过去1.65亿年海洋氮循环稳定性揭示大陆构型与上升流对生物地球化学循环的调控作用

本研究针对海洋氮(N)和磷(P)循环耦合关系这一长期争议问题，通过分析过去1.65亿年海洋沉积物的氮碳同位素记录，结合同位素箱式模型和气候模型模拟，揭示了大陆构型变化通过改变风场和上升流模式，进而影响海洋氮同位素组成和营养盐循环的过程。研究发现深海δ15N平均值稳定在+3.2±1.6‰，而远洋区域δ15N较高(+7.0±1.8‰)，这种差异主要受东西向特提斯洋海岸线上升流与南北向窄海岸线上升流的不同控制机制影响。该研究为理解地质时间尺度上海洋营养盐循环的调控机制提供了新视角。

　　

海洋是地球系统的重要组成部分，其中氮(N)和磷(P)作为限制海洋初级生产力的两大营养元素，其生物地球化学循环过程一直备受关注。然而，这两种元素的来源和循环路径却截然不同：磷主要来自岩石风化，通过河流输入海洋；而氮则来自取之不尽的大气氮库，通过生物固氮作用进入海洋系统。一个长期争议的科学问题是：到底是什么控制着海洋的初级生产力？是铁限制下的固氮作用，还是地质过程控制的磷供应？

为了回答这个根本性问题，Linda V. Godfrey等研究人员在《Nature Communications》上发表了一项开创性研究，他们通过分析过去1.65亿年的海洋沉积物中的氮和碳同位素记录，结合创新的模型模拟，揭示了海洋氮循环的稳定性和调控机制。

研究人员采用了多学科交叉的研究方法，主要包括：沉积物岩芯的氮碳同位素分析（来自DSDP和IODP钻孔样品）、同位素箱式模型（模拟不同上升流速率下的氮循环过程）以及耦合气候模型（模拟不同地质时期大陆构型和风场对上升流的影响）。这些技术方法的综合运用，使得研究人员能够从多角度验证他们的科学假设。

沉积物氮同位素自中侏罗世以来的记录

研究团队通过分析多个深海钻探项目的岩芯样品，构建了迄今为止最连续的中侏罗世至今的海洋氮同位素记录。特提斯洋作为一个东西走向的低纬度大洋，将南方的冈瓦纳大陆和北方的欧亚大陆分隔开，为研究提供了独特的地质背景。

分析结果显示，在过去1.65亿年间，深海δ¹⁵N_DEEP平均值保持在+3.2±1.6‰，变化范围在-2到+9‰之间；而远洋区域的δ¹⁵N_DISTAL平均值则为+7.0±1.8‰。这两种记录在晚白垩世开始和中新世中期以来数值相近，而在其他时期，远洋区域的δ¹⁵N明显高于深海值，尤其在古新世差异可达5‰。

特别值得注意的是，在165和140百万年前出现了两次显著的负偏异常，这与西特提斯洋的西班牙走廊（Hispanic Corridor）在165-160百万年前的打开以及中美洲海道在140-130百万年前的形成有关，这些地质事件可能改变了海洋环流模式。

海岸上升流与氮同位素的关系

现代海洋中，最大的氮损失发生在水柱中，而海洋的δ¹⁵N主要是在寒冷的东部边界上升流区域（如美洲、非洲西海岸和北印度洋）定义的。海岸上升流的发生取决于风场与海岸线的相对位置：当风沿着海岸线吹拂时，在北半球会引起海洋的离岸输送，迫使深层水上涌替代表层水。

研究人员通过气候模型模拟不同地质时期的上升流通量发现，由于大陆构型和风场的重新配置，上升流通量在不同地质时期可能有显著变化。模拟结果显示，白垩纪时期的全球海岸上升流通量可能是现代值的两倍。

箱式模型模拟结果

为了深入理解上升流对δ¹⁵N的影响，研究人员开发了一个同位素箱式模型，模拟了两种不同情况：一种是磷封闭系统（代表深海区域，磷埋藏率低）；另一种是磷开放系统（代表浅海区域，允许有机质埋藏）。

模拟结果显示，在磷封闭系统中，随着上升流增加，输出生产力和δ¹⁵N都增加；而在磷开放系统中，虽然输出生产力也随上升流增加而增加，但δ¹⁵N却下降。这种差异的关键在于：在开放系统中，增加的输出导致更多的埋藏，从而降低了营养盐库存，最终减少了水柱反硝化作用，导致δ¹⁵N值降低。

对氮循环的新认识

这项研究得出了一个重要结论：在过去1.65亿年间，全球海洋的氮循环整体上保持了惊人的稳定性。深海δ¹⁵N数据中只有不到4%落在中值+3.7‰的95%置信区间（±2.8‰）之外。相比之下，远洋区域的δ¹⁵N变化更大。

研究发现，固定氮（硝酸盐或铵盐）及其产生的生物量的同位素组成对生产力和输出生产力再矿化时的耗氧量都很敏感。这受到环流（垂直混合）和其他营养盐可用性的影响，但也受到固氮生物的作用，它们可以"短路"与高生产力导致的硝酸盐损失相关的反馈。

研究人员还发现了δ¹⁵N与有机碳积累率之间的关系：除最近3000万年外，这两个参数呈负相关关系；而δ¹⁵N与磷积累率之间几乎没有相关性，只有在最近3000万年可能存在正相关关系。

这些观察结果引出了一个基本结论：磷封闭模型只描述了新近纪以来的氮系统，并不能代表过去1.65亿年的大部分时期。

讨论与意义

这项研究通过评估代表深水硝酸盐和远洋温跃层硝酸盐的δ¹⁵N记录，并结合一套耦合的磷-氮同位素模型提供的框架，发现地质历史中发生上升流的海岸线的几何形态、走向和纬度是理解上升流速率及其对氮循环作用的关键。

大的Δ¹⁵N值（δ¹⁵N_DEEP和δ¹⁵N_DISTAL之间的差异）表明，如果有机碳积累率也很低，则存在强烈的分层；而磷库存的增加应伴随着有机碳积累的增加。相反，低的Δ¹⁵N值表明垂直混合增强。

研究还强调，虽然我们假设固氮作用始终能够恢复溶解无机氮的赤字，但这只有在铁供应充足的情况下才可能实现。分析表明，铁供应可能曾经受限，特别是在广阔的泛太平洋海域，固氮作用受到限制，导致δ¹⁵N极高。

中新世以来，大陆构型和环流格局发生了根本性变化。特提斯洋不再是一个无限制的环赤道大洋，随着气候变冷，风场和翻转环流增强。风驱动的海岸上升流在早中新世就有记录，但到中晚中新世才沿着南美洲太平洋海岸广泛出现。δ¹⁵N_DEEP在2800万年前开始增加，而δ¹⁵N_DISTAL下降，这两个参数在1100万年前收敛，证明了深层水的扩散上升流即使在最偏远的海洋区域也很重要。

这项研究不仅深化了我们对海洋氮循环的理解，而且为预测未来气候变化背景下海洋生物地球化学循环的变化提供了重要的科学依据。通过揭示地质历史时期大陆构型、风场、上升流和营养盐循环之间的复杂关系，研究人员为我们理解地球系统的长期演化提供了新的视角。