季节性缺氧揭示了沿海海域的碳氮解耦与溶解氮积累

《Marine Environmental Research》：Seasonal oxygen deficiency reveals carbon–nitrogen decoupling and dissolved-nitrogen accumulation in a coastal sea

　　

摘要

溶解有机氮 (DON) 是沿海海洋固定氮库的主要组成部分，已知会在缺氧水体中积累。然而，DON 是否在脱氧条件下与溶解有机碳 (DOC) 解耦，以及更广泛的溶解氮库如何响应，在沿海时间序列中仍未得到解决。在此，我们利用黄海沿海缺氧区跨越六次夏季航次的考察来表征这一响应。随着底层水氧含量从 6 月平均约 7.7 降至最低 2.3 mg L^-1，DON 增加 (ρ = ?0.53)，而 DOC 保持恒定 (ρ = 0.18)，导致两种元素解耦，并将 DOC:DON 比率降至雷德菲尔德参考值以下（占样本的 29%；最低 5.44），这是海洋溶解性有机物 (DOM) 一种异常富含氮的化学计量比。铵和亚硝酸盐平行上升 (NH₄⁺ ρ = ?0.82; NO₂^- ρ = ?0.67)，无机库向还原态形式转变。同时的表面 - 底层比较提供了这是底层效应的初步证据：随着氧含量下降，底层的氮富集加剧 (ΔNH₄⁺ ρ = ?0.83; ΔDON ρ = ?0.66，在控制共变的季节因素后为 ?0.51)，而 DOC 表现出相反的垂直结构。扩散物质平衡给出了中心底栖贡献约占观测到的 DON 增加的 8%（在合理的参数化方案中位数为 13%），并且因为孔隙水 - 底层水梯度以六比一的比率输送碳和氮，足够大以解释 DON 增加的底栖源将使底层水 DOC 增加其观测变率的两倍，而这并未发生；因此碳预算排除了底栖供应作为增加源，暗示了水柱过程；而对于还原性无机氮库，区域底栖通量足以构成一个可能的贡献。DOM 光学特性向更腐殖化、芳香族物质转变，微生物群落向具有明确低氧生态生理学特征的分类群转变 (SUP05 ρ = ?0.46; SAR324 ρ = ?0.43)，我们将其解读为底层氧化还原状态的指示剂，而不是 DON 产生的主体。随着沿海缺氧范围的扩大，这种碳 - 氮解耦的固定氮在底层的保留可能使沿海海洋转向内部氮循环而非去除，削弱氮汇并加剧富营养化。

引言

溶解有机氮 (DON) 是沿海和边缘海固定氮库中最大和最活跃的成分之一，在那里它经常与溶解无机氮库相当或超过，并且通常比溶解有机碳 (DOC) 具有更高的生物可利用性 (L?nborg et al. 2024; Yan et al. 2023, 2024)。DON 由自养浮游植物产生，并由异养细菌浮游植物再加工，DON 库反映了生物生产与微生物再矿化之间的平衡，其半惰性部分可以抵抗快速分解，并在水柱中积累而不是被再矿化或输出 (LaBrie et al. 2026; Letscher et al. 2013)。因为沿海海洋最终将其接收的固定氮在内部再生和去除之间保持平衡 (Gruber & Galloway 2008)，这个 DON 库的大小和反应性直接关系到该氮是被保留还是丢失。

缺氧条件下 DON 的积累已在一系列海洋系统中被报道。这种积累对于生产性的沿海和边缘海最为相关，在那里 DON 不仅仅是被运输，而是在水柱内被主动生产和再加工 (Li et al. 2026; Yan et al. 2023, 2024)，从而低氧底层可以保留它。开阔海洋的氧最小层显示出相关但不完全相同的响应：分子证据表明 DON 在亚氧水体中产生，而显著的积累仅限于其下方的沉积物孔隙水中 (Loginova et al. 2020; Ma?mig & Engel 2021)。报道的浓度范围很广：秘鲁氧最小层亚氧核中的 DON 平均为 4 ± 3 μmol L^-1，在统计上无法与含氧表面的 5 ± 4 μmol L^-1 区分 (Ma?mig & Engel 2021)，而它们下方的无氧孔隙水跨度大两个到三个数量级，从沉积物表面附近低于检出限到深处的 2.6 mmol L^-1，并维持高达 3.3 ± 1.7 mmol N m^-2 d^-1 的扩散性 DON 外流 (Loginova et al. 2020)。河口水的控制培养显示 DON 利用率从有氧条件下的 96.0 ± 1.8% 降至低氧条件下的 67.1 ± 7.3% (Chen et al. 2026)。然而，在这些系统中，积累通常出现在以亚氧生产、底栖通量或成岩作用为中心的研究中作为众多结果之一，而不是作为沿海时间序列的直接对象。

渤海和黄海为这个问题提供了特征明确的天然实验室。夏季黄海冷水团及其沿海海湾上的层化驱动了反复的底层水缺氧，伴随着营养物质在孤立底层中的积累。在受海水养殖影响的黄海北部沿海水域，这种消耗由水温、层化和沉积物需氧量共同设定 (Yang et al. 2021a,b,c; Zhang et al. 2026)。与此同时，这些海的 DON 库已在分子水平上被表征：在与开阔海洋交换受限的地方，DON 达到更高浓度和更顽固的特性，降解是冷水团内 DON 的主要汇 (Yan et al. 2023)，并且 DON 在运输到边缘海的过程中被再加工时变得 progressively 更芳香和 ¹⁵N 富集 (Yan et al. 2024)。然而，这两个文献领域是分开发展的：氧研究没有解析溶解性有机物，而分子 DON 研究没有沿氧梯度组织。区域 DON 库是否响应底层水脱氧，以及碳是否随之响应，因此仍然是开放的。

这种积累是否特定于氮取决于碳在相同条件下如何表现，并且没有要求两种元素响应相似。氧含量下降对有机物再矿化施加强烈的热力学控制，并可以保存否则可降解的有机碳 (Chen et al. 2022)，而氮还受到微生物损失和保留途径的影响，其平衡本身是氧敏感的 (Giblin et al. 2013; Lam & Kuypers 2011)。因此，随着氧含量下降，两种元素可能解耦。这种可能性尚未沿沿海氧梯度直接测试。

在此，我们利用沿自然沿海氧梯度的六航次夏季时间序列来表征这种积累并限制积累氮的来源。我们 (i) 量化溶解有机碳和氮库相对于彼此如何响应氧含量下降，(ii) 测试响应是否延伸至无机氮场并将其向还原态形式转变，(iii) 利用同时的表面 - 底层差异将底层水缺氧效应与整层时间背景分开，以及 (iv) 通过一阶物质平衡权衡底栖供应与水柱保留。通过解析溶解碳和氮库沿单一沿海氧梯度如何分歧，本研究确立了固定氮的底层保留作为季节性缺氧的一致后果，对日益脱氧的沿海海洋氮循环具有直接意义。

章节摘要

研究区域与采样

山东半岛北部黄海养马岛周围的沿海水域是一个浅水、集约化海水养殖区。每年的夏季，随着太阳加热建立温跃层抑制垂直混合，反复的季节性缺氧发生，导致从 7 月开始底层水氧消耗，8 月达到最低，秋季部分恢复 (Yang et al. 2021b,a; Zhang et al. 2026)。我们在六次航次 (6 月 11 日，7 月 17 日，

底层水缺氧与层化的季节发育

密度层化在夏季发展然后崩溃。表面到底层的势密度差 (Δσ₀) 从 6 月 11 日的 1.05 kg m^-3 上升到 8 月 12 日的最大值 1.88 kg m^-3，然后到 8 月 30 日崩溃到 0.07 kg m^-3 (图 1b)。我们使用 Δσ₀ 而不是单独的温度差，因为它是层化的物理完整度量：温度贡献了平均 Δσ₀ 的 62%，盐度贡献了 38%，而 8 月的最大值是因为表面淡化 (ΔS

溶解有机碳和氮在更广泛的氮总量积累中解耦

核心结果是整个溶解库中固定氮的协调积累。随着氧含量下降，DON、总溶解氮、铵和亚硝酸盐均平行上升，且无机库向其还原态形式转变 (图 2, 3；表 2)；因此积累是整个溶解氮库的属性，而不仅仅是 DON。在这个全库响应中，碳和氮分道扬镳：DON 陡峭上升，而 DOC 保持恒定 (

结论

在跨越夏季氧梯度采样的沿海海洋中，底层水氧含量下降伴随着固定氮的协调积累：DON、总溶解氮和还原性无机氮均上升，而溶解有机碳保持恒定，因此碳和氮解耦，且在 29% 的样本中 DOC:DON 比率降至雷德菲尔德参考值以下。同时的表面 - 底层比较，消除了整层共变量并在控制后存活

CRediT 作者贡献声明

陈昌飞: 调查。 刘吉华: 写作 – 审查与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。 陈潇: 写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。 胡宇斌: 概念化。 董俊福: 概念化。 庞心悦: 方法论。 刘叶平: 调查。 郭欣: 方法论，调查，数据管理。 赵小波

数据可用性

16S rRNA 序列数据已存入 NCBI SRA，BioProject 登录号 PRJNA1478146。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能被认为影响了本论文中报告的工作。

致谢

本工作得到了 国家重点研发计划 (2024YFF0507000)、国家自然科学基金 (42406200)、山东省自然科学基金 (ZR2024QD227) 和 中国博士后科学基金 博士后 fellowship 计划 (GZC20231461) 的支持。我们感谢中国科学院青岛生物能源与过程研究所（中国，青岛）张永余教授提供 YSI EXO2 多参数水质

陈潇 | 郭欣 | 赵小波 | 庞心悦 | 刘叶平 | 朱明浩 | 郑立文 | 何昌飞 | 胡宇斌 | 董俊福 | 刘吉华