在覆蓋地球71%的蔚藍海洋深處，一場持續了半個世紀的“化學變奏”正在悄然進行。碳、氮、磷這三種構成生命基礎的元素，如同音符般相互交織，譜寫着地球生命的樂章。長期以來，科學家們認爲，這三種元素的比例恆定不變，如同自然界的神奇定律。然而，近期中國科學院地球環境研究所陳濟研究員領銜的國際研究團隊發現，這條經典定律正在被重新書寫。

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

（圖片來源：參考文獻1）

打破海洋學的“北極星定律”

1934年，美國海洋學家雷德菲爾德（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，發現海洋中碳、氮、磷三種關鍵元素的摩爾比例穩定維持在106:16:1。這一發現被稱爲“雷德菲爾德定律”，成爲海洋科學領域的重要基石，爲理解海洋生物地球化學循環提供了根本框架。近一個世紀以來，這個定律如同海洋科學的北極星，指引着無數研究者探索海洋奧祕。

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方面的成就而得名

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然而，近期，由中國科學院地球環境研究所聯合華中師範大學、西班牙國家科研理事會、美國耶魯大學、美國普林斯頓大學、美國南加州大學等國內外科研機構組成的科學團隊，經過全面而深入的分析，得到了不同的結論。

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，構建了迄今爲止全球最大規模的海洋元素比例數據庫。結果揭示了一個令人震驚的事實：海洋並非那個一成不變的“化學恆溫反應器”，碳、氮、磷的摩爾比例並未嚴格遵循雷德菲爾德總結的規律，而其背後的成因更是令人深思。

這一發現如同在平靜的湖面投下巨石，激起層層漣漪。長期以來被奉爲圭臬的雷德菲爾德定律，在現實的海洋中正經歷着系統性的偏移。研究發現，浮游生物中碳磷比和氮磷比在全球範圍內普遍升高，而海水中碳氮比和碳磷比的上升則意味着表層海洋的碳富集趨勢愈發顯著。

深海中的“化學分層”奧祕

海洋的化學世界遠比表面看起來更加複雜。當我們將視線從波光粼粼的海面轉向深邃的海底，會發現一個層次分明的化學王國。研究揭示，海洋生態計量比隨水深變化呈現明顯的分層結構，這種現象如同海洋的化學指紋，記錄着不同深度發生的生物地球化學過程。

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，隨着深度增加，光照逐漸減弱直至消失，有機物開始沉降並被微生物分解。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，而氮磷比則相應上升。

深海中的微生物羣落結構也在其中扮演着重要角色。在表層水域，光合細菌占主導地位；而在深海區域，異養細菌變得更加豐富，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格局上。

令人驚奇的是，儘管海洋環境發生如此巨大的化學變化，浮游生物卻展現出驚人的適應能力。它們通過複雜的生理調節機制，在不同深度保持相對穩定的元素比例。這種“生態化學計量穩態”現象源於浮游生物強大的代謝調節能力，反映出生物系統對外界營養變化的精妙適應機制。

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

（圖片來源：維基百科）

時間維度上的化學變遷

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

在20世紀末期，科學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系統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。磷元素主要來源於陸地徑流，其供給相對有限，這種不對稱的供給模式加劇了磷限制現象。

然而，故事在2007年前後出現了戲劇性的轉折。監測數據顯示，浮游生物的碳磷比和氮磷比開始緩慢下降，這一變化與全球範圍內人類活動導致的磷輸入增加密切相關。土壤侵蝕和風化作用的加劇，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，並引發了浮游生物羣落結構的相應變化。

這種時間序列的變化模式，如同海洋生態系統健康狀況的脈搏，反映着人類活動對海洋環境的深遠影響。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變過程。

氣候變化如何影響海洋化學？

全球氣候變化如同一隻無形的手，重塑着海洋的化學格局。海洋溫度的上升不僅影響海水的物理性質，更深刻地改變着生物地球化學過程。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速度。

海洋層化現象的加劇是氣候變化的另一個重要後果。隨着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海水向表層的輸送，可能進一步加劇表層海洋的營養限制。同時，層化現象也影響着有機物的垂直傳輸和分解過程，改變着不同深度間的化學梯度。

海洋環流的變化同樣不可忽視。全球變暖可能改變海洋環流模式，影響營養物質的全球分佈。一些區域可能因環流變化而變得更加貧營養，而另一些區域則可能富營養化程度加劇。這種空間格局的重新分佈，將對海洋生態系統產生深遠影響。

此外，極端天氣事件的增加也會對海洋化學產生脈衝式影響。強降雨可能導致陸源營養物質的集中輸入，而乾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的長期演變產生重要影響。

未來海洋將走向怎樣的化學時代？

這項研究的意義遠不止於揭示過去50年的變化趨勢，更重要的是爲我們預測未來海洋化學演變提供了科學依據。研究結果表明，海洋生態計量比具有明顯的時間和空間可變性，這一發現要求我們在未來的地球系統模擬和氣候預測中重新考慮海洋的角色。

傳統的海洋生物地球化學模型大多基於雷德菲爾德定律的假設，認爲海洋中的元素比例是恆定的。然而，這項研究清楚地表明，這種假設在現實世界中並不成立。未來的模型需要納入動態的、時空變化的元素比例關係，才能更準確地預測海洋對全球變化的響應。

對於全球碳循環的理解和預測，這項研究同樣具有重要意義。海洋作爲全球最大的碳儲庫，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。

從海洋生態系統的角度來看，元素比例的變化可能引發食物網結構的調整。浮游植物化學組成的改變會影響以它們爲食的浮游動物，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脅迫，而另一些能夠適應高碳氮比環境的物種則可能獲得競爭優勢。

海洋化學比例的變化還可能影響一些關鍵的海洋生態過程。例如，氮固定和反硝化等微生物過程對海洋氮循環至關重要，而這些過程的強度和分佈可能因元素比例的變化而改變。海洋中某些區域可能會經歷更嚴重的缺氧現象，而另一些區域則可能出現新的富氧區域。

面對這些變化，人類社會需要重新審視我們與海洋的關係。減少溫室氣體排放、合理管理農業活動、控制陸源污染等措施，不僅對陸地環境保護重要，對維護海洋化學平衡同樣關鍵。同時，我們還需要建立更完善的海洋監測網絡，持續追蹤海洋化學的變化趨勢，爲科學決策提供支撐。

在這個藍色星球上，海洋的化學密碼正在被重新書寫。這不僅是一項普通的科學發現，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繁衍。海洋的化學變奏仍在繼續，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）

監製：中國科普博覽