近日，海洋與地球學院、近海海洋環境科學國家重點實驗室史大林教授課題組與國內外合作者在Science Advances發表了題為“Nutrient regulation of biological nitrogen fixation across the tropical western North Pacific”的研究成果，揭示了鐵和氮供給比率（Fe:N supply ratio）是調控熱帶和亞熱帶西北太平洋生物固氮的重要因子，為全球海洋尺度上認識海洋生物固氮的時空格局及其調控機理提供了重要的觀測和理論依據。
在全球約70%的海區，氮（N）是真光層中浮游植物生長最主要的限制性營養鹽，固氮生物透過固氮酶將氮氣（N2）還原為氨（NH3），可貢獻高達50%的海洋外源生物可利用氮——“新氮”，對輸出生產力有重要的貢獻。鐵（Fe）和磷（P）是調控生物固氮在全球海洋分佈的重要營養鹽。已有數值模式結果顯示，熱帶和亞熱帶西北太平洋是固氮作用的熱點海區。然而，迄今針對該海區生物固氮的營養鹽調控機理的研究仍存在諸多不足與挑戰。例如，固氮觀測的空間尺度有限、解析度低，且觀測結果與模型預測不吻合；配套引數不齊全（氮、磷、鐵等營養鹽）；海盆尺度的營養鹽限制特徵仍不明確。
圖1.固氮速率（A）和固氮生物群落結構（B）
針對上述重大科學問題，史大林教授團隊與合作者依託GEOTRACES（痕量元素和同位素海洋生物地球化學迴圈）計劃西太平洋科學考察GP-09等航次，利用同位素示蹤和分子生物學等技術手段，對包括南海北部海盆在內的熱帶西北太平洋海區的固氮速率和固氮生物群落開展了大尺度、高解析度的觀測，並結合痕量金屬潔淨條件下的鐵和磷甲板受控培養實驗，系統闡明瞭西北太平洋從邊緣海到開闊大洋的固氮速率和固氮生物的空間格局，發現固氮速率和固氮生物丰度與硝酸鹽躍層深度以及Fe:N比值顯著相關，並首次揭示了西北太平洋固氮作用的鐵、磷營養鹽限制及其空間變異性。
圖2.固氮速率對鐵和磷營養鹽新增的響應。紅色為鐵限制；藍色為磷限制；紅藍為鐵磷共同限制
進一步分析發現，真光層中鐵和氮的供給比率是決定生物固氮發生與否的決定因子。高Fe:N 供給比率（如西菲律賓海和NPSG）更加有利於固氮生物對營養鹽的競爭，消耗有限的磷，形成磷限制；而低Fe:N 供給比率（如NEC）使得固氮生物在浮游植物群落中失去競爭優勢，固氮作用受到鐵限制。透過建立簡單的資源競爭數值模型，研究團隊重現了Fe:N供給比率對西北太平洋的固氮作用及其營養鹽限制的調控過程，為生物固氮在全球尺度上的預測提供了重要的理論依據。
圖3.Fe:N供給比率對固氮速率和固氮生物丰度的調控作用（A）Fe:N供給比例與固氮速率和固氮生物丰度的相關性;（B）和（C）資源競爭模型輸出結果與觀測的吻合；（D）模型輸出的營養鹽限制與現場試驗結果吻合
該研究工作由廈門大學聯合德國GEOMAR以及上海交通大學的多個團隊合作完成，史大林教授課題組博士後溫作柱和GEOMAR的Thomas Browning博士為論文共同第一作者，史大林教授為通訊作者，共同作者包括廈門大學蔡毅華、柳欣、曹知勉、洪海徵、戴民漢教授以及上海交通大學張瑞峰博士等。該研究得到了國家傑出青年科學基金和國家自然科學基金重大專案“海洋荒漠生物泵固碳機理及增匯潛力”等的資助。
論文連結：
（海洋與地球學院/近海海洋環境科學國家重點實驗室）
