近日，厦门大学海洋与地球学院、海洋生物地球化学全国重点实验室曹知勉教授团队等在南海硅循环及其与碳循环关系研究方面取得新进展，相关成果以“Assessing stable silicon isotopes as proxy for nutrient utilization and carbon cycling in low-productivity marine systems”为题，发表在国际地球化学领域权威期刊Geochimica et Cosmochimica Acta。

该研究基于南海寡营养海盆区夏季和冬季的季节性观测数据，联用硅、碳、氮三种稳定同位素，系统阐释上层海洋营养盐利用过程以及硅、碳以及氮循环之间的耦合关系，指出硅稳定同位素在低生产力海域具有示踪营养盐利用的应用潜力。

研究背景

硅藻是海洋中最重要的浮游植物类群之一，在进行光合作用合成颗粒有机碳（POC）的同时，吸收海水中的溶解硅酸盐（DSi）并合成硅质外壳，即生源硅（BSi），在全球碳循环中发挥关键作用。硅藻吸收DSi时引起硅同位素分馏，其硅质外壳可记录海水中DSi利用程度的信息。因此，沉积物中保存的生源硅稳定同位素组成已成为古海洋学中广泛应用的生产力替代指标。然而，现有研究主要集中于南大洋和东边界上升流等高生产力海域。在广袤的寡营养海域，由于硅藻在浮游植物群落中的占比较低，硅稳定同位素能否有效记录营养盐利用和生产力变化过程，长期缺乏直接验证。

南海海盆是典型的寡营养低生产力海域，为检验这一问题提供了理想的天然实验场。研究团队于2017年夏季和2018年冬季在南海海盆北部SEATS站和中部SS1站开展高分辨率采样，测定上层200米水柱中BSi、POC和颗粒有机氮（PON）的浓度及稳定同位素组成（δ³⁰Si_BSi、δ¹³C_POC、δ¹⁵N_PON），系统解析真光层中硅、碳、氮循环之间的耦合与分异关系，并评估硅稳定同位素在低生产力海域对碳、氮循环的示踪潜力。

研究结果

研究发现，南海海盆区200米以浅的BSi、POC和PON垂直分布总体与叶绿素a（Chl-a）和硅藻标志性色素岩藻黄素（Fuco）一致，其高值普遍出现在次表层叶绿素极大层（DCM）附近（图1、图2），表明硅藻仍是该海域重要的初级生产者。BSi浓度呈现显著的季节和空间差异：在SEATS站，夏季BSi平均浓度约为冬季的两倍（图1），而硅藻丰度却表现为冬季高于夏季，表明夏季低DSi浓度和高光照条件可能促使硅藻的硅化程度更高；而SS1站夏季BSi浓度极低，冬季则随着垂直混合增强驱动营养盐供应增加，硅藻生产力和BSi浓度均显著升高（图2）。

图1. SEATS站上层200 m水柱中BSi、POC、PON、Chl-a和Fuco浓度，以及δ³⁰Si_BSi、δ¹³C_POC、δ¹⁵N_PON的垂直分布。（a）夏季；（b）冬季

图2. SS1站上层200 m水柱中BSi、POC、PON、Chl-a和Fuco浓度，以及δ³⁰Si_BSi、δ¹³C_POC、δ¹⁵N_PON的垂直分布。（a）夏季；（b）冬季

研究进一步揭示了寡营养海域硅、碳循环之间存在明显的季节性耦合特征（图3a）。夏季，δ³⁰Si_BSi与δ¹³C_POC不存在显著相关关系，表明在微微型浮游植物占优势的生态系统中，硅与碳呈现解耦状态。冬季，随着营养盐供应增加和硅藻生产力提升，δ³⁰Si_BSi与δ¹³C_POC呈显著正相关关系，表明硅藻生产活动同时影响硅与碳循环过程，两者处于耦合状态。因此，营养盐供给水平和硅藻生产力是调控寡营养海域硅碳耦合关系的重要因素。

相比之下，δ³⁰Si_BSi和δ¹⁵N_PON在夏、冬两季均未表现出显著相关性（图3b），表明上层水体中的硅循环和氮循环总体处于解耦状态。这一现象可能与硅藻生产对PON贡献有限有关，且氮循环除受到生物吸收调控外，还受固氮、反硝化、大气沉降等多种过程的共同影响，其控制机制比硅循环更为复杂。

图3. 真光层中δ³⁰Si_BSi与（a）δ¹³C_POC和（b）δ¹⁵N_PON的相关关系

研究意义及展望

该研究首次在南海评估了硅稳定同位素的时空变化及其作为营养盐利用和生产力替代指标的适用性，证明即使在硅藻并非优势类群的低生产力海域，生源硅稳定同位素仍能够记录营养盐利用过程，并在一定条件下反映海洋有机碳生产和输出的变化，从而为利用生源硅稳定同位素重建热带和副热带的古海洋生产力提供了现代观测依据。同时，通过联用硅、碳、氮多稳定同位素，揭示了不同营养元素循环之间复杂且动态的耦合关系，深化了对寡营养海域生物泵运行机制和生态系统物质循环过程的认识。

研究团队及资助

该论文第一作者为厦门大学2022级博士研究生王朝永，共同通讯作者为厦门大学曹知勉教授和德国亥姆霍兹基尔海洋研究中心张周凌博士；合作作者包括厦门大学戴民汉教授、黄邦钦教授、柳欣教授和杨进宇副教授等，海南大学杜川军副教授，以及德国亥姆霍兹基尔海洋研究中心Martin Frank教授。该研究获得国家自然科学基金项目（42525603）资助。王朝永获得厦门大学“南强优秀博士生培育计划”及国家留学基金委“海洋环境创新型人才国际合作培养项目”奖学金的支持。

论文来源及链接

Wang, C., Zhang, Z.*, Hou, Z., Ma, Y., Chen, J., Yang, J., Liu, X., Du, C., Huang, B., Frank, M., Dai, M., Cao, Z.*, 2026. Assessing stable silicon isotopes as proxy for nutrient utilization and carbon cycling in low-productivity marine systems. Geochimica et Cosmochimica Acta 428, 207-222.

https://doi.org/10.1016/j.gca.2026.05.035

文图│曹知勉教授团队

编辑 | 房月 苏颖

排版 | 陈蕾

审核 | 周宽波