厘清海洋初级生产力与海水营养盐浓度之间的关系及其外部的驱动因素，能为地球系统模型提供关键依据。近日，我院金晓波副教授在国际著名地学期刊《Earth and Planetary Science Letters》上发表论文“Precessional forcing of biogeochemical and nutrient cycling in the tropical western Pacific during the late Pleistocene”，利用古海洋指标重建了晚更新世（25万年来）赤道西太平洋浮游植物颗粒无机碳生产力和海水磷酸盐浓度的变化，进而通过比对暖池区氮同位素变化记录，发现生物生产力与营养盐循环（氮与磷）在岁差（1.9至2.3万年）周期上耦合，即较高的磷利用率对应了较强的固氮作用及较高的生产力，据此提出地球轨道的周期性变化控制了该海区海洋表层的生物地球化学循环。
研究样品来自赤道西太平洋翁通爪哇海台（Ontong Java Plateau）的大洋钻探计划（Ocean Drilling Program, ODP）807站岩芯与“Kexue-08-973”航次KX21-2重力柱。该海区海洋初级生产力（Primary Productivity, PP）呈现季节性变化，北半球冬季（1-3月）生产力较高、夏季生产力较低；这一变化规律与巴布亚新几内亚（Papua New Guinea, PNG）降雨量的季节性变化一致，即：高降雨时期更多的营养盐物质能通过PNG北部河流输入到海洋，通过次表层、深度约200米的赤道潜流，营养盐可扩散或上涌至透光带，激发浮游植物的生长。
该研究采用了多种古海洋学指标方法：（1）利用KX21-2重力柱的颗石（coccolith）无机碳（particulate inorganiccarbon, PIC）通量、颗石方解石的碳同位素（δ13C）与无机成因方解石的δ13C之间的差值ε（可近似于颗石与浮游有孔虫δ13C的差值），来估算颗石藻（coccolithophores）的生产力及其细胞生长速率，一般认为ε越偏正代表颗石藻细胞生长速率越高；（2）利用ODP 807站的浮游有孔虫Pulleniatina obliquiloculata的镉钙比（Cd/Ca），指示海水磷酸盐浓度变化；（3）引用赤道西太平洋MD01-2386已发表的沉积物氮（N）同位素记录（δ15N），来指示区域海水氮循环、特别是固氮作用的变化。
研究结果显示，所有指标的时间序列均呈现强烈的岁差周期，在岁差频段上各指标存在以下对应关系：高颗石PIC通量、偏正的颗石碳同位素分馏值ε（高的颗石生产力与颗石藻细胞生长速率）、低的浮游有孔虫Cd/Ca（即低的海水磷酸盐浓度、相对高的磷利用率）、较负偏的氮同位素（较强的固氮作用）。据此，研究提出：轨道尺度上，PNG的降雨是驱动赤道西太平洋生物地球化学循环的主要原因。具体机制如下：
由于PNG河流碎屑物含有较多的蒙脱石，更多的铁（Fe）输入到海洋；蒙脱石矿物中存在的部分Fe在一定程度上可溶于海水，形成游离态的二价铁离子，可被生物利用；海水中较高的Fe:N比值有利于固氮藻类的生长，使得固氮作用加强，同时进一步消耗了海水中的磷酸盐；最终，新生的N也可能提高了总的生物生产力（如颗石藻PIC）。
此外，该研究也指出“类ENSO气候态”变化可能不是驱动赤道西太平洋生物地球化学循环的主因。
图1：（a）北半球冬季1-3月南纬5度太阳辐射量变化；（b）Niño3海区表层海水温度指示的类ENSO气候态；（c）KX21-2重力柱去长期演化趋势的颗石PIC输出通量与颗石碳同位素分馏ε；（d）营养盐循环：基于ODP 807浮游有孔虫Cd/Ca的海水磷酸盐浓度与基于MD01-2386沉积物碳同位素的固氮作用。
论文所有作者均系同济大学海洋与地球科学学院教师。第一作者为金晓波副教授，通讯作者为刘传联教授。共同作者包括王星星（博士后）、周辛全（博士后）、江小英（工程师）、乔培军（高级工程师）。该研究受国自然科学基金资助（41930536, 42176060, 42188102）。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118759