海洋所研究構建大洋最小含氧帶“結構-變化-效應”核心理論架構
近日,中國科學院海洋研究所海洋生源物質循環(huán)與碳匯過程研究組在構建大洋最小含氧帶(Oxygen Minimum Zone,OMZ)“結構-變化-效應”研究的核心理論體系方面取得新進展,其系列研究成果在Science China Earth Sciences、《中國科學:地球科學》《海洋與湖沼》和《海洋學報》等期刊上發(fā)表。
OMZ是全球海洋變化最重要的環(huán)境效應之一,指大洋水體中溶解氧低于某一閾值的水層,是大洋低氧最為重要的代表(圖1)。作為橫亙在大洋中層廣闊的低氧水體,OMZ對全球海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響不言而喻。近年來,隨著全球變暖的加劇,海洋低氧問題日趨嚴重,OMZ的研究得到了迅速發(fā)展,涌現(xiàn)出大量的高水平成果。但國內有關OMZ的研究還十分有限,這在一定程度上限制了對全球海洋低氧和脫氧過程的科學認知,以及我國在相關海洋生態(tài)治理框架中的話語權。因此,亟須系統(tǒng)詮釋OMZ的結構特征、驅動因素、變化機制、物質循環(huán)響應和生態(tài)效應等關鍵科學問題,整體構建OMZ研究的核心理論體系,從而更好地把握全球海洋低氧和脫氧演化進程,為制定面向未來的可持續(xù)發(fā)展策略提供科學支撐。

圖1 全球大洋500 m水層中OMZ的分布
研究團隊長期致力于全球變化背景下OMZ演化機制和生物地球化學效應的研究工作,形成了對OMZ“結構-變化-效應”的系統(tǒng)認識。在OMZ的典型結構特征及驅動因素方面,研究團隊明確了全球大洋OMZ的溶解氧閾值范圍為20~100 μmol L-1;界定了上部氧躍層、下部氧躍層和核心低氧層構成的OMZ主體結構;闡明了海洋內部溶解氧的持續(xù)消耗和海水分層對水體交換的限制,是形成OMZ的兩個核心機制(圖2);指出了動物攝食降低導致的微生物耗氧增加和厭氧代謝導致的產物耗氧增加等兩種正反饋調節(jié)方式是OMZ低氧狀態(tài)的維持機制;闡明了OMZ的擴張與結構調整歸因于溫度效應與大洋環(huán)流效應等兩類核心因素;探明了風應力、中尺度渦和淡水通量可通過影響混合層深度、通風程度和層化穩(wěn)定性等,調控OMZ的結構和演化過程。

圖2 OMZ的形成機制
在OMZ的時空變化方面,研究團隊提出了全球變暖直接驅動OMZ變化的三個途徑:一是顯著降低氧氣的溶解度,二是增強海水分層限制對中層的氧氣補給,三是加速水柱中生物呼吸和有機質分解等耗氧過程;闡明了全球變暖還可通過加速海冰融化和削弱風應力等間接作用加速OMZ的擴張(圖3);明確了1960年以來全球海洋溶解氧濃度顯著下降,OMZ面積和體積在多數(shù)海域持續(xù)擴張的規(guī)律。

圖3 海冰融化對OMZ的影響機制
OMZ及其變化對物質循環(huán)過程、海洋生物活動和氣候變化產生深遠的影響。研究團隊厘清了OMZ中反硝化與厭氧氨氧化等兩個關鍵氮循環(huán)過程;發(fā)現(xiàn)OMZ可提高生物泵的輸送能力,影響微生物的碳轉化和碳酸鹽泵的平衡,深刻影響碳循環(huán);揭示了OMZ對浮游動物、游泳動物、底棲動物和微生物的差異化影響機制;探明了OMZ可通過增加深海碳匯,增強N2O和CH4等溫室氣體的釋放等方式影響氣候演化進程。
基于對OMZ“結構-變化-效應”的系統(tǒng)認識及核心理論體系的構建(圖4),研究團隊提出未來應重視建立既能覆蓋各個海域,又能充分反映脫氧規(guī)律的OMZ梯度閾值和評價標準;強化對OMZ擴張和各驅動因素貢獻的定量解析,提高對OMZ時空變化的系統(tǒng)認識;量化評估OMZ變化對生物活動的影響;加強對強度較弱且受全球變化影響較大的西太平洋等海域OMZ的深入研究;利用機器學習工具構建更全面的DO數(shù)據(jù)產品,為全球OMZ變化研究提供堅實可信的數(shù)據(jù)基礎;增強對OMZ與碳循環(huán)關系的探討,充分挖掘其在深海碳匯中的潛在價值;完善生物地球化學模型的兼容性和適配性,開發(fā)既能涵蓋全球尺度OMZ的動態(tài)分析,又能聚焦各大洋細微的變化過程歸因解析的模型。該核心理論體系的構建不僅為深入解析全球變化與大洋OMZ的耦合機制,從全球尺度系統(tǒng)揭示海洋低氧與脫氧過程的內在規(guī)律提供了關鍵理論支撐,更為科學應對全球海洋脫氧風險,推動海洋生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)治理提供了重要科學依據(jù)。

圖4 OMZ系統(tǒng)科學與研究展望
系列論文的第一作者為中國科學院海洋研究所馬駿副研究員,通訊作者為宋金明研究員,李學剛、袁華茂、段麗琴、戴佳佳、溫麗聯(lián)、邢建偉、曲寶曉、王啟棟和劉珊珊等為共同作者。研究得到了國家自然科學基金、山東省自然科學基金等項目的支持。
論文信息:
Ma, J., Song, J.*, Li, X., Yuan, H., Duan, L., Dai, J., Wen, L., 2026. Characteristics and driving factors of oceanic oxygen minimum zone (OMZ) in the context of global change. Science China Earth Sciences 69, 478-490.
馬駿, 宋金明*, 李學剛, 袁華茂, 段麗琴, 戴佳佳, 溫麗聯(lián), 2026. 全球變化背景下大洋最小含氧帶(OMZ)的特征及其驅動因素. 中國科學:地球科學56 (2), 498-509.
馬駿, 宋金明*, 李學剛, 邢建偉, 曲寶曉, 王啟棟, 劉珊珊, 2026. 大洋最小含氧帶(OMZ)對全球變暖的響應. 海洋與湖沼, 57 (2), 285-300.(封面論文)
馬駿, 宋金明*, 李學剛, 袁華茂, 段麗琴, 戴佳佳, 溫麗聯(lián), 2025. 大洋最小含氧帶(OMZ)對海洋物質循環(huán)的影響與生態(tài)響應. 海洋學報 47 (11), 27-41.
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