摘要: 氮(N)、磷(P)、硅(Si)等营养元素是海洋初级生产和食物链的物质基础，在很大程度上决定了上层海洋的生产力水平，并影响海洋生物泵的固碳效率。海水中营养盐的分布和通量受多种物理动力以及生物地球化学过程的调控，研究这些控制过程和机制是海洋学的... 展开 氮(N)、磷(P)、硅(Si)等营养元素是海洋初级生产和食物链的物质基础，在很大程度上决定了上层海洋的生产力水平，并影响海洋生物泵的固碳效率。海水中营养盐的分布和通量受多种物理动力以及生物地球化学过程的调控，研究这些控制过程和机制是海洋学的经典命题，其核心问题在于:营养盐的时空格局如何？控制其时空格局的关键过程有哪些？如何定量这些过程？本论文以南海作为主要研究区域，探讨其中营养元素的时空分布格局及关键控制过程，并应用物理-生物地球化学耦合手段进行定量解析;同时开展南海与墨西哥湾-加勒比海(Gulf of Mexico-Caribbean Sea，GoM-CS)的比较研究，以期揭示低纬度边缘海营养盐分布格局和主控过程的共同规律。 南海是北太平洋最大的边缘海，位于热带和亚热带。由于水体终年层化，南海海盆上层处于寡营养盐水平，初级生产力较低。南海上层营养盐的时空格局受多个物理动力过程的调控:经由吕宋海峡和西北太平洋水体发生交换，南海上层因此受到具寡营养盐特征的西边界流—黑潮入侵的影响;相较于西北太平洋，南海具有较高的湍流混合和垂直涌升强度，从而对次表层的营养盐水平起到重要的调节作用;南海还频发中尺度涡旋，对其营养盐的分布和通量产生影响。另一方面，南海营养盐的时空格局还受到生物地球化学过程的调控，除生物吸收和有机物再矿化外，河流输入、大气沉降和固氮等过程也发挥着重要的作用。本论文另外关注的GoM-CS是北大西洋最大的边缘海系统，和南海处于相近的纬度，具有类似的地理环境，且同样受到西边界流入侵的影响。 围绕营养盐的时空分布及其物理-生物地球化学调控，本论文重点研究以下科学问题:(1)南海垂直方向上营养盐的湍流扩散通量是多少？如何更好地定量该通量？(2)黑潮入侵如何影响南海营养盐的储量？该影响在季节和年际时间尺度上是否有差别？如何定量这些影响？(3)南海营养盐的气候态分布格局如何？其物理-生物地球化学调控的机制是什么？(4)南海营养盐时空格局的物理-生物地球化学调控与GoM-CS有何不同？ 针对上述科学问题，本论文开展了以下四个方面的研究，获得的主要结论包括: (1)基于2012年夏季在南海北部海盆SEATS站(116°E，18°N)对硝酸盐(NO3-)和湍动能耗散速率的高频、高分辨率的周日观测，计算了上层450 mNO3-的湍流扩散通量;结合一维对流-扩散模型计算垂向对流速度，进而计算了NO3-的对流通量;湍流扩散通量与对流通量之和为NO3-的垂向通量。SEATS站上层50 m的NO3-垂向通量仅为(1-50)×10-4 mmol m-2 d-1，显示由下层输入的NO3-通量几乎可以忽略。NO3-垂向通量的最大值出现在70 m，为0.118 mmol m-2 d-1，该层位层化较弱且NO3-浓度梯度较大。输入真光层(75 m)的NO3-通量为0.104mmol m-2 d-1，支持了0.69±0.14 mmol Cm-2 d-1的新生产力，约为基于234Th/238U不平衡法估算输出生产力（5.8±0.9 mmol C m-2 d-1）的11％。分析表明真光层内的NO3-可能处于非稳态，因此营养盐的垂向通量可能与基于234Th/238U不平衡法计算的新生产力不一致。根据计算的氮、磷、硅垂向通量比值推测，南海的氮限制应发生在上层50 m，硅限制可能发生在50-75 m。相较于高频、高分辨率连续测量，离散样品由于垂向空间覆盖率低，会引起浓度梯度计算较大的误差，最终造成通量估算0-40％的误差。 (2)基于2009-2011年间四个航次的调查数据，南海北部上层100 m的硝酸盐和亚硝酸盐(NO3-+NO2-(N+N)）储量为200-290 mmol m-2，磷酸盐(DIP)储量为13-24 mmol m-2，硅酸盐储量为210-430 mmol m-2。营养盐储量存在显著的季节变化，夏季最大，秋季和冬季的N+N储量相对于夏季分别减少～13％和～30％。为研究寡营养盐的黑潮入侵对南海营养盐的影响，建立了基于等密度面的两端元混合模型以定量特征南海水和黑潮水所占比例，并进一步计算仅由物理混合控制下的理论营养盐浓度(Nm)。结果显示，南海营养盐的储量和相应的黑潮水比例呈现负相关关系，表明黑潮入侵显著降低了南海营养盐的储量。进而比较Nm和实测营养盐浓度，两者差值指示生物过程所导致的营养盐变化量，结果显示冬季和春季南海北部海盆上层存在净的营养盐去除，而秋季则有狰的添加。 (3)利用历史数据和数值模型，结合上述等密度面模型，计算了南海海盆SEATS站黑潮水百分比(Kw)的年际变化。1988-2012年间，SEATS站Kw存在显著的年际变化，其变化幅度大于季节变化。去除季节信号后，Kw的年际变化和Multivariate ENSO index(MEI)指数呈现不对称的正相关关系，暗示SEATS站Kw的年际变化受气候因子的影响。SEATS站DIP储量的年际变化与Kw显著负相关(R2=0.68)，与风速(R2=0.05)和DIP垂向通量(R2=0.22)相关较小，而与叶绿素(Chla)储量的年际变化显著正相关(R2=0.62)。因此，黑潮入侵是影响南海DIP储量和Chla储量年际变化的主要因素，而DIP垂向通量和风速则相对不重要。 (4)利用历史温盐和营养盐数据，分别建立了南海和GoM-CS营养盐与温度、盐度的关系，结合HYbrid Coordinate Ocean Model(HYCOM)模型的温度和盐度数据，分别反演了南海和GoM-CS气候态的营养盐浓度。结果显示，南海和GoM-CS的营养盐分布与物理动力过程均紧密联系，包括海盆尺度的环流、上升流、涡旋以及西边界流入侵等。利用HYCOM的动力学参数，诊断分析了南海和GoM-CS营养盐的各个源汇分项，发现垂向对流是两个边缘海海盆区营养盐的首要来源，其次为垂向扩散，水平对流和扩散的通量则相对较小。上述源汇分项之差体现了生物地球化学过程的净效应，即生物活动导致的添加和去除量。结果表明，南海营养盐的最大去除发生在～70 m，而GoM-CS则在～100 m，与各自的营养盐跃层最大值深度一致。南海生物作用下的N/P比值约为15，GoM-CS约为21，与各自次表层水中无机态的DIN/DIP比值一致。依据该诊断也推算出南海新生产力为～3.7 mmol m-2 d-1，而GoM-CS为～9.5 mmol m-2 d-1。 综上所述，南海和GoM-CS营养盐的时空格局主要与大洋水入侵、海盆尺度的环流、涡旋、上升流等物理动力过程密切相关。黑潮入侵显著影响了南海北部营养盐浓度的空间分布和季节变化，其年际变化也是影响南海营养盐和Chla储量年际变化的主要因素。南海和GoM-CS的物理-生物地球化学调控具有诸多相似特征，其中，垂向对流和扩散是真光层内营养盐的主要来源，同时边缘海的营养盐受到大洋入侵造成的稀释效应。 收起