海洋作为地球上最大的水体系统，其成分和质量的变化直接影响着全球生态和气候系统的稳定。微量金属元素虽在海洋中含量极低，但它们在海洋生命活动和地球化学循环中扮演着至关重要的角色。近期的研究揭示，尤其是深海海底，它并非传统观念中的惰性区，而是在全球海洋微量金属循环中发挥着主导作用。过去海洋微量金属循环多被归因于水柱内的可逆性吸附过程，即随着颗粒物的沉降与再释放来调控水体中微量金属的浓度，但最新研究挑战了这一单一视角，强调了沉积物与水体边界的交换过程对元素分布的决定性影响。深海海底在氧化环境下的地球化学转化过程不仅能再生沉积的金属元素，还能通过复杂的沉积物/水体界面过程，为上层水体注入新的微量金属源，这一“自下而上”的调控机制极大地丰富了对海洋生物地球化学循环的理解。稀土元素（REE）及其同位素，尤其是钕（Nd）的行为，被广泛用作追踪海洋物理与生物地球化学过程的重要示踪剂。
钕的相对较短海洋停留时间和敏感的同位素信号，使其可用来揭示海洋内部的水体交流和边界源贡献。传统观点认为 Nd 主要源自水表层，随着水体循环进行保守混合，然而大量观测数据显示，深海钕的浓度及同位素组成受到深海海底沉积物强烈影响，展现出非保守行为。科学家利用大量水柱、沉积物和孔隙水数据，结合追踪 Nd 及其同位素的三维海洋模型，揭示沉积物内钕的释放机制，即以氧化锰（MnO2）和氧化铁为主体的自生矿物在深海氧化二次矿化过程中，通过吸附-解吸作用和海水分散作用将金属元素从沉积物再释放回深海水体。这一过程形成了稳定的 benthic flux（底层通量），在海洋盆地越深、水柱越厚的区域，该通量作用更显著。这是因深水域海床面积占比大，且底部强烈的潮汐与地形相互作用产生了底层强化混合，促进微量元素沿垂直方向的扩散，使得 sediment-water exchange（沉积物-水体交换）产生的影响覆盖更广水体范围。具体来说，MnO2作为微量金属重要的颗粒载体，其在深海水柱中虽含量少于有机颗粒，但在吸附钕等稀土元素方面的亲和力远超有机物，导致 Nd 和其他金属主要被 MnO2吸附并随其沉降至海底。
沉积物中相似的矿物相也负责保存这些元素，保证了元素从水柱到沉积物的稳定转移。此外，研究发现，沉积物内部的硅酸盐风化反应，尤其是海洋内源性的硅酸盐风化，能够为深海水体供应“新”源的微量金属，与“再循环”的水柱吸附金属形成互补。这种新源带来的同位素特征与底水明显不同，揭示出局部地质活跃区域——如环太平洋火山弧区域沉积物中硅酸盐的风化作用是深海钕同位素非保守性的根本原因。水柱中 Nd 同位素随深水年龄的变化，反映了深海环流路径和水底与沉积物长期接触的累积效应，进一步彰显 benthic flux 在塑造深海生物地球化学特征中的关键作用。相较于其它海洋示踪剂如碳同位素δ13C主要受到上层生物泵和有机质再生的“自上而下”过程控制，Nd等稀土同位素的循环过程更依赖于深水混合作用和海底边界的“自下而上”源输入，凸显不同示踪剂对海洋过程的差异性反映。海底地形和水动力学的复杂性进一步强化了这种影响。
深海海底多为起伏不平的地貌，如海脊、断层和海盆边缘，这些地形组织增强了内部涡动和潮汐引发的混合，形成底层强化的对流，使反应性的沉积物产物能够更快地进入水柱，进而影响整个水体的微量金属浓度分布。其实验模拟结果显示，若忽视沉积物对 Nd 等元素的贡献，传统的可逆吸附模型难以准确解释深海各层的 Nd 分布和同位素组成，只有引入沉积物源才能重现实际观测的浓度及同位素梯度。现有数据还表明，不同微量金属元素对沉积物中各种载体的亲和力存在显著差异。以钕为代表的稀土元素更偏好于氧化锰矿物，而如镉（Cd）等则更多与有机质结合，这意味着不同元素在海洋的生物地球化学循环路径和调控机制有所差异。认识这种颗粒类型的选择性吸附，有助于更好地理解微量金属的全球分布及其对生物生产和气候反馈的潜在影响。深海海底的活跃作用还为全球碳循环提供了新的视角。
海洋硅酸盐风化不仅影响了微量金属元素的供应，也可能通过碳酸盐沉积过程调节海洋的碳固定和释放，进而对大气 CO2 浓度产生反馈作用。此外，深海多样的微生物群落在微量元素转化和矿物形成中起着潜在催化作用，影响沉积物中金属的形态及其向水体的释放效率。实地采样与现代分析技术，如多集束质谱和高通量地球化学测量，促进了对深海生物地球化学过程的探索。综合观测与数值模型模拟相结合，正逐步揭示深海海底微量金属的复杂循环规律和过程动力学。对未来海洋科学而言，深入研究深海氧化条件下的沉积物作用及其与水柱物理环境互动意义重大，不仅为基础科学提供理论支撑，也为预测海洋生态系统响应全球气候变化能力提供重要参考。总之，深海海底是全球海洋微量金属循环的关键驱动力，其复杂的氧化再生机制和沉积物边界交换过程决定了海洋中许多重要元素的分布与演化。
传统以水柱为主导的循环理论需要与深海生物地球化学新发现相结合，构建全新的底层驱动和顶层控制共同作用的综合循环框架。通过多学科交叉，涵盖海洋化学、沉积学、物理海洋学及环境科学，未来研究将不断深化对海洋元素循环的理解，拓展对海洋系统和全球气候演变的认识。
