50年數據證實海洋RedfieldRatio發生偏移

一項近日發表在《自然·地球科學》（Nature Geoscience）的國際合作研究首次以全球長期觀測數據為基礎，系統揭示了過去50年間海洋中碳（C）、氮（N）和磷（P）這三種關鍵元素的摩爾比發生了持續且結構性的變化。這一發現挑戰了被海洋科學沿用數十年的“Redfield Ratio”（雷德菲爾德比率）假設，即C:N:P比例長期恒定在106:16:1。

這項研究由中國科學院地球環境研究所牽頭，聯合華中師范大學、西班牙國家科研理事會、耶魯大學、普林斯頓大學、南加州大學等多個國際科研機構完成。研究團隊整合了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模的海洋元素比例數據庫。

對這些數據的系統分析發現，海洋中C:N、C:P和N:P比值正在以可檢測的速率偏離傳統假設，并呈現明顯的區域性與垂向結構特征。研究人員指出，浮游生物中的C:P和N:P比值在全球范圍內普遍升高，表明海洋生態系統面臨更廣泛的磷限制；而海水中C:N和C:P比值的上升則意味著表層海洋的碳富集趨勢愈發顯著。

值得注意的是，時間序列分析還揭示，浮游生物的C:N與N:P比值在20世紀末顯著上升，但自2007年前后出現轉折趨勢，開始緩慢下降。這可能與近年全球范圍內農業活動、城市污水和工業排放導致的磷輸入增加有關，從而緩解了部分區域的磷限制，并引發浮游生物群落結構的變化。

盡管出現這些動態變化，浮游生物中的C:N比值卻在過去50年中保持了驚人的穩定性。研究人員推測，這種“生態化學計量穩態”現象源于浮游生物的代謝調節能力，反映出生物系統對外界營養變化的適應性調控機制。

這一研究的重要意義在于，它首次以全球實證數據系統性地證偽了“Redfield Ratio”的恒定性假設，提出海洋生態計量結構具有時間與空間的可變性，需在未來的地球系統模擬與氣候預測中予以考慮。傳統模型往往假設營養元素比例恒定，這可能導致對海洋碳匯能力、營養限制機制乃至氣候反饋路徑的錯誤估計。

在全球碳循環與氣候變化挑戰日益嚴峻的背景下，本研究不僅為海洋生態系統如何響應人類活動提供了關鍵證據，也為科學界重新評估海洋與氣候耦合機制、制定相關政策提供了重要的理論基礎與數據支持。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41561-025-01735-y