NG丨地球環(huán)境所揭示全球海洋生態(tài)計量比發(fā)生系統(tǒng)性變化

Nature Geoscience最新研究揭示過去50年碳、氮、磷比例顯著偏移，影響全球氣候模型與海洋碳匯評估，海洋并非一成不變的“化學(xué)恒溫器”。一項近日發(fā)表在《自然·地球科學(xué)》（Nature Geoscience）的國際合作研究首次以全球長期觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)揭示了過去50年間海洋中碳（C）、氮（N）和磷（P）這三種關(guān)鍵元素的摩爾比發(fā)生了持續(xù)且結(jié)構(gòu)性的變化。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了被海洋科學(xué)沿用數(shù)十年的“Redfield Ratio”假設(shè)，即C:N:P比例長期恒定在106:16:1。

該研究由中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所牽頭，聯(lián)合華中師范大學(xué)、西班牙國家科研理事會、耶魯大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、南加州大學(xué)等多個國際科研機(jī)構(gòu)完成。研究團(tuán)隊整合了1971年至2020年間來自全球各大洋、從海表至1000米深度的逾56,000個浮游生物顆粒樣本和近389,000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。

對這些數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，海洋中C:N、C:P和N:P比值正在以可檢測的速率偏離傳統(tǒng)假設(shè)，并呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性與垂向結(jié)構(gòu)特征。研究人員指出，浮游生物中的C:P和N:P比值在全球范圍內(nèi)普遍升高，表明海洋生態(tài)系統(tǒng)面臨更廣泛的磷限制；而海水中C:N和C:P比值的上升則意味著表層海洋的碳富集趨勢愈發(fā)顯著。

值得注意的是，時間序列分析還揭示，浮游生物的C:N與N:P比值在20世紀(jì)末顯著上升，但自2007年前后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折趨勢，開始緩慢下降。這可能與近年全球范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)活動、城市污水和工業(yè)排放導(dǎo)致的磷輸入增加有關(guān)，從而緩解了部分區(qū)域的磷限制，并引發(fā)浮游生物群落結(jié)構(gòu)的變化。

除了時間變化，研究還發(fā)現(xiàn)，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)：深層海水中C:N和C:P比值逐漸下降，而N:P比值則上升。這反映了隨著有機(jī)物沉降和微生物分解，碳更容易損失，而氮和磷則以溶解無機(jī)形式保留在水體中。此外，隨深度變化的微生物群落組成，也影響了元素循環(huán)過程。

盡管出現(xiàn)這些動態(tài)變化，浮游生物中的C:N比值卻在過去50年中保持了驚人的穩(wěn)定性。研究人員推測，這種“生態(tài)化學(xué)計量穩(wěn)態(tài)”現(xiàn)象源于浮游生物的代謝調(diào)節(jié)能力，反映出生物系統(tǒng)對外界營養(yǎng)變化的適應(yīng)性調(diào)控機(jī)制。

這一研究的重要意義在于，它首次以全球?qū)嵶C數(shù)據(jù)系統(tǒng)性地證偽了“Redfield Ratio”的恒定性假設(shè)，提出海洋生態(tài)計量結(jié)構(gòu)具有時間與空間的可變性，需在未來的地球系統(tǒng)模擬與氣候預(yù)測中予以考慮。傳統(tǒng)模型往往假設(shè)營養(yǎng)元素比例恒定，這可能導(dǎo)致對海洋碳匯能力、營養(yǎng)限制機(jī)制乃至氣候反饋路徑的錯誤估計。在全球碳循環(huán)與氣候變化挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻的背景下，本研究不僅為海洋生態(tài)系統(tǒng)如何響應(yīng)人類活動提供了關(guān)鍵證據(jù)，也為科學(xué)界重新評估海洋與氣候耦合機(jī)制、制定相關(guān)政策提供了重要的理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)支持。

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

圖 1 海洋碳氮磷生態(tài)化學(xué)計量的時空變化概念圖（圖/劉濟(jì)）