在隐私地球71%的湛蓝海洋深处，一场执续了半个世纪的“化学变奏”正在悄然进行。碳、氮、磷这三种组成人命基础的元素，如同音符般相互交汇，谱写着地球人命的乐章。遥远以来，科学家们觉得，这三种元素的比例恒定不变，如同当然界的神奇定律。可是，近期中国科学院地球环境究诘所陈济究诘员领衔的海外究诘团队发现，这条经典定律正在被再行书写。

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-海洋的无缺生物地球化学轮回流程，以及不同深度（0米、200米、1000米）的化学计量变化模式。（图片起原：参考文件1）

Part.1

防碍海洋学的“北极星定律”

1934年，好意思国海洋学家雷德菲尔德（Alfred Redfield）建议了一条影响真切的定律：通过对北大欧好意思海域的不雅测，发现海洋中碳、氮、磷三种关节元素的摩尔比例瓦解保管在106:16:1。这一发现被称为“雷德菲尔德定律”，成为海洋科学鸿沟的遑急基石，为意会海洋生物地球化学轮回提供了压根框架。近一个世纪以来，这个定律如同海洋科学的北极星，相通着无数究诘者探索海洋精巧。

伍兹霍尔海洋究诘所的雷德菲尔德实验室铭牌，该实验室系因顾忌雷德菲尔德在海洋学方面的竖立而得名（图片起原：维基百科）

可是，近期，由中国科学院地球环境究诘所蚁集华中师范大学、西班牙国度科研理事会、好意思国耶鲁大学、好意思国普林斯顿大学、好意思国南加州大学等国表里科研机构组成的科学团队，经过全面而深入的分析，得到了不同的论断。

究诘团队通过分析1971年至2020年间来自环球各大洋、从海表至1000米深度的逾56000个浮游生物颗粒样本和近389000个海水融解样本，构建了迄今为止环球最大限度的海洋元素比例数据库。扫尾揭示了一个令东说念主震悚的事实：海洋并非阿谁一成不变的“化学恒温反应器”，碳、氮、磷的摩尔比例并未严格效用雷德菲尔德追想的端正，而其背后的成因更是令东说念主深想。

这一发现如同在逍遥的湖面投下巨石，激起层层摇荡。遥远以来被奉为设施的雷德菲尔德定律，在实验的海洋中正资格着系统性的偏移。究诘发现，浮游生物中碳磷比和氮磷比在环球范围内精深升高，而海水中碳氮比和碳磷比的飞腾则意味着上层海洋的碳富集趋势愈发权贵。

Part.2

深海中的“化学分层”精巧

海洋的化学宇宙远比名义看起来愈加复杂。当咱们将视野从水光潋滟的海面转向高深的海底，会发现一个脉络分明的化学王国。究诘揭示，海洋生态计量比随水深变化呈现明显的分层结构，这种时势如同海洋的化学指纹，纪录着不同深度发生的生物地球化学流程。

在阳光充沛的上层海洋中，浮游植物通过光合营用精深接收碳元素。可是，跟着深度增多，光照迟缓恣意直至脱色，有机物初始千里降并被微生物分解。在这个流程中，碳更容易以二氧化碳的款式逸散到水中，而氮和磷则以融解无机盐的款式保留在水体中。这种相反化的轮回流程，使得深层海水中碳氮比和碳磷比迟缓下落，而氮磷比则相应飞腾。

深海中的微生物群落结构也在其中上演着遑急扮装。在上层水域，光合细菌占主导地位；而在深海区域，异养细菌变得愈加丰富，它们具有更高的磷配额，通过增强呼吸作用花费更多的碳，进一步缩短了碳磷比。这种微不雅宇宙的变化，最终反应在总共海洋的化学款式上。

令东说念主歌咏的是，尽管海洋环境发生如斯雄伟的化学变化，浮游生物却展现出惊东说念主的稳妥才略。它们通过复杂的生理改动机制，在不同深度保执相对瓦解的元素比例。这种“生态化学计量稳态”时势源于浮游生物坚定的代谢改动才略，反应出身物系统对外界养分变化的精妙稳妥机制。

水生生物的生计型。从上到下轮番为：水表生物(Neuston)、浮游生物(Plankton)、游水生物(Nekton)、底栖生物(Benthos)（图片起原：维基百科）

Part.3

期间维度上的化学变迁

海洋的化学变化不仅体当今深度上，也瓦解地写在期间的长卷中。究诘发现，昔时50年间，海洋的元素比例资格了一场静默而深刻的变革。

在20世纪末期，科学家不雅察到浮游生物的碳磷比和氮磷比权贵飞腾，这一趋势标明海洋生态系统正濒临更平庸的磷限定。大气中二氧化碳浓度的飞腾增强了碳的同化作用，同期刺激了生物固氮流程，使得碳和氮的均衡得以保管，而磷的相对稀缺性却日益越过。磷元素主要起原于陆地径流，其供给相对有限，这种不合称的供给模式加重了磷限定时势。

可是，故事在2007年前后出现了戏剧性的更始。监测数据披露，浮游生物的碳磷比和氮磷比初始稳固下落，这一变化与环球范围内东说念主类行为导致的磷输入增多密切关联。泥土侵蚀和风化作用的加重，以及阵势变暖的影响，使得从陆地向海洋的磷输入权贵增多，部分缓解了磷限定，并激发了浮游生物群落结构的相应变化。

这种期间序列的变化模式，如同海洋生态系统健康状态的脉搏，反应着东说念主类行为对海洋环境的真切影响。从某种意旨上说，咱们正在见证一个从磷限定时间向磷富集时间的转动流程。

Part.4

阵势变化若何影响海欧化学？

环球阵势变化如归拢只无形的手，重塑着海洋的化学款式。海洋温度的飞腾不仅影响海水的物感性质，更深刻地改变着生物地球化学流程。温度升高会加快微生物的代谢行为，改变有机物的分解速率，进而影响不同元素的轮回速率。

海洋层化时势的加重是阵势变化的另一个遑急扫尾。跟着上层海水温度的飞腾，海洋的垂直夹杂恣意，这限定了深层富养分海水向上层的运输，可能进一步加重上层海洋的养分限定。同期，层化时势也影响着有机物的垂直传输和分解流程，改变着不同深度间的化学梯度。

海洋环流的变化不异不行暴虐。环球变暖可能改变海洋环流模式，影响养分物资的环球散布。一些区域可能因环流变化而变得愈加贫养分，而另一些区域则可能富养分化程度加重。这种空间款式的再行散布，将对海洋生态系统产生真切影响。

此外，顶点天气事件的增多也会对海欧化学产生脉冲式影响。强降雨可能导致陆源养分物资的围聚输入，而干旱则可能减少径流运输。这些短期的顶点事件固然看似微不及说念，但积存起来可能对海欧化学的遥远演变产生遑急影响。

Part.5

异日海洋将走向若何的化学时间？

这项究诘的意旨远不啻于揭示昔时50年的变化趋势，更遑急的是为咱们瞻望异日海欧化学演变提供了科学依据。究诘扫尾标明，海洋生态计量比具有明显的期间和空间可变性，这一发现条目咱们在异日的地球系统模拟和阵势瞻望中再行谈判海洋的扮装。

传统的海洋生物地球化学模子大多基于雷德菲尔德定律的假定，觉得海洋中的元素比例是恒定的。可是，这项究诘了了地标明，这种假定在实验宇宙中并不竖立。异日的模子需要纳入动态的、时空变化的元素比例干系，才略更准确地瞻望海洋对环球变化的响应。

关于环球碳轮回的意会和瞻望，这项究诘不异具有遑急意旨。海洋四肢环球最大的碳储库，其碳固定才略的变化将径直影响大气中二氧化碳的浓度。如若海洋中碳氮磷比例的变化趋势络续下去，可能会改变海洋的储碳功能，进而影响环球阵势变化的进度。

从海洋生态系统的角度来看，元素比例的变化可能激发食品网结构的诊疗。浮游植死一火学组成的改变会影响以它们为食的浮游动物，进而传递到总共海洋食品链。一些对磷需求较高的海洋生物可能濒临养分威胁，而另一些梗概稳妥高碳氮比环境的物种则可能取得竞争上风。

海欧化学比例的变化还可能影响一些关节的海洋生态流程。举例，氮固定和反硝化等微生物流程对海洋氮轮回至关遑急，而这些流程的强度和散布可能因元素比例的变化而改变。海洋中某些区域可能会资格更严重的缺氧时势，而另一些区域则可能出现新的富氧区域。

面对这些变化，东说念主类社会需要再行凝视咱们与海洋的干系。减少温室气体排放、合理处理农业行为、适度陆源遏抑等措施，不仅对陆地环境保护遑急，对爱戴海欧化学均衡不异关节。同期，咱们还需要建筑更完善的海洋监测相聚，执续跟踪海欧化学的变化趋势，为科学决议提供支执。

在这个蓝色星球上，海洋的化学密码正在被再行书写。这不仅是一项浮浅的科学发现，更是对东说念主类异日的深刻警示。只消深入意会这些变化的机制和影响，咱们才略更好地保护这片滋长人命的湛蓝家园，确保地球人命的可执续生息。海洋的化学变奏仍在络续，而咱们每个东说念主齐是这场变奏的参与者和见证者。

参考文件：

【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

作家：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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