《Scientific Reports》：An observational case study for inorganic nitrogen dry deposition potential on sea-surface primary production in the subtropical, western North Pacific
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本研究聚焦亚热带西北太平洋贫营养海域，探究大气无机氮沉降对海洋初级生产的影响。研究人员通过光合-光强实验测量了现场海水浮游植物的光合速率，并结合区域化学传输模型估算了氮沉降通量。结果显示，模拟的氮沉降通量所估算的初级生产力与基于实测最大光合速率和叶绿素-a浓度推算的生产潜力变化高度吻合。这强调了大气氮输入在维持该海区初级生产中的重要作用，为理解海洋生物地球化学循环提供了关键见解。
在浩瀚的蓝色星球上，海洋是生命的摇篮，其表层海水中微小的浮游植物（Phytoplankton）通过光合作用，构成了整个海洋食物网的基础，也吸收了大量的二氧化碳。然而，在约占全球海洋面积40%的亚热带寡营养海域，表层海水中像硝酸盐、铵盐这样的无机氮营养盐常年处于极低水平，严重限制了浮游植物的生长，即所谓的“营养盐限制”。那么，这些海域的初级生产力为何能得以维持？科学家们将目光投向了天空——大气沉降，尤其是含氮化合物的干湿沉降，被认为是一条向海洋“施肥”的重要外部途径。但这条途径究竟能“喂饱”多少浮游植物？其贡献有多大？为了精确量化大气无机氮沉降对西北太平洋这一关键海域初级生产的实际影响，研究人员展开了一项精密的观测案例研究。
为了回答上述问题，研究人员在2021年3月，搭乘“未来”号科考船（R/VMirai），在亚热带西北太平洋选取了三个具有代表性的、处于氮营养盐耗尽状态的海域站点（Site 1: 25-00°N, 145-00°E; Site 2: 26-30°N, 135-00°E; Site 3: 28-00°N, 135-17°E）采集了表层海水样本。研究主要结合了现场生物观测与模型模拟两种手段。关键技术方法包括：1）光合-光强实验：用于直接测定浮游植物的光合作用参数，特别是最大光合速率（Pmax）；2）区域化学传输模型：用于模拟和估算采样前24小时内大气无机氮（主要包括硝酸盐和铵盐）的干沉降通量；3）现场海水叶绿素-a（Chlorophyll-a, Chl-a）浓度测定，这是衡量浮游植物生物量的关键指标。
研究结果
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浮游植物最大光合速率的站点差异
通过光合-光强实验测得，Site 1、Site 2和Site 3的表层海水浮游植物最大光合速率（Pmax）分别为5.56±0.15、6.91±0.17和7.38±0.15 mg-C (mg-Chl-a)?1h?1。这表明三个站点的浮游植物群落具有不同的光合作用潜能，且从Site 1到Site 3呈现递增趋势。
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大气无机氮沉降通量的模拟估算
利用区域化学运输模型模拟计算出，在海水采样前的24小时内，Site 1、Site 2和Site 3的大气无机氮沉降通量分别为6.3±0.9、12.7±2.2和21.2±3.3 μmol-N m?2。模拟的氮沉降通量同样呈现出从Site 1到Site 3显著增加的空间格局。
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沉降氮对初级生产贡献的评估
研究人员基于模拟得到的大气无机氮沉降通量，假设这些氮全部可被生物利用（即生物可利用性为100%），并利用雷德菲尔德比值（Redfield ratio，指海洋浮游植物体内碳、氮、磷等元素的平均原子数比例，通常为C:N:P = 106:16:1）将其转化为潜在的初级生产通量（即可能新增的碳固定量）。令人瞩目的是，这样估算出的由大气氮输入驱动的初级生产潜力的变化趋势，与基于实测最大光合速率和现场叶绿素-a浓度计算出的海水本身初级生产潜力（即潜在产量）的变化高度吻合。这意味着，模型模拟的大气氮输入量，恰好可以解释观测到的不同站点间浮游植物生产潜力的差异。
结论与意义
这项观测案例研究通过将现场生物测量与大气化学模型模拟相结合，提供了直接证据，表明大气无机氮干沉降是维持亚热带西北太平洋贫营养海域初级生产的一个关键且可量化的外部营养源。研究结果表明，即使在没有明显河流输入或深层水涌升的广阔大洋区，来自大气的氮输入也能有效缓解表层海水的氮限制，支撑一定水平的浮游植物生长和碳固定。这一发现深化了我们对海洋生物地球化学循环，特别是“大气-海洋”界面物质交换过程的认识，强调了在评估海洋碳汇功能和生态系统生产力时，必须将大气沉降途径纳入考量。该研究发表于《Scientific Reports》期刊，其方法学（结合现场实验与模型）也为未来在更广阔海域开展类似研究提供了范例，对于预测全球变化背景下海洋生态系统的响应具有重要意义。
