冰期低纬度海洋铁-氮耦合作用促进大气CO2吸收的新机制

科技工作者之家 2020-05-20

来源:中国科学地球科学


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Nature Communications发表了题为“Marine nitrogen fixers mediate a low latitude pathway for atmospheric CO2 drawdown”的研究论文,利用全球海洋生物地球化学模型进行了数千年尺度的模拟研究,探索了冰期热带海域铁施肥、固氮作用和大气CO2水平下降之间的定量关系,揭示了热带海域冰期由于铁刺激了氮的利用,从而使海水固定碳能力的增加和大气二氧化碳的降低。中国科学院海洋研究所宋金明研究员在《中国科学:地球科学》发表点评文章,介绍了这一研究成果。

1. 海水中铁与碳的关系

大量研究证实铁可明显提升高纬度大洋海域的碳固定水平,因此,现代海洋中的铁-碳耦合机制研究较多,但铁-氮-碳耦合研究并不多见。明确现代海洋关键过程,解析过去海洋变化,对预测未来海洋变化意义重大.


高纬度海区

十几年前,研究表明大气CO2水平在冰期比间冰期低80~100ppm,这其中有30ppm的差异是由海洋生物过程作用造成的,且人们对造成这种差异的海洋生物过程机制提出的假设是由于在冰期多风尘的气候条件下,以南大洋和亚北极太平洋为代表的高纬度海区得到了充分的铁,从而促进了海洋生物生产及生物泵对碳的输送。这个假设是基于在现代海洋观测中发现,高纬度海区浮游植物由于铁限制无法消耗大量可利用的营养物质,使得深水混入表层时产生了CO2从海洋向大气中释放。然而,最近几年聚焦于高纬度海区的许多研究表明,即使在相关海域进行有效的铁施肥来刺激生物泵,大气CO2水平也仅能够最多下降10ppm,那么剩下约20ppm的差异肯定由其他不同的生物学过程机制产生。

低纬度海区

在探索新的生物机制时,低纬度的热带海洋应该同样得到重视。热带海洋表层水中存在未消耗的磷酸盐,表明生物固碳不充分;而热带海洋生物产生的有机质含有更高的C/P比值,且热带海洋内部广泛存在低氧区,有利于碳往深层海洋输送。因此,如果热带海洋表层磷酸盐得到更充分的利用,将会是吸收大气CO2的有效途径。然而,上升流区的铁限制和热带海洋的氮限制制约了表层磷酸盐的利用率。20世纪90年代末曾提出过风尘对海洋的铁输入刺激固氮作用,提高磷酸盐利用效率,缓解海洋中的营养盐限制,促进海洋吸收CO2的机制。尽管这一机制在现代海洋中得到许多证据的支持,但在历史时期其对大气CO2水平的定量化影响并不清楚。

2. 低纬度冰期海洋铁-氮耦合作用

鉴于此,英国利物浦大学的Pearse J. Buchanan及其团队利用全球海洋生物地球化学模型进行了数千年尺度的模拟研究,以探索冰期低纬度海域铁施肥、固氮作用和大气CO2水平下降之间的定量关系,其最新研究成果于2019年10月10日在《自然•通讯》(Nature Communication)杂志发表。Buchanan等的模式首先把工业革命之前的海洋物理条件下将风尘铁的供应从现代水平增加到冰期水平,并且确保在南大洋和亚北极太平洋等强混合区域铁几乎不受限制以分离出低纬度海洋的响应,结果表明冰期水平的风尘铁供应可使全球固氮速率增加26TgNa−1,并导致其分布的大规模变化,固氮作用与热带上升流表现出更紧密的耦合关系,整个热带太平洋表层磷酸盐含量降低,有机碳向深层海洋的输送增加,最终使大气中11.6ppm的CO2被封存。然而冰期的海洋物理条件不同于工业革命以前,为量化大气CO2水平下降对海洋物理条件的敏感性,该研究一方面进一步设置了四种不同的海洋条件对应不同的风尘铁供应,另一方面在不改变风尘铁供应的条件下改变N2固定的铁需求,结果不同模拟状态下大气CO2水平的降低与固氮速率均表现出强烈的线性关系,固氮速率每增加1TgNa−1,大气CO2水平下降(0.58±0.03)ppm,这充分证实了大气N2被海水的固定是全球碳循环的关键组成部分。风尘铁的输入对固氮作用的刺激可在低纬度海洋引起7~16ppm的大气CO2浓度下降。此外,该研究还通过沉积物的中氮同位素记录,进一步验证了这种低纬度海洋造成大气CO2水平下降的生物作用机制。

3. 意义和展望

Buchanan等的研究将20多年前Falkowski提出的理论假设扩展为可量化的冰期CO2水平下降机制,不仅证实了低纬度海洋的生物机制可为解释冰期大气CO2水平的下降提供补充途径,同时还指出了低纬度海区的生物泵和高纬度海区一样与铁循环有很密切的联系。但该研究仅涉及了低纬度海区,并未综合评估全球海洋对铁施肥的反馈。此外,对未来海洋铁循环将如何变化尚不明确的条件下,预测未来几个世纪海洋在大气CO2下降中的作用目前还存在困难。因此,今后深入解析海洋中铁的生物地球化学循环过程及其影响因素,从全球变化的角度深入探究海洋铁-氮-碳耦合作用的过程机制和效应十分必要。

出版信息

中文出版信息:

宋金明, 王启栋. 2020. 冰期低纬度海洋铁-氮耦合作用促进大气CO2吸收的新机制. 中国科学: 地球科学, 50(1): 173–174

英文出版信息:

Song J, Wang Q. 2020. A new mechanism of atmospheric CO2 absorption promoted by iron-nitrogen coupling in low latitude ocean during ice age. Science China Earth Sciences, 63(1): 167–168

来源:https://mp.weixin.qq.com/s/wRLb-tw1mORyocy1PpZ5UQ 中国科学地球科学

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA4OTg5ODc0OA==&mid=2651230678&idx=1&sn=9e4c55e927e77ce03410432d2af134ca&chksm=8be1da45bc965353f961b5d1015aa9dbe38caabe98fe9675bc4600b762264bca8ed5fca2a3fd#rd

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