探索低氧最低区 (OMZ) 在西太平洋海山碳运输中的作用

碳循环通过控制大气、海洋和陆地之间的碳流动，在调节地球气候方面发挥着关键作用。海洋覆盖了地球表面 70% 以上的面积，是这一过程的核心，尤其是在碳被长期封存的深海环境中。海洋碳运输的一个关键组成部分是含氧量最低区 (OMZ)，即海洋中由于有机物分解过程中消耗氧气而导致氧气浓度极低的区域。这些区域通常与主要的海山区域有关，而海山区域是海洋生产力和碳循环的重要场所。

一项新的研究探讨了西太平洋的低氧最低区 (OMZ)如何调节碳运输，特别是海山区域。

氧气最低区：特征和分布

最低含氧区 (OMZ) 是溶解氧浓度明显低于周围区域的海洋区域。这些区域通常位于 200 至 1,000 米的深度范围内，这一区域被称为低氧区。在这个区域，氧气水平太低，无法支持大多数需氧海洋生物，但微生物生命依靠厌氧过程（如反硝化和硫酸盐还原）来分解有机物，从而茁壮成长。温和的 OMZ 的氧气浓度略低，通常在 100 µmol/kg 左右，而极端的 OMZ 可以达到完全没有氧气的缺氧水平。

在西太平洋，由于该区域强大的上升流系统和较高的生物生产力等海洋学条件，OMZ 尤为突出。位于热带西太平洋 (TWP) 的 海山区域可作为了解温和 OMZ 特征及其对碳输送影响的案例研究。

OMZ 是生物、物理和化学过程综合作用的结果。其形成的主要因素是颗粒有机碳 (POC) 从上层海洋下沉，并被浮游生物消耗。然后，这些有机物通过水柱下降，并被细菌分解。分解过程会消耗氧气，导致海洋深层形成缺氧或无氧条件。

在西太平洋，OMZ 受到海洋环流模式的季节性变化（例如厄尔尼诺南方涛动 ENSO）以及长期气候变化的影响。这些变化导致氧气水平波动，从而影响 OMZ 的强度和范围，尤其是在海山区域。

OMZ 中的碳运输

海洋中的碳以多种形式存在，主要为颗粒有机碳 (POC)、溶解有机碳 (DOC) 和溶解无机碳 (DIC)。每种形式在碳循环中都发挥着不同的作用，它们在 OMZ 中的行为受到微生物和物理过程的影响。

• 颗粒有机碳 (POC)：POC 由悬浮在水柱中的有机物组成，包括死亡的浮游生物、粪便颗粒和海洋雪。这种形式的碳通常在海洋上层产生，并沉入更深的层，包括 OMZ。在温和的 OMZ 中，POC 通常会被微生物再矿化，而微生物在此过程中会消耗氧气。
• 溶解有机碳 (DOC)：DOC 代表溶解在海水中的有机碳。在 OMZ 中，DOC 可能由于 POC 分解不完全而积累，也可能经历微生物降解。DOC 的动态对于了解 OMZ 中的碳循环至关重要，因为这种形式的碳可以通过洋流长距离运输。
• 溶解无机碳 (DIC)：DIC 由二氧化碳 (CO2)、碳酸氢盐 (HCO₃⁻) 和碳酸盐 (CO₃²⁻) 形式的碳组成。在 OMZ 中，氧气的还原可通过反硝化等厌氧过程导致 CO2 的产生。

这些碳形式在 OMZ 中的运输和命运受到氧气供应、微生物活动和水柱物理结构的严重影响。

OMZ 内的碳运输受到垂直和水平过程的影响。垂直运输是通过将颗粒有机物从表层沉入深水，然后由微生物群落分解而发生的。该过程还受到上升流等海洋特征的影响，上升流可以将营养丰富的水带到表面，从而提高初级生产力和沉入 OMZ 的有机物的产量。

水平运输是指水和碳在海洋不同区域的移动。在西太平洋，海山和其他地形特征可以显著影响碳的水平移动，将其引导到 OMZ 更明显的区域。这种碳的水平运输是了解 OMZ 如何促进全球碳循环的重要方面。

微生物降解和碳再矿化

在 OMZ 的低氧条件下，微生物群落主要负责有机碳的分解。这些区域中 POC 的分解通常通过厌氧过程进行，微生物利用替代电子受体（例如硝酸盐和硫酸盐）而不是氧气。该过程以溶解无机碳 (DIC) 的形式释放碳，并产生甲烷和一氧化二氮等温室气体。

OMZ 中碳的微生物降解受多种因素影响，包括温度、盐度和电子受体的可用性。在西太平洋温和的 OMZ 中，微生物群落适应了这些低氧环境，并在控制碳的循环和储存方面发挥着关键作用。

海山在碳运输中的作用

海山是从海底升起的水下山脉，通常与生物生产力的提高有关。海山周围富含营养的深层海水的涌入可以创造条件，支持高水平的初级生产，进而支持更高水平的有机碳生产。这些有机物最终会沉入更深的海洋层，包括 OMZ，并在那里分解。

在西太平洋等地区，海山在碳向 OMZ 运输过程中起着至关重要的作用。这些水下山脉的物理结构可以浓缩营养物质和有机物质，促进碳流入更深的水域。

海山不仅是生产力增强的场所，也是可以将碳封存在深海沉积物中的区域。当有机物沉入海底时，它们会被沉积物吸收，并可能在那里储存很长时间。海山封存碳的有效性取决于该地区 OMZ 的结构和动态。

在西太平洋，海山与 OMZ 之间的相互作用在决定进入深海的碳的命运方面起着关键作用。OMZ 的低氧条件可以减少有机碳的再矿化，从而有可能将碳封存在深海沉积物中。

OMZ 扩展对碳运输的影响

气候变化已被证明会影响世界各地 OMZ 的范围和强度。随着海洋温度上升和环流模式转变，OMZ 正在许多地区扩大，包括西太平洋。OMZ 的扩张可能对碳的运输和储存产生重大影响，因为更多的有机物可能会在低氧条件下分解，而不是被封存在深海沉积物中。

OMZ 的扩张还可能改变微生物群落，影响它们分解有机物和产生温室气体的能力。这可能会对全球气候产生反馈效应，因为 OMZ 释放的甲烷和一氧化二氮是温室气体的有力来源。

新的研究发现

一项新的分析了西太平洋Y3海山区域最小含氧区（OMZ）与POC、DOC和DIC等各类碳元素的关系。

研究确定了西太平洋 Y3 海山区域温和 OMZ 的垂直和空间范围。该区域的 OMZ 位于 200 m 至 1000 m 深度之间，缺氧条件的阈值设定为 100 μmol/kg 溶解氧。这个深度范围对应于典型的氧气浓度显著下降的区域，影响微生物和碳循环活动。

研究发现，OMZ区域外DOC和POC变化剧烈，OMZ区域内由于含氧量较低，DOC和POC变化相对稳定。OMZ区域内DOC和POC的下降速率明显低于OMZ区域以外，说明OMZ区域内有机质（OM）的降解速率远低于OMZ区域以上。

DIC随深度呈持续增加的趋势，但OMZ区域以上、OMZ区域内和OMZ区域以下DIC的增长速率逐渐减小。各类碳元素的控制因素不同，POC与OM的分解密切相关。

DOC中难降解有机碳的存在削弱了DOC与OM分解的关联性，DIC组分复杂且与生物活性、温度、碳酸盐表现等有关。

思考

OMZ 的年际和十年间变化（尤其是在不断变化的气候条件下）如何影响西太平洋的碳运输和封存？

微生物群落在 OMZ 中有机碳的分解和转化中发挥哪些具体作用，特别是在微生物降解和碳封存方面？

西太平洋的 OMZ 如何影响深海沉积物中碳的长期储存，特别是在海山地区？

参考文献：The carbon transport mediated by the mild oxygen minimum zone (OMZ) in the seamount area of the Western Pacific.  Marine Environmental Research Volume 204, February 2025, 106916，doi.org/10.1016/j.marenvres.2024.106916

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