Растворенный кислород и круговорот питательных веществ

Взаимодействие фотосинтеза на поверхности и дыхания на глубине формирует вертикальное распределение кислорода и питательных веществ в океане, определяя, где процветает жизнь и где расширяются зоны с дефицитом кислорода.

Definition

Круговорот питательных веществ — это перемещение биологически важных элементов между растворенными, взвешенными и живыми пулами в океане, связанное с производством и потреблением растворенного кислорода во время фотосинтеза и дыхания.

Scope

Эта тема охватывает растворимость и распределение растворенного кислорода, образование и динамику зон кислородного минимума, основные лимитирующие питательные вещества (нитраты, фосфаты, силикаты) и микроэлементы, такие как железо, биологический насос, экспортирующий органическое вещество, а также регенерацию питательных веществ и потребление кислорода во время разложения.

Core questions

• Что контролирует растворимость и вертикальное распределение растворенного кислорода в океане?
• Как образуются зоны кислородного минимума и почему они расширяются?
• Какие питательные вещества ограничивают первичную продукцию в различных регионах океана?
• Как биологический насос перераспределяет углерод и питательные вещества между поверхностными и глубокими водами?

Key theories

Соотношение Редфилда и реминерализация

Морское органическое вещество образуется и разлагается с характерным соотношением углерода, азота и фосфора, поэтому дыхание на глубине потребляет кислород и регенерирует питательные вещества в предсказуемых пропорциях.

Биологический насос

Опускающиеся органические частицы переносят углерод и питательные вещества из освещенной солнцем поверхности в глубокий океан, где их разложение приводит к снижению уровня кислорода и хранению углерода вдали от атмосферы.

Mechanisms

Фитопланктон в освещенном солнцем поверхностном слое поглощает питательные вещества и выделяет кислород во время фотосинтеза; произведенное им органическое вещество опускается и разлагается на глубине, потребляя кислород и высвобождая питательные вещества обратно в раствор. Там, где циркуляция обеспечивает мало кислорода, а дыхание высоко, развиваются зоны кислородного минимума, а апвеллинг возвращает регенерированные питательные вещества для поддержания дальнейшей продукции.

Clinical relevance

Поступление питательных веществ определяет продуктивность океана и рыболовство, в то время как снижение уровня кислорода и расширение мертвых зон угрожают морским экосистемам; оба эти фактора чувствительны к потеплению и изменению циркуляции, что делает их ключевыми индикаторами здоровья океана в условиях изменения климата.

History

Редфилд установил пропорциональную связь между морскими питательными веществами и биологией в 1930-1950-х годах; более поздние работы, включая гипотезу Мартина о железе конца 1980-х годов, показали, что дефицитные микроэлементы могут ограничивать продуктивность на обширных участках океана, что изменило понимание контроля питательных веществ.

Key figures

• Alfred Redfield
• John Martin

Seminal works

• sarmientoGruber2006
• redfield1958

Frequently asked questions

Что такое зона кислородного минимума?

Это слой на определенной глубине, обычно от нескольких сотен до тысячи метров, где уровень растворенного кислорода падает до очень низких значений, потому что дыхание потребляет кислород быстрее, чем медленная циркуляция может его восполнить.

Почему железо является важным питательным веществом в океане?

Железо необходимо для фотосинтеза, но оно крайне дефицитно во многих частях открытого океана, поэтому в регионах, богатых другими питательными веществами, оно может быть фактором, ограничивающим рост фитопланктона.