西北太平洋亚北极与副热带海域夏季浮游植物氮源利用的δ15N示踪与模型研究

《Progress in Oceanography》：Nitrogenous sources for summertime phytoplankton at two contrasting stations in the subarctic and subtropical western North Pacific

本研究针对开阔海洋中铵氮δ15N值测定困难、限制了对浮游植物氮源识别的难题，研究人员通过测定西北太平洋亚北极和副热带海域浮游植物、硝酸盐和铵的氮同位素组成，并结合氮同位素模型，揭示了夏季浮游植物主要利用铵氮而非硝酸盐氮，深化了对海洋新生产与再生生产的理解，对评估海洋生物泵及碳汇功能具有重要意义。

　　

在广阔的海洋中，微小的浮游植物扮演着至关重要的角色，它们通过光合作用固定二氧化碳，构成了海洋食物网的基础，并驱动着“生物泵”过程，将大气中的碳输送到深海，从而调节全球气候。浮游植物的生长离不开氮元素，而海洋中的氮主要来源于硝酸盐（NO₃^–）和铵（NH₄⁺）。其中，硝酸盐的输入通常与“新生产”相关联，代表着从海洋外部输入的营养盐所支持的生产力；而铵的利用则与“再生生产”相关，主要源于生态系统内部有机质的再循环。准确区分浮游植物对这两种氮源的利用比例，对于理解上层海洋的氮循环和碳循环至关重要。

然而，要想在自然环境下准确评估浮游植物的氮源并非易事。传统的培养实验虽然能提供瞬时数据，但添加同位素标记物会改变培养环境中的营养盐浓度，且难以获得垂直和时空整合的信息。另一种有前景的方法是分析浮游植物及其氮源（硝酸盐和铵）的天然氮稳定同位素组成（δ¹⁵N值）。浮游植物的δ¹⁵N值（δ¹⁵N_{Phytoplankton}）反映了其吸收的硝酸盐和铵的δ¹⁵N值以及吸收比例。理论上，通过测量这些δ¹⁵N值，就可以推算出浮游植物对新生产（硝酸盐吸收）和再生生产（铵吸收）的贡献比例。

但在实际应用中，存在一个关键瓶颈：尽管海水中硝酸盐的δ¹⁵N值（δ¹⁵N_Nitrate）在富营养海域已能被广泛测定，但在营养盐匮乏的寡营养海域，其低浓度往往低于检测限。更棘手的是，铵的δ¹⁵N值（δ¹⁵N_Ammonium）在开阔大洋中极少被成功测定，因为其浓度通常极低，难以满足传统测定方法的要求。这就导致了对浮游植物氮源的解释缺乏关键数据支撑。此外，在亚北极等高营养盐低叶绿素海域，尽管夏季表层海水中仍存在高浓度的硝酸盐，但浮游植物似乎并未充分利用它们，其背后的氮源利用策略也不清楚。

为了解决这些问题，由C. Yoshikawa领衔的研究团队在《Progress in Oceanography》上发表了一项研究。他们瞄准了西北太平洋两个环境迥异的站点——亚北极站点K2和副热带站点S1/St.1/30°N，在2012年至2016年夏季进行了多次航次调查。研究人员不仅直接测定了这些海域浮游植物、硝酸盐和铵的δ¹⁵N值，还开发了一个氮同位素模型，以弥补观测数据的不足，并整合解释氮同位素信号，旨在揭示夏季浮游植物的氮源利用策略及其在亚北极和副热带海域的差异。

为开展此项研究，作者团队运用了几个关键技术方法。首先是高精度的氮同位素分析技术，包括用于测定硝酸盐δ¹⁵N和δ¹⁸O的细菌反硝化法结合吹扫捕集-气相色谱-同位素比值质谱法（PT-GC-IRMS），以及用于测定悬浮颗粒有机氮（PON）和分选后浮游植物δ¹⁵N的灵敏度改进的元素分析-同位素比值质谱法（nano-EA-IRMS）。对于低浓度铵的δ¹⁵N测定，采用了船上扩散富集方法。其次，研究人员利用流式细胞分选技术从复杂的悬浮颗粒中特异性地分离出浮游植物细胞，从而获得了更纯净的浮游植物δ¹⁵N信号，避免了其他颗粒物（如微型浮游动物）的干扰。第三，他们构建了一个包含六个分室（浮游植物、浮游动物、PON、溶解有机氮DON、硝酸盐、铵）的海洋生态系统氮同位素模型，该模型能够模拟氮循环过程及其同位素分馏效应，并利用长期观测数据对模型进行了验证和约束。研究的水样和颗粒物样本来源于上述西北太平洋亚北极和副热带站点的科学考察航次。

3.1. 氮营养盐和叶绿素a的浓度

研究结果显示，亚北极站点K2和副热带站点的海洋环境存在显著差异。在亚北极站点K2，夏季表层混合层（约30米深）仍维持着高达12.8–17.6 μM的硝酸盐浓度，铵浓度在表层（<20米）为0.2–0.5 μM，在20-80米深度可升至1.5 μM，叶绿素a最大值出现在20-30米深处。而在副热带站点，70米以浅的水体硝酸盐几乎耗尽，仅在70-100米深的叶绿素最大层处有较低浓度（0.0–3.0 μM），铵浓度在整个水柱都低于检测限（<0.2 μM）。这清晰地表明了两个站点截然不同的营养状态。

3.2. 氮营养盐、PON和浮游植物的δ¹⁵N值

同位素测量结果揭示了更深入的信息。在亚北极站点K2，表层混合层硝酸盐的δ¹⁵N值（7.8‰–12.3‰）显著高于150米深处（5.2‰–5.6‰），表明表层硝酸盐经历了浮游植物吸收导致的¹⁵N富集。尤为重要的是，在叶绿素最大层（约25米），研究人员成功测得了铵的δ¹⁵N值为4.5 ± 1.9‰，明显低于该深度硝酸盐的δ¹⁵N值（8.5‰）。更令人惊讶的是，通过流式细胞分选获得的浮游植物δ¹⁵N值极低，介于-5.9 ± 0.5‰ 到 -3.3 ± 0.5‰之间，与硝酸盐的δ¹⁵N值相差高达11.8‰–14.4‰。如此大的差异无法仅用硝酸盐吸收的同位素分馏效应（通常为4‰–6‰）来解释，强烈暗示浮游植物吸收了¹⁵N值更低的氮源，即铵。相比之下，副热带站点叶绿素最大层（约100米）的浮游植物δ¹⁵N值（1.0 ± 0.7‰）与硝酸盐的δ¹⁵N值（6.8‰）相差较小（5.8‰），且该站铵浓度过低无法测定δ¹⁵N。

3.3. 利用氮同位素模型再现观测到的δ¹⁵N值

为了量化氮源贡献并解释观测到的同位素模式，研究人员使用了氮同位素模型。模型成功地再现了两个站点观测到的营养盐浓度、叶绿素a分布以及δ¹⁵N垂直剖面。模型模拟表明，在亚北极站点K2的叶绿素最大层，浮游植物对铵的吸收贡献了超过一半的氮需求（f-比，即硝酸盐吸收占总氮吸收的比例，为0.31–0.46）。而在副热带站点，浮游植物主要依靠铵作为氮源（f-比仅为0.11–0.12）。模型还预测，在副热带站点的叶绿素最大层，尽管铵浓度极低，但其δ¹⁵N值（7.7‰）可能高于硝酸盐，这与亚北极站点的情况相反。

4.1. 亚北极与副热带站点的比较

两个站点的差异根源在于其物理和生物地球化学环境。亚北极站点K2接收来自古老太平洋深层水的高浓度硝酸盐，且受铁限制，浮游植物无法完全消耗表层硝酸盐，导致夏季仍维持高硝酸盐状态。副热带站点则接收来自亚热带模态水的相对低浓度且受固氮作用影响导致δ¹⁵N略低的硝酸盐，并且营养盐被快速消耗。亚北极站点浮游植物δ¹⁵N值异常偏低，正是其大量吸收¹⁵N亏损的铵的直接证据。

4.2. 生产和消耗过程对垂直δ¹⁵N_Nitrate剖面的影响

通过模型对氮转化通量和δ¹⁵N趋势的分析表明，亚北极站点表层硝酸盐的¹⁵N富集主要源于浮游植物吸收。而在亚北极和副热带站点的真光层底部，硝化作用（将铵转化为硝酸盐，伴随¹⁵N分馏）会产生¹⁵N亏损的硝酸盐，部分抵消了浮游植物吸收造成的¹⁵N富集，这解释了副热带站点硝酸盐δ¹⁵N垂直梯度较小的现象。

4.3. 各生产和消耗过程对垂直δ¹⁵N_Ammonium剖面的影响

对于铵的δ¹⁵N，模型分析指出，在亚北极站点表层，浮游动物排泄和有机氮再矿化产生的铵相对¹⁵N亏损，是导致表层铵δ¹⁵N低于硝酸盐的主要原因。而在光抑制较弱的真光层下部，硝化作用（消耗铵，伴随¹⁵N分馏使得剩余铵¹⁵N富集）则导致铵的δ¹⁵N升高。在副热带站点，模型预测其叶绿素最大层铵的δ¹⁵N较高，是硝化作用和浮游植物吸收共同导致¹⁵N富集的结果。

4.4. 亚北极和副热带站点的浮游植物氮源

综合观测和模型结果，本研究得出结论：在西北太平洋夏季，尽管亚北极海域表层存在丰富的硝酸盐，但浮游植物超过一半的氮需求由再生铵提供；而在副热带海域，浮游植物则几乎完全依赖铵作为主要氮源。这一发现与以往的培养实验估计基本一致，但提供了更接近自然条件下、时空整合的视角。研究还指出，铵同化过程中的同位素分馏系数是影响估算结果的关键参数，在开阔大洋低铵浓度环境下，其值可能小于以往在高铵浓度环境下的估计值，需要进一步研究。

本研究的意义在于，首次在西北太平洋亚北极海域成功获得了夏季表层水体中铵的δ¹⁵N值，并将其与浮游植物、硝酸盐的δ¹⁵N值相结合，令人信服地揭示了铵在支持亚北极夏季浮游植物生长中的主导作用。这挑战了单纯从营养盐浓度角度认为高硝酸盐海域浮游植物必然以硝酸盐为主要氮源的简单推论，突显了再生生产在维持亚北极海域夏季生态系统中的重要性。该研究建立的氮同位素方法框架，为在更广阔的海域评估浮游植物氮源提供了有力工具，对于深化理解海洋氮循环、生物泵效率及其对气候变化的响应具有重要的科学价值。