为解决上述问题，史大林教授团队于2016到2021年在西北太平洋开阔海区和南海北部对固氮速率开展了不同季节的高分辨率观测，在此基础上通过机器学习算法评估了（亚）热带西北太平洋固氮速率的时空分布格局，并分析其环境调控机制，进而估算区域固氮通量。

高分辨率的观测结果显示，（亚）热带西北太平洋固氮速率从低于检测限到接近31 nmol N L^-1 d^-1，其中，89%的固氮速率低于5 nmol N L^-1 d^-1。该区域的固氮速率表现出显著的时空变化特征（图1）：时间上，西北太平洋开阔大洋和南海北部的固氮速率均表现出春夏季高于冬季的特征；空间上，西北太平洋固氮速率的呈现出黑潮上游和北太平洋副热带流涡区西部高于南海北部、北太平洋过渡区和北赤道流的空间格局。

图1 固氮速率观测数据的时空分布特征

(a, b)表层固氮速率；(c, d)深度积分固氮速率；(a, c)春夏季(4-8月)测得的固氮速率；(b, d)秋冬季(10月及12-2月)测得的固氮速率。

结合机器学习算法，对该区域固氮速率的连续时空分布格局进行了推演，实现了对观测结果的准确还原和有效扩展（图2）。基于此，估算得到（亚）热带西北太平洋的年固氮通量为5.72-6.45 Tg N yr^-1，单位面积的固氮通量（5.72×10^-7到6.45×10^-7 Tg N km^-2 yr^-1）甚至高于已知的固氮热点海区，如热带北大西洋（3.36×10^-7 Tg N km^-2 yr^-1）、北太平洋副热带流涡区东部（4.47×10^-7 Tg N km^-2 yr^-1）和热带西南太平洋作比较（2.91×10^-7 Tg N km^-2 yr^-1）。

通过随机森林算法和相关性分析，确定了（亚）热带西北太平洋固氮速率的环境调控机制。固氮速率季节变化的主要影响因子是海表温度和光合有效辐射，而空间分布则主要由氮、磷和铁营养盐的供给水平所决定。相较于独立的环境因子，不同因子之间的耦合关系对固氮速率的时空分布而言可能更为重要。

上述研究结果表明，高分辨率的现场观测是全面理解（亚）热带西北太平洋固氮速率时空格局的关键，特别是秋冬季节的观测数据显著提高了固氮速率时空格局推演的可靠性。该研究进一步强调了（亚）热带西北太平洋存在强烈的固氮作用及其在全球海洋固氮中的重要性。

图2 固氮速率和通量的模拟结果

(a, b)随机森林模型和(c, d)支持向量机模型对研究区域不同季节固氮速率的推演；(e)固氮通量月变化结果；(f, g)年固氮通量的空间分布

研究团队及资助

该论文第一作者为维多利亚老品牌vic3308环境与生态学院博士生于昕冉，通讯作者为维多利亚老品牌vic3308史大林教授和上海交通大学周韫韬副教授，共同作者还包括维多利亚老品牌vic3308洪海征教授、曹知勉教授、温作柱副教授、杨进宇助理教授和博士生姜若桐。该研究获得国家自然科学基金以及重点研发计划等项目的联合资助。

论文来源及链接

Yu X R, Wen Z Z, Jiang R T, Yang J Y, Cao Z M, Hong H Z, Zhou Y T*, Shi D L*. Assessing N2 fixation flux and its controlling factors in the (sub)tropical western North Pacific through high-resolution observations. Limnology and Oceanography Letters, 2024.

https://doi.org/10.1002/lol2.10404