自然资源部海洋生态系统动力学重点实验室

MED研究团队揭示牡蛎生物沉积促进微量金属元素向底质富集的机制

近日，自然资源部海洋生态系统动力学重点实验室（MED）在国际环境科学与生态学领域期刊《Journal of Hazardous Materials》（中科院大类一区，TOP期刊，IF=14.224）发表了题为“Influence of biodeposition by suspended cultured oyster on the distributions of trace elements in multiple media in a semi-enclosed bay of China”的研究论文，揭示了牡蛎生物沉积作用促进微量金属元素向底质富集的机制。刘强副研究员为第一作者，寿鹿高级工程师和曾江宁研究员为共同通讯作者。滤食性贝类可大量摄食水体中的悬浮颗粒物，经消化系统吸收营养物质后以排泄物或“假粪”形式排至体外并沉积到海底的过程称作生物沉积。生物沉积会加速水体中颗粒物沉降，并将大量物质输送至海底。目前，国内外研究主要关注贝类生物沉积对碳、氮、磷、硅等营养元素生物地球化学循环的影响，受研究手段的限制，对微量金属元素关注较少，而微量金属元素通常可作为不同研究领域的特征指示物。研究团队以象山港筏式养殖牡蛎为研究对象，经过四季现场研究发现，养殖牡蛎的生物沉积速率在夏、秋季较高，春季最低。通过比较牡蛎的生物沉积物、可沉降颗粒物、表层沉积物以及不同水层溶解态微量金属元素含量，发现牡蛎生物沉积过程加速了上层水体中微量元素向底层输送，从而导致底层沉积物中微量元素相对富集的现象，提出滤食性贝类驱动微量金属元素由水相转归至沉积相的生物地球化学循环机制。微量重金属元素砷、镉、钴、铬、铜、镍、钒和锌元素以该机制为主，锰、钼、铅和钨受该机制和水文动力过程的共同控制，而铷和锶则以水文和地球化学过程为主导，微量金属元素间呈现显著差异。牡蛎软体组织对微量元素的超累积作用未能掩盖生物沉积过程对微量元素向下输送的影响。总之，养殖牡蛎的生物沉积可调控微量金属元素在海湾生态系统中的生物地球化学过程，加速水体中悬浮颗粒态微量元素向底部运移。研究结果有助于全面认识高密度贝类养殖对海湾环境的影响，为促进贝类养殖产业安全和健康发展提供科学依据，同时也可为区域产业集聚发展与贝类养殖业是否协调发展提供了新的判据。本研究得到了国家自然科学基金青年基金项目（41806136和41706125）和海洋二所专项项目（JG1910和JG1914）的共同资助。养殖牡蛎的生物沉积对海湾生态系统中微量金属元素生物地球化学过程的影响概念图Qiang Liu, Yibo Liao, Jihao Zhu, Xiaolai Shi, Lu Shou*, Jiangning Zeng*, Quanzhen Chen, Jianfang Chen. 2023. Influence of biodeposition by suspended cultured oyster on the distributions of trace elements in multiple media in a semi-enclosed bay of China. Journal of Hazardous Materials, 443, 130347. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.130347 PDF下载

2022-11-18 查看详情

MED研究团队基于碳同位素量化南海沉降颗粒有机碳垂向和侧向来源的相对贡献

近日，自然资源部第二海洋研究所海洋生态系统动力学重点实验室（MED）海洋生物地球化学团队（MBCG）与同济大学、德国汉堡大学和苏黎世联邦理工学院等机构合作，在地球科学期刊《Journal of Geophysical Research: Oceans》上发表了题为“Carbon Isotopic Constraints on Basin-Scale Vertical and Lateral Particulate Organic Carbon Dynamics in the Northern South China Sea”的研究论文。该研究基于南海北部中深层时间序列沉积物捕获器样品，分析了POC的含量和年龄，探讨了其时间序列变化和垂向分布特征，同时通过建立两端元混合模型，估算了“新碳”（垂向）和“老碳”（侧向）的相对贡献，并探讨了其潜在的动力学过程。论文第一作者为我所张静静助理研究员，李宏亮副研究员和陈建芳研究员为共同通讯作者。图1. 左图为南海北部SCS-N站和TJ系列站位（Blattmann et al., 2018）化石源碳的贡献：黄色数字为TJ系列站位近底层沉降颗粒中化学源碳占比；红色数字为本研究区域（SCS-N站位）化石源碳在再悬浮侧向来源有机碳中的占比。右图为SCS-N站位的锚系结构图。近年来，侧向搬运对沉降颗粒物及有机碳通量的贡献受到了越来越多的关注，这一过程的强度和影响范围对理解现今生物泵输出和深海沉积记录都具有重要的意义。然而，海盆区沉降POC来源组成的定量估算仍然较少。本研究基于南海北部海盆区沉积物捕获器采集的时间序列样品，分析了沉降颗粒物通量、POC和岩源物质组分、POC稳定碳和放射性碳同位素（13C 和14C），结合粘土矿物特征，以探讨生物泵垂向“新碳”和再悬浮侧向“老碳”的相对贡献及其潜在的动力学过程。研究结果表明，南海北部海盆中深层水柱中，84%-91%的沉降POC来源于生物泵“新碳”的垂向输出，而陆坡陆架区再悬浮侧向“老碳”的贡献较小，对POC通量的时间序列变化影响亦较小。因此，南海海盆区中深层沉降POC通量仍是评估该区域生物泵储碳强度及其时空变异性的良好指标。然而，值得注意的是，随着深度的增加，侧向“老碳”的来源和组成愈加复杂。基于化石源碳的组成特征，我们推断，这部分侧向“老碳”主要来源于台湾-东沙附近的东北部陆坡区，通过再悬浮-沉积-再悬浮循环输送至海盆。在侧向输运过程中，上层生物泵不断沉降的海源POC稀释了陆源POC的贡献，同时受矿物-有机质间相互作用的影响，使得输送至海盆的“老碳”中，预成化海源碳比例最高，化石源碳次之，土壤源碳最少。图2 边缘海垂向和侧向有机碳输出动力学过程概念图（根据Jeomshik-Hwang的图改绘）本研究得到海洋二所专项（JG2213, JZ2001、JB2208）、国家自然科学基金（41906045、42106045）、全球变化与海气相互作用专项（GASI-04-HYST-01）和南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海：SML202SP207）等项目资助。Zhang, J., Li, H., Wiesner, M. G., Eglinton, T. I., Haghipour, N., Jian, Z., & Chen, J. (2022). Carbon isotopic constraints on basin-scale vertical and lateral particulate organic carbon dynamics in the northern South China Sea. Journal of Geophysical Research: Oceans, 127, e2022JC018830. https://doi.org/10.1029/2022JC018830 PDF下载

2022-08-25 查看详情

MED研究团队揭示了2019年印度洋偶极子对赤道东印度洋生物化学过程的影响

近日，自然资源部第二海洋研究所海洋生态系统动力学重点实验室（MED）海洋生物地球化学团队在地球科学期刊《Geophysical Research Letters》在线发表了题为“Robust Subsurface Biological Response during the Decaying Stage of an Extreme Indian Ocean Dipole in 2019”的研究论文，报道了2019年印度洋偶极子对赤道东印度洋生物化学过程的影响。该论文第一作者为我所李宏亮副研究员，陈建芳研究员为通讯作者，合作作者包括我所周锋研究员和寿鹿副研究员团队，以及海洋一所王保栋研究员、张学雷研究员和刘琳研究员团队。印度洋偶极子（Indian Ocean Dipole，IOD）事件是热带印度洋主要的海-气耦合现象之一，对全球气候具有重要的影响。有研究表明，赤道东印度洋（EIO）的初级生产力在正相位IOD（p-IOD）事件期间显著提高。然而，这些生态响应的进展主要基于卫星遥感观测和模式模拟结果，现场的原位观测，尤其是次表层营养盐供应与生态响应的机制研究仍然十分缺乏。图1 2019年p-IOD（a）和2017年正常年份（b）的观测站位及背景温度场和风场；（c）为高分辨的多参数生化传感器观测系统针对这个问题，研究团队依托“全球变化与海气相互作用专项”，于2019年冬季（超强p-IOD衰退期）利用一套集成了多参数生化传感器的观测系统，获取了赤道东印度洋上层水体高分辨率的生化剖面数据（图1）。通过与2017年同期（正常年份）的现场观测数据进行对比研究，发现p-IOD期间，持续增强的东风作用下，温跃层与营养盐跃层抬升至真光层上部。与此同时，由于相向运动的赤道表层流和潜流间的剪切作用，增强了次表层的湍流混合与营养盐向上的扩散通量。因此，p-IOD期间营养盐跃层抬升与营养盐湍流扩散通量增强的叠加作用，刺激了赤道东印度洋次表层浮游生物旺发，次表层Chl-a极大值显著增高，水柱积分的Chl-a浓度可达正常年份的2倍（图2）。图2 赤道东印度洋在p-IOD（a）和正常年份（b）期间，次表层生物地球化学响应概念图本研究得到了“全球变化与海气相互作用专项（II期）”（GASI-04-HYST-01, GASI-01-EIND-STwin）、国家自然科学基金（42176039, 42176148, 42076134, 41876028）、海洋二所专项（JZ2001）、中国大洋矿产资源研究开发协会（DY135-E2-4-03）、山东省泰山学者计划（tsqn201909165, 20190963）等共同资助。Li, H., Zhang, J., Wang, X., Zhu, Y., Liu, L., Wang, B., Zhang, X., Wei, Q., Ding, R., Xuan, J., Shou, L., Zhou, F., &Chen, J. (2022). Robust subsurface biological response during the decaying stage of an extreme Indian Ocean Dipole in 2019. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL099721. https://doi.org/10.1029/2022GL099721 PDF下载

2022-08-25 查看详情

科研动态

MED研究团队揭示牡蛎生物沉积促进微量金属元素向底质富集的机制

MED研究团队基于碳同位素量化南海沉降颗粒有机碳垂向和侧向来源的相对贡献

MED研究团队揭示了2019年印度洋偶极子对赤道东印度洋生物化学过程的影响

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