海洋元素比例新認知：“黃金標準”並非“恆定不變”
在海洋科學領域，有一個被稱爲“海洋元素密碼”的經典理論——雷德菲爾德比。這個由美國海洋學家阿爾弗雷德·雷德菲爾德於1934年提出的理論，揭示了海洋浮游植物的碳（C）、氮（N）、磷（P）的典型摩爾比爲106：16：1。該比例長期以來被視爲全球海洋生態系統營養結構的“黃金標準”。
然而，由中國科學院地球環境研究所聯合國內外科研機構，通過對全球海洋50年數據的系統分析，首次證實這個被視爲“海洋恆等式”的元素比例正在發生顯著偏移。相關成果近日發表於《自然-地球科學》。
“我們發現，海洋營養元素的比例在過去幾十年中並非恆定，而是在不同區域和時段呈現出結構性變化。”論文第一作者、中國科學院地球環境研究所副研究員劉濟告訴《中國科學報》，“這項發現挑戰了海洋系統被視爲‘化學恆溫器’的傳統觀念。”
建立全球最大海洋元素比例數據庫
這項研究的起點源於劉濟在讀博期間的學術思考。儘管當時他的研究聚焦於陸地生態系統，但海洋生態系統作爲生態化學計量學的起源，其複雜性和穩定性始終吸引着他。2023年赴德國做洪堡學者期間，得益於當地發達的水質監測系統和開放的數據資源，劉濟的研究構想得以快速落地。
“碳、氮、磷這3種關鍵營養元素，是連接海洋生物地球化學過程、物理海洋和氣候系統的核心紐帶。”劉濟解釋說，這些元素的比例變化對全球碳匯能力、海洋生態結構，甚至氣候反饋機制都具有深遠影響。
在系統分析數據時，一系列關鍵科學問題逐漸浮現：陸地與海洋生態系統的元素比率差異是固有特徵還是演變結果？德國水域觀測數據與雷德菲爾德比的偏離是區域性特例還是全球性趨勢？這些差異究竟源於自然變異還是人類活動影響？這些相互關聯的科學疑問最終促使劉濟建立了明確的研究方向。
但要真正搞清楚這些問題，需要龐大的數據庫支撐。爲了填補長期系統觀測的空白，團隊整合了全球1971年至2020年間全球範圍內的5.6萬多個浮游生物樣本和近39萬個海水樣本數據，覆蓋全球主要海洋區域，垂直範圍從海面延伸到1000米水深。
“爲確保結果的準確性，我們構建了迄今全球最大規模的海洋元素比例數據庫。這是前所未有的數據整合工作，歷時1年才完成。”劉濟介紹說。
團隊還採用空間加權平均的方法，覆蓋11個全球海區，包括北太平洋、南太平洋、印度洋、南大西洋、北大西洋等，確保數據具備代表性。據劉濟回憶，整個科研過程最難的環節就是數據的整合和標準化，尤其是如何統一不同年代、不同設備、不同實驗室的觀測數據。“我們團隊花費大量精力進行數據清洗與校準，還設計了多重敏感性測試來驗證數據穩健性。”
“誤差”還是“新突破”？
在分析2007年前後數據時，團隊最初觀察到海洋浮游生物中的C：P與N：P呈下降趨勢，曾一度懷疑是測量誤差。但進一步構建的模型表明，這一趨勢與全球範圍內陸源磷輸入增加高度相關，提示海洋系統中的磷限制正在緩解。
經過分析對比，過去50年中，浮游生物的C：P和N：P顯著上升，並在2007年前後達到峰值，隨後又出現下降。這一趨勢在太平洋和大西洋尤爲顯著，表明這些變化具有明顯的區域性。相比之下，浮游生物的C：N較爲穩定，而海水中的C：P和N：P不僅整體高於雷德菲爾德比，而且隨水深遞減。這些結果共同揭示了全球海洋營養元素比在時空尺度上均具有顯著動態特徵。
“傳統的雷德菲爾德比具有侷限性，該比例忽略了全球海洋在空間和時間尺度上的巨大變異性。尤其是在近年來氣候變化和人類活動的干擾下，我們發現這一經典比例無法全面描述真實海洋系統中碳、氮、磷元素的動態變化，存在明顯的區域偏差和時間漂移。”劉濟告訴《中國科學報》。
這項研究還揭示了一個關鍵發現——海洋固碳能力可能被長期低估。
“如果忽略了元素配比變化，可能會高估海洋的碳匯功能，並錯誤判斷浮游植物的營養限制類型。”劉濟補充說，“我們的數據提示，提升海洋初級生產力、增強碳匯潛力可能需要更合理地補充氮、磷等關鍵營養鹽。這一發現對解決海洋初級生產力養分限制問題、優化氣候治理策略具有重要指導意義。”
改變90年來的認知範式
這項研究成果直接挑戰了雷德菲爾德比“恆定不變”的假設。團隊指出，若繼續使用傳統模型，將高估海洋對碳的儲存能力、誤判浮游植物的營養限制狀況，從而影響碳匯評估和全球氣候預測模型的精度。
“我們發現海洋生態系統的調節機制可能並沒有我們想象的那麼穩定，尤其是在強烈的人爲干擾下，生態系統的營養結構正在發生顯著改變。”劉濟介紹，長期依賴固定元素比例的模型可能低估了未來海洋系統的不確定性。
儘管這項研究具有突破性意義，但團隊在提交論文時仍然有些忐忑。“雷德菲爾德比的影響根深蒂固，要改變學界持續90年的認知範式並非易事。”劉濟說。但審稿人評價明確指出：“從全球尺度的時空角度挑戰開創性的雷德菲爾德比，早該成爲一項迫切的研究課題。”海洋生物地球化學模型需要摒棄固定的雷德菲爾德比，以更好地理解複雜的反饋機制，從而提升對未來海洋生態系統變化的預測能力。
論文的順利發表令團隊成員王海倍感振奮。他表示：“這項成果不僅爲當前從事海洋與陸地生態元素研究的學者提供了重要參考，更重要的是提出了一個關鍵的研究視角——在引用元素比值時，不能簡單、粗暴地採用單一標準，必須將其置於全球生態環境的動態關係中進行綜合考量。”
“我們開展這項研究的初衷不僅是對現有理論的補充，還展示了人類活動對海洋生態計量不可忽略的作用，表明生物在長時間尺度上一直適應和改造着環境。”王海介紹說，這是對阿爾弗雷德·雷德菲爾德“生物-環境化學計量平衡”理念的繼承與發展。
未來，研究團隊計劃進一步探索海洋中鐵、鋅等微量元素的作用機制，以及它們是否可能在某些極端條件下主導局部和全球的海洋生態功能。同時，他們還將探討除了碳、氮、磷外的微量元素對海洋初級生產力及生態功能的作用機制和影響程度。（見習記者 李媛）
（中國科學報）