编者按

2025年6月11日，《自然》刊发了北京大学杜江辉研究员与合作者题为“Abyssal seafloor as a key driver of ocean trace-metal biogeochemical cycles”的研究论文。《科学通报》刊发了亮点评述论文《深海沉积物调控海洋痕量金属元素循环》。我们有幸邀请杜江辉撰写本文，带大家了解研究进展背后的故事。

海洋元素的源与流

海洋的元素从哪里来、又往哪里去？这个早已写入教材的问题，却因一项来自太平洋深海的研究被重新审视。

10年前，一组异常的钕同位素观测数据，促使我们开始怀疑：我们习以为常的从海洋表面“自上而下”观察海洋的视角，是否在不知不觉中构成了某种认知局限？

我与合作者6月11日在《自然》（Nature）上发表的研究论文，提出了一个不同的答案：海底并非元素的旅行终点，而是一个关键的枢纽，通过“自下而上”的过程，推动着元素在深海与表层之间往复运动。

太平洋5000米的海底

异常的数据

2014年刚读博时，我的研究聚焦于利用钕同位素重建过去两万年太平洋环流的演变。当时主流观点认为钕仅来自表层的河流和风尘，沉积物只是被动记录，不参与循环。我尝试从沉积物中提取铁锰氧化物来反演底层海水的钕信号，却始终得出与海水不同的同位素值。

经过反复验证，我排除操作误差，确认结果真实。此时，我的师姐April Abbott和导师Brian Haley正好完成了首次孔隙水钕同位素采样。我测得的“异常”同位素值，与April所获得的孔隙水结果高度一致：两者的εNd值均显著高于海水。这说明我发现的异常是真实存在的。

我们开始意识到：所谓“早期成岩过程”，其意义不仅限于改造沉积记录，更可能通过“自下而上”的元素输入，实质性地塑造海洋化学组成。这促使我们提出一个新的问题：是否应该从沉积物出发重新理解整个海洋元素循环？

被遗忘的异端

从那时起，我开始深入思考海洋元素循环的理论体系，逐渐发现了许多有趣且深刻、但在当代研究中被忽视甚至被遗忘的学术观点。最颠覆我认知的，是Lars Sillén在1960年代就提出的一个理论框架，它竟然是“自下而上”的。

Lars Sillén1967年发表在《科学》（Science）上的文章截图

Sillén认为海水中元素的浓度主要由其与海底沉积物之间的平衡状态决定。到了1970年代，Wally Broecker提出海洋元素的分布应由输入与输出的动态质量平衡控制。这一观点迅速成为主流。一个以“自上而下”为主导的元素循环框架逐渐成型，并深深植入后来的模型和教材中。

关于沉积物的研究并未停止。在“早期成岩”这一框架下，Robert Berner将热力学、动力学与沉积过程结合，建立了反应-传输模型，推动了1980年代“早期成岩过程”研究的发展，为后续研究海底通量对海洋化学的影响奠定了基础。

海底锰结核，来自南海海洋资源利用国家重点实验室

1970年代，Manganese Nodule Program（MANOP）聚焦于海底锰结核的形成机制，也推动了沉积物中金属元素行为的研究。锰结核富集了稀土元素等多种金属，MANOP项目据此开展了系统的深海孔隙水研究。即便到了2020年左右，这些数据仍是了解深海中痕量金属地球化学行为的重要参考。

海洋稀土元素研究正是在这样的背景中逐渐发展起来。1980—1990年代，Elderfield就已提出海底通量可能在稀土元素循环中扮演着被忽视的角色。1990和2000年代，Catherine Jeandel在多处大陆边缘开展了钕同位素观测，发现水体与沉积物之间存在物质交换，对海水同位素组成产生显著影响，这被称为“边界交换”（boundary exchange）。

到了2010年，GEOTRACES项目的全面实施，为海洋痕量金属研究带来了质的飞跃。全球性观测大大丰富了数据基础。钕所揭示的“沉积物参与循环”这一思想，正在被越来越多的金属元素研究所借鉴。

积沙成塔

对历史的探索总能让人更好地看清当下工作的意义。我愈发确信，当年实验中那组“异常”的钕数据绝非偶然，它为我们指出了一条值得探索的新道路。

2016年，我开始收集并整理全球海水与沉积物钕同位素数据，试图重新评估钕的源与汇。我发现要维持观测到的海水钕含量，必然存在一个远比“自上而下”的输入更为强大的、此前未被充分认识的来源。海底的通量是解释这一“失踪来源”的唯一可能。

2019年末，我前往瑞士进行博士后研究。2020年初新冠疫情暴发，Brian计划的太平洋采样航次虽然推迟但最终顺利进行，而我因滞留瑞士未能参与采样，反倒获得了一段难得的清静时间，得以认真思考元素循环模拟的问题。

从2018年起，我一直在开发一个适合痕量金属和同位素研究的早期成岩模型——SedTrace。博士期间时间有限，我只能边学边做。到2020年，我集中开发模型，遇到两大难题：一是频繁测试参数导致手动修改代码效率低下，二是加入pH与speciation后模型复杂度陡增，计算变得困难。为此，我用Julia语言构建了一个“模型生成器”：用户可用Excel表格自定义过程，由程序自动生成代码并支持高效数值计算，使SedTrace具备高度通用性和灵活性。

沉积钕循环模拟

2022年，我们首次构建了包含钕及其同位素的成岩模型，并模拟了已有的东北太平洋孔隙水数据。结果表明，海底钕通量虽主要由铁锰氧化物与磷酸盐的循环过程调控，但决定同位素组成的关键在于火山质硅酸盐风化这一“新源”过程。这个想法成为2025年Nature论文中解决“钕悖论”的核心。

他山之石

赤道太平洋沉积物孔隙水采样

数据采集工作也在持续推进。历经两个月努力，Brian和Jim在赤道太平洋5000多米水深的3个站位，各获得10个样品。在同事的协助下，我们建立了一套流程，可在同一水样中分离多种金属元素。

超净室中用离子色谱法提取海水金属元素同位素

在此期间，我还注意到海洋环流研究中也正在酝酿一场“自下而上”的视角变革，与我们的想法不谋而合。人们在几千米深的海底发现，受地形与内潮作用影响，混合非常强烈。这一现象改变了我们对深海静止性的认识，有学者提出，除了风与温盐驱动的“自上而下”机制，海底地形激发的“自下而上”混合是维持全球大洋环流的根本动力。

这一观点让我深受启发。此前我们常常面临质疑：深海动力条件如此微弱，海底通量又如何影响上层水体？而“底层强化混合”的发现，终于为这些问题提供了令人信服的物理机制。

重新出发

2023年初，我们开始构建一个系统的“自下而上”理论框架。新的太平洋观测显示，即便在水深6000米的洋底，也存在由沉积物向海水释放元素的过程。这与“只有大陆边缘还原环境中才会发生海底元素的再释放”的经典认识相反。

为解释这一观测现象，我们用SedTrace建立了第一个包含全部稀土元素及钕同位素的早期成岩模型。模拟显示，即使是深海区仅有少量有机质进入沉积物，其在降解过程中也足以引起孔隙水pH的下降，同时增加有机配体的浓度，从而诱发金属元素从铁锰氧化物上脱附。

接下来，我们必须解决与“可逆清扫（reversible scavenging）”理论的冲突。它是传统“自上而下”模型框架的核心内容。该理论假设海水中的生物颗粒是金属的主要载体，这些颗粒在表层吸附金属元素，随后，下沉分解再释放金属回水体。但该假设与沉积物数据矛盾，那里稀土元素主要富集在铁锰氧化物和磷酸盐中。

为了探讨水体中钕元素的分配，我们对全球GEOTRACES数据进行系统分析，发现尽管锰氧化物在海水颗粒中仅占总量的1%以下，却是钕元素的主要吸附载体，其贡献远远超过生物颗粒，与深海沉积物的结果一致。

锰氧化物主要在深海中形成，其含量在深海中逐渐增强。那么“可逆清扫”应该预测钕浓度随深度递减，这将完全相反于观测结果。因此，必须存在其他深海来源来维持海水中钕的丰度——来自沉积物的“海底通量”。

为验证该推论，我们建立了一个元素循环模型。不仅纳入了“可逆清扫”和海底通量的过程，还综合考虑了其他源汇机制以及环流的影响。最初，我们构建了一个简化的一维水柱模型，仅考虑海水的垂向扩散。我们以有机质代表生源颗粒，并引入了常被忽略的锰氧化物。模拟结果成功复现了我们的推论。

传统的“自上而下”模型往往不能同时解释海水中钕元素浓度和同位素分布，被称之为“钕悖论”。2022年的早期成岩模拟为破解这一悖论提供了关键线索：海底通量不是单一来源，它包含两类成分——一是由下沉颗粒物再循环的部分，另一类是由沉积物硅酸盐风化产生的新源。在模型中引入这一区分后，只需海底通量中有10—30%为新源，就可以准确模拟太平洋深层水中εNd随水龄增加而偏正的变化趋势。

终点—起点

2024年初，在海外漂泊近10年之后，我回国到母校北大任教。我也终于在当年3月份完成了论文的初稿，投稿到Nature。审稿人对我们的研究结果总体持肯定态度，但普遍认为一维水柱模型过于简化，不足以支撑我们的理论。

面对修改要求，我只能跨出自己的舒适区，选择将构建的钕循环模块耦合进主流的OCIM三维海洋环流模型中。

建模过程中最具挑战性的一步是获得三维海水颗粒物的分布场。对于生物颗粒，已有的大量观测与模拟资料可供调用，但当时尚不存在可信的三维锰氧化物分布数据。

我开始也尝试利用机器学习方法对GEOTRACES数据进行训练，构建海洋中锰氧化物的分布预测模型。结果令人惊喜：即使在观测空白区，模型预测也基本符合我们对锰循环的理解。

经过大半年的开发，2024年底我们终于完成了三维模型的构建。在只做出轻微参数调整的前提下，与一维简化模型给出的结果高度一致。

文章修改后很快获得了审稿人的支持，并于2025年初正式被接收。这距离“自下而上”这一想法初现萌芽，恰好过去整整10年。

当然，这项工作并不是终点。我们在修改论文的过程中，特意将讨论拓展至钕之外的其他痕量金属。而更早以前，40年前MANOP项目的孔隙水观测数据就已揭示出深海沉积物中存在多种金属元素的释放通量——这一点今天看来也许比当时更具现实意义。

这项研究并非凭空而来。Sillén、Piepgras、Elderfield……许多前辈学者在他们的时代不被理解的观点，如今成为我们重新出发的起点。

能用10年的时间来做一件事，我感到十分幸运。我以前的导师们都给予了我最大的学术自由，北大的自由探索氛围也让我受益良多。

科学是一场跨越年代的接力。我们所做的，不过是在前人的工作上再迈出一小步。能被记住，能延续某个未竟的问题，已是幸运。接下来，也许是别人继续走下去。

信息来源 | 地球与空间科学学院

编辑 | 燕元

责编 | 青苗

排版 | 静静

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