南海是世界上最大的边缘海之一。南海北部和西南部是宽阔的大陆架，中部则是深海盆。通过各个海峡，南海分别与东海、西太平洋、苏禄海、爪哇海连通。南海的环流很复杂，主要受东亚季风和周边海区的水平输运控制，其中黑潮入侵及南海内部垂向的“三明治”环流结构是一个重要特征。在如此复杂的三维环流背景下，厘清营养盐和无机碳收支的困难程度可想而知，而生物活动进一步复杂化这一过程。

    在过去的二十多年，科学家们进行了许多主要基于现场观察的研究来探讨南海营养盐和碳酸盐体系的收支与动力学机制。然而，由于传统观测手段的局限性，我们对此仍然知之甚少。除了生物地球化学过程的复杂性外，更重要的原因是我们对南海的三维环流输运及其与相邻海区的水交换缺乏全面的了解，进而导致对营养盐及无机碳迁移和动力学的误解及不合理的推测。此外，以前大多数研究主要着眼于局部现象，而忽略了南海内外部物理和生物地球化学过程之间的整体相互作用。

    营养盐和无机碳的分布和收支对于揭示、定量计算和预测南海的生物地球化学过程至关重要。因此，香港科技大学甘剑平团队联合厦门大学戴民汉团队基于现有观测数据，开发定制了一套全新的三维中国海多尺度海洋模型系统（CMOMS）用于对营养盐和无机碳在南海中的收支和动力学机制展开数值模拟研究。通过与现场和遥感观测进行对比验证，模型准确地捕捉到了南海的主要物理和生地化特征。通过模型研究，我们首次清晰地描绘了南海营养盐和无机碳的时空分布及其与周边海域的交换通量，同时，针对营养盐和无机碳在南海内部的动力学调控机制提出了全新的解释。

    研究发现，南海营养盐主要受控于水平和垂直通量及相关生地化过程，具有独特的时空分布特征。营养盐在上层从北向南增加，在中层和深层则向相反方向增加。在评估营养盐输运时（尤其在陆架区），定量分析结果表明有机形态的营养盐至关重要。在氮限制的寡营养盐海盆区，上层营养盐的主要来源为随上升流的补充和有机质再矿化作用，其主要消耗过程为生物的初级生产，同时，穿过吕宋海峡的入侵流也对其起到了稀释作用。中层及深层的营养盐主要由西太通过吕宋海峡的水交换和南海内部的垂向输运所控制。

    在氮、磷共限制的陆架水中，氮营养盐的主要来源是沿岸上升流，而磷营养盐主要来自有机质再矿化作用和由水柱垂直梯度导致的向上通量。在夏季，生物的初级生产是营养盐主要的汇，基于磷的生产量显著高于基于氮的生产量，冬季情况则相反。这一发现证明了磷限制的河流冲淡水和氮限制的外海水对该区域的交替影响。我们将氮和磷营养盐动力学之间的主要差异归因于河流冲淡水中较高的氮磷比及两者矿化速率的差异。

    总体而言，南海无机碳主要通过吕宋海峡上层（600米以浅）和深层（1600米以深）输入，同时通过吕宋海峡中层（600-1600米之间）及其他海峡输出。在垂直方向上，无机碳在400米以浅和1100米以深向上输运，而在400-1100米之间则向下输运。

    基于模型的无机碳平衡方程分析表明，水平和垂直对流比无机碳收支中的其他项大一个数量级，两者方向相反，因此趋于相互抵消。春季和夏季的无机碳库存减少是由无机碳的净消耗导致，而秋季和冬季则受到垂直输运影响，无机碳库存有所增加。在中层和深层，物理输运过程对无机碳库存的季节性变化起决定性作用。在150米以浅，无机碳收支及其与营养盐的化学计量比在很大程度上由过量的无机碳垂直通量所控制，从而影响该区域的海气二氧化碳交换通量。