BGC-Argo 浮标揭示缺氧区中氮-碳循环的变化

为何隐秘的海域重要

在海面之下深处，存在着广阔且几乎没有氧气的水层。这些缺氧区域静静地控制着对生命必需的氮以及影响气候的碳在海洋中与大气之间的流动。本文追踪了一台在东热带北太平洋漂浮近三年的机器人浮标，揭示这些隐秘水层的化学状况比科学家曾经想象的更为多变。研究显示，表层生物活动的脉动、旋转的涡旋以及微小的微生物共同作用，随时间重塑海洋的氮与碳平衡。

在低氧海域的机器人漂流

研究人员在以厚重缺氧层著称的东热带北太平洋部署了一台自主的生物地球化学 Argo 浮标。该浮标反复潜升穿越水柱，记录了氧气、硝酸盐、亚硝酸盐、pH 值以及富有有机碳的颗粒物。近三年的观测跨越了拉尼娜、中性到强厄尔尼诺的时期。整个期间，大约从100米到800多米的中层水体持续处于极低氧状态，证实该区域是长期存在的氮损失热点。

黑暗中逐渐消退的化学信号

在该低氧带内，团队关注亚硝酸盐——一种短寿命的氮形态，当微生物在缺氧条件下用硝酸盐或其他化合物呼吸而非氧气时，亚硝酸盐会出现或消失。记录早期存在一层明显的亚硝酸盐积聚，表明微生物将硝酸盐还原为亚硝酸盐的速率快于其被消耗的速率。然而在2023和2024年间，亚硝酸盐水平稳步下降，有时低于检测限。同时，pH 降低和碳酸盐饱和面发生位移，显示出额外二氧化碳的产生以及水体缓冲能力的变化。这些变化在广域范围内发生，附近第二台浮标也观测到相同的亚硝酸盐下降，暗示这是区域性变化而非局部异常。

表层藻华与旋转涡旋

浮标的传感器还显示出表层类似植物的浮游生物和有机颗粒的大幅波动。季节性藻华以及2022年夏末的一段高产期将大量有机物输送到上层海域。涡旋——大型旋转水团——周期性地将富营养的深层水体抬升到更接近光照的区域，促进了这些藻华并提升叶绿素和颗粒有机碳。此类事件不仅增强了表层生命活动，还改变了下沉进入缺氧带水体的化学组成，进而改变了驱动黑暗中氮损失和碳释放的微生物可得“食物”量。

随时间重排的微生物通路

为解读哪些微生物过程最为活跃，研究人员使用了一个将硝酸盐、亚硝酸盐、二氧化碳和碱度变化联系起来的化学计量质量平衡模型。分析表明，在所有条件下，将硝酸盐还原为亚硝酸盐这一步骤主导了氮的转化。然而其他通路随深度和时间发生了变化。当亚硝酸盐丰富时，亚硝酸盐氧化与硝酸盐还原尤其强烈。在高有机碳事件期间，反硝化和厌氧氨氧化（anammox）——将结合氮转化为惰性氮气的过程—被促进，而亚硝酸盐氧化减弱。在随后低亚硝酸盐条件下，反硝化变得更为重要，表明更强的还原性条件有利于氮从系统中完全移除并产生如一氧化二氮等温室气体。

对变化中海洋的意义

这段长而细致的记录表明，缺氧区并非沉寂、稳定的“死区”，而是氮与碳通路不断重组的动态环境。浮游生物生产力、外源有机物供应以及涡旋的物理搅动等变化，能够左右氮在维持海洋生物可用性与向大气流失之间的平衡，同时也改变这些水体储存或释放二氧化碳的能力。随着气候变化可能导致低氧区域扩展，自主浮标与类似工具将成为追踪这些隐秘转变并改进对海洋化学、生产力和温室气体排放演变预测的关键手段。

引用: Bif, M.B., Kelly, C., Altabet, M.A. et al. BGC-Argo float reveals shifts in nitrogen-carbon cycling in an oxygen-deficient zone. Commun Earth Environ 7, 294 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03410-5

关键词: 缺氧区, 海洋氮循环, 生物地球化学 Argo 浮标, 海洋碳循环, 东热带北太平洋