全球海洋N2O通量及微生物来源的高分辨率图谱：从源-汇边界到气候效应

编辑推荐：海洋是N2O（强效温室气体）的最大水生来源，但其产生机制与微生物空间分布尚不明确。北京大学团队通过建立基于源-汇边界和微生物过程的底向上模型，绘制0.1°高分辨率全球海洋N2O分布图，揭示缺氧区（ODZs）贡献超半数排放（1.6 Tg N-N2O/yr），发现氨氧化古菌（AOA）是最广泛分布的贡献者（1.0 Tg），而传统异养反硝化（HDN）是最大来源（1.6 Tg）。该研究为理解海洋N2O排放机制提供新框架。

　　海洋作为地球气候系统的关键调节者，其释放的氧化亚氮（N₂O）温室效应是CO₂的265-298倍，且对臭氧层具有破坏作用。尽管已知海洋贡献了全球水生系统最大的N₂O排放，但长期以来存在两大科学难题：一是传统估算依赖海-气通量（ΔpN₂O）或半经验公式，无法解析深层水体中N₂O的产生-消耗机制；二是微生物源贡献的空间异质性显著，尤其在氧分层海域中氨氧化古菌（AOA）、氨氧化细菌（AOB）和反硝化菌群的生态位分配规律不明。这些认知空白严重制约了对海洋N₂O排放动态的精准预测。

北京大学团队在《Nature Communications》发表的研究通过整合多学科方法，首次构建了基于微生物过程的底向上模型。研究团队系统收集了全球约1000组溶解氧（DO）与N₂O浓度剖面数据及同位素特征值（δ¹⁵N^Bulk、δ¹⁸O和δ¹⁵N^SP），结合稳定同位素分馏与混合评估模型（FRAME），量化了四种微生物途径（AOA、AOB、异养反硝化HDN、硝化菌反硝化NDN）的贡献，并确定了N₂O源-汇边界深度。研究还创新性地将氨氧化通量、N₂O产率（N₂O-N/NH₄⁺-N）和未还原N₂O残留比例（r_N2O）作为约束条件，最终生成0.1°空间分辨率的全球排放图谱。

研究结果部分揭示了三项重要发现：

1. N₂O源-汇边界的全球分布：通过遍历5000米深度内的DO数据，发现缺氧区（ODZs）的边界深度最浅（平均387.9米），且N₂O浓度与DO呈镜像关系。同位素分析显示，源区（δ¹⁸O/δ¹⁵N^Bulk斜率0.45）与汇区（斜率2.58）存在显著差异，证实ODZ核心区存在净消耗。
2. 微生物过程的生态位分配：AOA贡献了全球34.1%的N₂O排放（1.0 Tg N/yr），在NH₄⁺限制海域广泛分布；而HDN在ODZs中占比高达63.3%（全球总量1.6 Tg），主要受有机质输入和陡峭氧梯度驱动。值得注意的是，即使非缺氧海域，颗粒内部微环境仍支持反硝化过程。
3. 通量空间格局：全球海洋年排放2.9 Tg N-N₂O，其中三大ODZs（东热带北太平洋ETNP、东热带南太平洋ETSP、阿拉伯海）以0.1-0.2%的体积贡献了55%的排放。高生产力区域（如孟加拉湾、几内亚湾）同样呈现显著排放热点。

该研究的突破性在于首次从微生物机制角度量化了海洋N₂O来源，揭示了AOA在海洋氮循环中的主导地位，并预警了未来ODZ扩张可能加剧N₂O排放。所建立的框架为预测气候变化下海洋温室气体排放提供了新范式，对完善全球氮循环模型和气候政策制定具有重要科学意义。