科研进展 | 物理-生地化耦合过程协同调控温跃层内涡旋的营养盐动力学-厦门大学海洋生物地球化学全国重点实验室

近日，厦门大学海洋生物地球化学全国重点实验室柳欣教授和刘志宇教授团队，联合日本东京大学、日本海洋研究开发机构（JAMSTEC）等多家单位的科研人员，以Nutrient Dynamics Modulated by Diapycnal Mixing and Particle Sinking Pathways Within an Intrathermocline Eddy in the Tropical Western North Pacific为题，在Geophysical Research Letters发表最新研究进展。该研究揭示了海洋温跃层内涡旋（ITE）如何通过“垂向混合”与“水平输运”协同作用重塑营养盐和浮游生物的分布与颗粒物的沉降路径，为理解海洋次表层涡旋的生物地球化学效应提供了新的科学依据。该研究是柳欣教授团队近期在西北太平洋浮游植物生态学领域取得的系列研究进展之一（An et al., 2025；Xu et al., 2025；Zhang et al., 2025）。

中尺度涡在海洋中广泛存在，其中有一些主体位于海洋表面之下、在海表信号微弱的涡旋，被称为“次表层涡旋”。由于难以通过卫星高度计有效识别，针对性的现场观测十分困难，这在很大程度上阻碍了我们对其中营养盐动力学与碳循环作用的认识。而且，因为次表层涡旋所处的深度不同，它们的生物地球化学和生态效应还存在显著差别。相较于更深的 “次温跃层涡旋”，位于主温跃层内的涡旋（ITE）因其影响深度较浅，且与光合作用活跃的真光层重叠，可能扮演着更为活跃的生物地球化学角色。

研究团队通过对热带西太平洋一个ITE长达36天的物理-生物地球化学耦合观测，并结合动力学自洽的涡分辨数值模式输出，揭示了ITE内部复杂的营养盐动力学过程。涡旋通过水平输运调控颗粒物的沉降路径，使其在涡旋边缘聚集；这些聚集的颗粒物的矿化分解提升了局地营养盐浓度；而这些再生的营养盐一方面通过跨等密度面混合向上层输送，另一方面则沿着等密度面在涡旋内部重新分配（图1）。

图1. 研究区域（a）、ITE垂向结构（b-d）及ITE内的营养盐动力学示意图（e）

此外，研究发现ITE上部边缘的强流速剪切诱导了湍流混合的增强。与此同时，ITE内部维持着更强的营养盐垂向梯度。两者的共同作用大大增强了由深层向真光层的营养盐输送通量。观测数据显示，在ITE过境期间，向次表层叶绿素极大值层（DCM）输送的营养盐通量提升了一个数量级（图2）。这一通量值显著高于北太平洋寡营养海域的典型背景值，意味着ITE是寡营养海域不容忽视的“营养源”。

图2. 垂向剪切（a）、跨等密面扩散系数（b）、垂向营养盐浓度梯度（c）、跨等密面硝酸盐通量（d）和不同时期的跨等密面扩散系数和跨等密面硝酸盐通量的平均剖面（e和f）

另一方面，涡旋内部较高的表观耗氧量暗示了存在活跃的生物分解过程。进一步分析发现，氧气显著亏损，同时伴随磷酸盐和硝酸盐的富余。三种元素的变化比值接近经典的Redfield比例（O₂:P:N ≈ 150:1:16），这有力地证明了涡旋内部存在活跃的有机物矿化过程。

那么，有机物矿化的空间差异因何而来？研究团队通过颗粒物沉降模拟试验给出了答案：即使是在开阔大洋均匀生产的有机颗粒物，在沉降过程中也会受到ITE水平输运的调控，如同被“吸尘器”吸附一样，在涡旋的边缘地带发生聚集。这些聚集的颗粒物为局地异氧微生物提供了丰富的“食物”，从而驱动了更强的矿化效应，提升局地营养盐浓度（图3）。

图3. 表观耗氧量（a）、生物地球化学过程造成的溶氧与营养盐异常（b-d）和颗粒物沉降模拟试验（e-i）

该研究挑战了将海洋生物泵过程简化为垂向一维运动的传统认知，清晰地表明沉降颗粒物的横向输运及其在涡旋中的汇聚，对海洋浮游植物的初级生产与颗粒有机碳输出关系产生重要影响。尽管这种三维物理过程十分重要，但由于观测难度大和认知局限，其影响尚未被纳入主流的生产-输出关系模型中，未来需要开展更多研究以揭示多尺度海洋过程如何调控颗粒物沉降动力学。

该论文第一作者为厦门大学在读博士生胡振东，通讯作者为柳欣教授。合作者包括刘志宇教授、黄邦钦教授、林宏阳教授，以及日本东京大学、日本海洋研究开发机构（JAMSTEC）等多家机构的研究人员。该研究获得国家重点研发计划项目（2023YFF0805003，2023YFE0126700和2022YFA1003804）以及福建省自然科学基金（2021102005）的联合资助。

An, Lina, Yibin Huang, Chao Xu, Feipeng Xu, Jixin Chen, Xin Liu, and Bangqin Huang. "Biogeochemical Characteristics and Phytoplankton Community Diversity of the Western North Equatorial Current." Global and Planetary Change 252 (2025).

Hu, Zhendong, Zhiyu Liu, Xin Liu, Takako Masuda, Takuhei Shiozaki, Hiroyuki Yamada, Hongyang Lin, Bangqin Huang, and Ken Furuya. "Nutrient Dynamics Modulated by Diapycnal Mixing and Particle Sinking Pathways within an Intrathermocline Eddy in the Tropical Western North Pacific." Geophysical Research Letters 52, no. 13 (2025).

Xu, Zengchao, Zeqi Zheng, Chao Xu, Feipeng Xu, Jixin Chen, Xin Liu, Michael R. Landry, and Bangqin Huang. "Primary Production Drives Varied Zooplankton Migration Strength and Twilight‐Zone Particle Dynamics across Ecological Gradients in the Western North Pacific." Limnology and Oceanography 70, no. 6 (2025): 1621-35.

Zhang, Yuchen, Yibin Huang, Feipeng Xu, Shujie Cai, Yao Liu, Chao Xu, Lizhen Lin, et al. "Decoupling of Bacterial Production and Respiration in the Surface Water of the North Pacific Subtropical Gyre." Marine Life Science & Technology 7, no. 2 (2025): 397-412.

https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2025.104895

https://doi.org/10.1029/2024gl113616

https://doi.org/10.1002/lno.70074

https://doi.org/10.1007/s42995-025-00279-9

供稿：胡振东

编辑：朱佳苏颖
排版：陈蕾

审核：杨进宇曹知勉

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