由中国科学院地球环境研究所牵头的国际团队，首次以全球长期观测数据为基础，系统揭示了过去50年间海洋中碳（C）、氮（N）和磷（P）3种关键元素的摩尔比发生了持续且结构性的变化。这一发现挑战了被海洋科学沿用数十年的“Redfield Ratio”（雷德菲尔德比率）假设，即C：N：P比例长期恒定在106：16：1。相关研究近日发表于《自然-地球科学》。

研究团队整合了1971年至2020年间来自全球各大洋、从海表至1000米深度的5.6万多个浮游生物颗粒样本和近38.9万个海水溶解样本，构建了迄今全球最大规模的海洋元素比例数据库。

对这些数据的系统分析发现，海洋中C：N、C：P和N：P比值正在以可检测的速率偏离传统假设，并呈现明显的区域性与垂向结构特征。研究人员指出，浮游生物中C：P和N：P比值在全球范围内普遍升高，表明海洋生态系统面临更广泛的磷限制；而海水中C：N和C：P比值的上升则意味着表层海洋的碳富集趋势越发显著。

此外，时间序列分析还揭示，浮游生物的C：N与N：P比值在20世纪末显著上升，但自2007年前后出现转折，开始缓慢下降。这可能与近年全球范围内农业活动、城市污水和工业排放导致的磷输入增加有关，从而缓解了部分区域的磷限制，并引发浮游生物群落结构的变化。

尽管出现这些动态变化，浮游生物中的C：N比值却在过去50年中保持稳定。研究人员推测，这种“生态化学计量稳态”现象源于浮游生物的代谢调节能力，反映出生物系统对外界营养变化的适应性调控机制。

该研究首次以全球实证数据系统性证伪了雷德菲尔德比率的恒定性假设，提出海洋生态计量结构具有时间与空间的可变性，未来的地球系统模拟与气候预测需要对其进行考虑。传统模型往往假设营养元素比例恒定，这可能导致对海洋碳汇能力、营养限制机制乃至气候反馈路径的错误估计。

在全球碳循环与气候变化挑战日益严峻的背景下，该研究不仅为海洋生态系统如何响应人类活动提供了关键证据，也为科学界重新评估海洋与气候耦合机制、制定相关政策奠定了重要理论基础，并提供了数据支持。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41561-025-01735-y

（原载于《中国科学报》 2025-07-16 第1版 要闻）