溶解在海洋里的氧气有利于海洋生物生存繁衍，促进碳、磷等关键元素循环。近50年来，海洋内缺氧区域（ODZs）的体积不断增大，正在威胁海洋生态系统的稳定。一些学者提出，全球气候变暖导致海洋溶解氧能力降低和上层海水分层增加，从而造成海洋去氧现象。学者们推测，今后几十年中，溶解于海洋中的氧气含量不断减少，将影响海洋生物生存。但今后海洋内缺氧区域范围将如何改变还不确定。

       过去，是认识未来的钥匙。通过对海洋缺氧区域在以往温暖气候中变化的研究，可以帮助我们了解海洋溶解氧气含量在当前及今后气候变暖背景下的变化规律。它有助于我们评估全球气候变暖对海洋生态系统造成的影响。

       为了解决上述科学问题，德国马克斯·普朗克化学研究所的学者Alexandra Auderset与其合作者对新生代以来海洋缺氧区域处于两个温暖气候时期—中生代中期（MMCO）与始新世早期（EECO）进行研究。该研究发现在两个气候温暖时期海洋缺氧区域均呈现缩减现象，说明气候变暖会提高海洋溶解氧气而不是削弱溶解氧气能力。

       海洋中氮同位素对海洋中溶解氧含量非常敏感。这是由于海洋微生物能把硝酸盐还原成氮气（反硝化作用）.这一过程需在低氧环境下才能完成，同时引起氮同位素的分馏而使海水硝酸盐的δ¹⁵N值升高。即海水在缺氧区发生反硝化作用，可使局部海水乃至全球海水硝酸盐δ¹⁵N值升高。这一氮同位素特征能保存于当时存活的海洋生物之中，并最后记录于海洋沉积物之中。据此，该研究利用新生代海洋有孔虫壳有机质所记录到的δ¹⁵N，即FB-δ¹⁵N,反演了当时海水中δ¹⁵N的变化情况，进而推测了海洋缺氧区域在各个时期的变化规律。新生代有孔虫样品采自太平洋及大西洋深海钻探沉积物中（图1）。

图1 研究涉及的深海钻探样品分布及全球海洋的350米深度溶解氧含量分布

       该研究在总结以往研究资料的基础上，首先对新生代以来中-低纬度、高纬度表层海水温度演化曲线进行绘制（SST曲线;图2a）。低纬度-高纬度地区表层海水温度差（Δ SST_L-H）变化（图2b）可作为指示古气候变化、提供大气-海洋环流信息的依据。结果发现，新生代两温暖气候中太平洋与大西洋的FB-δ¹⁵N值均处于最低值（图2c），而两大洋间δ¹⁵N差（Δδ¹⁵N_P-A）亦为最低值。另外，温暖气候条件下Δ SST_L-H表现出下降的趋势，且与Δδ¹⁵N_P-A表现出较好的协变关系，贯穿新生代。在排除构造活动，海底地形变化及沉积过程的影响之后，作者认为温暖时期FB-δ¹⁵N, Δδ¹⁵N_P-A的下降反映出当时海洋反硝化作用的减弱，也就是在温暖气候条件下海水溶解氧含量升高及海洋缺氧区域减小。

图2 新生代海洋FB-δ¹⁵N及气候指标演化。a，低纬度至高纬度表层海水温度演化曲线；b, 太平洋-大西洋δ¹⁵N及低纬度-高纬度表层海水温度差演化曲线；c，太平洋及大西洋钻探样品FB-δ¹⁵N演化曲线

       在温暖气候中，海洋溶解氧含量上升的驱动因素有哪些？根据前人研究，作者给出两种解释。赤道及热带太平洋地区上升流携带生物生产力下降又会减少表层海水氧气消耗；或者全球大洋（如南部大洋深层海水）的环流会减弱海洋中“生物碳泵”，同时对补充了海水溶解氧。通俗地说，海洋“生物碳泵”可以从大气中吸收二氧化碳，经过生物光合作用后，转化成有机质储存起来，生成氧气回馈到大气。南部大洋深层海水循环带出部分养分，可使该区海水中以营养元素为生命的生物“错失”养分，从而使大洋耗氧量减少，减弱反硝化作用，最终使大洋缺氧区域减少。作者提供的一些证据，如温暖时期南部大洋浮游与底栖有孔虫之间的氮同位素之差（FB-δ¹⁵N_P-A）降至最低（图3c, d），说明南部大洋的海水垂向密度梯度减小，深部海水的循环增强，海洋的“生物碳泵”作用减小。海洋“生物碳泵”功能的减弱还使大气二氧化碳含量升高，加剧了气候变暖的现象。

图3 新生代两个温暖时期南部大洋的FB-δ¹⁵N和气候指标变化

       该研究以过去温暖气候下海洋缺氧区域变化为例，这对于我们认识现代及未来海洋溶解氧在气候变暖过程中的反应提供了一个全新的角度。应当注意到在温暖气候条件下海洋缺氧区域收缩的机理尚不清楚，其发生的时间可在短期或长期尺度上，有待未来进一步研究。

       本文最近发表于国际综合性学术刊物《Nature》中。Alexandra Auderset et al. (2022) Enhanced ocean oxygenation during Cenozoic warm periods. Nature, 609, 77-82. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05017-0