河口与近岸海域通常具有较高的初级生产力,在海洋碳循环中扮演关键角色。硅藻作为最主要的初级生产者,贡献大约一半的初级生产力和高达40%的碳输出,硅的循环由此对海洋生态系统和碳循环至关重要。近几十年来,近岸海域硅循环受到人为活动的严重干扰,DSi浓度的大幅下降使某些海域的浮游植物生长受到硅的限制,导致生态系统结构发生显著的改变,因此,揭示近岸海域硅循环对人为活动引起的环境变化如何响应成为海洋生态系统研究的热点问题。然而,近岸海域硅动态具有巨大的时空变异性、调控机理复杂,是一个未解的科学难题,使得准确预测人为扰动和全球变暖下硅循环的变化趋势难以实现。在海洋环境中,硅藻在吸收溶解态硅酸盐（DSi）形成其硅质外壳（生源硅,BSi）的过程中优先吸收较轻的硅同位素产生硅同位素分馏,而在随后的溶解中可能会优先释放较轻的硅同位素。在沉积物中,自生粘土矿物形成的过程中也会产生硅同位素分馏。因此,硅稳定同位素（δ30Si）是在不同时空尺度下示踪硅的来源及其生物地球化学过程的有力工具。本论文通过河口和近岸海域不同系统中硅稳定同位素组成（包括DSi的δ30Si（δ30SiDSi）和BSi的δ30Si（δ30SiBSi））的分布特征,结合培养实验和多种模型计算,探讨硅及其稳定同位素的生物地球化学行为以及控制机制,以实现1)通过比较不同系统的硅循环特点,揭示近岸海域硅循环的特征;2)了解硅循环对人为扰动及全球变暖的响应,以便更好地预测未来硅动态的变化趋势。首先,河口作为陆地-海洋的连接,对于河流向海洋输送的硅通量以及近岸海域的硅藻生产力尤为重要。本研究调查了位于不同气候带的世界三大河口:亚马逊河口、长江口和珠江口的δ30SiDSi分布。在长江口和珠江口中,δ30SiDSi仅受物理混合的控制;而在亚马逊河口观测到硅藻生长导致δ30SiDSi的显著增加,硅同位素分馏的富集因子为-1.0±0.4 ‰（瑞利模型）或-1.6±0.4 ‰（稳态模型）,据此估算出亚马逊河口对δ30SiDSi入海信号的改变高达+0.7-0.8 ‰。河水端δ30SiDSi在长江口（+1.8±0.2‰）比在亚马逊河口（+1.2±0.2‰）和珠江口（+1.4±0.2‰）偏重,可能由于长江流域受风化、生物利用和人为活动的综合影响导致更强的分馏。此外结合前人工作,我们对长江口硅同位素行为的季节性变化进行进一步讨论,认为其主要受控于温度、光照水平以及水体停留时间。根据亚马逊河口获得的分馏富集因子,我们估计δ30SiDSi的全球平均入海通量在河口的作用下升高至少+0.2-0.3 ‰。因此,为了更好地了解大型河口在海洋硅循环中的作用,需要考虑河口混合过程中河流硅同位素组成的改变,以及每个河口硅同位素的季节性变化。其次,通常认为沿岸上升流系统具有高的硅藻生产力和硅质泵效率,然而研究发现在不同沿岸上升流系统中,真光层内BSi的生产和溶解比值（D:P）具有较大差异（0.1～1）,意味着不同的上升流系统中硅质泵效率不尽相同。本研究通过2012年8月海南岛东部沿岸上升流系统中δ30SiDSi和δ30SiBSi的分布特征,对该系统的硅质泵效率进行探讨。通过两端元混合模型和同位素分馏模型计算出实际分馏值与若无溶解影响时的理论分馏值（即D:P=0,净分馏30εnet=-1.1±0.4 ‰）之间的差异,定义为Δδ30SiDSi*,由于BSi D:P的增加会减小硅藻生长期间的净分馏,Δδ30SiDSi*越负表征BSiD:P越大,即硅质泵效率越低。结果表明近岸上升流区域的硅质泵效率较高,而离岸上升流边缘的硅质泵效率较低。由于离岸上升流边缘水体停留时间相比近岸上涌水体较长,我们假设不同的硅质泵效率是由于随着上升流环流体系硅藻在不同区域处于不同的生长阶段导致。为验证此假设,本研究通过一系列培养实验,包括在富营养的亚热带海湾五缘湾中进行的中尺度围隔培养实验和在南海珠江口进行的甲板培养实验,对硅藻生长过程中硅藻生产与溶解的平衡及其对硅同位素分馏效应的影响进行探讨。据观测,硅藻生长期间δ30SiDSi随着DSi的消耗逐渐变重,所有培养中的净分馏（-0.33±0.06、-0.33±0.04、-0.39±0.11 和-0.77±0.34 ‰）均低于硅藻生产的分馏-1.1±0.4‰,反映出硅藻溶解及该过程的同位素分馏。假设培养实验中BSi D:P比值随着DSi的消耗不断增加,通过基于不断变化的30εnet建立的新分馏模型模拟δ30SiDSi的变化,该模型结果与所有培养中的δ30SiDSi观测值一致,证实硅藻生长过程中BSiD:P比值随着硅藻的生长和DSi的消耗逐渐增加,表明在硅藻不同生长阶段硅质泵效率发生改变。最后,近几十年来,人为干扰对近岸海域的硅循环产生显著影响,进而影响初级生产力和营养盐向开阔大洋输出的效率,因此了解人为活动引起的环境变化如何影响近岸海域硅循环至关重要。本研究于2016年3月首次调查了高度富营养化的波罗的海中DSi和δ30SiDSi的分布,发现在物理混合和春季硅藻不同生长阶段的影响下,混合层的δ30SiDSi值从西部较浅的海峡（～+2.2 ‰）到东部较深的海盆（～+1.4 ‰）逐渐变轻。在中央海盆观测到罕见的δ30SiDSi垂直分布特征:深层水的δ30SiDSi（+1.57至+1.95 ‰）比表层水（+1.24至+1.68 ‰）更重。为探究这一罕见分布背后的机制,我们通过双箱模型对波罗的海DSi浓度和δ30SiDSi值的变化进行模拟,探讨工业化时期不同人为干扰和环境变化（包括筑坝、富营养化和层化加强）对硅动态的影响。模型结果表明,虽然筑坝使δ30SiDSi值变高,但δ30SiDSi的罕见垂直分布特征主要归因于富营养化驱动下强烈的硅的内部循环。大量的硅藻生产及输出从表层水向深水输送大量高度分馏的硅,随后沉降的硅藻在沉积物水界面的循环使硅不断溶解在间隙水中并重新释放回深水,而自生粘土矿物形成使间隙水中的硅产生分馏携带较重的δ30SiDSi信号,进而使深层水的δ30SiDSi重于表层水。本研究聚焦硅循环对环境变化的响应,为预测未来人为扰动及全球变暖下近岸海域硅循环的变化提供了重要依据。综上所述,硅及其稳定同位素的生物地球化学行为呈现较大的空间变异性,在一定程度上反映出不同区域硅质泵效率的变化,这与营养盐供给、水体停留时间、沉积物-水界面过程及硅藻生长阶段等诸多因素有关。本论文表明探究河口在海洋硅循环中的作用时,需考虑河口混合过程对河流硅同位素组成的改变,以及每个河口硅同位素动态的季节性变化。此外,本论文为硅循环对环境变化的响应提供了确凿的证据,对预测近岸海域人为扰动下硅动态的变化提供了重要依据。然而,本论文同时揭露硅质泵效率具有较大的时空变异性,因此仍需要进一步对不同区域的硅循环特征进行系统性研究,才能全面了解硅在生物泵中所起的作用及其与碳的耦合,准确预测人为干扰和全球变暖背景下河口和近岸海域硅循环的变化趋势。