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海洋生物泵是海洋调节大气二氧化碳(CO2)的主要途径之一，可分为硅酸盐泵和碳酸盐泵两大类型。硅藻吸收海水硅酸盐(Si(OH)4)形成生源硅(BSi)壳体，同时将溶解无机碳(DIC)合成为有机碳并打包在BSi颗粒中输送至深层海洋，构成了硅酸盐泵;而在碳酸盐泵过程中，颗石藻等钙化生物吸收海水钙离子(Ca2+)和DIC形成碳酸钙(CaCO3)沉淀，同时释放CO2，生成的CaCO3颗粒也会沉降至深海并携带有机碳。此外，陆地岩石风化吸收大气CO2并释放Ca2+和Si(OH)4，经河流输送至海洋参与生物固碳后，形成的CaCO3和BSi颗粒协同有机碳向下沉降并最终埋藏至沉积物中。因此，硅和钙的生物地球化学循环在海洋碳循环中扮演着相当重要的角色;硅、钙、碳三者间的联系和作用最终影响大气CO2含量及全球气候。
陆架边缘海是海-陆-气相互作用最强烈的区域，具有高度的时空变异性，各生源要素的循环过程极其复杂。本论文即以南海这一世界第二大陆架边缘海为研究区域，通过测定硅稳定同位素组成和高精度Ca2+浓度，探讨其间硅和钙的生物地球化学行为及各自的控制机制，并评估和比较两者在南海碳循环中的作用;结合碳酸盐系统相关参数，本论文也首次涉及南海近岸酸化问题，分析北部陆架区域文石饱和度（Ωarag）的分布特征，揭示其对河流冲淡水和沿岸上升流相关过程的响应。
随着多接收器电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)分析技术的发展和完善，近十年来硅稳定同位素已逐步应用至海洋硅元素生物地球化学循环的研究之中。本研究即首次测定了南海北部海水和硅藻的硅稳定同位素组成，以检验边缘海系统不同物理和生物、化学条件下Si(OH)4的来源和生物利用过程。在2009年7月至8月（夏季）和2010年1月（冬季）的两个航次中采集南海北部陆架至海盆区域东南亚时间序列站（SEATS站）海水Si(OH)4和悬浮颗粒物BSi的硅稳定同位素数据(分别表示为δ30SiSi(OH)4和δ30SiBSi）。结果表明，表层水δ30SiSi(OH)4值由内陆架～+2.3‰逐渐递增至深水海盆～+2.8‰，指示了由富营养至寡营养区域的转变过程中硅的生物分馏效应逐渐增强。南海北部陆架和陆坡区域真光层内(＜100m)δ30SiBSi均显著低于相应δ30SiSi(OH)4，与硅藻吸收Si(OH)4时优先吸收轻同位素的分馏机制一致;而深水海盆SEATS站两个季节混合层内(＜50m)的δ30SiBSi在误差范围内均与δ30SiSi(OH)4一致，50m以深水体中δ30SiBSi却显著高于相应δ30SiSi(OH)4。现场数据和模式计算（瑞利或稳态分馏模式）的对比表明，南海北部不同区域的Si(OH)4来源不尽相同，从而硅稳定同位素的组成各异。内陆架低盐表层水因珠江冲淡水持续输入高浓度Si(OH)4造成生物利用率相对较低，较弱的生物分馏效应使得δ30SiSi(OH)4偏低;外陆架和陆坡区域真光层内Si(OH)4的主要来源是其下低δ30SiSi(OH)4深层水的涌升或垂直混合，在此基础上的生物分馏造成δ30SiBSi低于相应δ30SiSi(OH)4;而深水海盆混合层内的Si(OH)4可能源自本已高度分馏(低Si(OH)4、高δδ30SiSi(OH)4)水团的水平输入。其后，充分的生物利用将高δ30SiSi(OH)4信号完全转化至δ30SiBSi，从而造成两者相等。因此，南海北部硅稳定同位素组成和变化主要由不同水团的物理混合和不同程度的生物分馏共同控制，在诸如南海北部的复杂动态的陆架边缘海系统中区分两者效应尤为重要。
Ca2+在海洋中的分布呈现微小但却是系统的变化，往往与CaCO3沉淀和溶解过程相关，从而可直接指示海洋CaCO3生产和溶解通量。本研究于2007年9月和2008年9月分别采集了南海和西菲律宾海（代表西北太平洋水体，并通过吕宋海峡进入南海）的高精度海水Ca2+数据。虽然南海Ca2+分布主要受控于物理混合过程，其次表层水(200-800m)相对于西菲律宾海存在13±5μmolkg-1的超额Ca2+，指示了过饱和水体中的原位CaCO3溶解，其溶解速率约为0.5mmolm-2d-1。这一溶解通量超出南海海盆整个水柱CaCO3溶解通量的一半，因同时释放总碱度(TAlk)而能促进浅层水体吸收CO2。该部分超额Ca2+应能通过南海次表层水向西菲律宾海输出，其通量约为(0.8±0.3)×1012molyr-1，可能是西北太平洋Ca2+的一个重要来源。该研究结果首次表明，除底栖过程外，发生在陆架边缘海深水海盆的浅层CaCO3溶解亦可增加开阔大洋上层水体中的Ca2+和TAlk累积，从而能最终提升海洋对日益增长的人为CO2的缓冲能力。另一方面，相对于南大洋的来源水团，南海1000m以深水体中源于CaCO3溶解添加的Ca2+为51±8μmolkg-1;这一过程同时贡献了南海深层水中～22％的DIC增加，其余～78％则由有机碳分解所贡献。需要指出的是，南海过饱和水体中的CaCO3溶解可能受微生物氧化有机碳过程的调控，但这一海洋无机碳代谢与有机碳代谢间潜在的耦合效应仍有待深入研究。
夏季西南季风盛行期间，南海北部陆架由于复杂的地形而在近岸区域布有上升流;同时，源于珠江的强烈淡水羽流也能延伸至中陆架区域。本研究于2008年6月至7月采集了高空间分辨率的碳酸盐系统数据，以分析夏季珠江冲淡水和沿岸上升流对南海北部陆架DIC和TAlk分布、变化的控制，同时首次报道南海北部陆架CaCO3饱和度现状。结果表明，自珠江口流至南海北部中陆架的珠江冲淡水呈现低DIC、低TAlk和高Ωarag;与之相反，沿岸上升流水体占据的南海北部陆架近岸区域则呈现高DIC、高TAlk和低Ωarag。虽然碳酸盐系统的分布和变化主要受控于珠江冲淡水、远岸表层水和远岸次表层水之间的物理混合，珠江冲淡水和沿岸上升流提供的营养盐也促使生物消耗DIC并在两者运动过程中逐步提高Ωarag。检验TAlk和DIC之间的化学剂量关系可以发现南海北部陆架的DIC去除完全缘于有机碳生产而非生物钙化作用;再结合三端元混合模型可有效定量物理混合主控下生物活动改变的DIC，从而估算出珠江冲淡水和沿岸上升流的净群落生产力分别为36±19mmolCm-2d-1和23±26mmolCm-2d-1。而南海北部陆架整个水柱的Ωarag值均大于1.0，且同时响应两个过程中生物调控的DIC变化，暗示了该区域碳酸盐系统的分布和变化仍主要受控于自然因素如河流冲淡水和沿岸上升流中的相关过程，人为活动的影响如海洋酸化效应在目前尚未显现。
综上所述，南海北部硅和钙的生物地球化学行为均呈现强烈的空间变异性，指示了其间不同区域硅酸盐泵和碳酸盐泵的运作效率不尽相同。近岸浅海区域δ30SiBSi和δ30SiSi(OH)4之间存在显著分馏而Ca2+和TAlk呈现保守性，应主要由硅酸盐泵实施固碳，且夏季珠江冲淡水和沿岸上升流均可提供丰富的营养盐供给硅藻生长从而进一步提高生物生产力;深海海盆区域两种碳泵过程可能均未高效运作，SEATS站δ30SiSi(OH)4分布和变化几乎完全由物理过程控制而生物利用Si(OH)4极其有限，且该站位浅层水体中即发生显著的CaCO3溶解（简称为浅层CaCO3溶解），减少无机形式碳输出的同时也抑制了其对有机碳的压载效应。而后续研究表明，南海北部海盆的碳源汇格局应最终由源于西北太平洋的DIC输入及其相对于同时输入的营养盐的消耗所控制，呈现大洋主控型边缘海的特征。