东南加利福尼亚湾边缘盆地贫氧上层中层带硝化作用研究及其对氮循环的贡献

《Regional Studies in Marine Science》：Nitrification in the oxygen-deficient uppermost mesopelagic layer of a marginal basin in the southeastern Gulf of California

本研究针对东南加利福尼亚湾阿尔方索盆地贫氧上层中层带，通过七次航次调查揭示了硝化作用在100/150-300米深度的活跃性。研究人员使用15N标记铵技术测定硝化速率（2.6-177 nmol·N L-1 d-1），发现其与上层海洋环流和生产力密切相关，为贫氧海域氮循环机制提供了新见解。

　　

在海洋氮循环中，硝化作用作为关键环节，不仅为初级生产提供必需的硝酸盐，还在贫氧环境下贡献温室气体一氧化二氮（N₂O）的排放。然而，对于光照层以下贫氧环境中硝化作用的动态变化及其调控机制，特别是受水文条件和表层生产力耦合影响的研究仍显不足。位于东南加利福尼亚湾的阿尔方索盆地，作为典型的边缘海盆，其上层中层带（透光带以下100/150-300米）存在持续的贫氧条件，为研究这一科学问题提供了理想场所。

为探究该海域硝化作用的时空特征及其驱动因素，研究人员在2012年3月至2014年4月期间，开展了七次航次调查，覆盖冬季混合、春夏亚中尺度气旋式涡旋活动和夏季分层三个典型水文时期。研究团队采用¹⁵N稳定同位素标记技术，通过向氦气吹扫的海水样品中添加¹⁵N标记的铵盐（¹⁵NH₄⁺），追踪硝酸盐和亚硝酸盐的生成量，从而测定潜在硝化速率。同时，结合水体温度、盐度、溶解氧等环境参数的垂直剖面测量，系统分析了硝化作用与环境因子的关联性。

研究方法

研究区域位于阿尔方索盆地监测站（24°38'N, 110°35'W）。通过CTD剖面仪采集100-300米深度海水，使用氦气吹扫去除残留氮气后，添加¹⁵NH₄⁺进行培养实验。利用质谱仪测定¹⁵N标记的硝酸盐和亚硝酸盐产物，计算体积硝化速率（nmol·N L^-1 d^-1）和深度积分速率（mmol·N m^-2 d^-1）。

结果

热盐特征

水体热盐结构呈现显著季节性变化。冬季（2012年3月、2012年11月、2014年2月）混合层最厚，上层50米温度均匀（19-23°C）；其他月份混合层较薄（12-27米）。溶解氧浓度在150-300米深度区间普遍低于20 μmol/kg，形成稳定的贫氧环境。

硝化速率

体积潜在硝化速率显示较大变幅（2.6-177 nmol·N L^-1 d^-1），深度积分速率范围为0.63-14.2 mmol·N m^-2 d^-1（100/150-300米）。2012年8月和2013年9月观测到最低值，对应生物生产力较低时期；而2012年3月和2014年4月出现峰值，与气旋式涡旋循环期和表层营养盐富集密切相关。

讨论

研究表明，阿尔方索盆地100-300米深度存在活跃的硝化作用，其速率变化受上层海洋动力学和表层生产力调控。深度积分硝化速率（平均值4.9 mmol·N m^-2 d^-1）与加利福尼亚湾既往研究结果（夏季平均值约4.0 mmol·N m^-2 d^-1）高度吻合。硝化微生物群落中，氨氧化古菌（Ammonia-Oxidizing Archaea）和硝化螺菌（Nitrospinae）在氮转化过程中起主导作用。该过程不仅补充了上层中层带的硝酸盐库，还缓解了海湾贫氧区由脱氮作用导致的氮磷比失衡问题。

结论

本研究首次系统评估了阿尔方索盆地透光带以下贫氧层的硝化活动，证实其受到水文季节变化和表层生物生产的显著影响。硝化作用在该海域氮循环中扮演着关键角色，既参与硝酸盐再生，又可能贡献N₂O排放。研究成果为理解边缘海盆地的生物地球化学循环提供了重要科学依据，对预测气候变化背景下海洋氮循环的响应规律具有启示意义。论文发表于《Regional Studies in Marine Science》。