【专家视角】中国海洋大学Nature Communications｜现代海洋沉积物中氮同位素信...

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基于全球尺度海洋沉积物氮同位素（δ15N）数据库，系统分析了现代海洋沉积物中氮同位素信号的空间分布与百年尺度变化规律。研究整合了超过8400个海底沉积物样本（包括3833个表层沉积物和189个放射性测年岩心），并构建了148个δ15N时间序列，覆盖从69°S至90°N的纬度范围及水深＜10米至＞7000米的海域。通过量化无机氮与有机氮的贡献及其同位素组成，揭示了人为活动和气候变化对海洋氮循环的影响机制。研究发现，全球海洋沉积物δ15N中值为5.5‰，并呈现出显著的纬度分异与区域异质性。百年尺度上，δ15N平均以1.3‰/百年的速率上升，与河流氮输入增加、初级生产力提升及反硝化作用增强密切相关。然而，在河流主导的大陆边缘，陆源有机质与无机氮的输入显著降低了沉积δ15N值，掩盖了海洋生产力信号。

1 科学问题

本研究围绕以下三个核心问题展开：

过去一个世纪以来，现代海洋沉积物中δ15N表现出怎样的时空分布特征？

人为强迫与气候变化如何通过沉积δ15N趋势反映其对海洋氮循环的重塑作用？

不同海洋环境中控制沉积δ15N变化的主要机制是什么？

2 研究方案

研究团队系统收集了来自160余篇已发表文献及自主生成的数据，构建了全球海洋沉积物δ15N数据库。样本涵盖表层沉积物与岩心顶部，参数包括总氮、有机氮、无机氮含量及其同位素组成（δ15N、δ13Corg），并辅以水深、沉积速率、粒度等环境指标。为探究陆源输入对δ15N信号的影响，重点分析了东海（长江影响区）的六根沉积岩心，并进行了粒度分馏（＞63μm与＜63μm）与化学氧化处理以分离惰性有机碳。同位素测量采用元素分析仪–同位素比值质谱联用技术，所有δ15N值均以大气N2为基准标定。统计方法包括线性回归、Kruskal–Wallis检验与bootstrap置信区间估计，以确保趋势分析的稳健性。

3 结论

主要发现

全球δ15N空间格局受氮损失过程主导：沉积δ15N高值区集中于低纬度上升流与缺氧系统（如东南太平洋与阿拉伯海），反映水柱反硝化与厌氧氨氧化对15N的富集作用；高纬度区域则因N2固定与陆源输入呈现δ15N低值。

无机氮对沉积氮库贡献显著：海洋沉积物中无机氮平均占总氮的32.4%，其δ15N中值为3.9‰，系统性低于有机氮δ15N（5.5‰）。陆源无机氮输入在沿岸与深海沉积物中均不可忽视，尤其在河流与冰川影响区。

百年尺度δ15N趋势呈现区域分异：在148个沉积岩心中，65%记录显示显著变化趋势，其中63处上升（平均速率1.5‰/百年）、34处下降（平均速率-1.2‰/百年）。上升趋势集中于受人为氮输入与富营养化影响的沿岸系统（如欧洲北海、墨西哥湾），而下降趋势多见于河流主导陆架（如东海、亚马逊河口）。

陆源惰性有机碳驱动δ15N下降：在东海等河流影响区，沉积δ15N的百年下降（平均-1.09±0.48‰/百年）与陆源15N贫化惰性有机碳（如植物碎屑、化石碳）输入增强有关。化学氧化实验表明，惰性有机碳的δ15N中值低至2.1‰，其埋藏通量增加稀释了海洋生产力信号。

不足与展望

本研究虽构建了迄今最全面的海洋沉积δ15N数据库，但仍存在以下局限：

空间覆盖不均：＞90%样本来自大陆边缘，深海沉积记录匮乏，限制了全球氮循环评估的代表性。

陆源氮源解析不足：陆源有机与无机氮的同位素端元及其在运输过程中的分馏效应尚未充分量化。

方法学差异影响：酸处理可能引入δ15N与总氮的微小偏差，未来需统一前处理协议以提升数据可比性。

文章来源：生态环境科学

(生态修复网)