西印度洋温跃层中的再矿化信号：通过营养元素化学计量关系诊断局部生物地球化学过程

《Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography》：Remineralisation signals in the western South Indian Ocean thermocline: diagnosing local biogeochemical processes from nutrient stoichiometry

氮 fixation及其对营养循环的影响：西印度洋南部热力层水源水比例与生物地球化学过程研究。基于WOCE数据，应用最优多参数分析（OMPA）揭示北部莫桑比克海峡以热带/赤道混合水源为主，南部及东南马德拉斯洋流区则以亚热带水源主导。热力层N:P比值升高表明存在局地氮 fixation，尤其在东南马德拉斯洋流和好望角流区，且与碳通量密切相关。

　　在南印度洋的西岸，一个高度动态的区域，热带和亚热带水流交汇。像其他海洋区域一样，其温跃层的营养条件在区域生产力的形成中发挥着关键作用，但这些条件仍未被充分研究。本文通过应用区域最优多参数分析（OMPA）方法，利用世界海洋环流实验（WOCE）在莫桑比克海峡的北部和南部入口、东南马达加斯加洋流和阿古拉斯洋流收集的数据，探讨了当地生物地球化学过程对温跃层营养比的影响。我们首先量化了三种近源水流（赤道、热带、亚热带）对区域温跃层（约100-900米）的相对贡献，以及这些源水流通过等密度面混合所预期的营养（即硝酸盐和磷酸盐）库存。然后，我们利用预期和观测到的营养浓度和比值之间的差异，诊断了诸如有机物再矿化和氮气固氮等局部生物地球化学过程的发生。研究发现，莫桑比克海峡的两个入口分别具有不同的特征，其中热带源水流在北部入口占据主导地位（超过55%），而在南部入口则被营养贫乏的亚热带源水流主导（超过80%）。在北部入口，营养物质的增加和减少过程重叠，导致温跃层营养库存相对于源水流供应的变化相对较小，没有证据表明存在局部的氮气固氮现象。相比之下，在莫桑比克海峡以南（>25°S），包括东南马达加斯加洋流和阿古拉斯洋流区域，显示出强烈的局部再矿化信号，表明亚热带温跃层营养物质的增加。这些营养物质相对于源水流和下层水流具有较高的硝酸盐-磷酸盐比值，我们将其解释为局部氮气固氮的证据。我们的分析表明，氮气固氮在亚热带西南印度洋的局部发生，将为区域生产力和碳输出提供燃料。

南印度洋的风驱动环流主要由亚热带反环流组成。负的风应力涡旋驱动反环流，导致下沉现象，抑制等密度面和营养面（营养面指营养物质浓度变化的界面），从而在盆地内形成一般性的贫营养表面条件。西印度洋（wSIO）以其涡旋和快速流动的西边界洋流（WBCs）为特点，这些洋流迅速将热量、盐度和营养物质从低纬度向中纬度输送，如大多数WBC系统所展示的那样。沿南印度洋的西边界，这些涡旋和WBCs相关的营养物质富集的上涌现象似乎增加了区域生产力。同时，越来越多的地球化学证据表明，存在局部的氮气固氮现象，这一生物过程将惰性氮气（N?）转化为生物可利用的氮（N），其吸收同样增加了区域生产力。

温跃层营养物质的化学计量比，特别是氮-磷比（N:P），是研究诸如氮气固氮等生物地球化学过程的有用工具。温跃层是深海和表层海洋之间的过渡带，在营养物质的横向和垂直供应中起着关键作用。它也是水柱中大部分表层产生的有机物被再矿化为无机营养物质的区域。浮游植物消耗氮和磷的比例，以及随后在次表层被再矿化，通常反映了平均海洋N:P比值，约为16:1（即Redfield比值）。有机物再矿化过程也使用氧气，并以约-150:106的比例产生无机碳（Redfield等，1963）。虽然这些比值在全球海洋中不是恒定的，但偏离预期的再矿化化学计量比仍然可以用于推断营养物质的增加和减少过程，例如氮气固氮导致的氮的增加（Jenkins等，2015；Peters等，2017）。再矿化氮气固氮有机物引入氮和磷的比例远高于16:1（White等，2006；Knapp等，2012），因此，各种海洋区域温跃层中观察到的高N:P比值通常被归因于氮气固氮（Marconi等，2017；Marshall等，2022；Deutsch等，2007；Gruber & Sarmiento，1997；Harms等，2019）。地理化学示踪剂N*（=[NO??] – 16 × [PO?3?]）的分布表明，南印度洋温跃层接收的氮相对于磷是化学计量过量的，这一信号最合理的解释是氮气固氮。然而，仅观察到高N:P温跃层水体并不意味着氮的添加位置，而是意味着氮在磷的过量状态下已被整合到温跃层中。因此，将温跃层N:P比值的升高与区域环流相结合，可以用于区分局部氮气固氮与传输信号。

我们通过表征靠近源区域和西边界之间的温跃层营养库存的变化来研究wSIO的区域营养循环和氮气固氮。通过将源水类型分数（eq. 1a, 1b, 1c, 1d）乘以源区域测量的氧气、硝酸盐和磷酸盐浓度，我们推导出仅由源水类型沿等密度面混合所产生的期望浓度。观察到的氧气浓度与期望浓度之间的差异类似于真实的氧气利用（TOU）。我们推导出营养浓度的偏差为观察值与期望值之间的差异，正的TOU和营养偏差表示氧气的损失和营养的增加，反之则表示氧气的增加和营养的损失。需要注意的是，沿西边界观测到的季节性混合最大深度小于100米，而除了阿古拉斯洋流外，所有剖面的温跃层顶部平均深度为134米，这意味着沿等密度面混合可能不足以完全解释温跃层的化学计量变化。

在温跃层中，营养物质的添加和去除比例提供了关于观察到的浓度偏差的生物地球化学过程（如氮气固氮）的线索。典型海洋有机物的生产与再矿化将去除和返回营养物质，其比例与下层温跃层（即紫色线）相似。相比之下，氮气固氮将产生正的硝酸盐偏差，其在N:P空间中沿着约40:1的线（橙色箭头）进行，尽管有报告指出固氮有机物的N:P比值范围较广（14-182:1）。脱氮作用将产生负的硝酸盐偏差（伴随轻微的正磷酸盐偏差），其在N:P空间中沿着约-95:1的线（红色箭头）进行。外部的磷酸盐通量（如河口或沉积物）将导致正的磷酸盐偏差，这可能与氮的损失（如在缺氧沉积物中的脱氮作用）相关，也可能与氮的增加（如河口输入）相关。无论哪种路径，都会在水柱中引入磷的过量。最后，两种过程可以引入低N:P比值的营养物质，并将数据点移到区域N:P比值的上右象限（灰色阴影）。第一种是低N:P比值有机物的再矿化，这是由于有机物元素比值的内在变化（Martiny等，2013；Lomas等，2021）。第二种是与温跃层下方的中间水体的垂直混合，这些中间水体（如红海和南极中间水）携带高营养物质浓度，其N:P比值较低，这是由于在wSIO上游的水柱脱氮作用去除了氮而不是磷（Gruber & Sarmiento，1997；Marshall等，2023）。

理论上，有两种场景可以生成同时显示氮和磷浓度的负偏差（蓝色阴影），但对N:P比值的影响不同。第一种是相对低N:P比值（即磷过量）的表层水体的垂直混合，这将导致氮和磷的高N:P比值（即磷的损失）从温跃层中移除。第二种是上层温跃层中营养物质的同位素信号，这可能是由于营养物质的同化（在位或向下混合）和固氮有机物的再矿化（增加氮的过量）重叠，导致总体的营养物质损失但氮的损失小于磷的损失（绿色菱形）。在沿等密度面混合的情况下，无论哪种情况，营养物质的添加或去除比例都提供了关于观察到的浓度偏差的生物地球化学过程的线索。

在沿等密度面混合的情况下，无论哪种情况，营养物质的添加或去除比例都提供了关于观察到的浓度偏差的生物地球化学过程的线索。通过比较源水混合（N:P_exp）和温跃层（N:P_obs）的硝酸盐-磷酸盐比值，我们可以诊断wSIO温跃层的局部生物地球化学过程。观察到的N:P比值相对于预期值的增加表明存在局部的氮过量添加，这通常与氮气固氮有关。观察到的N:P比值相对于源水混合的减少表明存在局部的低N:P比值营养物质添加、局部的磷通量（如河口或沉积物）以及/或氮的损失（如脱氮作用）。然后，我们考察上层温跃层中硝酸盐-磷酸盐偏差与营养供给的关系，后者由下层温跃层近似，以识别上层温跃层中记录的生物地球化学过程。最后，我们研究营养物质在上层温跃层中的添加比例，并确定这些营养物质添加发生在哪些源水中。

在wSIO的上层温跃层中，我们观察到较高的N:P比值，这表明存在局部的氮气固氮作用。这一信号主要出现在亚热带源水中，暗示氮气固氮在西南印度洋的局部发生。在下层温跃层中，通气和稀释的信号表明存在深但弱的垂直混合，这可能源于涡旋或其他湍流特征。这种混合可能高估了亚热带和热带源水的贡献，或者低估了局部有机物再矿化和氮气固氮作用。然而，下层温跃层中普遍存在的氮气固氮信号与西南印度洋子环流的保留环流一致。结合印度洋范围内的磷过量现象，西莫桑比克海峡的沿海地区和/或赞比西河口可能也提供了磷过量的营养物质，这可能支持了西莫桑比克海峡和下游西南印度洋子环流中的氮气固氮作用。相反，我们从莫桑比克海峡北部入口的数据中没有发现局部的氮气固氮作用，而是表明一个氮气固氮信号从赤道和热带源水区域传输而来。由于固氮菌在莫桑比克海峡已被观察到（Huggett & Kyewalyanga，2017；Karlusich等，2021），未来的横贯莫桑比克海峡的测量横截面将有助于阐明氮气固氮信号是向北还是向南传输，还是在海峡内局部生成。最后，我们的分析表明，热带wSIO的富营养温跃层可能由于局部的氮气固氮作用，其生产力低于亚热带wSIO，而氮气固氮作用则增加了区域的肥沃度和碳输出。