亞洲粉塵鐵化學形態(tài)轉(zhuǎn)型驅(qū)動太平洋生態(tài)系統(tǒng)變化
現(xiàn)代觀測表明，亞洲內(nèi)陸大氣粉塵中鐵元素等營養(yǎng)物質(zhì)通過高空西風環(huán)流的傳輸，促進西北太平洋地區(qū)浮游植物的繁盛。然而，地質(zhì)歷史時期的亞洲內(nèi)陸粉塵能否同樣通過“鐵肥料”效應(yīng)強化北太平洋生物固碳作用，并對全球氣候環(huán)境產(chǎn)生重大影響，亟需亞洲內(nèi)陸粉塵長時間尺度記錄的檢驗。
第二次青藏科考“人類活動與生存環(huán)境安全”任務(wù)“粉塵氣溶膠及其氣候環(huán)境效應(yīng)”專題、中國科學院青藏高原研究所新生代環(huán)境團隊昝金波研究員和方小敏研究員，聯(lián)合英國蘭卡斯特大學Barbara A. Maher教授、東京大學Toshitsugu Yamazaki教授、臨沂大學韓文霞教授等專家學者，通過研究亞洲內(nèi)陸粉塵360萬年以來鐵化學形態(tài)組成和含量變化歷史重建，首次揭示出中更新世氣候轉(zhuǎn)型期（1.2-0.7 Ma，MPT）青藏高原冰川剝蝕過程與亞洲粉塵鐵化學形態(tài)以及太平洋生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的機制聯(lián)系，深化了對“鐵假說”碳循環(huán)模型的認識，該研究成果于2023年6月6日發(fā)表在國際知名學術(shù)期刊《美國科學院院刊》(PNAS)上。
亞洲內(nèi)陸的塔里木盆地南緣、西昆侖山北坡沉積有厚達671米的黃土古粉塵序列，研究團隊的已有研究結(jié)果表明，其起始年齡約為360萬年，是亞洲內(nèi)陸厚度最大、沉積速率最高的古粉塵堆積。衛(wèi)星觀測以及地球化學追蹤物質(zhì)來源均證實，塔里木粉塵是北太平洋海洋沉積物鐵等營養(yǎng)元素的主要來源。因此，通過分析西昆侖山黃土細顆粒組分（<5微米）鐵含量和化學價態(tài)，不僅揭示了晚上新世（360萬年）以來亞洲粉塵鐵化學形態(tài)的組成變化，還在構(gòu)造時間尺度上進一步檢驗“亞洲內(nèi)陸粉塵輸入增加—大氣二氧化碳降低—全球氣候變冷”的全球碳循環(huán)“鐵假說”模型。
圖1 塔里木沙塵傳輸至北太平洋的路徑（陰影區(qū)）及西昆侖山黃土巖芯位置（五角星）
研究團隊通過研究西昆侖山黃土古粉塵序列樣品以及小于5微米黃土顆粒組分的鐵氧化物種類和含量，進一步發(fā)現(xiàn)在中更新世轉(zhuǎn)型期（約80萬年）開始，隨著全球變冷以及北半球中高緯地區(qū)山地冰川的急劇增加，青藏高原的冰川侵蝕作用顯著增強，導致塔里木粉塵鐵氧化物突然從赤鐵礦（Fe3+）轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦（Fe2+和Fe3+），同時鐵元素總含量和高生物活性的二價鐵含量急劇增加。計算結(jié)果表明，中更新世氣候轉(zhuǎn)型期以后，亞洲內(nèi)陸干旱區(qū)輸送至北太平洋的鐵元素總含量以及二價鐵通量分別增加了約70%和約120%，極大促進了北太平洋生物物質(zhì)的繁盛，并可能改變了浮游植物種群結(jié)構(gòu)，大量消耗了大氣中二氧化碳，造成全球氣候進一步變冷。
圖2 塔里木沙塵（<5微米）360萬年以來鐵化學形態(tài)組成（A-D）及其與赤道太平洋PC932孔生物記錄的對比（G-L）
80萬年后，隨著輸入太平洋的全鐵和Fe2+增多，PC932孔浮游植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)型，由固碳作用相對較弱的alkenones（顆石藻，鈣質(zhì)）轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼜姷膃pibrassicasterol（硅藻）和dinosterol（鞭毛藻）。
該研究首次提出相較粉塵的通量變化，亞洲沙塵的二價鐵含量對太平洋的浮游植物生長更為關(guān)鍵，同時高原冰川侵蝕過程可能是主控亞洲沙塵鐵化學形態(tài)變化的關(guān)鍵因素。上述發(fā)現(xiàn)為深入理解“亞洲粉塵鐵輸入增加—海洋生物固碳作用增強-大氣CO2降低—全球氣候變冷”這一地球科學領(lǐng)域重要的碳循環(huán)正反饋機制提供了最直接的證據(jù)，并深化了對該機制的認識。
圖3 高原北部冰川侵蝕增強驅(qū)動亞洲沙塵Fe化學組成和太平洋生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型
上述成果以“Mid-Pleistocene links between Asian dust, Tibetan glaciers, and Pacific iron fertilization”為題，以研究論文（Research article）形式發(fā)表。昝金波研究員為論文第一和共同通訊作者，方小敏研究員為策劃和合作者。該研究得到第二次青藏高原綜合科學考察研究（2019QZKK0602）等項目資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2304773120