植物丰度变化百分比以及浮游植物群落初级生产力变化百分比。
3）酸化对热带亚热带寡营养海域初级生产力的效应受氮营养盐供水平调控 (图3)。酸化情况下，在硝酸盐跃层深，氮营养盐供给水平弱的低叶绿素区域，初级生产力下降最多；而氮营养盐供给水平相对较强，叶绿素浓度相对高的区域，酸化对初级生产力的负效应减弱。同时，进一步开展的酸化耦合氮营养盐添加培养实验，证实了氮充足条件缓解了海洋酸化对热带亚热带寡营养海域初级生产力的抑制效应。
图3. 营养盐供给水平调控浮游植物群落初级生产力对海洋酸化的响应
A：部分培养实验所在站位硝酸盐跃层深度与叶绿素浓度相关性分析图；B：叶绿素浓度 (x轴) 与酸化前后浮游植物群落初级生产力变化百分比 (y轴) 相关性分析图。
此外，基于实验得到的酸化对初级生产力的效应与叶绿素浓度之间的相关关系 (图3B)，结合MODIS-Aqua卫星的叶绿素观测数据、CbPM 的NPP产品，研究团队对全球中低纬度叶绿素浓度低于0.35 mg m-3 的区域进行预测，预计酸化将导致上述区域初级生产力下降约5 Pg C yr-1。
国际学术期刊Science 在News专栏以 “More carbon dioxide in oceans could harm carbon-eating microbes, speed climate change” 为题对该成果进行专文报道 (doi: 10.1126/science.z30nzc9; Science vol 387:6739, 1129)，受访专家表示该研究为“迄今为止规模最大、覆盖范围最广的船基调查”， “（海洋）二氧化碳的吸收能力将会降低，这会引发诸多气候影响，尤其是导致变暖加速”。
该论文共同第一作者为厦门大学博士生戴荣波、温作柱副教授和洪海征教授，共同通讯作者为史大林教授和美国普林斯顿大学François M. M. Morel教授，共同作者还包括德国亥姆霍兹基尔海洋研究中心Thomas Browning博士、厦门大学柳欣教授、戴民汉院士、博士生胡晓华和陈泽。该研究得到国家重点研发计划项目、基金委创新研究群体项目和青年科学基金A类项目、 “111”计划、科学探索奖以及基金委共享航次等的联合资助。
Dai R.#, Wen Z.#, Hong H.#, Browning T.J., Hu X., Chen Z., Liu X., Dai M., Morel F.M.M.*, Shi D.* 2025. Eukaryotic phytoplankton drive a decrease in primary production in response to elevated CO2 in the tropical and subtropical ocean. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 122: e2423680122
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2423680122
推荐阅读：
Dai M.*, Luo Y.-W.*, and others. 2023. Upper ocean biogeochemistry of the oligotrophic North Pacific Subtropical Gyre: From nutrient sources to carbon export. Reviews of Geophysics 61: e2022RG000800.
Field C.B.*, Behrenfeld M.J., Randerson J.T., Falkowski P. 1998. Primary production of the biosphere: Integrating terrestrial and oceanic components. Science 281: 237-240.
供稿｜戴荣波
编辑｜朱佳
排版｜陈蕾
审核｜林昕 柳欣 周宽波
