机器人浮标揭示出空气中有多少灰尘在给南大洋施肥

南大洋是对地球气候至关重要的区域，这里生长着大量浮游植物，它们是南极食物网的基础。近日发表于《自然》的一项研究表明，被风吹来的灰尘提供了足够的铁，足以支持南大洋三分之一的浮游植物生长。了解这一点将有助于我们了解全球变暖将如何影响浮游植物所参与的关键气候过程。

南大洋浮游植物NASA卫星图 Credit：NASA Suomi NPP satellite

南大洋充当着气候变化“减震器”的角色。其寒冷的水域和广阔的面积每年捕获人类产生的二氧化碳(CO₂)占到海洋吸收二氧化碳的40%。

人类产生的二氧化碳主要在海洋表面溶解后进入海洋。然而，将大量二氧化碳从海洋表面转移到深海的生物过程在海洋的自然碳循环中起着至关重要的作用。

南大洋的这些过程即使发生微小的变化，也可能削弱或加强气候减震器。这就是浮游植物发挥关键作用的地方。浮游植物，它们微小但强大。

像陆地上的植物一样，浮游植物通过光合作用将二氧化碳转化为生物量。当浮游植物死亡时，它们会沉入深海。这将有效地将碳封存数十年，甚至几百年。这被称为生物碳泵，将有助于调节地球的气候。

浮游植物需要养分和光照才能繁盛。硝酸盐形式的氮是这些必需营养素之一，在南大洋中含量丰富。在春夏季的水华期，浮游植物大量消耗硝酸盐。这为科学家们提供了一个独特的机会——通过测量硝酸盐的季节性消耗量，可以计算出浮游植物的生长及其生物量中固存的碳。

但是，一种必需的营养物质——铁，在南大洋供应短缺，这就阻碍了浮游植物的生长，降低了生物碳泵的效率。

在这里凸显了灰尘的使命。铁通常存在于土壤中。风把富含铁的尘土从大陆带到海洋。这种由灰尘产生的铁的供应可以使浮游植物大量繁殖，加强碳泵。

从研究历史上看，为了研究铁肥对浮游植物的影响，无论铁是来自灰尘、其他自然来源，还是人为添加，科学家们不得不进行昂贵的研究航行，前往遥远的南大洋。然而，这些实验的见解仅限于特定季节的小区域和短时期内。人们对整个南大洋全年的灰尘对浮游植物的影响知之甚少。

为了解决这一问题，该研究使用了海洋机器人追踪灰尘的踪迹。在过去的十年里，研究机构已经在世界各地部署了一批海洋机器人浮标。这些机器人不知疲倦地追踪海洋特性，包括硝酸盐浓度。

在本研究中，研究人员分析了南大洋13600个地点的硝酸盐测量结果，据此计算了浮游植物的生长状况，并将这些生长估计与灰尘沉积的计算机模型结合起来。

通过这种新方法，研究发现了灰尘中铁的供应与浮游植物生长之间的直接联系。重要的是，研究还发现，这些灰尘与浮游植物的生长相吻合，实际上通过提供铁元素为浮游植物提供营养元素。

研究人员利用这种关系建立了南大洋过去、现在和未来的生产力地图。这些地图表明，如今南大洋中大约三分之一的浮游植物生长都由灰尘支持。

在冰河时期，干燥的环境、较低的海平面和强风的结合意味着南大洋上的灰尘沉积比现在多40倍。研究人员将最后一个冰河时期的灰尘模拟应用于新发现的关系，并估计浮游植物的生长在这些灰尘较多的时期是如今的两倍。

因此，通过促进浮游植物的生长，灰尘可能在冰河时期保持较低的大气二氧化碳浓度方面发挥了重要作用。

为什么这很重要?

全球变暖和土地利用变化可能会迅速改变未来向海洋的灰尘输送。这些变化将对海洋生态系统和渔业产生重要影响，该项研究可帮助预测这些变化。

为了将全球变暖控制在1.5摄氏度以下，必须找到安全有效的方法来主动去除大气中的二氧化碳。一项被提出但有争议的策略是用铁给南大洋施肥。研究表明，这样的策略可以提高南大洋中灰尘最少的区域的生产力，但这种干预的生态后果及其在捕获碳方面的长期有效性仍然存在不确定性。

通过研究过去大自然是如何做到这一点的，如冰河时期减少二氧化碳的自然过程，可以更多地了解给海洋施肥以缓解气候变化的可能结果和实用性。

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编译 | Sara
编辑 | LYJ
排版 | Sara

参考资料略