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出品 | 海潮天下

在浩瀚無垠的東熱帶北太平洋（ETNP），一群身長約兩米、通體黃色的自主航行觀測器正在靜默地上下浮動。這些被稱為生物地球化學(xué)-Argo（BGC-Argo）的“機(jī)器魚”，就像是科學(xué)家布設(shè)在深海的哨兵。

長期以來，人類對海洋中那些被稱為“缺氧區(qū)”（Oxygen-deficient zones, ODZs）的特殊地帶知之甚少，海潮天下（Marine Biodiversity）小編注意到，2026年4月6日最近發(fā)表在《自然通訊·地球與環(huán)境》上的一項(xiàng)研究，利用這些浮標(biāo)近三年的高精度觀測數(shù)據(jù)，徹底刷新了科學(xué)界對海洋內(nèi)部化學(xué)過程的認(rèn)知。

▲上圖：由瑪里亞納·比夫（Mariana Bif，右一）博士帶領(lǐng)的科學(xué)團(tuán)隊(duì)正準(zhǔn)備從“湯瑪斯·G·湯普森號”科考船（R/V Thomas G. Thompson）上布放一個生物地球化學(xué)Argo（BGC-Argo）浮標(biāo)。圖源：Mariana Bif博士, 邁阿密大學(xué)官網(wǎng)

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深?；瘜W(xué)屏障，觸不可及

海洋缺氧區(qū)是全球海洋中的“熱點(diǎn)”，雖然氧氣含量極低，卻是微生物活動異常活躍的場所。在這里，微生物不再依賴氧氣呼吸，而是轉(zhuǎn)而利用硝酸鹽和亞硝酸鹽。這

一過程決定了海洋的生產(chǎn)力，也直接影響全球碳循環(huán)、大氣溫室氣體的平衡。特別是氧化亞氮（N?O），這種溫室氣體的全球變暖潛能是二氧化碳的270倍，而缺氧區(qū)正是它的重要產(chǎn)生地。

過去，想要了解這里的化學(xué)秘密，科學(xué)家必須搭乘大型科考船，放下采樣瓶進(jìn)行實(shí)地取樣。這種“快照式”的采樣方式雖然精準(zhǔn)，卻有著致命的缺陷：它無法捕捉到隨時(shí)間變化的動態(tài)過程。深海的化學(xué)反應(yīng)往往在幾周甚至幾天內(nèi)就會發(fā)生劇烈波動，而科考船往往一年只能去一次。

BGC-Argo浮標(biāo)的出現(xiàn)，改變了游戲規(guī)則。它們每十天進(jìn)行一次垂直剖面觀測，從海面一直下潛到兩千米的深處，全天候的記錄氧氣、pH值、硝酸鹽等關(guān)鍵參數(shù)。

▲上圖：Argo剖面浮標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖。該設(shè)備主要由頂部的天線與傳感器陣列（包括溫度、鹽度、壓力及各類生物地球化學(xué)傳感器）、中間的耐壓殼體（內(nèi)含電池組、電子控制單元及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)）以及底部的外部油囊組成。浮標(biāo)通過內(nèi)部液壓泵將油壓入或抽出外部油囊來改變自身排開水的體積，從而實(shí)現(xiàn)受控的下潛與上浮，如同在深海中自由呼吸的“機(jī)器魚”。（參考設(shè)計(jì)：UCSD Argo項(xiàng)目）圖源：Brn-Bld

▲上圖：截至2018年2月，全球Argo陣列中活躍浮標(biāo)的分布情況。圖中不同顏色的圓點(diǎn)代表所屬的國家或地區(qū)，展示了這一全球海洋觀測網(wǎng)在各大洋的覆蓋廣度。這些自主監(jiān)測浮標(biāo)通過國際協(xié)作，持續(xù)為氣候研究和海洋科學(xué)提供關(guān)鍵的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。圖源：Hjfreeland

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算法革新

讓傳感器“看見”隱形成分

這項(xiàng)研究的核心突破，源于邁阿密大學(xué)羅森斯蒂爾學(xué)院瑪里亞納·比夫（Mariana Bif）教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一種先進(jìn)算法。

傳統(tǒng)上，浮標(biāo)上的紫外光譜傳感器只能用來測量硝酸鹽。但問題是，氮循環(huán)中的關(guān)鍵中間產(chǎn)物——亞硝酸鹽（Nitrite）和硫代硫酸鹽（Thiosulfate），其信號極其微弱，長期隱匿在復(fù)雜的背景噪聲中。

比夫教授的團(tuán)隊(duì)對紫外光譜數(shù)據(jù)做了深度挖掘，成功的開發(fā)出了一種無試劑的統(tǒng)計(jì)提取方法。這就好比從一段嘈雜的背景音中，精準(zhǔn)地分離出了兩個極其細(xì)微的特定音節(jié)。他們用這種方法，可以從現(xiàn)有的全球浮標(biāo)數(shù)據(jù)庫中，重新解析出過去被忽視的亞硝酸鹽濃度數(shù)據(jù)。

據(jù)悉，這一技術(shù)革新不僅適用于地球的海洋監(jiān)測，未來甚至可能用于外星海洋（如木衛(wèi)二或土衛(wèi)二）的生命痕跡探測，因?yàn)檫@種傳感器不需要消耗任何化學(xué)試劑，非常適合長期無人監(jiān)測。

▲上圖：本研究所用BGC-Argo浮標(biāo)的軌跡與上層海洋生物量變化示意圖。(a) 浮標(biāo)在東熱帶北太平洋（ETNP）的漂流軌跡（紅點(diǎn)）以及部署該浮標(biāo)的SR2114航次路線（空心黑圈）。(b) 水表層至150米深度的葉綠素-a（Chl）總量時(shí)間序列，數(shù)據(jù)每10天采集一次，不同顏色代表不同季節(jié)，黑色實(shí)線為移動平均線，紅色陰影區(qū)域標(biāo)示了2022年7月30日至10月11日期間持續(xù)的高生產(chǎn)力階段。(c) 為相同時(shí)間段內(nèi)的顆粒有機(jī)碳（POC）總量變化趨勢。對比可以發(fā)現(xiàn)，上層海洋生態(tài)系統(tǒng)的周期性波動與深層氮循環(huán)的動態(tài)變化存在緊密聯(lián)系。論文出處：Bif, M. B., Kelly, C., Altabet, M. A., et al. (2026)

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氮循環(huán)的動態(tài)戰(zhàn)場

研究團(tuán)隊(duì)對ETNP海域做了近三年的連續(xù)監(jiān)測，捕捉到了一個令人驚訝的現(xiàn)象——缺氧區(qū)的化學(xué)環(huán)境并非處于某種靜態(tài)的平衡；它是一場永不停歇的動態(tài)博弈。

在觀測的前兩年，該海域存在一個強(qiáng)烈的“次級亞硝酸鹽極大值”。這意味著此時(shí)海水中積聚了大量的亞硝酸鹽，說明微生物正在將硝酸鹽還原。

但，進(jìn)入2023年后，情況發(fā)生了劇變。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，亞硝酸鹽濃度大幅下降，甚至一度跌破了探測極限。與此同時(shí)，海水的pH值也隨之降低。

為了理解這背后的機(jī)制，研究者引入了一個基于化學(xué)計(jì)量學(xué)的質(zhì)量平衡模型。

模型分析顯示，在這個區(qū)域，異養(yǎng)硝酸鹽還原（DNRN）是占據(jù)統(tǒng)治地位的過程，它消耗質(zhì)子并產(chǎn)生二氧化碳。但隨著環(huán)境條件的改變，尤其是當(dāng)有機(jī)物供應(yīng)充足時(shí)，反硝化作用（Denitrification）和厭氧氨氧化（Anammox）的活躍度會迅速提升。這些過程會將亞硝酸鹽進(jìn)一步轉(zhuǎn)化并最終以氮?dú)獾男问结尫诺酱髿庵?，造成海洋中氮元素的“凈流失”?/p>

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（圖文無關(guān)）▲上圖：氮是海洋中最核心的營養(yǎng)元素之一。氮素的盈虧直接決定了浮游植物的生長，而浮游植物作為海洋食物鏈的基石，其多寡直接影響到從微小浮游動物到大型魚類的生存空間和種群規(guī)模。?攝影：王敏幹（John MK Wong）| 海潮天下（Marine Biodiversity）

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厄爾尼諾與深海的聯(lián)動

在這個研究期間，東熱帶北太平洋經(jīng)歷了從拉尼娜到厄爾尼諾的氣候周期轉(zhuǎn)換。雖說三年的觀測記錄尚不足以定論長期趨勢，但浮標(biāo)捕捉到了生產(chǎn)力波動的細(xì)節(jié)。2023年期間，盡管表面上看是由于氣候現(xiàn)象導(dǎo)致的生態(tài)變化，但深海中的碳、氮循環(huán)已經(jīng)做出了敏銳的反應(yīng)。

該研究發(fā)現(xiàn)，中尺度渦旋（Mesoscale eddies）在其中扮演了重要角色。這些巨大的海洋旋渦像“攪拌機(jī)”一樣，改變了表層的營養(yǎng)鹽分布，還能通過改變等密度面的起伏，直接影響深層的碳酸鈣飽和度。這種物理運(yùn)動與生物地球化學(xué)過程的耦合，在傳統(tǒng)的離散采樣中幾乎是不可能被完整觀測到的。

這項(xiàng)研究的意義，遠(yuǎn)不止于對某個海域氮循環(huán)的量化，它證明了通過集成自主觀測設(shè)備與先進(jìn)的計(jì)算模型，人類可以實(shí)時(shí)監(jiān)控海洋內(nèi)部那些“看不見”的化學(xué)脈動。隨著全球氣候變暖，海洋缺氧區(qū)正在不斷擴(kuò)張，理解這些區(qū)域的氮損失過程，對于預(yù)測未來的海洋健康狀況至關(guān)重要。

該團(tuán)隊(duì)指出，在深海中默默工作的這些“隱形化學(xué)家”，讓人類可以正在構(gòu)建一個更加透明、更加真實(shí)的海洋認(rèn)知體系。未來，類似的分析方法將被推廣到南太平洋、阿拉伯海、以及本格拉上升流區(qū)等其他全球重要海域。

本文參考資料

Bif, M. B., Kelly, C., Altabet, M. A., et al. (2026). BGC-Argo float reveals shifts in nitrogen-carbon cycling in an oxygen-deficient zone. Communications Earth & Environment, 7, 294.

https://news.miami.edu/rosenstiel/stories/2026/04/new-study-reveals-hidden-ocean-chemistry.html

https://biogeochemical-argo.org/

https://www.aoml.noaa.gov/biogeochemical-argo-program/

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信息源 | Bif, M. B., Kelly, C., Altabet, M. A., et al. (2026)

文 | 王海詩

排版 | 盧曉雨

時(shí)間 | 2026年4月

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