《Nature》文章: 深海沙床在微量金属生物地球化循环中的主要作用
研究背景
传统TEI循环模型普遍采用“可逆吸附”假设，认为TEIs沿水深梯度由生源颗粒吸附、沉降并部分释放，是表层控制型的“top-down”系统。然而，本文通过精细化观测与模拟揭示，Mn氧化物虽然在水体中含量极低，却主导了Nd等TEIs的吸附过程，且沉积物中通过氧化条件下的成岩反应释放稀土元素形成向水体的弥散通量（benthic flux）。这一机制不仅重构了水柱中Nd浓度与同位素比值（εNd）的垂向分布，也挑战了Nd作为“保守示踪剂”的传统认知，凸显了深海沙床在微量元素地球化学循环中的关键角色。
研究方法
实地采样与分析：
研究团队在中央太平洋三个代表性深海站点（Station 3、4、5）开展同步采样工作，涵盖水体、沉积物及孔隙水。采用CTD剖面仪获取水柱样本，多核采样器（MC800）获取沉积物，Rhizon采样器用于收集孔隙水，并同步测量溶解氧、pH、溶解有机碳（DOC）与营养盐（NO₃⁻、NO₂⁻）等参数。Nd浓度与同位素样本分别来源于不同剖面的组合，确保代表性。
元素分析与Nd同位素测定：
水体与孔隙水中稀土元素浓度分别于Oregon State University与ETH Zurich独立测定，采用Elemental Scientific seaFAST-pico系统进行富集，结合高分辨率质谱仪进行分析。Nd同位素（εNd）采用Nobias Chelate-PA1离子交换树脂萃取，结合热电离质谱（TIMS）获得高精度比值。
数值模拟与反应-迁移模型构建：
构建三维Nd循环模型，采用OCIM2-48L海洋反演矩阵（Ocean Circulation Inverse Model），具备48层高垂直分辨率和2°水平分辨率，并集成底部混合参数化方案，模拟深海湍流及其对TEI的传输影响。MnO₂的空间分布并非人为赋值，而通过训练神经网络（基于GEOTRACES数据库）预测得到。此外，还构建反应-迁移模型以模拟氧化条件下孔隙水中Nd的解吸机制，并与观测通量数据交叉验证，实现对Nd浓度和εNd垂向分布的准确再现。
研究结果
深海颗粒特性及其对稀土元素吸附贡献：锰氧化物虽微量却主导Nd的去除
研究发现，尽管MnO₂颗粒在水体中的绝对浓度极低（<1%），但其在微量金属循环中发挥着关键角色。图a展示了太平洋水体中不同类型颗粒浓度随深度的变化，图b进一步揭示了各类颗粒的质量组成，显示CaCO₃、POM 和Opal等生源颗粒在上层占据主导，而MnO₂和Fe(OH)₃的比重随深度升高显著增加。最关键的是图c指出，在5000米以下的深层水中，尽管MnO₂极为稀少，却贡献了超过一半的Nd吸附量，其贡献远超Fe(OH)₃与POM。这一结果强调了传统“可逆吸附”模型所忽视的氧化物颗粒，尤其是MnO₂，在控制深海TEI分布中的决定性作用。
沉积物-孔隙水体系展现氧化成岩过程及其控制的REE释放机制
研究发现，在太平洋中心3个站位（Station 3-5）获取的水体、沉积物和孔隙水数据显示，研究区处于典型的氧化环境，表征为孔隙水中高O₂、NO₃⁻浓度（图e-f）和有机碳（POC）含量稳定偏低（图c-d）。图g清晰显示，孔隙水的Nd同位素组成（εNd）与底层海水相近，暗示出一个再循环主导的弥散通量。图h-j进一步展示了Nd与Lu浓度以及HREE/LREE比值的剖面，其中孔隙水Nd浓度高于海水，且重稀土富集层出现在沉积物/水界面附近。这些证据共同揭示，有机质矿化过程降低孔隙水pH并释放有机配体，诱发Mn/Fe氧化物中稀土元素的解吸，从而形成向上弥散的底源输入。
模拟揭示Mn氧化物与深海弥散通量共同驱动Nd的垂直分布模式
研究发现，通过3D水柱模型模拟可知，仅考虑生源颗粒POM的“可逆吸附模型”无法再现实测Nd浓度随深度线性上升的观测事实（图a，蓝线）。模型引入MnO₂颗粒后（橙线）有所改善，但唯有加入弥散通量（绿色线）才能精准再现观测剖面。这一弥散通量来源于沉积物孔隙水，模拟值与实测结果高度一致（图e，黑点）。图c-d进一步基于GEOTRACES与神经网络推算了MnO₂在全球太平洋的空间分布，为模拟吸附机制提供支撑。图f则量化了海底面积/水体体积比随深度急剧上升，解释了为何尽管单位面积弥散通量较小，但在深海区域对单位水体的影响极为显著。
εNd 的空间变异揭示新源弥散通量塑造深海Nd同位素结构
研究发现，太平洋深海中εNd值与水体循环年龄之间的正相关关系（图a）无法通过水团混合解释，反映出非保守行为。模型敏感性分析表明，若将10-30%的“新源”通量（来自海底硅酸盐风化）加入弥散源项，方可重建Nd在深海中的放射性富集（图a-c）。图b中实测的自生沉积物εNd值明显高于其覆盖海水，亦支持“新源”存在。该新源具有显著不同的放射性特征（εNd ≈ +10），表明其非来自当地水体，而极可能源于环太平洋火山碎屑物质的成岩风化作用。这一过程有效地将局部地质背景嵌入了海洋大尺度Nd循环模型之中。
自下而上的金属循环机制重塑传统可逆吸附框架
研究发现，通过对比Nd（图a）与δ¹³C（图b）这两个典型示踪指标的变化趋势，研究揭示出截然不同的控制机制：δ¹³C主要反映上层水体的有机碳再矿化（top-down），而Nd则受控于深海沉积物主导的弥散输入（bottom-up）。图c构建了一个整合性的生地化循环框架，将生源颗粒沉降与氧化物吸附—解吸过程串联起来，强调微量金属循环由“表层沉降→沉积物吸附→成岩再释放→水体再分布”四阶段耦合构成。图d进一步比较了多种金属元素在Mn氧化物富集沉积物与有机质富集沉积物中的富集因子，发现如Cu、Ni、Co、Zn等元素也高度亲和Mn氧化物，暗示本研究提出的机制具有普遍适用性。
结果
该研究构建了一个融合“top-down”生源颗粒下沉与“bottom-up”沉积物弥散输入的微量金属双向循环框架，揭示深海沙床在全球TEI循环中扮演的主导角色。研究显示，即便MnO₂在颗粒物中含量极低，其对Nd的吸附与控制作用却不可忽视，深海氧化成岩过程显著增强了弥散通量，并驱动了水体中Nd浓度与同位素的空间演化。结合海底地形驱动的底部混合增强效应，深海不仅是TEI的汇，也是活跃的源。该研究挑战了Nd作为保守水团示踪剂的传统应用假设，为全球海洋金属循环建模与古海洋演化研究提供了理论支持与模型基础。
来源：Nature