近期，中國(guó)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(guó)家科研理事會(huì)、美國(guó)耶魯大學(xué)、美國(guó)普林斯頓大學(xué)、美國(guó)南加州大學(xué)等國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)，以全球長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)揭示了過(guò)去50年間海洋中碳（C）、氮（N）、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。研究人員整合了1971年至2020年間來(lái)自全球各大洋、從海表至1000米深度的逾56000個(gè)浮游生物顆粒樣本和近389000個(gè)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)，并揭示了過(guò)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(píng)估。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，海洋并非一成不變的“化學(xué)恒溫器”。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(zhǎng)期恒定在106:16:1。

研究人員通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，海洋中C:N、C:P及N:P比值正以可檢測(cè)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C:P和N:P比值在全球范圍內(nèi)普遍升高，這表明海洋生態(tài)系統(tǒng)面臨更廣泛的磷限制，而海水中C:N和C:P比值上升意味著表層海洋的碳富集趨勢(shì)愈發(fā)顯著。同時(shí)，時(shí)間序列分析表明，浮游生物的C:N與N:P比值在20世紀(jì)末顯著上升，但在2007年前后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折趨勢(shì)，開始緩慢下降。這可能與近年來(lái)全球范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)活動(dòng)、城市污水及工業(yè)排放導(dǎo)致的磷輸入增加有關(guān)，繼而緩解了部分區(qū)域的磷限制，并引發(fā)浮游生物群落結(jié)構(gòu)變化。

進(jìn)一步，研究發(fā)現(xiàn)，海洋生態(tài)計(jì)量比隨水深變化呈現(xiàn)明顯的分層結(jié)構(gòu)，即深層海水中C:N和C:P比值逐漸下降，而N:P比值上升。這反映了隨著有機(jī)物沉降和微生物分解，碳更容易損失，而氮和磷以溶解無(wú)機(jī)形式保留在水體中。同時(shí)，隨深度變化的微生物群落組成也影響了元素循環(huán)過(guò)程。盡管出現(xiàn)這些動(dòng)態(tài)變化，浮游生物中C:N比值卻在過(guò)去50年中保持了較好的穩(wěn)定性。研究人員推測(cè)，這種“生態(tài)化學(xué)計(jì)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(duì)外界營(yíng)養(yǎng)變化的適應(yīng)性調(diào)控機(jī)制。

這一研究首次以全球?qū)嵶C數(shù)據(jù)系統(tǒng)性證偽了“Redfield Ratio”的恒定性假設(shè)，提出了海洋生態(tài)計(jì)量結(jié)構(gòu)具有時(shí)間與空間的可變性，需在未來(lái)地球系統(tǒng)模擬與氣候預(yù)測(cè)中予以考慮。同時(shí)，在全球碳循環(huán)與氣候變化挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻的背景下，該研究為海洋生態(tài)系統(tǒng)如何響應(yīng)人類活動(dòng)提供了關(guān)鍵證據(jù)，并為科學(xué)界重新評(píng)估海洋與氣候耦合機(jī)制以及制定相關(guān)政策提供了重要理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)支持。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-地球科學(xué)》（Nature Geoscience）上。