在覆蓋地球71%的蔚藍海洋深處，一場持續(xù)了半個世紀的“化學(xué)變奏”正在悄然進行。碳、氮、磷這三種構(gòu)成生命基礎(chǔ)的元素，如同音符般相互交織，譜寫著地球生命的樂章。長期以來，科學(xué)家們認為，這三種元素的比例恒定不變，如同自然界的神奇定律。然而，近期中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所陳濟研究員領(lǐng)銜的國際研究團隊發(fā)現(xiàn)，這條經(jīng)典定律正在被重新書寫。

1970-2020年間海洋生態(tài)化學(xué)計量比的時空變化，包含了從大氣-陸地-海洋的完整生物地球化學(xué)循環(huán)過程，以及不同深度（0米、200米、1000米）的化學(xué)計量變化模式。

（圖片來源：參考文獻1）

打破海洋學(xué)的“北極星定律”

1934年，美國海洋學(xué)家雷德菲爾德（Alfred Redfield）提出了一條影響深遠的定律：通過對北大西洋海域的觀測，發(fā)現(xiàn)海洋中碳、氮、磷三種關(guān)鍵元素的摩爾比例穩(wěn)定維持在106:16:1。這一發(fā)現(xiàn)被稱為“雷德菲爾德定律”，成為海洋科學(xué)領(lǐng)域的重要基石，為理解海洋生物地球化學(xué)循環(huán)提供了根本框架。近一個世紀以來，這個定律如同海洋科學(xué)的北極星，指引著無數(shù)研究者探索海洋奧秘。

伍茲霍爾海洋研究所的雷德菲爾德實驗室銘牌，該實驗室系因紀念雷德菲爾德在海洋學(xué)方面的成就而得名

（圖片來源：維基百科）

然而，近期，由中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所聯(lián)合華中師范大學(xué)、西班牙國家科研理事會、美國耶魯大學(xué)、美國普林斯頓大學(xué)、美國南加州大學(xué)等國內(nèi)外科研機構(gòu)組成的科學(xué)團隊，經(jīng)過全面而深入的分析，得到了不同的結(jié)論。

研究團隊通過分析1971年至2020年間來自全球各大洋、從海表至1000米深度的逾56000個浮游生物顆粒樣本和近389000個海水溶解樣本，構(gòu)建了迄今為止全球最大規(guī)模的海洋元素比例數(shù)據(jù)庫。結(jié)果揭示了一個令人震驚的事實：海洋并非那個一成不變的“化學(xué)恒溫反應(yīng)器”，碳、氮、磷的摩爾比例并未嚴格遵循雷德菲爾德總結(jié)的規(guī)律，而其背后的成因更是令人深思。

這一發(fā)現(xiàn)如同在平靜的湖面投下巨石，激起層層漣漪。長期以來被奉為圭臬的雷德菲爾德定律，在現(xiàn)實的海洋中正經(jīng)歷著系統(tǒng)性的偏移。研究發(fā)現(xiàn)，浮游生物中碳磷比和氮磷比在全球范圍內(nèi)普遍升高，而海水中碳氮比和碳磷比的上升則意味著表層海洋的碳富集趨勢愈發(fā)顯著。

深海中的“化學(xué)分層”奧秘

海洋的化學(xué)世界遠比表面看起來更加復(fù)雜。當我們將視線從波光粼粼的海面轉(zhuǎn)向深邃的海底，會發(fā)現(xiàn)一個層次分明的化學(xué)王國。研究揭示，海洋生態(tài)計量比隨水深變化呈現(xiàn)明顯的分層結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象如同海洋的化學(xué)指紋，記錄著不同深度發(fā)生的生物地球化學(xué)過程。

在陽光充沛的表層海洋中，浮游植物通過光合作用大量吸收碳元素。然而，隨著深度增加，光照逐漸減弱直至消失，有機物開始沉降并被微生物分解。在這個過程中，碳更容易以二氧化碳的形式逸散到水中，而氮和磷則以溶解無機鹽的形式保留在水體中。這種差異化的循環(huán)過程，使得深層海水中碳氮比和碳磷比逐漸下降，而氮磷比則相應(yīng)上升。

深海中的微生物群落結(jié)構(gòu)也在其中扮演著重要角色。在表層水域，光合細菌占主導(dǎo)地位；而在深海區(qū)域，異養(yǎng)細菌變得更加豐富，它們具有更高的磷配額，通過增強呼吸作用消耗更多的碳，進一步降低了碳磷比。這種微觀世界的變化，最終反映在整個海洋的化學(xué)格局上。

令人驚奇的是，盡管海洋環(huán)境發(fā)生如此巨大的化學(xué)變化，浮游生物卻展現(xiàn)出驚人的適應(yīng)能力。它們通過復(fù)雜的生理調(diào)節(jié)機制，在不同深度保持相對穩(wěn)定的元素比例。這種“生態(tài)化學(xué)計量穩(wěn)態(tài)”現(xiàn)象源于浮游生物強大的代謝調(diào)節(jié)能力，反映出生物系統(tǒng)對外界營養(yǎng)變化的精妙適應(yīng)機制。

水生生物的生活型。從上到下依次為：水表生物(Neuston)、浮游生物(Plankton)、游泳生物(Nekton)、底棲生物(Benthos)

（圖片來源：維基百科）

時間維度上的化學(xué)變遷

海洋的化學(xué)變化不僅體現(xiàn)在深度上，也清晰地寫在時間的長卷中。研究發(fā)現(xiàn)，過去50年間，海洋的元素比例經(jīng)歷了一場靜默而深刻的變革。

在20世紀末期，科學(xué)家觀察到浮游生物的碳磷比和氮磷比顯著上升，這一趨勢表明海洋生態(tài)系統(tǒng)正面臨更廣泛的磷限制。大氣中二氧化碳濃度的上升增強了碳的同化作用，同時刺激了生物固氮過程，使得碳和氮的平衡得以維持，而磷的相對稀缺性卻日益突出。磷元素主要來源于陸地徑流，其供給相對有限，這種不對稱的供給模式加劇了磷限制現(xiàn)象。

然而，故事在2007年前后出現(xiàn)了戲劇性的轉(zhuǎn)折。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，浮游生物的碳磷比和氮磷比開始緩慢下降，這一變化與全球范圍內(nèi)人類活動導(dǎo)致的磷輸入增加密切相關(guān)。土壤侵蝕和風(fēng)化作用的加劇，以及氣候變暖的影響，使得從陸地向海洋的磷輸入顯著增加，部分緩解了磷限制，并引發(fā)了浮游生物群落結(jié)構(gòu)的相應(yīng)變化。

這種時間序列的變化模式，如同海洋生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的脈搏，反映著人類活動對海洋環(huán)境的深遠影響。從某種意義上說，我們正在見證一個從磷限制時代向磷富集時代的轉(zhuǎn)變過程。

氣候變化如何影響海洋化學(xué)？

全球氣候變化如同一只無形的手，重塑著海洋的化學(xué)格局。海洋溫度的上升不僅影響海水的物理性質(zhì)，更深刻地改變著生物地球化學(xué)過程。溫度升高會加速微生物的代謝活動，改變有機物的分解速率，進而影響不同元素的循環(huán)速度。

海洋層化現(xiàn)象的加劇是氣候變化的另一個重要后果。隨著表層海水溫度的上升，海洋的垂直混合減弱，這限制了深層富營養(yǎng)海水向表層的輸送，可能進一步加劇表層海洋的營養(yǎng)限制。同時，層化現(xiàn)象也影響著有機物的垂直傳輸和分解過程，改變著不同深度間的化學(xué)梯度。

海洋環(huán)流的變化同樣不可忽視。全球變暖可能改變海洋環(huán)流模式，影響營養(yǎng)物質(zhì)的全球分布。一些區(qū)域可能因環(huán)流變化而變得更加貧營養(yǎng)，而另一些區(qū)域則可能富營養(yǎng)化程度加劇。這種空間格局的重新分布，將對海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠影響。

此外，極端天氣事件的增加也會對海洋化學(xué)產(chǎn)生脈沖式影響。強降雨可能導(dǎo)致陸源營養(yǎng)物質(zhì)的集中輸入，而干旱則可能減少徑流輸送。這些短期的極端事件雖然看似微不足道，但累積起來可能對海洋化學(xué)的長期演變產(chǎn)生重要影響。

未來海洋將走向怎樣的化學(xué)時代？

這項研究的意義遠不止于揭示過去50年的變化趨勢，更重要的是為我們預(yù)測未來海洋化學(xué)演變提供了科學(xué)依據(jù)。研究結(jié)果表明，海洋生態(tài)計量比具有明顯的時間和空間可變性，這一發(fā)現(xiàn)要求我們在未來的地球系統(tǒng)模擬和氣候預(yù)測中重新考慮海洋的角色。

傳統(tǒng)的海洋生物地球化學(xué)模型大多基于雷德菲爾德定律的假設(shè)，認為海洋中的元素比例是恒定的。然而，這項研究清楚地表明，這種假設(shè)在現(xiàn)實世界中并不成立。未來的模型需要納入動態(tài)的、時空變化的元素比例關(guān)系，才能更準確地預(yù)測海洋對全球變化的響應(yīng)。

對于全球碳循環(huán)的理解和預(yù)測，這項研究同樣具有重要意義。海洋作為全球最大的碳儲庫，其碳固定能力的變化將直接影響大氣中二氧化碳的濃度。如果海洋中碳氮磷比例的變化趨勢繼續(xù)下去，可能會改變海洋的儲碳功能，進而影響全球氣候變化的進程。

從海洋生態(tài)系統(tǒng)的角度來看，元素比例的變化可能引發(fā)食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。浮游植物化學(xué)組成的改變會影響以它們?yōu)槭车母∮蝿游?，進而傳遞到整個海洋食物鏈。一些對磷需求較高的海洋生物可能面臨營養(yǎng)脅迫，而另一些能夠適應(yīng)高碳氮比環(huán)境的物種則可能獲得競爭優(yōu)勢。

海洋化學(xué)比例的變化還可能影響一些關(guān)鍵的海洋生態(tài)過程。例如，氮固定和反硝化等微生物過程對海洋氮循環(huán)至關(guān)重要，而這些過程的強度和分布可能因元素比例的變化而改變。海洋中某些區(qū)域可能會經(jīng)歷更嚴重的缺氧現(xiàn)象，而另一些區(qū)域則可能出現(xiàn)新的富氧區(qū)域。

面對這些變化，人類社會需要重新審視我們與海洋的關(guān)系。減少溫室氣體排放、合理管理農(nóng)業(yè)活動、控制陸源污染等措施，不僅對陸地環(huán)境保護重要，對維護海洋化學(xué)平衡同樣關(guān)鍵。同時，我們還需要建立更完善的海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，持續(xù)追蹤海洋化學(xué)的變化趨勢，為科學(xué)決策提供支撐。

在這個藍色星球上，海洋的化學(xué)密碼正在被重新書寫。這不僅是一項普通的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，更是對人類未來的深刻警示。只有深入理解這些變化的機制和影響，我們才能更好地保護這片孕育生命的蔚藍家園，確保地球生命的可持續(xù)繁衍。海洋的化學(xué)變奏仍在繼續(xù)，而我們每個人都是這場變奏的參與者和見證者。

參考文獻：

【1】Liu, J., Wang, H., Mou, J. et al. Global-scale shifts in marine ecological stoichiometry over the past 50 years. Nat. Geosci. 18, 769–778 (2025). https://doi.org/10.1038/s41561-025-01735-y

出品：科普中國

作者：郭菲（煙臺大學(xué)）

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