长久以来，学界普遍认为海洋痕量金属的分布主要受“自上而下”的过程控制，但近日，由北京大学地球与空间科学学院助理教授杜江辉领衔，与美国、瑞士的合作伙伴共同完成的一项研究，颠覆了这一传统认知，发现了“自下而上”的元素循环新机制，相关成果论文发表于《自然》。此研究革新了学界对痕量金属海洋循环方式的理解，在多层面具有重要意义。
传统认知与矛盾
论文第一作者和共同通讯作者杜江辉介绍，海洋中的痕量金属指每1千克海水中总量低于1微克的金属元素，如铁、镍、铜、稀土元素等，它们虽含量少，却在维持海洋生态系统运转、解读海洋和地球系统演化历史以及支撑低碳经济转型等方面扮演关键角色。在“自上而下”的传统模型中，海洋元素主要源于表层的河流和风尘输入，有机质等生物颗粒像“快递员”，将吸附金属自上而下运输到深海并释放。然而，越来越多证据表明，这种解释与许多金属元素在深海的分布规律存在矛盾。
新机制的研究过程
为破解传统认知无法解释深海金属元素分布的问题，研究团队综合海水与沉积物的观测，并结合元素在水柱与沉积物中的循环模拟，在已有观测数据基础上，重新评估不同颗粒对金属元素的吸附能力。通过在太平洋深海系统采集并分析水柱 - 沉积物界面的海水、孔隙水和沉积物样品，基于先进模拟系统，建立金属元素的早期成岩模型，定量刻画出海底元素通量。随后，进一步构建一个三维的海水元素循环模型，量化水柱颗粒清扫与海底通量对海水中金属元素分布的影响，通过观测与模型深度融合，系统解析金属元素从海洋表层到海底的完整循环过程。
取得三项关键认识
研究取得三项关键认识。首先，发现锰氧化物在深海颗粒吸附中起主导作用，尽管其在深海颗粒物总量中占比不足1%，却贡献了50%以上的稀土元素吸附量，颠覆了生物源颗粒主导水柱清扫过程的传统认知。其次，揭示深海中活跃的海底通量机制，孔隙水的地球化学分析和模拟表明，深海沉积物通过氧化性成岩作用向上覆水体释放金属元素，该过程受有机质分解驱动，孔隙水的酸碱度值降低、有机配体含量增加，促使锰氧化物释放其吸附的金属。最后，研究提出“自下而上”的元素循环新框架，其模型显示，传统的可逆清扫机制实际造成海水溶解金属的净损失，必须依靠海底通量来维持深海金属元素质量平衡，钕同位素分析进一步表明，约10%至30%的通量来自沉积物中火山硅酸盐物质的风化，揭示出一种此前被忽视的全新物质来源。
新发现的重要意义
杜江辉指出，这项研究发现海洋元素循环中缺失的关键拼图。在理论层面，提出水体颗粒吸附与沉积释放耦合的元素循环新模型，为解释铜、镍等海洋痕量金属的分布提供了统一框架。在资源层面，阐明深海稀土富集机制，指出水体过程而非沉积后改造是控制海底金属矿藏形成的主因。在地球系统科学层面，突出洋中脊热液来源锰氧化物在海洋元素循环中的核心角色，并揭示海底硅酸盐风化的潜在碳汇效应，从地球系统科学维度为未来研究提供新视角、指明新方向。
