近期，中國科學院地球環(huán)境研究所聯(lián)合華中師范大學、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，以全球長期觀測數(shù)據(jù)為基礎，系統(tǒng)揭示了過去50年間海洋中碳（C）、氮（N）、磷（P）這三種關鍵元素的摩爾比發(fā)生了持續(xù)且結構性的變化。研究人員整合了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。同時，研究發(fā)現(xiàn)，海洋并非一成不變的“化學恒溫器”。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了被海洋科學沿用數(shù)十年的“Redfield Ratio”假設，即C:N:P比例長期恒定在106:16:1。

研究人員通過對這些數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，海洋中C:N、C:P及N:P比值正以可檢測的速率偏離傳統(tǒng)假設，并呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性與垂向結構特征。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愈發(fā)顯著。同時，時間序列分析表明，浮游生物的C:N與N:P比值在20世紀末顯著上升，但在2007年前后出現(xiàn)轉折趨勢，開始緩慢下降。這可能與近年來全球范圍內農業(yè)活動、城市污水及工業(yè)排放導致的磷輸入增加有關，繼而緩解了部分區(qū)域的磷限制，并引發(fā)浮游生物群落結構變化。

進一步，研究發(fā)現(xiàn)，海洋生態(tài)計量比隨水深變化呈現(xiàn)明顯的分層結構，即深層海水中C:N和C:P比值逐漸下降，而N:P比值上升。這反映了隨著有機物沉降和微生物分解，碳更容易損失，而氮和磷以溶解無機形式保留在水體中。同時，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C:N比值卻在過去50年中保持了較好的穩(wěn)定性。研究人員推測，這種“生態(tài)化學計量穩(wěn)態(tài)”現(xiàn)象源于浮游生物的代謝調節(jié)能力，反映出生物系統(tǒng)對外界營養(yǎng)變化的適應性調控機制。

這一研究首次以全球實證數(shù)據(jù)系統(tǒng)性證偽了“Redfield Ratio”的恒定性假設，提出了海洋生態(tài)計量結構具有時間與空間的可變性，需在未來地球系統(tǒng)模擬與氣候預測中予以考慮。同時，在全球碳循環(huán)與氣候變化挑戰(zhàn)日益嚴峻的背景下，該研究為海洋生態(tài)系統(tǒng)如何響應人類活動提供了關鍵證據(jù)，并為科學界重新評估海洋與氣候耦合機制以及制定相關政策提供了重要理論基礎與數(shù)據(jù)支持。

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