近日，厦门大学海洋生物地球化学全国重点实验室、环境与生态学院柳欣教授团队在Nature Communications上发表论文“Contrasting climate oscillations impacts on phytoplankton in the western and eastern tropical Pacific”.
热带太平洋浮游植物在全球生物地球化学循环中扮演关键角色且对气候变化高度敏感。传统观点认为，在厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）与太平洋年代际振荡（PDO）的暖期，海洋层化加强抑制营养盐垂直输送，进而导致浮游植物生物量下降、细胞粒径变小。
本研究通过整合现场观测、卫星数据、再分析资料及地球系统模型开展综合分析，发现热带太平洋西部与东部相反，在厄尔尼诺事件期间的浮游植物叶绿素浓度与硅藻贡献量显著上升；而在拉尼娜事件时期则会逆转。此外，PDO会进一步强化由ENSO引发的上述差异。这一系列变化的调控机制是气候振荡通过大尺度环流和中尺度涡旋促进或者抑制营养盐供应，进而改变浮游植物生物量和群落结构。研究结果强调了热带太平洋中复杂的多尺度物理-生物耦合机制，对气候与生态系统预测具有重要意义。
厄尔尼诺-南方涛动 (ENSO) 事件和太平洋年代际振荡 (PDO) 是对海洋生态系统产生重要影响的气候现象，这些现象在气候系统中呈现周期性变化。通常情况下，厄尔尼诺 (El Niño) 事件会导致赤道太平洋海面温度升高，海水分层加剧以及营养盐跃层加深，从而导致叶绿素a浓度的负异常。然而，热带西太平洋在El Niño事件期间表现出海温和海平面高度负异常，这一特征使其形成了与热带东太平洋明显不同的独特水动力环境。同时，PDO在调节这些环境要素方面也发挥了重要作用，当El Niño与PDO正相位叠加或拉尼娜 (La Niña) 与PDO负相位叠加时，可能导致海洋生态系统中更复杂的响应。
该研究整合了近二十年来的现场观测、遥感数据、再分析数据及地球系统模式，共同揭示了西太平洋低纬度海区浮游植物群落对这些气候振荡的不同响应。研究结果显示，在2003年至2020年期间，热带西太平洋El Niño 事件发生时，海表温度异常与海面高度异常为负值，La Niña 期间则为正值。相应地，叶绿素a在赤道太平洋东、西区域呈现相反的响应模式：El Niño期间西部区域上升、东部区域下降，La Niña期间相反 (图1)。此外，研究结果还发现PDO在与ENSO同相位时进一步强化了上述ENSO的影响 (图2)。这主要归因于年际和年代际的气候振荡通过大尺度环流（如北赤道流）和中尺度涡旋（如棉兰老涡）改变了营养盐供应，进而调控了浮游植物生物量。
图1. ENSO驱动的赤道太平洋生物物理动力学相反变化
图2. ENSO和PDO影响下水文和生物参数异常的时间序列变化
值得注意的是，浮游植物群落结构也在El Niño事件期间发生变化，硅藻和定鞭藻的相对贡献有所增加，而La Niña事件期间则呈现相反的趋势 (图3)。进一步研究发现，当PDO和ENSO处于同相条件下时，定鞭藻几乎在每次El Niño事件中均有增加，而在La Niña事件中则减少。在部分年份的El Niño事件中，硅藻的浓度出现了显著的正异常。而当La Niña事件与PDO的正相位叠加，这一时期的硅藻浓度也存在正异常，这表明PDO减弱了La Niña事件对于大粒径浮游植物生长的抑制影响。因此，理解热带太平洋浮游植物群落的年际至年代际变化需要考虑PDO和ENSO不同相位的叠加影响。
图3. ENSO和PDO影响下的西北太平洋水文和浮游植物变化
本研究揭示了气候振荡与海洋生态系统之间复杂的关联机制，涉及物理-化学-生物的系统耦合响应，也包括了大尺度环流、中尺度涡旋等多尺度的相互作用。这种复杂性提示了气候振荡不仅通过水动力环境变化改变营养盐供应，进而影响浮游生物量和生产力的系统变化，还存在显著的、甚至相反的时空差异。此外，浮游植物群落结构的变化（尤其是硅藻与定鞭藻等关键类群），可沿海洋食物网向上传递，进而重塑营养能量流动路径与生态系统稳定性，可能对渔业管理与可持续发展策略产生影响。本研究为制定应对气候变化的有效且可持续的管理策略提供了关键的数据支持与理论依据。
该论文第一作者为厦门大学2024届博士毕业生安丽娜，通讯作者为柳欣教授。合作者包括美国路易斯安那州立大学Edward A. Laws教授，厦门大学2024届博士毕业生陈瑞莹，厦门大学王杉霖教授，中国科学院海洋研究所胡石建教授，厦门大学2024届博士毕业生章宇宸、厦门大学黄毅彬副教授、徐飞鹏研究助理、柴扉教授和黄邦钦教授。该研究获得国家自然科学基金 (42421004、42130401、42122044)，及中央高校基本科研业务费 (20720240054、20720240105) 的联合资助。该研究在国家自然科学基金共享航次 (41449909、41549909、41749909、41849909)，“科学”号科考船执行的NORC2015-09、NORC2016-09、NORC2018-09及NORC2019-09系列航次的支持下完成。
Lina An, Edward A. Laws, Xin Liu, Ruiying Chen, Shanlin Wang, Shijian Hu, Yuchen Zhang, Yibin Huang, Feipeng Xu, Fei Chai, Bangqin Huang. Contrasting climate oscillations impacts on phytoplankton in the western and eastern tropical Pacific. Nature Communications 16, 10931 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-65947-x
供稿｜安丽娜 柳欣
编辑｜朱佳
排版｜陈蕾
审核｜张瑶
