海洋所揭示第四紀赤道西太平洋鐵施肥過程、機制與碳循環(huán)效應
近日,中國科學院海洋研究所徐兆凱團隊在國際期刊Global and Planetary Change發(fā)表了題為“Insights into Quaternary iron fertilization dynamics in the western equatorial Pacific: Proxy archives offshore of northern Papua New Guinea”的研究論文。該研究基于多學科交叉和多圈層耦合,重建了第四紀軌道時間尺度上赤道西太平洋的鐵施肥演化歷史,揭示了春季當?shù)靥栞椛淞繗q差周期對上述過程的重要調控作用,并闡明了該鐵施肥的海洋生物碳泵效應。
海洋生物碳泵,主要包括有機碳泵和碳酸鹽泵,在海洋生物地球化學與全球碳循環(huán)中發(fā)揮著關鍵作用。它可以通過向深海區(qū)輸送大量的顆粒有機碳和顆粒無機碳,來影響海水-大氣間的溫室氣體二氧化碳交換乃至全球變化。其中,赤道太平洋是研究地球氣候系統(tǒng)動力學的關鍵海區(qū),此處的營養(yǎng)物質(如鐵、氮與磷)多寡直接制約著海洋生物碳泵效率。從現(xiàn)代過程來看,巴布亞新幾內亞北部大河(如塞皮克河)流域的降水、剝蝕與風化作用非常強烈,其輸沙量名列世界前茅,是赤道西太平洋海表最重要的陸地營養(yǎng)物質來源,尤其是在炎熱多雨的拉尼娜事件中;同時,該海域溫躍層的變深則不利于海洋深部營養(yǎng)物質的向上涌升,即兩者對研究區(qū)海表生物碳泵效率的影響截然不同。然而,目前尚未開展過針對第四紀軌道時間尺度上該鐵施肥過程、機制和碳循環(huán)效應的系統(tǒng)研究。
研究團隊利用國家重點基礎研究發(fā)展計劃在巴布亞新幾內亞北部大陸坡上獲取的KX12-1孔巖心沉積物(圖1),基于已有的高質量年齡框架,通過多組分的高時間分辨率元素-同位素組成記錄,并結合針對其中典型指標的相關性與時間序列分析結果,全面地分析了過去27.5萬年中巴布亞新幾內亞北部的地表剝蝕和風化作用及其產物入海以及赤道西太平洋的海表生物生產力、生源物質向下輸送與底層水氧化-還原條件的演化歷史和變化周期,進而揭示了上述陸源鐵施肥過程對氣候變化的響應和對大氣二氧化碳濃度的影響機制。

圖1?KX12-1孔地理位置及其周邊陸地和洋流分布情況
物源分析結果表明,所研究的富鐵碎屑沉積物主要來自巴布亞新幾內亞北部河流(圖2),而穩(wěn)定的物質來源則為更進一步的古氣候環(huán)境研究工作奠定了堅實的基礎。此外,巴布亞新幾內亞北部大陸坡上富鐵沉積物的源-匯過程及其影響下的海表生物碳泵與海底沉積環(huán)境記錄都呈現(xiàn)出顯著的歲差周期(即2.3萬年)旋回特征,并和5oS地區(qū)1-3月太陽輻射量的變化同步,從而指示著赤道氣候(即太陽輻射)對當?shù)亟邓c洋流系統(tǒng)的直接影響。在太陽輻射量高的階段(即類拉尼娜條件下),巴布亞新幾內亞北部的地表降水量和剝蝕作用增強,促進了陸源營養(yǎng)物質(如鐵)和淡水的向海輸送,并刺激了赤道西太平洋的垂向分層、鐵施肥效應、海表硅質與鈣質生物生產力水平以及海底顆粒有機碳和無機碳的埋藏通量,還抑制了該海域深部溶解無機碳的向上輸送,從而使研究區(qū)成為重要的大氣二氧化碳匯(圖3)。
而從模型模擬結果來看,未來拉尼娜事件的發(fā)生概率可能會進一步上升。在此背景下,巴布亞新幾內亞北部地表的剝蝕作用以及赤道西太平洋的鐵施肥效應也會相應增強,進而吸收更多的溫室氣體二氧化碳,從而有效緩解人類活動所引起的全球變暖系列危機。上述研究成果為深入理解地質歷史時期赤道西太平洋地區(qū)的生物地球化學循環(huán)過程及其碳循環(huán)效應奠定了理論基礎,并為科學預測和應對未來全球變暖趨勢下極端氣候事件對地表水土保持和海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響提供了新視角。

圖2?基于鍶-釹同位素組成的KX12-1孔碎屑沉積物來源示蹤

圖3?第四紀極端氣候條件下赤道西太平洋鐵施肥過程、機制與碳循環(huán)效應
論文第一作者為中國科學院海洋研究所徐兆凱研究員,通訊作者為中國科學院海洋研究所徐兆凱研究員、韓國海洋科學技術院Lim Dhongil研究員和自然資源部第一海洋研究所李鐵剛研究員,主要合作者包括中國科學院海洋研究所萬世明研究員和范慶超博士生、同濟大學黨皓文教授、法國巴黎-薩克雷大學Colin Christophe教授和中山大學吳家望副教授。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項等的聯(lián)合資助。
論文信息:
Xu, Z.K.*, Fan, Q.C., Dang, H.W., Wan, S.M., Colin, C., Wu, J.W., Lim, D.I.*, Li, T.G.* (2025). Insights into Quaternary iron fertilization dynamics in the western equatorial Pacific: Proxy archives offshore of northern Papua New Guinea.Global and Planetary Change, 253: 104952.
https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2025.104952.
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