赤道上升流驱动大西洋固氮与马尾藻暴发：磷的关键作用

《Nature Geoscience》：Equatorial upwelling of phosphorus drives Atlantic N2 fixation and Sargassum blooms

本研究聚焦大西洋马尾藻暴发机制，通过加勒比海珊瑚骨骼氮同位素记录，重建120年固氮历史。发现赤道上升流输送的“过量磷(P*)”调控固氮过程，揭示马尾藻与固氮附生菌的共生关系是其暴发主因。成果为预测藻华提供气候模式依据，发表于《Nature Geoscience》。

　　

近年来，北大西洋热带海域频繁出现大规模马尾藻（Sargassum）暴发，形成连绵数千公里的“大西洋马尾藻带”（Great Atlantic Sargassum Belt, GASB）。自2011年首次出现以来，这些漂浮的海藻群落已成为全球最大的互联漂浮生态系统，但其暴发机制长期存在争议。马尾藻生长需依赖氮（N）和磷（P），然而驱动其暴发的营养盐来源尚不明确。究竟是大气沉降、河流输入还是海洋内部过程主导？这一科学问题对预测藻华趋势、保护海岸带生态与社会经济至关重要。

为解开这一谜题，由Jonathan Jung和Alfredo Martinez-Garcia领导的研究团队在《Nature Geoscience》发表最新成果，通过分析加勒比海地区珊瑚骨骼中有机质的氮同位素（CB-δ¹⁵N），重建了120年来海洋固氮作用的变化历史。研究发现，赤道大西洋上升流输送的“过量磷”（P*，即磷酸盐相对于固定氮的化学计量盈余）是调控固氮作用的关键因子，而马尾藻通过与固氮细菌的共生关系高效利用新固定氮，从而在富磷贫氮环境中占据竞争优势。这一机制成功解释了2011年以来马尾藻生物量的主要变化趋势。

关键技术方法

研究团队从加勒比海6个地点（古巴、伯利兹、马提尼克等）采集珊瑚岩芯，通过过硫酸盐氧化-反硝化细菌法测定CB-δ¹⁵N，以此示踪固氮速率；结合GLODAPv2.2022数据集计算水体P*值；利用卫星遥感数据量化马尾藻生物量；采用EMAC模型模拟大气沉降；并通过统计模型（如AIC）评估环境因子对藻华的贡献。

研究结果

1. 珊瑚骨骼氮同位素揭示固氮历史

加勒比海珊瑚的CB-δ¹⁵N值介于1.87‰–6.68‰，低值对应高固氮速率。研究发现，1900–2021年间CB-δ¹⁵N的多年代际变化与大西洋多年代际振荡（AMO）显著相关：AMO负相位时，赤道东风增强、上升流加剧，向加勒比海输送更多P*，促进固氮作用。

2. 固氮作用与马尾藻暴发的耦合

高分辨率马提尼克珊瑚记录显示，2011年后CB-δ¹⁵N与马尾藻生物量呈正相关（调整r2=0.51）。2015年与2018年的藻华峰值恰对应120年来最高固氮速率，而大西洋经向模（AMM）的负相位（强东风、赤道上升流）进一步强化了这一关联。

3. 共生策略赋予马尾藻竞争优势

马尾藻组织N:P比高于浮游植物，其附生固氮菌可直接将N₂转化为宿主可利用氮，形成“de facto固氮者”。这种共生关系使其在P*充足环境中超越非固氮生物，解释为何藻华在赤道北大西洋（而非固氮较弱的马尾藻海）暴发。

4. 排除其他环境驱动因子

亚马逊/奥里诺科河输入、大气氮沉降、沙尘黑碳沉积等因子与藻华无显著年际关联；海表温度与盐度亦非主因。AIC模型确认固氮与AMM可解释56%的生物量变化。

结论与展望

本研究首次通过长尺度地质记录揭示赤道上升流-P*-固氮作用-马尾藻暴发的级联响应机制，强调气候模态（如AMM）通过调控海洋物理过程影响生态系统演替。随着全球变暖加剧，赤道上升流格局可能改变，未来马尾藻动态将取决于气候系统与海洋营养盐循环的反馈。该成果为藻华预测与海岸带管理提供科学基础，凸显了多学科交叉在解决海洋环境问题中的价值。