近日，我实验室深海生命与生态过程创新团队成员姜海波教授，通过梳理地质时期天然铁施肥与气候变化、浮游植物介导的生物碳泵的关系，揭示了特定地质时期海洋中铁的生物可利用性在调节海洋初级生产力和气候变化中的作用。研究成果以“Natural ocean iron fertilization and climate variability over geological periods”发表在环境科学与生态学领域国际著名期刊 Global Change Biology 上。

上世纪末，美国著名海洋生物学家John Martin教授提出“假如给我半船铁，我能还你一个冰河世纪”的铁假说（Iron Hypothesis）。在高营养盐、低叶绿素（HNLC）海域，铁是海洋初级生产力的主要限制因子，海洋铁施肥可促进浮游植物介导的生物碳泵，进而驱动海洋吸收和封存大气中的CO2，缓解温室效应。随后国际上在HNLC海域至少开展了13次人工铁施肥试验，然而人工铁施肥对海洋碳汇的效果与预期相差甚远，这让科学家认识到通过改变海水营养元素浓度调控碳循环和气候的复杂性。然而在地质时期，浮游植物和铁介导的生物碳泵被认为在气候变化调节中发挥了重要作用，导致浮游植物、铁施肥与气候变化的因果关系尚存质疑。

图1 不同地质时期铁有效性、温度、大气CO2含量和海洋初级生产力的趋势示意图。这些箭头表示相应参数的总体趋势，虚线箭头表示趋势高度不确定。（GOE：大氧化事件；Snowball：雪球地球事件；LGM：末次冰盛期。）

创新团队成员宁波大学姜海波教授与美国南加州大学David A. Hutchins教授、自然资源部第二海洋研究所王云涛研究员等合作，分析了地质时期（例如大氧化事件、雪球地球事件、更新世冰期-间冰期循环）海洋初级生产者的种类和丰度、海水铁可利用程度、地球气温、大气CO2浓度的变化趋势（图 1），发现冰期-间冰期循环中铁的生物利用程度、温度的变化趋势与铁假说一致，但是在大氧化事件和雪球地球时期，许多因子的变化趋势与铁假说是矛盾的。例如在休伦冰河期（24-21亿年），地球经历了长达3亿年的大冰期，蓝细菌的丰度在此期间大幅增加，吸收了大量CO2并驱动了生物碳泵（biological carbon pump，BCP）和微型生物碳泵（microbial carbon pump, MCP）的效率，然而铁的生物可利用度却因大氧化事件显著下降，因此该大冰期的形成原因与铁假说相矛盾（图2），具体原因可能与产甲烷古菌的大量死亡有关。

图2 休伦冰河期海洋浮游植物、铁生物可利用度、碳循环和气温之间的关系。上图：不同因子之间的关系与变化趋势，下图：可能的大陆板块形状和海洋主要海洋浮游植物。（BCP：生物碳泵；MCP：微型生物碳泵；RDOC：惰性溶解有机碳；DIC：溶解无机碳；DOC：溶解有机碳；POC：颗粒有机碳）

在冰期-间冰期循环，尽管铁通量与气温、CO2浓度之间的变化趋势与铁假说相符，但是除了铁施肥介导的生物碳泵和微型生物碳泵之外，物理和化学过程（如大洋环流、深海通风、碳酸盐泵等）在驱动气候变化中的作用无法排除（图3），生物过程驱动的气候变化贡献可能不足50%。这些地质时期天然铁施肥的案例为评估海洋人工铁施肥（OIF）调控气候变化的可行性提供了重要参考。

图3 更新世冰期-间冰期海洋浮游植物、铁生物可利用度、碳循环和气温之间的关系（左图：冰期；右图：间冰期。其他参数如图2所述）

创新团队成员宁波大学姜海波教授为第一作者兼通讯作者，美国南加州大学David A. Hutchins教授和自然资源部第二海洋研究所王云涛研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目、南方海洋与工程广东省实验室（珠海）创新团队建设经费等的支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.16990