中国科学家发表IODP 321航次新成果：揭示大陆风化和海洋生物泵对全球气候变化的调节作用

近日，Communications Earth & Environment在线发表了南方科技大学海洋科学与工程系海洋磁学中心团队关于全球变化与海洋碳循环的研究成果："Equatorial Pacific dust fertilization and source weathering influences on Eocene to Miocene global CO₂ decline”。该研究基于国际大洋发现计划（IODP）321航次1333站位的样品，通过海洋磁学等手段，提取了沉积物中陆源风尘输入与生物磁小体之间的响应记录，首次提供了晚始新世到早中新世赤道太平洋存在风尘铁肥效应的关键证据，揭示了大陆风化和海洋生物泵在新时代全球变冷中的重要反馈和调节作用。

大气二氧化碳浓度对“温室效应”加剧起主导作用。CO₂对地球而言是一把双刃剑——如果没有温室气体，地球平均温度将接近零下15摄氏度，直接进入冰雪世界，但过多含量的温室气体，又会给地球裹上一层厚厚的被子，导致全球变暖和海洋酸化。自18世纪中叶工业革命开始，人类使用的化石燃料大量增加，全球CO₂排放量显著增加。这打破了地球系统原有的碳平衡，使地球生态平衡和宜居环境受到严重威胁。在地球气候变化历史过程中，并非只会面临全球变暖挑战。全球变冷极端事件也曾打破地球系统原有气候平衡，使全球降温，进入冰室气候。这一极端事件发生在距今约34个百万年之前，称为始新世－渐新世气候转型（Eocene-Oligocene Transition, EOT）(Coxall, 2007)。伴随全球变冷，南极大陆也第一次出现大规模冰川活动。陆地沉积和海洋记录，特别是全球大洋钻探集成的深海氧同位素（δ¹⁸O）数据都明显记录了这一全球性冷气候事件(Westerhold et al., 2020)。当时地球的构造活动、全球温度和洋流循环都发生了重大重组和变化，最新研究表明大气CO₂含量快速降低可能是造成当时全球变冷的主要因素(Hutchinson et al., 2020)。深入研究海洋碳循环对这一全球气候变化的反馈和调控机制，有助于我们全面理解地球碳循环过程并有效应对气候变化挑战。

东赤道太平洋是地球上典型的高营养盐低叶绿素区域，风尘输入刺激大洋生物泵可以有效促进海洋对大气二氧化碳的固碳作用，在海洋长期碳埋藏过程中发挥着重要作用(Erhardt, 2017)。现代观测和海洋铁施肥实验也证明了铁元素的输入可以有效刺激该区域的初级生产力，通过提高生物泵效率使海洋对大气二氧化碳的吸收增加(Coale K H 1996; Murray & Barber, 1994; Zbignlew S. Kolber, 1994)。但是，科学家对该区域过去的沉积记录进行了研究，没有证据表明东赤道太平洋过去存在铁肥效应，特别是风尘输入对生物生产力的刺激，也无法说明该区域对大气二氧化碳含量变化具有调节作用(Costa et al., 2016; Jacobel et al., 2019; Loveley et al., 2017)。这与现今如此成功的铁肥实验形成了明显冲突(Lyle, 2008)，称为“东赤道太平洋风尘铁肥之争”。

为解决这一科学问题，南方科技大学海洋磁学中心团队从新角度出发，利用磁学手段建立了陆源风尘输入和海洋生物过程中可靠的铁输入与生产力输出指标。对东赤道太平洋始新世晚期至中新世早期沉积物中风尘演化记录和生物磁小体的响应关系进行了详细研究，结果表明：从晚始新世到早中新世，东赤道太平洋的风尘铁肥效应对大气二氧化碳含量具有正反馈调节作用。同时，在构造时间尺度上风尘源区的大陆分化程度加剧也对这一时期大气二氧化碳含量下降产生影响。然而，EOT气候转型时，风尘输入刺激的生物泵效率快速减弱，对EOT时大气CO₂含量的快速下降产生了负反馈效应。这表明东赤道太平洋风尘铁肥效应不仅会吸收大气中的CO₂，而且还会在大气CO₂含量出现急剧变化时产生平衡调节作用。这种不同时间尺度上相互关联且抵消的碳循环过程说明在气候快速变化时，地球系统中与影响碳循环相关因素之间的复杂性。

图1:亚洲内陆古环境演化与源区风化信息。（a）始新世晚期（距今34 Ma）的海陆格局。此时特提斯海分裂为南北分支的新特提斯海和副特提斯海，塔里木盆地尚未形成，青藏高原北部尚非主要的风尘源区。红色箭头指示板块运动方向（b）风尘物质携带的源区风化信息，通过Al-CN-K (Al₂O₃ - CaO*+Na₂O - K₂O)投影图和CIA范围表示。红色圆点和淡黄色区域代表大陆上地壳（UCC）和亚洲黄土（Asian Loess）的CIA范围。绿色和淡红色分别代表始新世－渐新世转换前（Pre-EOT）和后（Post-EOT）的CIA分布范围。