利用光谱与超高分辨率质谱表征南海-吕宋海峡-西菲律宾海的溶解有机质循环

The marginal sea-strait-open ocean system is one of the most active areas in global ocean. The differences in the hydrology, physicochemical environment, and biological processes between the marginal sea and the adjacent open ocean and the interactions between them through the straits have important influence on the biogeochemical cycling of marine dissolved organic carbon (DOM). The South China Sea (SCS) is the largest marginal sea in the western Pacific Ocean. From the surface to the middle and deep layers, It has intense water exchange with the West Philippine Sea through the Luzon Strait. This make it an ideal place to study the influence of strait interaction on the oceanic DOM cycle. This project apply the combination of optical spectroscopy and ultra-high resolution Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR-MS) to reveal the compositional and structural differences and controlling factors of the DOM in the South China Sea and the West Philippine Sea from the molecular level. The influence of "sandwich" water exchange patterns through the Luzon Strait on the DOM dynamics in the SCS is studied, with focus on the hydrological and biogeochemical controls on the production and degradation of DOM in surface layer, and the effects on the DOM transformation, accumulation, and storage in deep and middle layers. The results of this study will deepen our understanding on the carbon cycle in the marginal sea, especially the accumulation and storage of recalcitrant DOM in ocean interior, and provide an important basis for assessing the role played by the SCS in the global ocean carbon cycle.

边缘海-海峡-开阔大洋系统是海洋过程非常活跃的区域之一，边缘海与开阔大洋在水文、理化环境、生物学过程上的差异以及彼此之间通过海峡的相互作用对海洋溶解有机碳（DOM）的生地化循环具有重要影响。南海是西太平洋最大的边缘海，从表层、中层到深层水体，都通过吕宋海峡与西菲律宾海发生强烈的水交换过程，是研究海峡相互作用对大洋溶解有机碳循环影响的理想场所。本项目采用光谱与超高分辨率傅里叶变换离子回旋共振质谱相结合的手段，从分子水平上揭示南海与西菲律宾海DOM的组成结构差异及其控制因素，阐述吕宋海峡“三明治”型水交换格局对两个海域表层DOM产生与降解的水文学及生地化调控机制，以及中、深层海域DOM转化、积累与储存的影响。本研究结果将深化对于边缘海碳循环过程尤其是内部惰性有机碳积累与储存特征的认识，为评估南海在全球大洋碳循环中所起的作用提供依据。

南海是西太平洋最大的边缘海，从表层、中层到深层水体，都通过吕宋海峡与西菲律宾海发生强烈的水交换过程。南海与西菲律宾海在水文、理化环境、生物学过程上的差异以及彼此之间通过海峡的相互作用，对南海特别是南海海盆内部无光层中溶解有机碳（DOM）的分布、转化及其碳储存潜力有何影响，还缺乏关键调控过程与机制的系统研究。本项目通过在南海北部海盆、东北部海盆及邻近西菲律宾海盆全水深的采样观测，采用光谱与超高分辨率质谱分析相结合的DOM表征手段，取得以下新的认识：（1）南海海盆中、深层（>200m）水体光谱示踪的惰性DOM组分（a325和FDOMH）随着水体老化耗氧过程的持续进行而不断产生，其周转时间明显快于开阔大洋；将日本海、南海和地中海组合为一组海盆尺度的温度梯度培养系统，从碳-氧耦合的角度发现，边缘海盆内部DOM光学组分存在一个产生-降解的反应系列，未来深海升温将有助于提高惰性FDOMH的现场产生效率，但会降低半惰性a325的现场产生效率，最终导致深海DOM碳库惰性程度增加，但储量减小，对于气候变化形成正反馈。（2）陆、海无光层体系的耦合对比发现，内陆水库湖下层惰性DOM的生产过程也受到温度、活泼碳源供应等因子的调控，但内陆水库和湖泊湖下层惰性FDOM组分的生产效率和生产速率显著高于海洋无光层，层化内陆水体湖下层是全球水生态系统中惰性碳产生的热点区域。（3）基于热带西太平洋真光层的高密度现场观测，发现了DOM中不同组分受到水文、初级生产、微生物转化和光化学过程等多个因素调控，准稳态的棉兰老冷涡和哈马黑拉暖涡提高了北太平洋低纬度西边界流区与临近太平洋、印度洋的DOM横向交换速率35%以上。（4）南海与西菲律宾海表层和深层DOM分子组成差异显著，惰性组分相对丰度随水深增加而增加，生物活性组分相对丰度随水深增加而减少。项目取得的成果为评估DOM周转在海洋和陆地碳汇中所起的作用及其对碳中和的潜在贡献提供了重要的理论依据。