更新时间：2023-12-17 16:05
海洋生物地球化学是研究生物过程作用下，海洋及邻近环境中生源要素或生物有关化学物质的分布、迁移、转化、富集、分散的规律以及海洋生态系统对这些化学物质变化的反馈机制，侧重对碳、氮、磷、硅、氧、硫等生源要素的研究。
海洋生物地球化学是研究生物过程作用下，海洋及邻近环境中生源要素或生物有关化学物质的分布、迁移、转化、富集、分散的规律以及海洋生态系统对这些化学物质变化的反馈机制，侧重对碳、氮、磷、硅、氧、硫等生源要素的研究。
从海洋生物地球化学(Marine Biogeochemistry)这个词很容易看出这是一个复合词，是一个多学科交叉的综合产物。有关它的发展历程，则应该首先从生物地球化学的产生谈起。
有关生物地球化学产生的时间，众说纷纭，很难确定。一般认为，生物地球化学这个词最早正式提出是在1939年，前苏联著名的地球化学家维尔纳斯基(V.I.Vernadsky)院士首次创立并发表了系列论文，而后在1943年，由哈钦森(G.E.Hutchinson)引入到英文中，他对生物地球化学的发展做出了重大贡献。这方面的早期研究主要涉及生物体对微量元素的富集，研究生物体与环境中的元素比。这是生物地球化学作为独立研究领域发展的第一个阶段。
实际上，有关生物地球化学的研究远不止始于二十世纪的三十年代，应该说很早以前，许多科学家就注意到了生物过程在元素地球化学循环中的作用，在这里值得一提的是英国牛津的地质学家多布尼(C. G. B. Daubeny, 1795-1867)，在170年前，他先做化学教授，而后又做了植物学教授，对火山喷发、大气CO2水平对石炭纪植物的影响以及臭氧产生的机制进行过卓有成效的研究，这是典型的生物地球化学综合研究，看来，个人多学科的知识是生物地球化学产生的基础之一是不容置疑的。
在二十世纪七十年代，生物地球化学研究出现了一些重要的进展，是生物地球化学研究发展的第二个阶段，其标志是环境生物地球化学的研究取得了长足进步，这期间国际上召开了几次生物地球化学或与之相关的国际会议，如水地球化学与生物地球化学会议(1972)、第四届国际环境生物地球化学会议(1979)等，都出版了会议论文集。这个时期还发表了大量的学术论文及几部有影响的专著，如克伦宾(Krumbein, W. E)的三卷本《环境生物地球化学与地质微生物学》(1978)，尼雷古(Nriagu.S.O.)二卷本《环境生物地球化学》(1976)，扎基克(Zajic, J. E.)的《微生物的生物地球化学》(1969)，克伦宾(Krumbein, W. E.)《微生物地球化学》(1983)等，这些专著对环境生物地球化学及微生物地球化学进行了系统的阐述，总结了生物地球化学研究领域自二十世纪三十年代创立以来四十年的研究成果，并为以后的系统打下了基础。
二十世纪末二十一世纪初，生物地球化学在迅速发展的基础上，又有了长足发展，1989年，德国著名生物地球化学家Degens的专著《生物地球化学展望》出版，Butcher等在1992年出版了《全球生物地球化学循环》、Dobrovolsky在1994年《世界土地的生物地球化学》、Fenchel在1998年出版了《细菌生物地球化学》、韩兴国等在1999年出版了《生物地球化学概论》、周启星与黄国宏在2001年编著了《环境生物地球化学及全球环境变化》、Bashkin与 Howarth在2002年出版了《现代生物地球化学》，这些著作系统总结了全球生物地球化学20世纪后30-40年来的发展成果，为第三阶段海洋生物地球化学的发展奠定了基础。
当今的生物地球化学研究具有以下三个显著特点：（1）多层次的时空布局。在研究生物圈及大气间的交换时，不论实验测定还是数学模拟均有空间尺度不匹配的问题。因此要针对不同空间尺度作多层次的布置：实验通常分单叶片过程测定、单枝叉测定、地面采样箱、铁塔涡流相关(微气象法)、系留气球、高空气球、航测和卫星遥测。模拟时也相应由微宇宙、样方推广至区域乃至全球。在过程动态研究中，时间尺度可由昼夜、季节、年延伸至世纪乃至地质年代。（2）涉及多个生态类型。与20世纪80年代以前的循环研究相比，当前全球物质循环分为寒带、中纬度、热带、海洋及极地五个区域来进行研究，同一区内不同生态系统的元素循环在实验站点上进行，而不同生态系统间的过渡则在设置的过渡样带来进行。（3）与气候变化和全球生态环境变化及反馈密切相关。国际生物圈和地圈计划中，物质循环研究不仅研究人为活动造成的通量变化，而且研究气候变化对元素循环的反馈。
如果说环境生物地球化学是生物地球化学发展的第二个阶段，那么二十世纪八十年代中期至今的海洋生物地球化学显然是生物地球化学发展的第三个阶段。
二十世纪八十年代以来，国际大型研究计划的兴起导致了生物地球化学成为了科学家们注重的焦点，其代表是1983年提出，1991年正式开始实施的国际地圈生物圈计划(IGBP)，侧重研究物质的生物地球化学循环，其目标是阐述和了解控制地球系统及其演化的相互作用的物理、化学和生物过程，以及人类活动在其中所起的作用，核心目标是为定量评估整个地球的生物地球化学循环和预报全球变化建立科学基础，目前已实施的IGBP中的核心计划，如IGAC、JGOFS、PAGES、GCTE、BAHC、LOICZ、GAIM 、GLOBEC和GEOTRACES中大部分与海洋有关或整个核心计划都集中于生源要素的海洋生物地球化学过程研究，可以说是全球变化研究导致了近年来海洋生物地球化学的迅猛发展。
国际科学理事会与海洋研究科学委员会2016年发布的《海洋的未来：关于G7国家所关注的海洋研究问题的非政府科学见解》中的8大科学问题大多与海洋生物地球化学有关。美国国家科学技术委员会2013年发布的《海洋研究优先计划修订版》中的6个专题中的许多研究重点都与海洋生物地球化学密切相关，如在专题4专海洋在气候中的作用”将将了解气候变化速率和变化对海洋生物地球化学以及对海洋生态系统的影响”解列为3个研究重点之一。
二十世纪末二十一世纪初是海洋生物地球化学发展基本成熟的时期，全球变化研究极大促进了海洋生物地球化学的发展，1992年Libes的《海洋生物地球化学导论》（2009年第二版）、2003年Black和 Shimmield的《海洋系统的生物地球化学》、2004年宋金明的《中国近海生物地球化学》、2005年英国开放大学研究组编著的《海洋生物地球化学循环》、2008年宋金明等的《中国近海与湖泊碳的生物地球化学》、2009年张经《近海生物地球化学的基本原理》及Song 在2009年出版的《Biogeochemical Processes ofBiogenic Elements in China Marginal Seas》等这些海洋生物地球化学专著的相继问世，标志着海洋生物地球化学学科发展进入了一个基本成熟的新阶段。
在整个地球系统中，生物地球化学循环实质上占据并参与了大部分过程，而海洋生物地球化学过程在海洋中成为了控制海洋系统最关键的体系。这些可从图1-19地球系统与生物地球化学过程的关系中明确地看出这一点。应该这样说是科学探索自然的进步，对过程研究的强烈需求，导致了海洋生物地球化学成为了当今地球科学研究的核心。
要成为一个学科，必须具备自己特定的研究对象、基本理论和研究方法。海洋生物地球化学是通过追踪化学元素迁移转化来研究生命与海洋周围环境关系的科学。海洋生物地球化学所研究的内容包括四个大的方面，即海洋生物地球化学的丰度、物流、耦合与环境。这4个方面从不同角度解析生物与环境的关系，并确定了海洋生物地球化学的方法论。
（1）海洋生物地球化学丰度(biogeochemical abundance)——分布与储库
生命是无机元素在宇宙特定条件下演化的结果，生命进化长期以来受制于环境，正是地球的物理、化学条件造就了当前生命的形态和组成。许多学者指出了生物和地壳化学元素组成的相似性：即地壳丰度较高的元素大多在生命体中也有较高丰度，并成为生命的必需元素；地壳丰度较低的元素大多在生命体中含量也较低。研究者们将这一丰度上的相似性归功于生物进化的结果。原始的脊椎动物文昌鱼选择了铁来构成它血红蛋白的载氧体系，而它的近亲海鞘选择了钒来运载血氧。由于铁在原始海水中的丰度远高于钒，且铁在血液中的载氧效率也高，文昌鱼赢得了进化优势，最后发展成高等脊椎动物，而海鞘却进入了进化的死胡同，至今仍是海鞘。生命与环境在生物地球化学量上的这种制约关系，至今仍是决定生命健康的根本法则。我国有些区域的地方性克山病、大骨节病和甲状腺肿即是某些化学元素(如硒、碘等)在水土中含量过低造成；当工业污染将许多本来在地球表面含量甚微的元素(如汞、镉等)带入环境后，人和环境在化学元素丰度上的平行关系就被破坏，癌症和其它恶病也许会随之而来。生物地球化学丰度研究的目标是探索生命及其无机环境(即地壳、土壤、海水等)在元素组成上的丰度关系，这种关系可能源自生命进化过程，并决定了当前生命对环境化学状态的依赖性，具体体现为研究生物过程作用下，化学物质的分布特征与储库规模。
（2）海洋生物地球化学物流(biogeochemical flow) ——通量、传递效率与模式
生物与环境的联系是以化学元素在生命-无机环境界面的交换为基础的。通过化学元素在环境中的不断流动，新鲜物质和能量输入生物体，新陈代谢的废物归还给环境。追踪一个或多个化学元素的迁移，会清楚地看到生物与其环境如何组成一个整体，这就是生态系统。有时这种元素的流动会在其末端又与起点连接起来，形成一个生物地球化学循环(biogeochemical cycle)。并不是所有化学元素都会在有意义的时间尺度内实现循环的，因此生物地球化学循环仅是生物地球化学物流的一个特例。近年来，全球气候变化成为人们关注的中心，人们关心二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)等温室气体的释放与吸收。由于这几种主要温室气体都是碳或氮迁移转化的中间产物，因而碳和氮的生物地球化学循环也必然成为全球生态环境研究的焦点。具体体现为研究生物过程作用下，化学物质的界面通量、传递效率及循环模式。
（3）海洋生物地球化学耦合(biogeochemical coupling)——化学物质与生物群落的耦合关系
当化学元素在环境或生物体迁移转化时，它们大多以化合物的形式存在，这注定了化学元素在生态环境中很少单独作用，它们只有共同作用才对生命体有意义。如碳和氮在所有植物生长中的依存关系与叶绿素生成息息相关；铜在血液中的存在促进机体对铁的吸收，而镉和铅却拮抗铁的生物学作用；有机含硫化物在水体的存在会大大限制许多重金属的运移等等。化学元素与生态环境所呈现的耦合行为对于形成生物与环境的特定关系至关重要，这种耦合行为可由原子结构和化学键理论进行预测。通过热力学、化学反应动力学、络合物化学及量子化学来研究这种耦合现象，必将是未来生物地球化学的一个重要方面。具体体现为阐明生物过程作用下化学物质迁移转化与生物种群的耦合关系。
（4）海洋生物地球化学环境(biogeochemicalfield) ——化学物质迁移转化的驱动力
海洋生物地球化学物流描述元素如何在海洋生态环境系统中迁移转化，而海洋生物地球化学环境回答是什么力量导致了元素的运动。在一个特定的时空位置上，任何化学元素都处在物理位移和化学形态转化的多维动向之中；这些动向受几种环境因子控制。主要的环境因子包括重力、辐射、温度、湿度、酸碱度(pH)、氧化还原电位(Eh)及有关化学物质的浓度梯度等。这些环境营力在时间和空间上不断变化，形成一个动态的相互作用环境，任何一个置身其中的化学元素都将在这种多维相互作用环境的驱动下，或发生物理位移，或发生化学形态转化。具体体现为揭示生物过程作用下化学物质迁移转化的驱动力。
上述4个基本组成部分分别描述了海洋生物地球化学学科研究的主要方面：海洋生物地球化学丰度研究生物与环境在长期进化过程中形成的特定丰度关系，这种关系决定了当前生命体的元素化学组成及其对环境化学状态的依赖性；海洋生物地球化学物流追踪化学元素在生态系统中的迁移转化，描述生命和环境如何通过物质及能量交换而形成一个对立统一的整体；海洋生物地球化学耦合研究原子结构或化学键如何控制多种元素在生命体的共同存在及相互制约作用，同一化学元素在不同化合状态下，可能对生命体有不同的意义；海洋生物地球化学相互作用环境是驱动元素在生态系统中迁移转化的各种环境营力的综合表达，预测生物地球化学环境的时空变化是预测元素运动的前提条件。简言之，海洋生物地球化学的丰度、物流、耦合与环境4个方面纵横交织构成了生物地球化学的学科主题，并演绎出海洋生物地球化学的方法论。
海洋生物地球化学研究具有重大的理论意义和现实意义，表现在以下三个方面：
(1) 是揭示全球气候变化与全球生态环境变化机制的基础
仅以碳为例，碳作为海洋生物地球化学研究的核心元素，因此，碳循环也是海洋生物地球化学过程研究的关键之所在，它的特殊关键地位在于，第一、海洋碳循环在很大程度上决定了全球气温乃至全球气侯的变化趋势；第二、碳循环是海洋生态系持续、发展的基础，因此，决定了海洋生态环境变化的走向，从这两个方面可明确看出海洋碳循环在全球变化研究中作用的极端重要性。海洋碳循环的研究也是围绕全球气候与全球生态变化展开的。
（2） 是人类社会实现可持续发展的必然要求
全球变化与可持续发展是人类社会在21世纪所面临的两个重大议题，在科学层面上表现为全球变化使人类居住的生态环境越来越恶劣，而人类又迫切需要可持续发展这样的矛盾，是什么原因导致了这些变化，其机制是什么？需要从科学上探讨原因，为寻找解决的办法奠定基础。合理利用资源、保护环境，是实现可持续发展的必然要求，以浪费资源和牺牲环境为代价，发展就不可能持续进行。自然资源不可能取之不尽、用之不竭，而人类社会发展的需求却不断增长，如果这两方面的关系处理不当，必然导致生态环境的恶化，严重威胁人类的生存和发展，随着人类对资源环境利用强度的增加，海洋生态环境已遭到较大的破坏，保护海洋环境，就必须认识了解海洋生境自身繁衍的规律，所以，研究海洋生物地球化学过程是其必然要求。
（3）可深化对地球系统的深入认识，促进地球科学和海洋科学发展
地球科学发展到20世纪后期，进入了研究“地球系统”的新阶段，开始从岩石圈、水圈、气圈和生物圈之间相互作用的高度，重新认识地球系统环境变化。21世纪，海洋科学研究从宏观和微观两个方面向纵深发展，宏观上将着重围绕全球和区域尺度的科学问题展开研究，进行系统性建模，并借助大型计算机进行模拟和预测；微观上将借助新型观测和实验手段，进行机制方面的研究，揭示一些新的自然现象，海洋作为地球上最大的功能块，其变化包含了自然变化和人为影响变化，这些都需要从海洋生物地球化学的角度去阐明生物种群与化学物质的相互关系，从一侧面说明，阐明海洋生物地球化学过程可深化对地球系统的深入认识，促进地球科学和海洋科学发展。