微量金属元素在海洋生态系统中扮演着不可或缺的角色。它们不仅是海洋生物生长所需的营养元素，还作为研究海洋循环、海洋地球化学以及气候变化过程的重要示踪剂。长期以来，科学界对海洋中微量金属循环的认识主要基于水柱中的生物活动和颗粒逆转吸附过程，形成了“自上而下”的循环模型。然而，最新的研究发现，深海底质不仅仅是被动的沉积环境，而是一个动态活跃、驱动微量金属循环的关键“底向上”系统，对理解海洋微量金属分布具有重要意义。深海底质由广袤的氧化性沉积物构成，覆盖了地球海洋表面约四分之一的面积。它长期以来被科学界所忽视，但却展现出独特的地球化学活性。
矿物介质如锰氧化物和铁氧化物在这里得以有效沉积和转化，成为海水中微量金属元素的主要“载体”。这些氧化物不仅能够强烈吸附和固定如稀土元素、铜、镍、铅等关键微量金属，还通过沉积、溶解、重结晶等过程，实现从水柱向沉积物的迁移及逆向释放。通过对中太平洋深海底质的水体、沉积物及孔隙水的综合观测，科学家揭示了锰氧化物对微量金属尤其是钕元素的巨大亲和力。钕元素的科研价值如其短至数百年的水体滞留时间，使其成为追踪大洋环流和颗粒循环过程的理想标记。研究表明，尽管锰氧化物在水中颗粒质量份额不足1%，但却贡献了高达90%的钕元素吸附量，显示其在海洋微量金属循环中的主导地位。来自沉积物的钕释放过程被发现与氧化性二次矿物的发育密切关联。
海底的氧化性二次矿物质经历复杂的地球化学变化，包括与有机物反应导致孔隙水pH的降低，从而引发微量元素的脱附和再释放。模型结果进一步表明，相较于传统依赖有机颗粒矿化产物的循环路径，钕及类似元素在深海水柱中展现出更为显著的沉积物源输入。这种沉积物与水体间的界面交换过程称为边界交换，是解释微量金属分布新框架的重要组成部分。传统“逆转吸附”模型往往假定颗粒吸附微量元素后会在水柱中解吸释放，使得深层水体金属浓度随深度逐渐增加。然而针对钕和稀土元素的新型3D海洋模型模拟发现，当锰氧化物的吸附作用占主导时，颗粒逆转吸附成为净吸收过程，需要底部的沉积物释放作为水体中浓度增加的源头。地形复杂的海底环境通过增强的底层湍流混合，扩大了沉积起源的微量元素向海水的扩散影响范围。
海底地形引发的内波与潮汐相互作用生成强烈的混合动力，不仅增强了深海底部的物质交换，还对全洋盆的环流和物质传输过程产生深远影响。沉积物释放的微量金属与氧化还原状态密切相关，特别是在氧化性条件下，锰氧化物会作为有效的吸附剂捕获周围水体中的微量金属，随后通过复杂的生物地球化学过程实现再循环。此一过程不仅涵盖传统认为的大陆架边缘，更广泛发生于海洋深处大片的氧化性沉积区，扩展了边界交换理论的适用范围。海底风化现象尤其是硅酸盐矿物的海洋底部风化，进一步提供了“新鲜”的微量金属输入来源。钕同位素系统显示，深海水体的钕同位素组成受到底层风化产物的显著影响，打破了以往钕同位素作为保守水团示踪剂的固有假设。数据和模型显示，风化产生的同位素信号随水团老化而累积，使得同一水体的钕同位素组成会随其在海洋中的停留时间发生非保守性变化。
该发现为重构古海洋环流和环境变化提供了更精准的同位素校正基础。海底微量金属循环的新框架强调了“自下而上”的控制机制，与“自上而下”的传统模式形成互补。在海洋生态系统中，有机颗粒的生产、沉降与矿化主导表层水体的多种微量元素循环，例如营养盐型元素的回收重生多发生于浅层。而金属元素如钕、锰、铁等对锰氧化物等二次矿物具有更强吸附能力，因此主要由深海氧化性沉积物控制其循环和水体浓度。这种区分揭示了不同元素循环的空间及过程异质性。该框架进一步指出，微量金属的亲和力及其对不同类型颗粒的偏好决定了元素在海洋中的分布模式。
铁、锰等氧化物作为关键载体，不仅影响微量金属的地球化学命运，还因其对深海生态环境的稳定性发挥核心作用。此外，沉积物释放对微量金属的持续贡献对于全球碳循环及气候调节具有深远影响。海洋硅酸盐矿物的底层风化过程不只局限于陆地，其碳酸盐矿物的生成速率及伴随的二氧化碳捕获能力可能与陆地风化持平，成为全球气候系统中尚未充分认识的重要碳汇。现代海洋模型应将沉积物地球化学反应与底层混合过程充分融入，以更全面捕捉微量金属循环的复杂性及其对气候系统反馈的潜在影响。未来科学研究应加强深海底质的高分辨率观测与实验室模拟，深化对微量元素与矿物颗粒相互作用机理的认识。尤其需关注海底风化反应速率、沉积物结构与生物活动对微量金属释放的控制，以及水体对这些释放物的响应和转化过程。
同时深化数值模型开发，增强对微量金属运移、同位素变化与海洋环流耦合的真实模拟能力。通过跨学科合作结合地球化学、海洋学、微生物学与气候科学，为揭示海洋深层元素循环的动力学机制开辟新视野。综上所述，深海底质作为海洋微量金属循环的重要驱动力，挑战了传统的海洋化学观念，推动了海洋生物地球化学研究的范式转变。它不仅深刻影响海洋元素分布与同位素组合，还牵涉全球气候调节与生态系统稳定。理解和量化深海底质的作用对于预测未来海洋环境变化和评估人类活动对海洋化学的影响具有重要现实意义。
