黑潮入侵南海会影响大洋表层溶解有机物吗？

海洋中溶解有机碳（DOC）的传输和生物降解过程是全球生物地球化学循环的重要环节。近年来许多研究表明，DOC随水平流混合过程的传输和矿化过程，是支撑海洋上层输出生产力所需营养盐的重要来源之一。而西边界流入侵的过程（如黑潮入侵南海，见图1）可将大洋表层积累的DOC输送到边缘海，是影响DOC的储库变动、微生物活动以及生源要素循环的重要过程。然而针对这一过程的现场观测和实验室模拟研究任然十分缺乏。

▲图1 2017年夏季航次和2014年冬季航次站位图（来源：AGU）

本研究通过调查黑潮携带的外源DOC在入侵南海的交换和生物降解过程，探究不同环境因子调控下DOC的矿化机制，及其对边缘海生物地球化学循环的影响。通过现场观测和甲板培养实验结果定量解析黑潮与南海水混合锋面区域中DOC的生物降解程度，及其受到营养盐的供给、微生物的种群和DOC的生物活性等环境因子的调控作用。初步估算结果显示，在南海北部因黑潮入侵而增强的微生物矿化过程所释放的无机氮与深层水向上输送的氮和表层生物固氮总量相当。因此，DOC在西边界流入侵陆架边缘海的矿化过程可能是大洋DOC一个重要的汇，其矿化过程则可能是边缘海营养盐一个重要的外部来源。

源于北赤道流的黑潮相较于南海具有相对高温、高盐、低营养盐和高DOC浓度的特点，而黑潮经吕宋海峡入侵南海的水团混合区域存在不同环境因子的梯度变化（见图2）。本研究在2014年冬季和2017年夏季采集黑潮和南海全剖面的水文及生化参数，通过建立黑潮和南海水团两端元的等密度面混合模型，定量估算混合过程中DOC微生物矿化程度（ΔDOC）（见图2）。结果表明，在南海北部靠近吕宋海峡的混合锋面区域DOC的降解最显著，约10%的表层DOC被矿化。

▲图2 2017年7月航次（a）温度、（b）盐度、（c）黑潮水占比、（d）溶解无机氮、（e）溶解无机磷、（f）叶绿素a、（g）DOC、（h）ΔDOC的跨吕宋海峡断面分布（来源：AGU）

本研究还通过甲板DOC微生物降解培养实验，研究DOC底物的来源、微生物的种群结构和营养盐的供给对DOC降解反应动态的影响及调控机制（见图3）。通过对DOC降解反应动态曲线的拟合，模拟不同条件下可被生物降解的DOC含量（BDOC）、降解速率常数（KM）以及细菌生长速率（BGR，见表1）。研究发现相比原位DOC和微生物环境（KDOM+ KMicro；SDOM+ SMicro），外源DOC的生物可利用性和细菌生长速率更高（SDOM+ KMicro；KDOM+ SMicro），在培养实验的营养盐添加组二者达到最高值（KDOM+ SMicro+ N）。培养实验中BDOC的估算结果与现场估算的ΔDOC一致，并且营养盐添加组实验结果与南海表层相对较高的垂向营养盐输送通量情景吻合。南海和黑潮生物群落结构的差异及降解过程中群落结构的演化结果显示了微生物群落结构对DOC降解的调控作用，培养14天后南海微生物群落中与有机碳降解功能相关的种群丰度更高，尤其是在营养盐添加组。另外从微生物降解反应的底物活性的角度来看，黑潮DOC相较南海可能具有更高的生物活性，从而降低生物降解所需的初始能量，可能更容易激发降解反应。综合现场观测和甲板培养实验的结果，不同环境因子共同调控了混合区域内DOC的生物降解增强的过程。

最后本研究估算表层150m黑潮入侵南海由矿化过程释放的碳量约8.6Tg每年，约为全球西边界流区域DOC年净生产量的6%，意味着边缘海可能是大洋DOC一个不容忽视的汇。而此过程每年约释放1.2Tg的无机氮，与南海深层水向上输送的无机氮和表层生物固氮作用所供给的氮量总和相当。

▲图3 不同培养条件下DOC浓度（a和b）和细菌丰度（c和d）随培养时间的变化。KDOM和SDOM分别代表8L过滤除菌后的黑潮和南海DOM；KMicro和SMicro分别代表2L未过滤的黑潮和南海水中微生物，N代表添加营养盐。黑色曲线为一级动力反应拟合的方程曲线（来源：AGU）

▼表1 不同培养条件下初始DOC、剩余DOC、可降解DOC（BDOC）的浓度及拟合计算的细菌生长速率（BGR）和降解速率常数（KM）（来源：AGU）

参考文献

[1] Li, X., Wu, K., Gu, S.,Jiang, P., Li, H., Liu, Z., & Dai, M. (2021). Enhanced biodegradation ofdissolved organic carbon in the western boundary Kuroshio Current when intrudedto the marginal South China Sea. Journal ofGeophysical Research: Oceans, 126(11), e2021JC017585.

[2] Wu, K., Dai,M., Chen, J., Meng, F., Li,X., Liu, Z., et al. (2015). Dissolvedorganic carbon in the South China Sea and its exchange with the Western PacificOcean. Deep Sea Research Part II:Topical Studies in Oceanography,  122,  41– 51.

[3] Xu, M. N., Zhang, W., Zhu,Y., Liu, L., Zheng, Z., Wan,X. S., et al. (2018). Enhanced ammonia oxidation caused bylateral Kuroshio intrusion in the boundary zone of the Northern South China Sea. Geophysical Research Letters,  45(13),  6585– 6593.

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