新生代温暖时期增强海洋氧合作用

根据马克斯普朗克化学研究所研究人员领导的一个国际团队的一项新研究，开阔海洋中出现的缺氧区在过去漫长的温暖时期缩小了。

当氧气变得稀缺时，生活就会变得艰难。7000米以上的山区也是如此，水体也是如此。例如，在西非和北非的热带海洋地区以及印度洋北部，只有水母等新陈代谢缓慢的特殊微生物和生物才能生存。

在过去的50年里，公海的缺氧区有所增加。这不仅给海洋生态系统带来了重大问题，而且也给沿海居民和依赖渔业作为食物和收入来源的国家带来了重大问题。科学家们将这一发展归因于全球气温上升：溶解在温暖水中的氧气减少，热带海洋的层可以变得更加分层。但是，这种发展将如何继续下去，在过去的温暖时期发生了什么?

由美因茨马克斯普朗克化学研究所的Alexandra Auderset和Alfredo Martínez-García领导的研究小组在最近的一项研究中表明，在过去温暖的时期，在开阔的海洋中，缺氧区会缩小。

过去的海洋含氧量可以在沉积物中读取

研究人员从海洋沉积物档案中阅读了这一发现。钻芯可用于确定过去的环境条件，其方式与树木年轮类似。除其他事项外，沉积层提供了有关过去海洋含氧量的信息。这是由于有孔虫等微生物，它们曾经生活在海面上，其骨骼沉入海底，成为沉积物的一部分。

在其一生中，这些浮游动物吸收了氮等化学元素，其同位素比例又取决于环境条件。在缺氧条件下，会发生细菌反硝化。在这个过程中，营养硝酸盐被细菌化学还原成分子氮(N2)。由于它们更喜欢从水中吸收轻同位素而不是重同位素，因此在细菌在海洋中活跃的时期，轻14N的比例会转变为重15N。反过来，这种变化的同位素信号可用于确定早期缺氧区的范围。

在过去的温暖时期，热带太平洋氧量充足

来自美因茨和普林斯顿大学的科学家利用有孔虫的氮同位素表明，在大约16万年前和50万年前地球现代新生代的两个温暖阶段，北太平洋东部热带水柱的反硝化大大减少。

“我们没想到会有这种明显的效果。从全球高温度和低反硝化率之间的相关性，我们得出结论，热带太平洋的缺氧区缩小了“，Auderset谈到最近发表在《自然》杂志上的结果时说。

“这是一场长达数十年的运动，旨在开发允许这些发现的方法，”杜森伯里地质和地球物理科学教授Daniel Sigman说，他的小组在这项研究中合作。“事实证明，即使是这些初步结果也改变了我们对气候与海洋氧气条件之间关系的看法。

然而，还不能精确估计这对目前缺氧公海区域的扩张意味着什么：“不幸的是，目前尚不清楚我们对海洋缺氧区缩小的发现是否适用于未来几十年或仅适用于更长期”，古气候学家Auderset补充道。“这是因为我们还不知道是短期还是长期过程导致了这种变化。

寻找原因

变暖导致缺氧区减少的一个主要可能性是减少热带地表水的上升流推动的生物生产力。生产力下降可能是因为气候变暖时赤道太平洋的风减弱。

在目前的研究中，作者还发现，在新生代的两个温暖时期 - 大约16万年前的中新世气候最佳和大约50万年前的始新世早期气候最佳 - 高纬度和低纬度之间的温差比现在小得多。全球变暖和高低纬度温差的减弱，本应削弱热带风，减少营养丰富的深海水的上升流。

反过来，这将导致地表生物生产力降低，死亡藻类有机物沉入深海的情况减少，从而减少产生缺氧条件的氧气消耗燃料。这一系列事件可以相对较快地发生。因此，如果类似的变化也适用于人类驱动的全球变暖，那么在未来几十年内，公海缺氧的程度可能会下降。

或者，原因可能在于数千公里外的南大洋。在过去长时间的温暖时期，南大洋表层水和深海之间的交换水(“深海倾覆”)可能已经加速，导致整个海洋内部的氧气增加，从而缩小了低氧区。如果更强的南大洋驱动的深海倾覆是热带缺氧区萎缩的主要原因，那么这种影响最早需要一百多年才能发挥作用。

“这两种机制都可能发挥作用，”马丁内斯-加西亚说，“现在的竞赛是找出哪种机制最重要。

考虑未来

“考虑到我们目前对变化时间尺度的不确定性，我们的发现对海洋氧气的未来具有重要意义，”西格曼说。“由于氧气在温水中的溶解度较低，全球海洋的表层水很可能继续下降，但我们的研究结果表明，开阔的海洋缺氧区最终会缩小。最终结果将是海洋的氧气空间变化比今天弱，这将影响海洋生态系统。

在沿海水域，缺氧加剧会对生态系统和人类活动造成损害。然而，开阔海洋的缺氧区是地球化学和生物循环的基础。此外，如果热带生产力的下降导致其萎缩，那么综合变化可能会对热带海洋的生物生产力及其渔业不利。鉴于与气候变化相关的复杂级联效应，一切都需要努力限制人为驱动的变暖。