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海洋低营养级生态要素组成了海洋生态系统食物链的基础，包含简单的浮游植物(P)和浮游动物(Z)，以及供浮游植物生存所需的营养盐(N)和浮游动、植物被分解代谢产生的碎屑(D)等。浮游植物是最主要的初级生产者，通过光合作用将营养盐等无机物转化为生物可利用的有机物，为海洋生态系统物质循环和能量流通奠定了基础。浮游动物是初级生产的消费者，又是碎屑物质的重要在海洋生态系统和全球生物地球化学循环中扮演着极为重要的角色。 现场观测表明，南海北部(NSCS)和黑潮上游区域(KC)生态系统的群落结构和生物地球化学背景具有显著的差异。与南海北部相比，黑潮上游区域呈现相对较低的营养盐浓度和初级生产力，但却具有较高的固氮生物丰度和固氮作用。然而，驱动两个生态系统存在明显固氮差异的机制至今仍认识不足。开展南海北部和黑潮上游区域低营养级生态要素的时空分布及其动力学机制的研究，不仅有助于理解南海北部和黑潮上游区域营养盐动力学和碳循环的过程，也将有利于更好地评价该区域生态系统对物理强迫和气候变化的长期响应，为该区域生物资源的利用和海洋环境的保护提供理论依据。 本文以南海北部SEATS站（116°E，18°N，文中以S站表示）和黑潮上游区域的一个时间序列站点（122.5°E,21.5°N，文中以K站表示）为研究对象，建立了一维NPZD生态系统动力模型，并与一维物理模型ROMS耦合，结合卫星和现场观测数据，对模型参数进行优化，实现了对S站和K站低营养级生态要素的长期变化的模拟，阐明了S和K站点浮游生态系统群落结构和营养盐通量的季节性变化规律，以及湍流混合和风应力旋度引起的上升和下降流等物理过程对浮游生态系统的影响机制。主要创新性成果和结论归纳如下: (1)本文所建立的一维物理-生物耦合模型中，物理模型在原有的包含由海气相互作用驱动的垂直混合的基础上，加入了由风应力旋度引起的埃克曼抽吸作用。生物模型在已有的基于氮循环的NPZD模型中加入了磷循环和固氮生物的固氮作用。通过采用实测数据对该一维耦合模型进行验证，结果表明，模拟结果与观测数据吻合较好，模型很好地再现了两个站点上层200米水体中，营养盐、叶绿素、初级生产力、新生产力和固氮作用的时空分布规律。证明了模型具有良好的模拟性能，计算结果的可信度较高，能够用于S和K时间序列站水文和生态要素长期变化规律的机理研究。 (2)对S和K时间序列站低营养级生态系统的长期变化特征的研究，证实了边缘海生态系统的动力学过程受到物理过程的控制。比较两个生态系统中水文要素、营养盐通量和浮游生物群落的长时间序列分布，结果表明，S站的营养盐浓度和叶绿素a浓度都明显高于K站点。S站非固氮浮游植物、浮游动物、小碎屑和大碎屑的生物量的积分分别是K站点的1.1倍、1.8倍、4.0倍和12.6倍左右，初级生产力、再生生产力和硝酸盐支持的新生产力积分分别是K站点的1.9倍、1.7倍和2.2倍左右。此外，S站固氮生物的生物量和固氮作用非常低，K站固氮生物的生物量和固氮作用却相对较高。 (3)通过研究物理的长期变化过程对生态系统变化的影响，发现夏季营养盐跃层以上的营养盐输送主要受垂向湍流混合控制，而营养盐跃层以下的营养盐输送主要受埃克曼抽吸作用控制。这些物理过程通过影响垂向的硝酸盐通量大小，最终影响了S和K两个站点固氮生物的群落结构和固氮作用的强弱。与K站点相比，S站极低的固氮生物丰度可能是受到次表层带来的较高的硝酸盐通量的影响，使得固氮生物在与非固氮浮游植物的竞争中处于劣势所致。 (4)一维物理-生物耦合模型很好地再现了K站固氮生物和非固氮植物交替出现的季节性分布，这种分布规律与观测结果较为吻合。通过比较有固氮作用和无固氮作用两种情况下，K站生态要素变化规律的差异，表明由固氮作用输入的新氮源，增加了海水无机氮盐的浓度，缓解了浮游植物群落的氮限制，使平均生长速率提高了约64％。同时，该新氮源还刺激了浮游植物、浮游动物和大小碎屑的级联正响应，使初级生产力、再生生产力和新生产力分别提高约30％。 (5)对模型生物参数的敏感性分析表明，在所研究的生物参数中，表层叶绿素a(SSChla)对光合辐射曲线的初始斜率的敏感性最大，而0-100米的初级生产力积分（Ipp）对碎屑的再矿化速率最为敏感。同时，二者均对硝化速率、浮游植物的死亡速率和浮游动物的二次死亡速率最不敏感。当各个参数在±50％之间变化时，SSChla和Ipp随参数的变化趋势也不相同。浮游动物摄食的半饱和常数和营养盐吸收的半饱和常数的大小都与SSChla成正比，与Ipp成反比;光合辐射曲线的初始斜率和浮游动物的最大生长速率都与SSChla成反比，而与Ipp成正比。表明在生态系统中，影响SSChla和Ipp长期变化的因素和机制存在较大差异。