百年海洋铁律惨遭“打脸”？大海的“经典配方”不准了！

在覆盖地球71%的蔚蓝海洋深处，一场持续了半个世纪的“化学变奏”正在悄然进行。碳、氮、磷这三种构成生命基础的元素，如同音符般相互交织，谱写着地球生命的乐章。长期以来，科学家们认为，这三种元素的比例恒定不变，如同自然界的神奇定律。然而，近期中国科学院地球环境研究所陈济研究员领衔的国际研究团队发现，这条经典定律正在被重新书写。

1970-2020年间海洋生态化学计量比的时空变化，包含了从大气-陆地-海洋的完整生物地球化学循环过程，以及不同深度（0米、200米、1000米）的化学计量变化模式。（图片来源：参考文献1）

Part.1

打破海洋学的“北极星定律”

1934年，美国海洋学家雷德菲尔德（Alfred Redfield）提出了一条影响深远的定律：通过对北大西洋海域的观测，发现海洋中碳、氮、磷三种关键元素的摩尔比例稳定维持在106:16:1。这一发现被称为“雷德菲尔德定律”，成为海洋科学领域的重要基石，为理解海洋生物地球化学循环提供了根本框架。近一个世纪以来，这个定律如同海洋科学的北极星，指引着无数研究者探索海洋奥秘。

伍兹霍尔海洋研究所的雷德菲尔德实验室铭牌，该实验室系因纪念雷德菲尔德在海洋学方面的成就而得名（图片来源：维基百科）

然而，近期，由中国科学院地球环境研究所联合华中师范大学、西班牙国家科研理事会、美国耶鲁大学、美国普林斯顿大学、美国南加州大学等国内外科研机构组成的科学团队，经过全面而深入的分析，得到了不同的结论。

研究团队通过分析1971年至2020年间来自全球各大洋、从海表至1000米深度的逾56000个浮游生物颗粒样本和近389000个海水溶解样本，构建了迄今为止全球最大规模的海洋元素比例数据库。结果揭示了一个令人震惊的事实：海洋并非那个一成不变的“化学恒温反应器”，碳、氮、磷的摩尔比例并未严格遵循雷德菲尔德总结的规律，而其背后的成因更是令人深思。

这一发现如同在平静的湖面投下巨石，激起层层涟漪。长期以来被奉为圭臬的雷德菲尔德定律，在现实的海洋中正经历着系统性的偏移。研究发现，浮游生物中碳磷比和氮磷比在全球范围内普遍升高，而海水中碳氮比和碳磷比的上升则意味着表层海洋的碳富集趋势愈发显著。

Part.2

深海中的“化学分层”奥秘

海洋的化学世界远比表面看起来更加复杂。当我们将视线从波光粼粼的海面转向深邃的海底，会发现一个层次分明的化学王国。研究揭示，海洋生态计量比随水深变化呈现明显的分层结构，这种现象如同海洋的化学指纹，记录着不同深度发生的生物地球化学过程。

在阳光充沛的表层海洋中，浮游植物通过光合作用大量吸收碳元素。然而，随着深度增加，光照逐渐减弱直至消失，有机物开始沉降并被微生物分解。在这个过程中，碳更容易以二氧化碳的形式逸散到水中，而氮和磷则以溶解无机盐的形式保留在水体中。这种差异化的循环过程，使得深层海水中碳氮比和碳磷比逐渐下降，而氮磷比则相应上升。

深海中的微生物群落结构也在其中扮演着重要角色。在表层水域，光合细菌占主导地位；而在深海区域，异养细菌变得更加丰富，它们具有更高的磷配额，通过增强呼吸作用消耗更多的碳，进一步降低了碳磷比。这种微观世界的变化，最终反映在整个海洋的化学格局上。

令人惊奇的是，尽管海洋环境发生如此巨大的化学变化，浮游生物却展现出惊人的适应能力。它们通过复杂的生理调节机制，在不同深度保持相对稳定的元素比例。这种“生态化学计量稳态”现象源于浮游生物强大的代谢调节能力，反映出生物系统对外界营养变化的精妙适应机制。

水生生物的生活型。从上到下依次为：水表生物(Neuston)、浮游生物(Plankton)、游泳生物(Nekton)、底栖生物(Benthos)（图片来源：维基百科）

Part.3

时间维度上的化学变迁

海洋的化学变化不仅体现在深度上，也清晰地写在时间的长卷中。研究发现，过去50年间，海洋的元素比例经历了一场静默而深刻的变革。

在20世纪末期，科学家观察到浮游生物的碳磷比和氮磷比显著上升，这一趋势表明海洋生态系统正面临更广泛的磷限制。大气中二氧化碳浓度的上升增强了碳的同化作用，同时刺激了生物固氮过程，使得碳和氮的平衡得以维持，而磷的相对稀缺性却日益突出。磷元素主要来源于陆地径流，其供给相对有限，这种不对称的供给模式加剧了磷限制现象。

然而，故事在2007年前后出现了戏剧性的转折。监测数据显示，浮游生物的碳磷比和氮磷比开始缓慢下降，这一变化与全球范围内人类活动导致的磷输入增加密切相关。土壤侵蚀和风化作用的加剧，以及气候变暖的影响，使得从陆地向海洋的磷输入显著增加，部分缓解了磷限制，并引发了浮游生物群落结构的相应变化。

这种时间序列的变化模式，如同海洋生态系统健康状况的脉搏，反映着人类活动对海洋环境的深远影响。从某种意义上说，我们正在见证一个从磷限制时代向磷富集时代的转变过程。

Part.4

气候变化如何影响海洋化学？

全球气候变化如同一只无形的手，重塑着海洋的化学格局。海洋温度的上升不仅影响海水的物理性质，更深刻地改变着生物地球化学过程。温度升高会加速微生物的代谢活动，改变有机物的分解速率，进而影响不同元素的循环速度。

海洋层化现象的加剧是气候变化的另一个重要后果。随着表层海水温度的上升，海洋的垂直混合减弱，这限制了深层富营养海水向表层的输送，可能进一步加剧表层海洋的营养限制。同时，层化现象也影响着有机物的垂直传输和分解过程，改变着不同深度间的化学梯度。

海洋环流的变化同样不可忽视。全球变暖可能改变海洋环流模式，影响营养物质的全球分布。一些区域可能因环流变化而变得更加贫营养，而另一些区域则可能富营养化程度加剧。这种空间格局的重新分布，将对海洋生态系统产生深远影响。

此外，极端天气事件的增加也会对海洋化学产生脉冲式影响。强降雨可能导致陆源营养物质的集中输入，而干旱则可能减少径流输送。这些短期的极端事件虽然看似微不足道，但累积起来可能对海洋化学的长期演变产生重要影响。

Part.5

未来海洋将走向怎样的化学时代？

这项研究的意义远不止于揭示过去50年的变化趋势，更重要的是为我们预测未来海洋化学演变提供了科学依据。研究结果表明，海洋生态计量比具有明显的时间和空间可变性，这一发现要求我们在未来的地球系统模拟和气候预测中重新考虑海洋的角色。

传统的海洋生物地球化学模型大多基于雷德菲尔德定律的假设，认为海洋中的元素比例是恒定的。然而，这项研究清楚地表明，这种假设在现实世界中并不成立。未来的模型需要纳入动态的、时空变化的元素比例关系，才能更准确地预测海洋对全球变化的响应。

对于全球碳循环的理解和预测，这项研究同样具有重要意义。海洋作为全球最大的碳储库，其碳固定能力的变化将直接影响大气中二氧化碳的浓度。如果海洋中碳氮磷比例的变化趋势继续下去，可能会改变海洋的储碳功能，进而影响全球气候变化的进程。

从海洋生态系统的角度来看，元素比例的变化可能引发食物网结构的调整。浮游植物化学组成的改变会影响以它们为食的浮游动物，进而传递到整个海洋食物链。一些对磷需求较高的海洋生物可能面临营养胁迫，而另一些能够适应高碳氮比环境的物种则可能获得竞争优势。

海洋化学比例的变化还可能影响一些关键的海洋生态过程。例如，氮固定和反硝化等微生物过程对海洋氮循环至关重要，而这些过程的强度和分布可能因元素比例的变化而改变。海洋中某些区域可能会经历更严重的缺氧现象，而另一些区域则可能出现新的富氧区域。

面对这些变化，人类社会需要重新审视我们与海洋的关系。减少温室气体排放、合理管理农业活动、控制陆源污染等措施，不仅对陆地环境保护重要，对维护海洋化学平衡同样关键。同时，我们还需要建立更完善的海洋监测网络，持续追踪海洋化学的变化趋势，为科学决策提供支撑。

在这个蓝色星球上，海洋的化学密码正在被重新书写。这不仅是一项普通的科学发现，更是对人类未来的深刻警示。只有深入理解这些变化的机制和影响，我们才能更好地保护这片孕育生命的蔚蓝家园，确保地球生命的可持续繁衍。海洋的化学变奏仍在继续，而我们每个人都是这场变奏的参与者和见证者。

参考文献：

【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：科普中国

作者：郭菲

监制：中国科普博览

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本文首发于中国科普博览（kepubolan）

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