Continental margin sediments underlying the NE Pacific oxygen minimum zone are a source of nitrous oxide to the water column  

東北太平洋最低氧區(qū)下的大陸邊緣沉積物是水柱中一氧化二氮的來源  

來源：Limnology and Oceanography Letters, Volume 6, 2021, Pages 68–76

《湖沼學(xué)與海洋學(xué)通訊》第6卷，2021年，第68至76頁

 

摘要內(nèi)容

該研究首次使用痕量N?O微電極在東北太平洋最低氧區(qū)（OMZ）大陸邊緣沉積物中測量亞毫米級孔隙水N?O剖面，結(jié)合數(shù)學(xué)模型估算N?O產(chǎn)生速率和通量。研究發(fā)現(xiàn)所有站點(diǎn)沉積物均向水體凈釋放N?O（平均524 nmol m?2 d?1），N?O通量隨沉積物氧氣滲透深度（OPD）減小而增加。模擬上升流實(shí)驗(yàn)顯示，低氧暴露使外大陸架沉積物N?O產(chǎn)量顯著提升。結(jié)論表明大陸邊緣沉積物是水體N?O重要來源，其通量受底層水氧濃度調(diào)控。  

 

研究目的

量化東北太平洋大陸邊緣沉積物的N?O產(chǎn)生和垂直通量，評估底層水氧濃度及上升流事件對沉積物N?O排放的影響，填補(bǔ)該區(qū)域沉積物N?O循環(huán)研究空白。  

 

研究思路：  

1. 在東北太平洋大陸坡設(shè)置三個水深梯度站點(diǎn)（200米、475米、850米），底層水氧濃度遞減（77 → 10 μmol L?1）。  

2. 使用多核采樣器采集沉積物巖芯，分為兩組：  

   ? 原位氧條件培養(yǎng)（模擬自然狀態(tài)）  

 

   ? 200米站點(diǎn)增加低氧暴露實(shí)驗(yàn)（模擬上升流）  

 

3. 應(yīng)用丹麥Unisense微電極測量孔隙水N?O和O?剖面（分辨率500 μm）。  

4. 結(jié)合PROFILE數(shù)學(xué)模型反演N?O產(chǎn)生/消耗速率及通量。  

5. 統(tǒng)計(jì)分析OPD、O?通量與N?O通量的相關(guān)性。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義：  

1. 孔隙水N?O和O?剖面（圖2）：  

 

 

   ? 數(shù)據(jù)：亞毫米級濃度分布，顯示N?O次表層峰值（最高116 nmol L?1）與O?消耗區(qū)重合。  

 

   ? 意義：首次揭示該區(qū)域沉積物中N?O產(chǎn)生熱點(diǎn)位置，證明低氧促進(jìn)N?O積累。  

 

2. 沉積物通量（圖3）：  

 

   ? 數(shù)據(jù)：N?O凈釋放（109–806 nmol m?2 d?1），低氧實(shí)驗(yàn)點(diǎn)通量提升5倍；O?消耗通量（341–965 μmol m?2 d?1）。  

 

   ? 意義：量化沉積物對水體N?O貢獻(xiàn)，證實(shí)低氧事件顯著增強(qiáng)通量。  

 

3. OPD與N?O通量關(guān)系（圖4a）：  

 

   ? 數(shù)據(jù)：OPD（0.9–4.2 mm）與N?O通量呈負(fù)相關(guān)（R2=0.31, p=0.035）。  

 

   ? 意義：揭示OPD變淺（氧脅迫加劇）是N?O釋放的關(guān)鍵驅(qū)動因子。  

 

4. N?O源深度敏感分析（圖4b）：  

   ? 數(shù)據(jù)：模型預(yù)測源深度≤1 mm時，N?O通量隨濃度梯度呈指數(shù)增長。  

 

   ? 意義：闡釋OPD對通量的調(diào)控機(jī)制，為全球模型參數(shù)化提供依據(jù)。  

 

結(jié)論：  

1. 東北太平洋大陸邊緣沉積物是水體N?O凈來源，平均通量524 nmol m?2 d?1。  

2. OPD變淺（低氧導(dǎo)致）使N?O通量顯著增加，因產(chǎn)生區(qū)更接近沉積物-水界面。  

3. 上升流事件（模擬低氧暴露）刺激外陸架沉積物N?O產(chǎn)量提升至原位水平的5倍。  

4. N?O主要產(chǎn)生于O?消耗區(qū)（硝化作用主導(dǎo)），次要來源為亞氧區(qū)反硝化。  

5. 大陸邊緣沉積物對全球海洋N?O預(yù)算的貢獻(xiàn)被低估，需納入氣候模型。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：  

Unisense痕量N?O微電極（檢測限<20 nmol L?1）結(jié)合O?微電極的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了三個突破性進(jìn)展：  

1. 高分辨率機(jī)制解析：首次在亞毫米尺度捕捉沉積物孔隙水N?O峰值位置（圖2），明確其與O?消耗區(qū)（硝化作用帶）及亞氧區(qū)（部分反硝化）的空間耦合，揭示低氧環(huán)境下N?O產(chǎn)生與氧動力學(xué)的直接關(guān)聯(lián)。  

2. 通量估算革新：傳統(tǒng)方法（如擠壓法或密閉培養(yǎng)）因深度分辨率低或氧濃度漂移導(dǎo)致誤差，而微電極剖面通過PROFILE模型（R2>0.98）精準(zhǔn)反演深度依賴速率（圖2），量化最大N?O產(chǎn)率（0.046–0.348 nmol cm?3 d?1），避免實(shí)驗(yàn)假象。  

3. 環(huán)境響應(yīng)量化：直接驗(yàn)證氧濃度對N?O產(chǎn)生的調(diào)控（圖4a），如200米站點(diǎn)低氧暴露后OPD從4.2 mm降至1.3 mm，N?O峰值濃度升37%，為預(yù)測上升流或OMZ擴(kuò)張的N?O排放提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。  

該技術(shù)確立沉積物作為N?O"源"的結(jié)論，推動全球海洋溫室氣體預(yù)算模型的完善。