海洋生物地球化學

海洋生物地球化學是研究生物過程作用下，海洋及鄰近環境中生源要素或生物有關化學物質的分佈、遷移、轉化、富集、分散的規律以及海洋生態系統對這些化學物質變化的反饋機制，側重對碳、氮、磷、硅、氧、硫等生源要素的研究 ^[1]  。

從海洋生物地球化學(Marine Biogeochemistry)這個詞很容易看出這是一個複合詞，是一個多學科交叉的綜合產物。有關它的發展歷程，則應該首先從生物地球化學的產生談起 ^[2]  。

有關生物地球化學產生的時間，眾説紛紜，很難確定。一般認為，生物地球化學這個詞最早正式提出是在1939年，前蘇聯著名的地球化學家維爾納斯基(V.I.Vernadsky)院士首次創立並發表了系列論文，而後在1943年，由哈欽森(G.E.Hutchinson)引入到英文中，他對生物地球化學的發展做出了重大貢獻。這方面的早期研究主要涉及生物體對微量元素的富集，研究生物體與環境中的元素比。這是生物地球化學作為獨立研究領域發展的第一個階段。

實際上，有關生物地球化學的研究遠不止始於二十世紀的三十年代，應該説很早以前，許多科學家就注意到了生物過程在元素地球化學循環中的作用，在這裏值得一提的是英國牛津的地質學家多布尼(C. G. B. Daubeny, 1795-1867)，在170年前，他先做化學教授，而後又做了植物學教授，對火山噴發、大氣CO₂水平對石炭紀植物的影響以及臭氧產生的機制進行過卓有成效的研究，這是典型的生物地球化學綜合研究，看來，個人多學科的知識是生物地球化學產生的基礎之一是不容置疑的。

在二十世紀七十年代，生物地球化學研究出現了一些重要的進展，是生物地球化學研究發展的第二個階段，其標誌是環境生物地球化學的研究取得了長足進步，這期間國際上召開了幾次生物地球化學或與之相關的國際會議，如水地球化學與生物地球化學會議(1972)、第四屆國際環境生物地球化學會議(1979)等，都出版了會議論文集。這個時期還發表了大量的學術論文及幾部有影響的專著，如克倫賓(Krumbein, W. E)的三卷本《環境生物地球化學與地質微生物學》(1978)，尼雷古(Nriagu.S.O.)二卷本《環境生物地球化學》(1976)，扎基克(Zajic, J. E.)的《微生物的生物地球化學》(1969)，克倫賓(Krumbein, W. E.)《微生物地球化學》(1983)等，這些專著對環境生物地球化學及微生物地球化學進行了系統的闡述，總結了生物地球化學研究領域自二十世紀三十年代創立以來四十年的研究成果，併為以後的系統打下了基礎。

二十世紀末二十一世紀初，生物地球化學在迅速發展的基礎上，又有了長足發展，1989年，德國著名生物地球化學家Degens的專著《生物地球化學展望》出版，Butcher等在1992年出版了《全球生物地球化學循環》、Dobrovolsky在1994年《世界土地的生物地球化學》、Fenchel在1998年出版了《細菌生物地球化學》、韓興國等在1999年出版了《生物地球化學概論》、周啓星與黃國宏在2001年編著了《環境生物地球化學及全球環境變化》、Bashkin與 Howarth在2002年出版了《現代生物地球化學》，這些著作系統總結了全球生物地球化學20世紀後30-40年來的發展成果，為第三階段海洋生物地球化學的發展奠定了基礎。

當今的生物地球化學研究具有以下三個顯著特點：（1）多層次的時空佈局。在研究生物圈及大氣間的交換時，不論實驗測定還是數學模擬均有空間尺度不匹配的問題。因此要針對不同空間尺度作多層次的佈置：實驗通常分單葉片過程測定、單枝叉測定、地面採樣箱、鐵塔渦流相關(微氣象法)、繫留氣球、高空氣球、航測和衞星遙測。模擬時也相應由微宇宙、樣方推廣至區域乃至全球。在過程動態研究中，時間尺度可由晝夜、季節、年延伸至世紀乃至地質年代。（2）涉及多個生態類型。與20世紀80年代以前的循環研究相比，當前全球物質循環分為寒帶、中緯度、熱帶、海洋及極地五個區域來進行研究，同一區內不同生態系統的元素循環在實驗站點上進行，而不同生態系統間的過渡則在設置的過渡樣帶來進行。（3）與氣候變化和全球生態環境變化及反饋密切相關。國際生物圈和地圈計劃中，物質循環研究不僅研究人為活動造成的通量變化，而且研究氣候變化對元素循環的反饋。

如果説環境生物地球化學是生物地球化學發展的第二個階段，那麼二十世紀八十年代中期至今的海洋生物地球化學顯然是生物地球化學發展的第三個階段。

二十世紀八十年代以來，國際大型研究計劃的興起導致了生物地球化學成為了科學家們注重的焦點，其代表是1983年提出，1991年正式開始實施的國際地圈生物圈計劃(IGBP)，側重研究物質的生物地球化學循環，其目標是闡述和了解控制地球系統及其演化的相互作用的物理、化學和生物過程，以及人類活動在其中所起的作用，核心目標是為定量評估整個地球的生物地球化學循環和預報全球變化建立科學基礎，目前已實施的IGBP中的核心計劃，如IGAC、JGOFS、PAGES、GCTE、BAHC、LOICZ、GAIM 、GLOBEC和GEOTRACES中大部分與海洋有關或整個核心計劃都集中於生源要素的海洋生物地球化學過程研究，可以説是全球變化研究導致了近年來海洋生物地球化學的迅猛發展。

國際科學理事會與海洋研究科學委員會2016年發佈的《海洋的未來：關於G7國家所關注的海洋研究問題的非政府科學見解》中的8大科學問題大多與海洋生物地球化學有關。美國國家科學技術委員會2013年發佈的《海洋研究優先計劃修訂版》中的6個專題中的許多研究重點都與海洋生物地球化學密切相關，如在專題4專海洋在氣候中的作用”將將瞭解氣候變化速率和變化對海洋生物地球化學以及對海洋生態系統的影響”解列為3個研究重點之一。

二十世紀末二十一世紀初是海洋生物地球化學發展基本成熟的時期，全球變化研究極大促進了海洋生物地球化學的發展，1992年Libes的《海洋生物地球化學導論》（2009年第二版）、2003年Black和 Shimmield的《海洋系統的生物地球化學》、2004年宋金明的《中國近海生物地球化學》、2005年英國開放大學研究組編著的《海洋生物地球化學循環》、2008年宋金明等的《中國近海與湖泊碳的生物地球化學》、2009年張經《近海生物地球化學的基本原理》及Song 在2009年出版的《Biogeochemical Processes ofBiogenic Elements in China Marginal Seas》等這些海洋生物地球化學專著的相繼問世，標誌着海洋生物地球化學學科發展進入了一個基本成熟的新階段。

在整個地球系統中，生物地球化學循環實質上佔據並參與了大部分過程，而海洋生物地球化學過程在海洋中成為了控制海洋系統最關鍵的體系。這些可從圖1-19地球系統與生物地球化學過程的關係中明確地看出這一點。應該這樣説是科學探索自然的進步，對過程研究的強烈需求，導致了海洋生物地球化學成為了當今地球科學研究的核心。

要成為一個學科，必須具備自己特定的研究對象、基本理論和研究方法。海洋生物地球化學是通過追蹤化學元素遷移轉化來研究生命與海洋周圍環境關係的科學。海洋生物地球化學所研究的內容包括四個大的方面，即海洋生物地球化學的丰度、物流、耦合與環境。這4個方面從不同角度解析生物與環境的關係，並確定了海洋生物地球化學的方法論 ^[3]  。

生命是無機元素在宇宙特定條件下演化的結果，生命進化長期以來受制於環境，正是地球的物理、化學條件造就了當前生命的形態和組成。許多學者指出了生物和地殼化學元素組成的相似性：即地殼丰度較高的元素大多在生命體中也有較高丰度，併成為生命的必需元素；地殼丰度較低的元素大多在生命體中含量也較低。研究者們將這一丰度上的相似性歸功於生物進化的結果。原始的脊椎動物文昌魚選擇了鐵來構成它血紅蛋白的載氧體系，而它的近親海鞘選擇了釩來運載血氧。由於鐵在原始海水中的丰度遠高於釩，且鐵在血液中的載氧效率也高，文昌魚贏得了進化優勢，最後發展成高等脊椎動物，而海鞘卻進入了進化的死衚衕，至今仍是海鞘。生命與環境在生物地球化學量上的這種制約關係，至今仍是決定生命健康的根本法則。我國有些區域的地方性克山病、大骨節病和甲狀腺腫即是某些化學元素(如硒、碘等)在水土中含量過低造成；當工業污染將許多本來在地球表面含量甚微的元素(如汞、鎘等)帶入環境後，人和環境在化學元素丰度上的平行關係就被破壞，癌症和其它惡病也許會隨之而來。生物地球化學丰度研究的目標是探索生命及其無機環境(即地殼、土壤、海水等)在元素組成上的丰度關係，這種關係可能源自生命進化過程，並決定了當前生命對環境化學狀態的依賴性，具體體現為研究生物過程作用下，化學物質的分佈特徵與儲庫規模。

生物與環境的聯繫是以化學元素在生命-無機環境界面的交換為基礎的。通過化學元素在環境中的不斷流動，新鮮物質和能量輸入生物體，新陳代謝的廢物歸還給環境。追蹤一個或多個化學元素的遷移，會清楚地看到生物與其環境如何組成一個整體，這就是生態系統。有時這種元素的流動會在其末端又與起點連接起來，形成一個生物地球化學循環(biogeochemical cycle)。並不是所有化學元素都會在有意義的時間尺度內實現循環的，因此生物地球化學循環僅是生物地球化學物流的一個特例。近年來，全球氣候變化成為人們關注的中心，人們關心二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)和氧化亞氮(N₂O)等温室氣體的釋放與吸收。由於這幾種主要温室氣體都是碳或氮遷移轉化的中間產物，因而碳和氮的生物地球化學循環也必然成為全球生態環境研究的焦點。具體體現為研究生物過程作用下，化學物質的界面通量、傳遞效率及循環模式。

（3）海洋生物地球化學耦合(biogeochemical coupling)——化學物質與生物羣落的耦合關係

當化學元素在環境或生物體遷移轉化時，它們大多以化合物的形式存在，這注定了化學元素在生態環境中很少單獨作用，它們只有共同作用才對生命體有意義。如碳和氮在所有植物生長中的依存關係與葉綠素生成息息相關；銅在血液中的存在促進機體對鐵的吸收，而鎘和鉛卻拮抗鐵的生物學作用；有機含硫化物在水體的存在會大大限制許多重金屬的運移等等。化學元素與生態環境所呈現的耦合行為對於形成生物與環境的特定關係至關重要，這種耦合行為可由原子結構和化學鍵理論進行預測。通過熱力學、化學反應動力學、絡合物化學及量子化學來研究這種耦合現象，必將是未來生物地球化學的一個重要方面。具體體現為闡明生物過程作用下化學物質遷移轉化與生物種羣的耦合關係。

海洋生物地球化學物流描述元素如何在海洋生態環境系統中遷移轉化，而海洋生物地球化學環境回答是什麼力量導致了元素的運動。在一個特定的時空位置上，任何化學元素都處在物理位移和化學形態轉化的多維動向之中；這些動向受幾種環境因子控制。主要的環境因子包括重力、輻射、温度、濕度、酸鹼度(pH)、氧化還原電位(Eh)及有關化學物質的濃度梯度等。這些環境營力在時間和空間上不斷變化，形成一個動態的相互作用環境，任何一個置身其中的化學元素都將在這種多維相互作用環境的驅動下，或發生物理位移，或發生化學形態轉化。具體體現為揭示生物過程作用下化學物質遷移轉化的驅動力。

上述4個基本組成部分分別描述了海洋生物地球化學學科研究的主要方面：海洋生物地球化學丰度研究生物與環境在長期進化過程中形成的特定丰度關係，這種關係決定了當前生命體的元素化學組成及其對環境化學狀態的依賴性；海洋生物地球化學物流追蹤化學元素在生態系統中的遷移轉化，描述生命和環境如何通過物質及能量交換而形成一個對立統一的整體；海洋生物地球化學耦合研究原子結構或化學鍵如何控制多種元素在生命體的共同存在及相互制約作用，同一化學元素在不同化合狀態下，可能對生命體有不同的意義；海洋生物地球化學相互作用環境是驅動元素在生態系統中遷移轉化的各種環境營力的綜合表達，預測生物地球化學環境的時空變化是預測元素運動的前提條件。簡言之，海洋生物地球化學的丰度、物流、耦合與環境4個方面縱橫交織構成了生物地球化學的學科主題，並演繹出海洋生物地球化學的方法論。

海洋生物地球化學研究具有重大的理論意義和現實意義，表現在以下三個方面 ^[2]  ：

僅以碳為例，碳作為海洋生物地球化學研究的核心元素，因此，碳循環也是海洋生物地球化學過程研究的關鍵之所在，它的特殊關鍵地位在於，第一、海洋碳循環在很大程度上決定了全球氣温乃至全球氣侯的變化趨勢；第二、碳循環是海洋生態系持續、發展的基礎，因此，決定了海洋生態環境變化的走向，從這兩個方面可明確看出海洋碳循環在全球變化研究中作用的極端重要性。海洋碳循環的研究也是圍繞全球氣候與全球生態變化展開的。

全球變化與可持續發展是人類社會在21世紀所面臨的兩個重大議題，在科學層面上表現為全球變化使人類居住的生態環境越來越惡劣，而人類又迫切需要可持續發展這樣的矛盾，是什麼原因導致了這些變化，其機制是什麼？需要從科學上探討原因，為尋找解決的辦法奠定基礎。合理利用資源、保護環境，是實現可持續發展的必然要求，以浪費資源和犧牲環境為代價，發展就不可能持續進行。自然資源不可能取之不盡、用之不竭，而人類社會發展的需求卻不斷增長，如果這兩方面的關係處理不當，必然導致生態環境的惡化，嚴重威脅人類的生存和發展，隨着人類對資源環境利用強度的增加，海洋生態環境已遭到較大的破壞，保護海洋環境，就必須認識瞭解海洋生境自身繁衍的規律，所以，研究海洋生物地球化學過程是其必然要求。

地球科學發展到20世紀後期，進入了研究“地球系統”的新階段，開始從岩石圈、水圈、氣圈和生物圈之間相互作用的高度，重新認識地球系統環境變化。21世紀，海洋科學研究從宏觀和微觀兩個方面向縱深發展，宏觀上將着重圍繞全球和區域尺度的科學問題展開研究，進行系統性建模，並藉助大型計算機進行模擬和預測；微觀上將藉助新型觀測和實驗手段，進行機制方面的研究，揭示一些新的自然現象，海洋作為地球上最大的功能塊，其變化包含了自然變化和人為影響變化，這些都需要從海洋生物地球化學的角度去闡明生物種羣與化學物質的相互關係，從一側面説明，闡明海洋生物地球化學過程可深化對地球系統的深入認識，促進地球科學和海洋科學發展。