晚全新世东热带北太平洋氧最小区的区域波动，海洋环境的深远影响

东热带北太平洋氧最小区（ETNP OMZ）是全球海洋中氧含量最低的区域之一，对海洋生物地球化学循环和生态系统有重要影响。研究人员通过分析Soledad盆地、Pescadero斜坡和Santa Barbara盆地的氮同位素（δ15Nsed）记录，探讨了晚全新世期间ETNP OMZ的区域波动及其与气候变化的关系。

氧最小区是由于海洋中层水体的高生产力和有机物降解导致的氧消耗增加而形成的。这些区域对氮循环、生态关系和渔业有重要影响，尤其是一些最具生产力的渔场位于氧最小区上方。

研究人员采用高分辨率的δ15Nsed记录作为水柱脱氮和OMZ强度的代理指标。通过比较Soledad盆地、Pescadero斜坡和Santa Barbara盆地的δ15Nsed记录，揭示了ETNP OMZ的区域变化。

研究结果显示，中世纪气候异常（MCA; 950–1250 CE），三个研究区域的δ15Nsed记录显示出一致的趋势，表明水柱氧化稳定性较高；小冰期（LIA; 1350–1850 CE）Soledad盆地和Santa Barbara盆地的δ15Nsed值呈下降趋势，而Pescadero斜坡的δ15Nsed值则先上升后急剧下降。这种差异可能是由于北美季风（NAM）的影响，增强的季风抑制了上升流，导致OMZ收缩。

通过多地点的OMZ波动评估，可以更全面地了解区域OMZ动态对环境变化的响应。研究表明，气候变化对OMZ的影响是复杂且区域性差异显著的。

参考文献：CE Tems，E Tappa.  Regional Fluctuations in the Eastern Tropical North Pacific Oxygen Minimum Zone during the Late Holocene.（PDF）   Oceans 2024, 5(2), 352-367; doi.org/10.3390/oceans5020021

一、什么是氧最小区？氧最小区的形成机制是什么？

氧最小区，顾名思义，是指海洋中氧气含量极低的水层。想象一下，海洋就像一个巨大的三明治，氧气含量最高的部分在最上面，也就是海水和空气接触的地方。越往下潜，氧气含量就越低。而氧最小区，就是这个“三明治”中氧气含量最少的那一层。

氧最小区（Oxygen Minimum Zone，OMZ）是海洋中氧含量极低的水层，其形成是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。主要形成机制如有机物的分解消耗氧气、水体的分层作用、初级生产力的影响、海洋环流的作用、气候变化的影响等。

1、有机物的分解消耗氧气：海洋上层水体中的有机物（如藻类）死亡后沉入深层，在分解过程中消耗大量的溶解氧。OMZ通常位于温跃层以下，水体分层稳定，阻碍了上层氧气的补充，导致深层水体中的氧气被迅速消耗殆尽。

2、水体的分层作用：海洋分层阻碍了上下层水体的混合，导致上层富氧水难以进入深层，加剧了深层氧气的消耗。温跃层的存在是造成水体分层的重要原因之一。

3、初级生产力的影响：高水平的初级生产力会导致大量的有机物沉降，加剧了深层氧气的消耗。同时，初级生产力也会影响海洋环流，进而影响OMZ的形成和分布。

4、海洋环流的作用：海洋环流将富氧的上层水输送到其他海域，而将贫氧的深层水输送到OMZ区域，加剧了OMZ的形成。特别是沿岸上升流和赤道辐合带等区域，由于营养盐丰富，初级生产力高，更容易形成OMZ。

5、气候变化的影响：全球气候变化导致海温升高、海水中溶解氧含量降低，加剧了海洋缺氧现象。气候变化也会影响海洋环流和初级生产力，进而影响OMZ的分布和强度。

那么氧最小区（OMZ）一般分布在哪呢？OMZ通常出现在赤道附近和东部边界海域，如东太平洋、东印度洋等。OMZ的深度和厚度因地区而异，一般位于200-1500米之间。OMZ的强度和范围也会随季节和年际变化。

OMZ是海洋生物地球化学循环的重要组成部分，对全球气候变化和海洋生态系统具有重要影响。OMZ中的微生物能够进行独特的生物地球化学过程，如反硝化作用、厌氧氨氧化等，影响海洋氮循环。OMZ的变化会对海洋生物多样性、渔业资源以及碳循环产生深远影响。

总之，OMZ的形成是一个复杂的过程，受到多种因素的共同作用。了解OMZ的形成机制对于我们理解海洋生态系统、气候变化以及全球生物地球化学循环具有重要意义。

二、为什么中世纪气候异常期间ETNP OMZ的氧化稳定性较高？

中世纪气候异常（MCA; 950–1250 CE）期间，东热带北太平洋氧最小区（ETNP OMZ）的氧化稳定性较高，主要有以下几个原因：

• 气候条件：MCA期间，全球气候相对温暖，海洋表层水温升高。这种温暖的气候条件可能导致海洋表层的生产力增加，但同时也可能增强了海洋的垂直混合，使得更多的氧气能够输送到中层水体，从而提高了OMZ的氧化稳定性。
• 海洋环流变化：温暖的气候可能改变了海洋环流模式，增强了上升流和垂直混合。这些变化有助于将氧气从表层水体输送到中层水体，减少了OMZ的缺氧程度。
• 生物地球化学循环：MCA期间的气候条件可能影响了海洋中的生物地球化学循环。例如，温暖的气候可能促进了浮游植物的生长和有机物的生产，但同时也可能加速了有机物的降解和再矿化过程，从而减少了氧的消耗。

这些因素共同作用，使得MCA期间ETNP OMZ的氧化稳定性较高。

三、北美季风如何影响Pescadero斜坡的氧最小区（OMZ）波动？

北美季风（NAM）对Pescadero斜坡氧最小区（OMZ）的波动有显著影响，主要通过抑制上升流、OMZ收缩等形式影响氧最小区波动。这些机制共同作用，使得北美季风在小冰期（LIA; 1350–1850 CE）期间对Pescadero斜坡OMZ的波动产生了显著影响。

• 抑制上升流：增强的北美季风会带来更多的降水和湿润的气候条件，这些条件可以抑制上升流的强度。上升流是将深层富含营养的水带到表层的过程，这对于维持高生产力和氧消耗至关重要。当上升流被抑制时，表层水体的生产力下降，导致有机物降解减少，从而减少了中层水体的氧消耗。
• OMZ收缩：由于上升流的抑制，OMZ的强度和范围会减小。这意味着OMZ中的缺氧区域会缩小，氧含量相对增加。这种变化在Pescadero斜坡的δ15Nsed记录中表现为δ15Nsed值的下降，反映了OMZ的收缩和氧化条件的改善。
• 区域性差异：Pescadero斜坡的OMZ波动与Soledad盆地和Santa Barbara盆地的OMZ波动存在差异，可能是由于北美季风的区域性影响。Pescadero斜坡受到北美季风的直接影响较大，而其他区域可能更多地受到其他气候和海洋环流因素的影响。

四、氧最小区的区域差异性是否与底地形、洋流系统等物理因素有关？

氧最小区的区域差异性与底地形、洋流系统等物理因素密切相关的。这些物理因素在氧最小区的形成和分布中起着至关重要的作用。

1、底地形的影响：海底地形越复杂，水体的垂直混合就越困难。复杂的海底地形会阻碍富氧的上层水与贫氧的深层水进行交换，从而加剧了氧最小区的形成。深海盆地是氧最小区常见的形成区域。在深海盆地中，由于水深较深，水体分层稳定，上层氧气难以到达底部，导致氧气消耗严重。

2、洋流系统的影响：上升流将深层富营养盐的水体带到表层，促进了浮游植物的生长。这些浮游植物死亡后沉入海底，在分解过程中消耗大量的氧气，加剧了氧最小区的形成。大洋环流系统将富氧的上层水带到其他海域，同时将贫氧的深层水带到氧最小区。不同的洋流系统会影响氧最小区的分布范围和强度。

3、其他物理因素：水温的变化会影响海水的密度，进而影响水体的分层。较高的水温会导致水体分层更加稳定，不利于氧气的垂直交换。盐度的变化也会影响海水的密度，进而影响水体的分层。高盐度的海水密度较大，会加剧水体的分层。

总之，氧最小区的区域差异性是多种物理因素共同作用的结果。 底地形、洋流系统、水温、盐度等因素通过影响水体的垂直混合、营养盐供应、有机物分解等过程，共同塑造了氧最小区的分布特征。

例如：东太平洋氧最小区的形成与强烈的沿岸上升流、深海盆地的存在以及复杂的海底地形密切相关。阿拉伯海氧最小区的形成与季风环流、高盐度水体的输入以及强烈的初级生产力有关。

五、氧最小区变化对海洋初级生产力、碳循环以及渔业资源有何影响？

氧最小区（OMZ）的变化对海洋生态系统产生了深远的影响。氧最小区的扩张会压缩海洋生物的生存空间，尤其是那些需要较高溶氧量的浮游植物和浮游动物。这将直接导致海洋初级生产力的下降。氧最小区的扩张会改变海洋生物的群落结构，一些耐低氧的物种可能会占据优势，而一些对氧气敏感的物种则会减少或消失。初级生产力的降低会影响海洋中的物质循环，例如碳循环、氮循环等。

海洋是地球上最大的碳库之一。OMZ的扩张会影响有机碳的分解速率，从而影响海洋碳的埋藏量。在缺氧条件下，微生物会进行厌氧呼吸，产生甲烷等温室气体。OMZ的扩大可能导致更多的甲烷释放到大气中，加剧温室效应。

氧最小区的扩张会直接导致鱼类等经济生物的栖息地缩小，种群数量减少，甚至导致局部渔业资源的崩溃。氧最小区的变化会改变海洋生态系统的结构，导致渔业资源的种类和分布发生变化。渔业资源的衰退会给沿海地区带来巨大的经济损失。

总结来说，氧最小区变化对海洋生态系统的影响是多方面的，并且具有潜在的负面影响。

六、氧最小区变化是否会影响海洋酸化进程？

氧最小区（OMZ）的变化确实会对海洋酸化进程产生一定的影响，但两者之间的关系比较复杂，而且存在相互作用。

1、氧最小区变化对海洋酸化的影响主要体现在以下几个方面：

• 有机物分解与碳酸盐体系： 氧最小区内，由于氧气含量低，有机物的分解主要通过厌氧呼吸进行。这种分解方式会产生大量的二氧化碳，同时也会消耗海水中的碳酸盐离子。碳酸盐离子的减少会直接导致海水的pH值降低，加剧海洋酸化。
• 营养盐循环与初级生产力： 氧最小区内的营养盐循环与氧气含量密切相关。氧气含量的变化会影响微生物的代谢活动，进而影响营养盐的转化和利用。营养盐的改变会影响海洋初级生产力，而初级生产力的变化又会反过来影响海洋碳循环和酸化进程。
• 甲烷排放与温室效应： 氧最小区内厌氧条件下会产生大量的甲烷。甲烷是一种强效的温室气体，其排放会加剧全球变暖，而全球变暖又是导致海洋酸化的一大因素。

2、海洋酸化对氧最小区的影响：

• 影响生物地球化学过程： 海洋酸化会改变海水的碳酸盐体系，影响海洋生物的生理代谢过程，进而改变海洋生物的群落结构和功能。这可能会影响氧最小区内微生物的活动，从而影响有机物的分解速率和营养盐的循环。
• 影响溶解氧： 海洋酸化可能会影响海水的溶解氧含量，进而影响氧最小区的范围和强度。

总结来说，氧最小区变化和海洋酸化是相互作用的两个过程。 氧最小区的变化会加剧海洋酸化，而海洋酸化也会反过来影响氧最小区的范围和强度。目前，科学家们对这一问题的认识还不是很全面，还需要进行更多的研究。

七、思考

不同海域氧最小区形成的差异性机制是什么？海底地貌、洋流、水团等物理因素如何共同作用影响氧最小区的形成和演变？微生物群落结构在氧最小区物质循环中的作用是什么？

过去地质时期氧最小区的分布和强度如何变化？氧最小区变化与全球气候变化、生物大灭绝事件等有何关联？

氧最小区扩展对不同生物类群的影响有何差异？氧最小区对海洋食物网的结构和功能有何影响？氧最小区对海洋生物多样性的影响机制是什么？

这些有趣的问题旨在激发你的思考，助你更深入地理解，希望能为你带来新的启示和帮助~~~

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