墨西哥湾环流涡旋中溶解有机碳的分布与输出

《Frontiers in Marine Science》：Distribution and export of dissolved organic carbon along a loop current eddy in the Gulf of Mexico

　　

海洋通过固碳在调节全球气候中发挥重要作用，溶解有机碳（DOC）是最大的海洋碳库之一。中尺度涡旋可通过涡旋-风相互作用和涡旋诱导应变增强DOC向中层带的输出，且这种输出在冬季对流混合期间通常增加。本研究调查了2022年11月Nortes风季节开始时，这些过程如何影响贫营养墨西哥湾反气旋环流涡旋Yazoo内DOC的分布和垂直通量。利用沿断面的高空间分辨率采样，研究人员绘制了LCE Yazoo及周围水域DOC浓度和水文属性的空间变异性。研究发现DOC浓度存在显著的水平 and 垂直变异性，未观察到在营养耗尽环境中预期的涡旋内系统性富集。总溶解碳水化合物作为活性 and 半活性DOC组分的重要组成部分，在上层海洋带占总DOC的7.4%，在中层带降至约4%。DOC与Prochlorococcus、Synechococcus、picoeukaryotes和异养细菌生物量之间观察到显著相关性，表明DOC与微生物群落结构之间存在密切的空间耦合。同时，DOC与氧跃层中表观耗氧量之间的关系表明，LCE Yazoo内DOC矿化对氧消耗的表观贡献（约40%）大于邻近水域（约29%）。由涡旋-Ekman泵驱动 的向上和向下通量在真光层内重新分布了半活性DOC，但未导致净输出。相反，由涡旋诱导应变驱动的向上和向下通量导致了半活性DOC的净俯冲，涡旋边缘附近的通量尤为强烈。总体而言，研究结果支持反气旋涡旋可能是半活性DOC输出的重要热点，可能促进贫营养海洋中的微生物碳泵。

研究背景方面，海洋生态系统通过生物碳泵将光合固定的碳从表层水转移至海洋内部，在全球碳循环中发挥基础性作用。这一垂直输出主要通过三条途径实现：颗粒有机碳（POC）的重力沉降、垂直迁移生物的活动运输以及有机碳的物理驱动运输。尽管重力颗粒通量在全球尺度上代表主要输出途径，但区域碳输出中物理运输可占相当大的比例，尤其是在 episodic 或空间集中的过程产生输出热点的区域。近期估算表明，物理驱动机制可能占全球生物碳泵碳输出的约20%，但这些途径的约束程度远低于重力通量。物理运输对DOC尤为重要，因为真光层中产生的活性和半活性DOC不会重力沉降，但可通过垂直和水平环流被输送离开表层进入中层带。在贫营养水域中，中尺度涡旋为DOC从真光层向中层带的物理运输提供了有效机制。其中一种机制是涡旋诱导应变，即涡旋被周围流场水平拉伸和变形，可产生交替的上升流和下降流区域并增强垂直运输，尤其在水平密度梯度强烈的涡旋边缘。相关的俯冲可产生有机碳输出的局部热点。第二种机制涉及风-涡相互作用，可通过涡旋-Ekman泵产生垂直运输，而季节性混合层加深可将表层DOC重新分布至更深水层。然而，通过这些物理驱动途径的DOC输出量级仍缺乏量化，尤其是在能量充沛的中尺度涡旋内。墨西哥湾开阔大洋区域为检验这些过程提供了有利环境。Loop Current向北侵入GoM并周期性脱落高能反气旋环流涡旋（LCEs），在其传播过程中强烈改变局部垂直结构和生物地球化学属性。LCE中的涡旋泵使等密面和硝酸盐跃层加深，在涡旋中心附近相对于外部水域产生显著的生物地球化学对比。此外，GoM中涡旋-Ekman泵可通过称为Nortes的冷空气爆发季节性增强，主要发生在9月至5月。然而，LCE内DOC分布及其垂直运输相关的物理机制在GoM中尚未被表征。本研究旨在表征新近脱落的LCE Yazoo在Nortes季节开始时DOC的空间分布，并研究可能影响DOC分布和垂直输出的物理和生物地球化学过程。研究人员假设LCE核心更为贫营养的条件将有利于相对于涡旋外部更高的DOC浓度，而涡旋相关的垂直运动将在真光层内重新分布DOC并促进其向中层带输出。

在技术方法方面，研究人员于2022年11月9日至16日PHYTBLOOM-EDDY海洋学航次期间采集了水文数据和海水样品，沿新近脱落的LCE Yazoo设置了16个站位的纵向断面。采样设计旨在解析涡旋外部水域、过渡区和涡旋内部（包括核心）的水文和生物地球化学梯度。DOC采用高温催化燃烧法使用TOC-LCSH总有机碳分析仪测定。TDCHO采用基于与2,4,6-三吡啶基-s-三嗪（TPTZ）反应的分光光度法量化，作为活性和半活性DOC组分的操作性指标。N+N浓度使用SEAL AA3-HR分段流动自动分析仪测定。微型浮游生物碳生物量数据来自Linacre et al.（2025）对同次调查的报道，样品经多聚甲醛固定后使用Altra流式细胞仪分析。AOU通过氧饱和浓度与实测DO浓度之差计算，并使用ΔC:ΔAOU摩尔比-0.72转换为碳当量。DOC与AOU的关系采用正交Deming回归分析。涡旋-Ekman泵诱导的DOC通量通过涡旋-Ekman速度与Ekman层深度处半活性DOC浓度的乘积估算，风场数据来自ERA5再分析。涡旋诱导应变相关的DOC通量通过中尺度垂直速度与真光层底部半活性DOC浓度的乘积估算，垂直速度使用二维omega方程近似计算。

研究结果方面，关于LCE的水文特征，垂直断面显示涡旋内部与外部水域之间存在显著差异。LCE内部水域更暖、密度更低、盐度更高且溶解氧更丰富。靠近涡旋核心的站位在约200 m处表现出次表层绝对盐度最大值，为北大西洋副热带水下水的特征。约300 m处升高的DO浓度为LCE内新近捕获水团的额外水文特征。关于N+N和表观耗氧量的分布，混合层N+N中位浓度低于检测限。LCE内硝酸盐跃层较深，在涡旋核心达到约135 m，而外部站位较浅。AOU在混合层内IN站位中位值为2.46 μmol kg?1，OUT站位为1.65 μmol kg?1。关于DOC和TDCHO分布，DOC垂直分布显示真光层内浓度较高且随深度逐渐降低。上层（5–50 m）DOC中位浓度为68.3 μmol kg?1。OUT站位DOC浓度（约71 μmol kg?1）高于IN站位（约67 μmol kg?1），差异从表层至10% Eo深度持续具有统计学显著性。TDCHO在上层达到最高浓度，中位值约5 μmol C kg?1，占总DOC的约7%。在中层（75–127 m），IN和TRANS站位TDCHO中位浓度高于OUT站位。在下层（150–175 m），IN站位DOC中位浓度显著高于OUT站位。关于垂直通量和潜在半活性DOC输出，涡旋-Ekman泵相关的DOC通量沿断面呈现相反的垂直运输模式。向下通量主导断面西侧，向上通量主导从涡旋核心附近至最东侧站位。二维omega方程导出的垂直速度显示沿断面交替的上升流和下降流单元。向下垂直速度出现在LCE Yazoo西侧和东侧，对应半活性DOC输出通量为7–45 mmol C m?2 d?1。向上垂直速度出现在涡旋核心西侧附近和OUT站位O3。

讨论部分总结如下：LCE Yazoo在采样时保留了加勒比来源水团的独特水文特征，表明其在脱落约两个月后仍为连贯涡旋。DOC浓度范围与GoM近海有限观测一致。研究人员最初预期的涡旋内系统性DOC富集未得到支持，OUT站位并非物理均匀背景。TDCHO浓度及其对总DOC的贡献随深度降低，表明生物可利用的碳水化合物富集DOC优先积累在真光层最光照充足且营养限制的层位。微型浮游生物主导自养碳生物量，Prochlorococcus占自养碳生物量的70–77%。DOC与Prochlorococcus、Synechococcus、picoeukaryotes和异养细菌生物量均呈显著正相关。通过碳溢出和细胞裂解等生理介导的DOC释放为微型浮游植物与DOC之间的联系提供了可能机制。关于DOC–AOU关系，DOC矿化在氧跃层中占IN站位估算氧消耗的中位约40%，OUT站位约29%。涡旋-Ekman泵主要在真光层内重新分布DOC而非直接输出至中层带。涡旋诱导应变相关的垂直通量跨越真光层底部，向下通量占主导，中位约17 mmol C m?2 d?1，表明LCE Yazoo可能作为半活性DOC的净输出者。高输出通量出现在边缘站位，与涡旋边缘和锋面区域作为有机碳俯冲局部热点的先前观察一致。

结论部分翻译：本研究首次对墨西哥湾LCE相关的DOC分布和物理驱动输出进行了高空间分辨率评估。新近脱落的LCE Yazoo内及周围的DOC浓度表现出显著的水平 and 垂直变异性，未显示假设的涡旋内系统性富集。这表明DOC积累并非仅由LCE内增强的贫营养条件控制，而是反映了涡旋内外微生物过程与空间异质性物理条件的联合影响。基于PAR定义层位而非固定深度层位的真光层DOC垂直分布分析表明，在整个断面上，1% Eo等照度线一致代表净DOC添加上层与净DOC移除深层之间的界限。DOC的异质性空间分布反映了以微型浮游生物为主的微生物群落与受LCE Yazoo内外中尺度动力学和Nortes风影响的复杂物理环境之间的相互作用。基于其对碳生物量的压倒性贡献，Prochlorococcus可能代表LCE内主要的自养DOC来源。然而，DOC与Prochlorococcus、Synechococcus、picoeukaryotes和异养细菌生物量之间的显著相关性表明DOC与微生物群落结构之间存在密切的空间耦合。在氧跃层中，DOC–AOU关系表明LCE Yazoo内DOC矿化对氧消耗的表观贡献（约40%）大于周围水域（约29%）。这些结果表明，LCE内输出至真光层以下的DOC可能代表上层中层带微生物呼吸的重要底物。在采样条件下，物理运输机制在不同垂直尺度上运作，涡旋-Ekman泵和季节性混合主要在真光层内重新分布DOC，而涡旋诱导应变相关的垂直运动将半活性DOC输送跨越真光层底部。向下通量占主导且在涡旋边缘附近最强，确定这些动力学活跃区域为DOC输出的潜在热点。研究人员观测与其他贫营养系统的研究之间的一致性表明，表层活性和半活性DOC动力学、应变诱导俯冲与中层带微生物处理之间的耦合可能代表反气旋涡旋中DOC输出的反复机制。虽然这些反气旋涡旋中的物理输出本身并不意味着长期封存，但半活性DOC向中层带的输送为矿化以及可能与微生物碳泵相关的微生物转化提供了底物。