轨道强迫作用调节了晚更新世期间阿拉伯海的脱氮过程

利用阿曼海SSD004 GC11沉积岩芯重建了167,000年氮同位素比（δ1?N）和总氮（TN）记录，揭示了轨道参数（黄道倾角和岁差）与区域反硝化作用及大气N?O浓度的协同调控机制。

　　

拉胡尔·帕瓦尔（Rahul Pawar）|达尔门德拉·普拉塔普·辛格（Dharmendra Pratap Singh）|拉吉夫·萨拉斯瓦特（Rajeev Saraswat）|阿布哈亚南德·辛格·毛里亚（Abhayanand Singh Maurya）

印度罗尔基理工学院（Indian Institute of Technology Roorkee）地球科学系，罗尔基 247667，印度

摘要

为了将全球变暖控制在2°C以内，了解非二氧化碳温室气体的贡献至关重要。一氧化二氮（N₂O）作为一种强效温室气体，在近期气候变化中发挥了重要作用。因此，理解其长期演变对于制定有效的缓解策略至关重要。在这项研究中，我们利用来自阿拉伯海南部的海洋沉积物岩芯SSD004 GC11，重建了过去167,000年间阿拉伯海脱氮作用的长期历史。为了追踪过去的脱氮过程，我们分析了氮同位素组成（δ¹⁵N）（脱氮的指标）和总氮含量（TN）。研究结果表明，在温暖时期，初级生产力与脱氮之间存在强烈的耦合关系；然而，在寒冷时期，尽管冬季季风驱动的垂直混合维持了生产力，这种关系减弱了。我们将新获得的δ¹⁵N记录与先前发表的记录整合起来，构建了整个阿拉伯海的脱氮过程图谱。光谱分析显示，该图谱具有与地球轨道参数（特别是倾角和岁差）同步的显著周期性。值得注意的是，倾角信号在阿拉伯海南部更为明显，而岁差信号在北部地区占主导地位。通过对岩芯δ¹⁵N记录、阿拉伯海δ¹⁵N图谱和大气中N₂O浓度的交叉小波分析，发现倾角驱动的过程对区域脱氮和大气N₂O水平有显著影响。这些发现突显了轨道因素在调节阿拉伯海氮循环中的关键作用及其对温室气体动态的广泛影响。

引言

人类活动通过直接排放大气中的温室气体（如CO₂、CH₄、NO_x和SO_x）无疑导致了近期的全球变暖（IPCC，气候变化综合报告，2023年）。尽管已经进行了大量研究来了解影响大气中CO₂的因素，但对于其他温室气体（如一氧化二氮（N₂O）的长期动态却关注较少。除了人为来源外，自然过程（如亚氧化水中的氮固定作用和缺氧水中的脱氮作用）仍然是N₂O的主要来源（Dalsgaard等人，2014年；Saxena等人，2025年）。在脱氮过程中，以硝酸盐（NO₃^-）形式存在的活性/生物可利用氮被释放到大气中形成N₂O。这一过程主要由厌氧微生物在缺氧条件下利用硝酸盐作为替代电子受体进行呼吸作用而促进（Bertagnolli和Stewart，2018年；Codispoti等人，2001年）。硝酸盐通过一系列还原反应依次转化为亚硝酸盐（NO₂^-）、一氧化氮（NO），最终生成N₂O和氮气（N₂）（Pauleta等人，2019年；Sigman等人，2009年）。因此，这一过程减少了海洋中的生物可利用氮，影响了海洋初级生产者的营养供应（Casciotti，2016年；Jayakumar等人，2004年）。这使得主要发生在氧气最小区（OMZs）的海洋脱氮成为海洋生物地球化学循环中的关键组成部分（Codispoti，2010年；Ji等人，2018年；Naqvi等人，2010年）。

一氧化二氮是海洋氮循环的中间产物之一，在完全还原为N₂之前会逸入大气（Pauleta等人，2019年；Sigman等人，2009年）。它是最强的温室气体之一，在大气中的停留时间为100年，其100年内的全球变暖潜力约为CO₂的300倍（IPCC，2023年；Prather等人，2012年）。全球海洋中OMZs持续释放N₂O令人担忧，因为它既加剧了当前的全球变暖，也导致了平流层臭氧的消耗（Babbin等人，2015年；Ravishankara等人，2009年；Suntharalingam和Sarmiento，2000年）。由于OMZs分布零星且具有动态特性，测量其排放量面临挑战（Bange等人，2019年；Buitenhuis等人，2018年）。像阿拉伯海和东太平洋这样的高初级生产力区域已成为海洋中N₂O的最大来源（Bange等人，2001年；Codispoti，2010年；Naqvi和Noronha，1991年）。在全球变暖的背景下，OMZs持续释放N₂O尤其令人担忧。变暖将增加海洋分层并降低氧气溶解度，从而扩大OMZs的范围，并加剧脱氮作用，进而增加N₂O的生成和排放。N₂O生成的增加将进一步产生正反馈，加剧全球变暖（Bange等人，2010年；Codispoti，2010年）。

了解地球历史上影响N₂O排放的因素，特别是在晚更新世冰期-间冰期循环期间，对于更好地理解未来温暖海洋中的脱氮行为至关重要。通过测量海洋沉积物中的氮同位素比值（δ¹⁵N）可以重建海洋脱氮强度。在OMZs中，脱氮过程中，较轻的同位素¹⁴N被厌氧微生物优先利用，留下富含较重同位素¹⁵N的硝酸盐池（Brandes等人，1998年；Naqvi等人，1998年）。随后的脱氮过程中，这些高δ¹⁵N硝酸盐池被海洋浮游植物利用，导致沉降有机物的δ¹⁵N特征增强，这些有机物在沉积物中积累（Gaye-Haake等人，2005年）。因此，通过分析海洋沉积物中的δ¹⁵N特征，可以追踪水柱中脱氮强度的变化。

阿拉伯海拥有广阔且持续存在的OMZ，以及强烈的脱氮区域（Paulmier和Ruiz-Pino，2009年；Stramma等人，2008年）。它是世界上少数几个同时具有高表面初级生产力和不良通风温跃层的地理位置之一，这两者都有利于OMZ的发展和扩展（Altabet等人，2002年；Altabet等人，1995年；Pichevin等人，2007年；Singh等人，2021年）。多位研究者已经重建了阿拉伯海过去的脱氮变化。调节脱氧和随后脱氮的主要因素是表层水中的初级生产力强度，这主要受西南季风（夏季）引起的上升流以及东北季风（冬季）期间的对流混合的影响（Altabet等人，2002年；Altabet等人，1995年；Ganeshram等人，2000年；Ivanochko等人，2005年；Jaeschke等人，2009年；Kessarkar等人，2010年；Kim等人，2018年；M?bius等人，2011年；Reichart等人，1998年；Suthhof等人，2001年；Tiwari等人，2010年）。生产力的增强导致有机物质输出增加，提高了底层水中的氧气需求，最终促进了OMZ的发展。此外，中间层的通风也强烈调节了底层水中的溶解氧变化（Altabet等人，1999年；Banakar等人，2005年；Burdanowitz等人，2024年；Gaye等人，2018年；Godad等人，2017年；Higginson等人，2004年；Isaji等人，2015年；Kao等人，2015年；Kessarkar等人，2013年；Pichevin等人，2007年；Singh等人，2018年；Tripathi等人，2023年）。

虽然之前已经讨论了初级生产力和中间层水循环作为调节脱氮因素的作用，但这些过程的潜在机制以及阿拉伯海中某一过程相对于另一过程的优势区域差异仍需进一步探索。此外，也有少数尝试将从海洋沉积物δ¹⁵N重建的脱氮强度与冰芯中的N₂O浓度进行关联（Agnihotri等人，2006年；Suthhof等人，2001年）。然而，这种关联主要局限于上一个间冰期。在这项研究中，我们利用过去两个冰期-间冰期循环期间的δ¹⁵N重建了脱氮强度，并讨论了驱动脱氮的因素，并将其与全球大气N₂O变化进行了关联。

海洋学背景

特别是北印度洋，尤其是阿拉伯海，经历了季风风向的季节性逆转（Gadgil，2003年；Webster等人，1998年）。在夏季（6月至9月），阿拉伯海与青藏高原之间的温差增大，以及ITCZ向北移动（Trenberth等人，2000年；Yanai等人，1992年），迫使来自南半球的信风在穿越赤道后转向东北方向，朝向印度移动

材料与方法

在第四次ORV Sindhu Sadhana考察期间，从阿拉伯海南部（6.0000°N，78.9312°E；水深2901米；图1a）采集了一个长度为5.84米的海洋沉积物岩芯SSD004 GC11。该岩芯以1厘米间隔分成584个样本。所有样本都进行了地球化学分析和有孔虫研究。对于有孔虫研究，首先将湿样本冻干，然后通过63微米筛网进行湿筛分，再通过250微米和350微米筛网进行干筛分。

氮的稳定同位素比值

在SSD004 GC11记录中，过去167,000年的δ¹⁵N变化范围为4.71‰至8.81‰，平均值为6.81‰（图4a）。在MIS 6（130,000-167,000年前），平均δ¹⁵N为7.09‰，最高值为166,300年前的8.32‰，最低值为133,800年前的5.62‰（图4a）。在MIS 5（71,000-130,000年前），δ¹⁵N平均值为6.59‰，在95,500年前达到峰值7.88‰，在83,700年前降至最低值5.46‰。在MIS 5e期间，δ¹⁵N值从130,200年前的7.74‰下降到101,800年前的5.45‰（MIS 5c）。

阿拉伯海脱氮作用的冰期-间冰期变化

岩芯SSD004 GC11中的沉积物δ¹⁵N和TN记录提供了过去约167,000年阿拉伯海氮循环变化的连续档案。在像阿拉伯海这样的缺氧区域，沉积物δ¹⁵N主要反映了水柱脱氮的程度，而TN则主要记录了有机物的输出和保存情况（Ganeshram等人，2000年；Gaye等人，2018年）。然而，这两个指标可能受到陆地氮的影响

结论

我们基于从阿拉伯海南部采集的SSD004 GC11岩芯，全面重建了过去167,000年阿拉伯海的脱氮作用。结果表明，脱氮强度与轨道尺度的气候变化密切相关，季风驱动的生产力对OMZ动态和相关的N₂O释放具有重大影响。间冰期强烈的夏季季风增强了生产力，扩大了OMZs的范围，并加强了

CRediT作者贡献声明

拉胡尔·帕瓦尔（Rahul Pawar）：撰写初稿、可视化、方法论、正式分析、概念构建。达尔门德拉·普拉塔普·辛格（Dharmendra Pratap Singh）：撰写与编辑、可视化、验证、监督、方法论、资金获取、概念构建。拉吉夫·萨拉斯瓦特（Rajeev Saraswat）：撰写与编辑、验证。阿布哈亚南德·辛格·毛里亚（Abhayanand Singh Maurya）：撰写与编辑、验证。

未引用参考文献

Tage等人，2014年

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：

达尔门德拉·普拉塔普·辛格报告称获得了科学与工程研究委员会（Science and Engineering Research Board）的财政支持。达尔门德拉·普拉塔普·辛格与印度罗尔基理工学院（Indian Institute of Technology Roorkee）存在关系，包括就业关系。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能构成利益冲突

致谢

我们感谢印度罗尔基理工学院和印度果阿国家海洋研究所（National Institute of Oceanography）提供的基本基础设施，以便开展这项研究。我们感谢RV Sindhu Sadhana（SSD004）的船员在沉积物岩芯采集过程中的帮助和支持。R.P.感谢总理研究奖学金（Prime Minister's Research Fellowship，ID：2802458）。D.P.S.感谢新德里的科学工程研究委员会（SERB，批准号：SRG/2021/000620）对这项研究的资助。