奥陶纪-志留纪过渡期（OST）经历了显生宙规模第二大的生物灭绝事件。尽管已有大量研究对该时期的物种衰退进行了系统记录与研究，但关于同期海洋初级生产力变化的研究仍主要停留在定性层面，而初级生产力作为调节古生态系统结构与演化的重要因素，其动态演变亟需定量揭示。本研究旨在评估氮同位素（δ¹⁵N_bulk）作为OST期间海洋寡营养化背景下初级生产力代用指标的适用性。我们综合分析了华南地区L203井钻孔岩心的δ¹⁵N_bulk数据，并汇总全球17个不同纬度剖面的文献资料（图1），并用Knies方程（Knies, J., et al., 2008）独立估算相应时期的初级生产力。
    研究结果显示，OST期间δ¹⁵N_bulk值与初级生产力之间存在显著负相关关系。需要注意的是，OST时期存在以固氮作用为主导与以反硝化作用为主导的两种截然不同的氮循环模式（图2），尽管这两种机制都表明氮同位素与初级生产力之间存在负相关关系，但所涉及的氮同位素范围却有所不同。（1）在以固氮作用为主的氮循环中（δ¹⁵N_bulk= -2‰ - +1‰），大气中的N₂（δ¹⁵N=0）通过溶解作用发生+1‰的分馏进入海洋。然后通过固氮作用形成NH⁴⁺，同位素分馏导致δ¹⁵N值介于-2‰至+1‰之间（Han, E., et al., 2025）。δ¹⁵N_bulk值的下降表明固氮作用的增强，虽然部分铵/硝酸盐可能被同化吸收，但整体环境仍为寡氮营养盐的。而固氮作用的增强意味着同时存在的固氮生物增多，固氮浮游蓝藻如Synechococcus和Prochlorococcus在新元古代出现(Sánchez-Baracaldo et al., 2014），因此固氮生物可能是OST时期的主要生产者。同时，固氮生物作为唯一能将N₂转化为生物可用氮的生物，可以通过调控海洋氮营养盐的含量从而控制整个初级生产者群落的规模。所以，当δ¹⁵N_bulk下降时，初级生产力增加；反之，δ¹⁵N_bulk值增高，则意味着氮供应减少，浮游植物竞争加剧，生产力下降（图2a）。（2）在以硝酸盐的同化吸收和反硝化为主的氮循环中，反硝化作用优先消耗¹⁴N，使剩余硝酸盐δ¹⁵N升高，这一同位素特征由同化生物记录并保存在沉积物中。当NO₃⁻下沉至缺氧区（如硫化楔）时(Li et al., 2021），会通过反硝化作用被还原为N₂。因此在此模式下，若海洋缺氧区进一步扩张，则反硝化作用会更加强烈，δ¹⁵N_bulk会越大。研究表明，缺氧的加剧会压缩浮游生物的生存空间，导致初级生产力下降。需注意，不同氮循环机制下δ¹⁵N_bulk虽与初级生产力均呈负相关关系，但其指示环境不一致，因此不能直接将不同机制下的δ¹⁵N_bulk用于跨机制的生产力比较。此外，基于δ¹⁵N_bulk演化特征，我们进一步揭示了华南地区两套关键页岩地层，五峰组与龙马溪组，在有机质富集机制上的差异：五峰组主要受高生产力驱动，而龙马溪组则以厌氧环境下的保存效应为主控因素。本研究为δ¹⁵N在古海洋初级生产力重建中的应用提供了理论依据与实践范式，并为理解OST期间生态系统重构机制及页岩油气形成潜力提供了新视角。
 

海洋初级生产力,奥陶纪-志留纪过渡期,氮同位素,华南地区