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

《湖沼學與海洋學通訊》第6卷，2021年，第68至76頁

 

摘要內容

該研究首次使用痕量N?O微電極在東北太平洋最低氧區（OMZ）大陸邊緣沉積物中測量亞毫米級孔隙水N?O剖面，結合數學模型估算N?O產生速率和通量。研究發現所有站點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。模擬上升流實驗顯示，低氧暴露使外大陸架沉積物N?O產量顯著提升。結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控。  

 

研究目的

量化東北太平洋大陸邊緣沉積物的N?O產生和垂直通量，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，填補該區域沉積物N?O循環研究空白。  

 

研究思路：  

1. 在東北太平洋大陸坡設置三個水深梯度站點（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（模擬自然狀態）  

 

   ? 200米站點增加低氧暴露實驗（模擬上升流）  

 

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

4. 結合PROFILE數學模型反演N?O產生/消耗速率及通量。  

5. 統計分析OPD、O?通量與N?O通量的相關性。  

 

測量數據及研究意義：  

1. 孔隙水N?O和O?剖面（圖2）：  

 

 

   ? 數據：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?消耗區重合。  

 

   ? 意義：首次揭示該區域沉積物中N?O產生熱點位置，證明低氧促進N?O積累。  

 

2. 沉積物通量（圖3）：  

 

   ? 數據：N?O凈釋放（109–806 nmol m?2 d?1），低氧實驗點通量提升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，證實低氧事件顯著增強通量。  

 

3. OPD與N?O通量關系（圖4a）：  

 

   ? 數據：OPD（0.9–4.2 mm）與N?O通量呈負相關（R2=0.31, p=0.035）。  

 

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

 

4. N?O源深度敏感分析（圖4b）：  

   ? 數據：模型預測源深度≤1 mm時，N?O通量隨濃度梯度呈指數增長。  

 

   ? 意義：闡釋OPD對通量的調控機制，為全球模型參數化提供依據。  

 

結論：  

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（低氧導致）使N?O通量顯著增加，因產生區更接近沉積物-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產量提升至原位水平的5倍。  

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

5. 大陸邊緣沉積物對全球海洋N?O預算的貢獻被低估，需納入氣候模型。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：  

Unisense痕量N?O微電極（檢測限<20 nmol L?1）結合O?微電極的應用，實現了三個突破性進展：  

1. 高分辨率機制解析：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（硝化作用帶）及亞氧區（部分反硝化）的空間耦合，揭示低氧環境下N?O產生與氧動力學的直接關聯。  

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

3. 環境響應量化：直接驗證氧濃度對N?O產生的調控（圖4a），如200米站點低氧暴露后OPD從4.2 mm降至1.3 mm，N?O峰值濃度升37%，為預測上升流或OMZ擴張的N?O排放提供實驗基礎。  

該技術確立沉積物作為N?O"源"的結論，推動全球海洋溫室氣體預算模型的完善。