近日，廈門大學海洋與地球學院、近海海洋環境科學國家重點實驗室張瑤教授團隊在海洋中尺度渦旋的生物地球化學響應方面取得重要研究進展，相關成果以“Reduced nitrite accumulation at the primary nitrite maximum in the cyclonic eddies in the western North Pacific subtropical gyre”為題發表于Science Advances.該研究綜合利用物理-化學-生物多學科海洋現場觀測資料，首次揭示了西北太平洋副熱帶流渦區中尺度氣旋渦所誘導的兩步硝化解耦（decoupling）現象。該研究為全球海洋“上層亞硝濃度極大值（PNM）”的緯向分布模式提供了一種可能的形成機制，指出在海洋碳氮循環模式中充分考慮由動力過程所誘導的非穩態過程的重要性，對全面理解海洋動力系統中的生物地球化學循環具有重要意義。
亞硝酸鹽（NO2–）作為復雜氮循環的關鍵中間產物，參與了眾多生物介導的氧化還原過程，顯著影響海洋氮營養鹽組成和生物生產力，其濃度是指征海洋氮循環中氧化和還原途徑的重要指標。海洋現場觀測和數值模擬均表明，在有氧海區的真光層底部附近，兩步硝化過程（即氨氧化和亞硝酸鹽氧化）會造成NO2–的累積，從而在上層海洋形成一個NO2–濃度的極大值層，通常稱為PrimaryNitriteMaximum（PNM）。
從全球范圍來看，PNM中的NO2–濃度值在高緯度海區和赤道上升流缺氧區最高，而在副熱帶流渦區最低，具有顯著的緯向分布格局。西北太平洋副熱帶流渦區（wNPSG）是全球海洋PNM濃度值最低的區域之一；同時，受副熱帶逆流斜壓不穩定過程的影響，wNPSG也是全球海洋中尺度渦旋活動最為活躍的區域之一。研究表明，中尺度渦旋可顯著調控上層海洋的物質輸運過程，從而對上層海洋的生物地球化學過程產生顯著影響。因此，該研究提出如下科學假說：中尺度渦旋會造成氨氧化和亞硝氧化過程的非穩態過程，并進而對海盆尺度上PNM的時空變化產生顯著影響。
研究團隊結合15N穩定同位素標記技術和分子生物學技術，首次在wNPSG的氣旋渦系統中，對氨氧化和亞硝氧化過程的速率、米氏動力學和關鍵功能基因進行了系統深入的研究。
研究發現，中尺度氣旋渦所引起的等密度面抬升將次表層的硝酸鹽（NO3–）帶入真光層，造成浮游植物初級生產的加強，以及浮游植物與硝化菌之間對底物氨/銨（NH3/NH4+）競爭的緩解，并進而增強了兩步硝化過程。除NO3–之外，等密度面抬升也將次表層中具有高底物親和力特征的硝化菌帶入真光層；這些硝化菌能夠迅速通過增強的兩步硝化過程消耗環境中的NH3/NH4+和NO2–，直至將其濃度降低到更低的水平。這也解釋了中尺度氣旋渦系統中增強的生物生產與降低的NH4+和NO2–濃度之間的“矛盾”。
更為重要的發現是，中尺度動力過程造成了兩步硝化過程的解耦。隨著等密度面的抬升，相較于氨氧化古菌（AOA），亞硝氧化細菌（NOB）在垂直剖面上的豐度分布和底物親和力發生了更大的變化；這導致亞硝氧化速率的增強顯著高于氨氧化速率，進而加快了NO2–的周轉，并降低了PNM中NO2–的濃度。
增強的硝化過程將導致更多的還原態氮轉化為氧化態氮，這必然顯著影響初級生產力的結構。結合NO2–氧化和NO3–吸收速率的估算表明，硝化過程為真光層提供的NO3–占浮游植物所消耗NO3–的比例約為17%（渦邊緣）?24%（渦中心）。這表明，如果不考慮增強的硝化作用，會造成渦旋系統中新生產力和碳輸出估值的顯著高估。
該研究揭示了中尺度動力過程調控PNM分布的機制，并量化了中尺度氣旋渦對上層海洋硝化作用的刺激效應以及對新生產力和碳輸出估算的影響。這些發現對于全面理解海洋動力系統中的生物地球化學循環具有重要意義。
