海洋缺氧區不再“靜止”！BGC-Argo浮標觀測發現海洋健康新變數

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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-Argo（BGC-Argo）的“機器魚”，就像是科學家布設在深海的哨兵。

長期以來，人類對海洋中那些被稱為“缺氧區”（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日最近發表在《自然通訊·地球與環境》上的一項研究，利用這些浮標近三年的高精度觀測數據，徹底刷新了科學界對海洋內部化學過程的認知。

▲上圖：由瑪里亞納·比夫（Mariana Bif，右一）博士帶領的科學團隊正準備從“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Argo（BGC-Argo）浮標。圖源：Mariana Bif博士, 邁阿密大學官網

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深海化學屏障，觸不可及

海洋缺氧區是全球海洋中的“熱點”，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，而是轉而利用硝酸鹽和亞硝酸鹽。這

一過程決定了海洋的生產力，也直接影響全球碳循環、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，而缺氧區正是它的重要產生地。

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

BGC-Argo浮標的出現，改變了游戲規則。它們每十天進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、硝酸鹽等關鍵參數。

▲上圖：Argo剖面浮標結構示意圖。該設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傳感器）、中間的耐壓殼體（內含電池組、電子控制單元及數據處理系統）以及底部的外部油囊組成。浮標通過內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，從而實現受控的下潛與上浮，如同在深海中自由呼吸的“機器魚”。（參考設計：UCSD Argo項目）圖源：Brn-Bld

▲上圖：截至2018年2月，全球Argo陣列中活躍浮標的分布情況。圖中不同顏色的圓點代表所屬的國家或地區，展示了這一全球海洋觀測網在各大洋的覆蓋廣度。這些自主監測浮標通過國際協作，持續為氣候研究和海洋科學提供關鍵的實時數據。圖源：Hjfreeland

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算法革新

讓傳感器“看見”隱形成分

這項研究的核心突破，源于邁阿密大學羅森斯蒂爾學院瑪里亞納·比夫（Mariana Bif）教授團隊開發的一種先進算法。

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

比夫教授的團隊對紫外光譜數據做了深度挖掘，成功的開發出了一種無試劑的統計提取方法。這就好比從一段嘈雜的背景音中，精準地分離出了兩個極其細微的特定音節。他們用這種方法，可以從現有的全球浮標數據庫中，重新解析出過去被忽視的亞硝酸鹽濃度數據。

據悉，這一技術革新不僅適用于地球的海洋監測，未來甚至可能用于外星海洋（如木衛二或土衛二）的生命痕跡探測，因為這種傳感器不需要消耗任何化學試劑，非常適合長期無人監測。

▲上圖：本研究所用BGC-Argo浮標的軌跡與上層海洋生物量變化示意圖。(a) 浮標在東熱帶北太平洋（ETNP）的漂流軌跡（紅點）以及部署該浮標的SR2114航次路線（空心黑圈）。(b) 水表層至150米深度的葉綠素-a（Chl）總量時間序列，數據每10天采集一次，不同顏色代表不同季節，黑色實線為移動平均線，紅色陰影區域標示了2022年7月30日至10月11日期間持續的高生產力階段。(c) 為相同時間段內的顆粒有機碳（POC）總量變化趨勢。對比可以發現，上層海洋生態系統的周期性波動與深層氮循環的動態變化存在緊密聯系。論文出處：Bif, M. B., Kelly, C., Altabet, M. A., et al. (2026)

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氮循環的動態戰場

研究團隊對ETNP海域做了近三年的連續監測，捕捉到了一個令人驚訝的現象——缺氧區的化學環境并非處于某種靜態的平衡；它是一場永不停歇的動態博弈。

在觀測的前兩年，該海域存在一個強烈的“次級亞硝酸鹽極大值”。這意味著此時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，進入2023年后，情況發生了劇變。監測數據顯示，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，海水的pH值也隨之降低。

為了理解這背后的機制，研究者引入了一個基于化學計量學的質量平衡模型。

模型分析顯示，在這個區域，異養硝酸鹽還原（DNRN）是占據統治地位的過程，它消耗質子并產生二氧化碳。但隨著環境條件的改變，尤其是當有機物供應充足時，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一步轉化并最終以氮氣的形式釋放到大氣中，造成海洋中氮元素的“凈流失”。

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（圖文無關）▲上圖：氮是海洋中最核心的營養元素之一。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動

在這個研究期間，東熱帶北太平洋經歷了從拉尼娜到厄爾尼諾的氣候周期轉換。雖說三年的觀測記錄尚不足以定論長期趨勢，但浮標捕捉到了生產力波動的細節。2023年期間，盡管表面上看是由于氣候現象導致的生態變化，但深海中的碳、氮循環已經做出了敏銳的反應。

該研究發現，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”一樣，改變了表層的營養鹽分布，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。這種物理運動與生物地球化學過程的耦合，在傳統的離散采樣中幾乎是不可能被完整觀測到的。

這項研究的意義，遠不止于對某個海域氮循環的量化，它證明了通過集成自主觀測設備與先進的計算模型，人類可以實時監控海洋內部那些“看不見”的化學脈動。隨著全球氣候變暖，海洋缺氧區正在不斷擴張，理解這些區域的氮損失過程，對于預測未來的海洋健康狀況至關重要。

該團隊指出，在深海中默默工作的這些“隱形化學家”，讓人類可以正在構建一個更加透明、更加真實的海洋認知體系。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

時間 | 2026年4月

歡迎投稿 | editor@oceanbiodiversity.cn

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