近日，国际地学期刊《Paleoceanography and Paleoclimatology》在线发表了我室博士生蔡雯沁（导师：黄恩清教授）与合作者的最新研究成果，题为“Giant diatom blooms in the tropical western Pacific during the late glacial–early Holocene possibly driven by subsurface nitrate utilization”。该研究提供了有机氮同位素等关键证据，有助于揭开寡营养海区大规模硅藻勃发的营养盐来源之谜。
全球沉积物调查数据表明，在热带太平洋、印度洋和大西洋等全球海域，存在大规模由单个硅藻属种Ethmodiscus rex构成的藻席沉积，其中仅热带西太平洋分布面积就超过三百万平方公里（图1）。E. rex是已知体型最大的硅藻，体长可达3毫米，具备在水层中大范围垂直迁移能力。一般认为，硅藻主要在富营养盐水体中勃发。令人讶异的是， E. rex勃发往往多见于现今海表叶绿素浓度极低、营养盐非常贫乏的大洋荒漠区（图1）。这些海区远离大陆河流和海洋锋面，也没有持续的上升流。因此，E. rex如何在寡营养海区获得充足的营养物质并实现巨量勃发，至今仍是一个谜。
图1. 全球海洋 E. rex硅藻席沉积分布图。底图为1998—2010年海表叶绿素浓度的年平均值，绿点为本研究站位，红点为其他E. rex沉积站位。
该研究选取多个西太平洋深海沉积岩芯，结合放射性碳测年和碳、氮同位素分析等方法，探讨巨型硅藻勃发的营养来源及其形成机制。结果表明，研究区富含 E. rex 的硅藻软泥主要形成于距今约2万至8千年前，即末次冰期晚期至早全新世期间，并伴随区域初级生产力的显著提高。硅藻软泥层中的有机质氮同位素明显低于下部深海黏土层，也区别于周边海区沉积记录(图2)。基于同位素平衡模型估算，推测巨型硅藻生长所需的氮营养盐可能主要来自海洋次表层硝酸盐，而并非来自表层海水。
进一步，该研究提出巨型硅藻勃发的机制：首先，罗斯贝波、内波等上层海洋动力过程，可以间歇性地抬升营养跃层，将次表层营养盐输送至巨型硅藻能够到达和利用的深度；生活在真光层底部的E. rex汲取这些营养盐并储存在细胞内的大液泡中，然后上浮至真光层上部实现高效率的光合作用和增殖；由于勃发迅速，硅藻快速消耗掉表层海水里的溶解无机碳，导致产生的有机碳碳同位素显著正偏移；最后，当勃发所需的营养盐耗尽，硅藻壳体死亡并沉降，在大洋海床上形成了具有纹层结构的藻席沉积。在整个勃发过程中，表层大洋始终保持在寡营养盐的环境。
该假说与现代海洋生态调查中发现的E. rex勃发机制几乎一致。但需要进一步回答的是，为何E. rex的成规模勃发出现在冰期至早全新世，而在中晚全新世几乎没有发生？这个问题涉及到海洋生物地球化学要素循环(包括硝酸盐和硅酸盐)以及高低纬上层海水输送模式变迁等重要过程，是未来需要继续深入追踪的方向。值得一提的是，“大洋荒漠区”占据超过全球一半的大洋面积，但由于沉积速率低、钙质生物壳体无法保存等问题，长久以来是古海洋学研究的空白区域。硅藻席沉积提供了一种重要的记录载体，可以揭示这些区域的环境演变历史。
图2. GT01岩芯氮同位素及其与区域已有记录的对比。黄色区域表示富含 E. rex的硅藻软泥层。
论文第一作者为我室博士生蔡雯沁，通讯作者为我室黄恩清教授，合作者包括我室田军教授、中国科学院深海科学与工程研究所彭晓彤研究员和柳双权副研究员。该研究受国家重点研发计划、国家自然科学基金以及上海基础研究特区计划共同资助。
全文链接：https://doi.org/10.1029/2025PA005236