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作為連接陸地、大氣與海洋的關(guān)鍵紐帶，源自干旱、半干旱區(qū)的粉塵攜帶鐵、磷等海洋限制性營養(yǎng)元素，通過大氣環(huán)流遠(yuǎn)距離輸送至海洋并沉降。這一過程對海洋浮游植物產(chǎn)生關(guān)鍵的“施肥效應(yīng)”，可有效提升海洋初級生產(chǎn)力，并將大量二氧化碳從大氣轉(zhuǎn)移并封存于深海，進(jìn)而影響全球碳循環(huán)與氣候變化。該“施肥效應(yīng)”的強(qiáng)度與效率，取決于粉塵輸送通量、源區(qū)特性、理化性質(zhì)、營養(yǎng)元素賦存形態(tài)，以及其在輸送過程中的演化。然而，此前研究大多聚焦于粉塵通量變化，對“來源—演化—生物效應(yīng)”這一完整鏈條，尤其是粉塵組成與海洋生物群落的相互作用機(jī)制，仍缺乏系統(tǒng)認(rèn)知，制約了粉塵氣候效應(yīng)的準(zhǔn)確評估。

11月11日，中國科學(xué)院青藏高原研究所研究團(tuán)隊聯(lián)合英國蘭卡斯特大學(xué)、瑞典烏普薩拉大學(xué)，綜述了粉塵對全球碳循環(huán)與氣候的影響，揭示了全球主要沙塵源區(qū)在地質(zhì)時期粉塵通量的演化規(guī)律、礦物組成及關(guān)鍵營養(yǎng)元素含量和賦存形態(tài)的差異，評估了其對海洋生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響。在此基礎(chǔ)上，研究明晰了粉塵在全球生物地球化學(xué)循環(huán)與氣候變化中的關(guān)鍵作用與反饋機(jī)制，并指出該領(lǐng)域未來研究的突破方向。

研究團(tuán)隊對全球22條海洋巖芯粉塵記錄進(jìn)行集成分析，發(fā)現(xiàn)全球主要海盆新生代以來的粉塵沉積通量呈階梯式增長，其顯著躍增期與北半球冰蓋擴(kuò)張及亞洲、北美、非洲等源區(qū)的干旱化進(jìn)程高度同步。這一全球性趨勢在北大西洋、北太平洋、菲律賓海及南大洋等關(guān)鍵區(qū)域均有清晰記錄。據(jù)此，研究團(tuán)隊提出，晚新生代以來，全球變冷驅(qū)動的大陸干旱化、冰蓋擴(kuò)張加劇的物理侵蝕與風(fēng)力輸送作用，以及以青藏高原隆升為代表的大地形對水汽的阻隔效應(yīng)，共同驅(qū)動了全球粉塵釋放與海洋粉塵沉積通量增加。

研究揭示，粉塵通量增加對北太平洋和南大洋生產(chǎn)力的影響存在區(qū)域差異。在南大洋，粉塵是冰期亞南極海域的關(guān)鍵鐵源。在北太平洋，其效應(yīng)較為復(fù)雜。盡管粉塵通量早有增加，但低緯度地區(qū)直到中更新世，隨著粉塵自身攜帶的磷和二價鐵含量提升，引發(fā)浮游植物群落從顆石藻向固碳作用更強(qiáng)的硅藻轉(zhuǎn)變，強(qiáng)化了南海的初級生產(chǎn)力；而亞北極太平洋因受上升流等其他營養(yǎng)源影響，生產(chǎn)力未同步提升。這些差異凸顯粉塵的“施肥效應(yīng)”由通量變化和其來源、成分、營養(yǎng)元素的生物可利用性共同決定。證據(jù)顯示，亞洲冰川源粉塵因富含活性營養(yǎng)元素，其影響遠(yuǎn)高于高度風(fēng)化的北非粉塵。中更新世以來，輸入北太平洋的亞洲粉塵營養(yǎng)元素通量，因青藏高原冰川侵蝕加劇而猛增一到兩個數(shù)量級，與該海域生產(chǎn)力和群落突然變化直接對應(yīng)，證實了不同源區(qū)粉塵的施肥潛力存在本質(zhì)區(qū)別。

基于上述發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊進(jìn)一步凝練出該領(lǐng)域未來研究的三大突破方向。一是需整合現(xiàn)代觀測、藻類培養(yǎng)實驗與多指標(biāo)古氣候重建，系統(tǒng)量化全球主要粉塵源區(qū)（如撒哈拉、亞洲干旱區(qū)）的營養(yǎng)物質(zhì)成分及其生物可利用性。二是利用地球化學(xué)指標(biāo)，在北太平洋等關(guān)鍵區(qū)域建立粉塵輸入與海洋碳匯的定量關(guān)聯(lián)，評估其導(dǎo)致的碳匯效應(yīng)。三是建立包含粉塵組分與生物反饋過程的區(qū)域化參數(shù)方案，將其嵌入地球系統(tǒng)模型，以提升對粉塵—碳循環(huán)—氣候互饋機(jī)制的模擬與預(yù)測能力。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然綜述：地球與環(huán)境》（Nature Reviews Earth & Environment）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和青藏高原地球系統(tǒng)卓越研究群體項目的支持。

論文鏈接

晚新生代主要大洋盆地粉塵通量變化與全球溫度、冰量變化的聯(lián)系

北太平洋與南大洋地質(zhì)歷史時期粉塵通量、海洋生產(chǎn)力及碳循環(huán)變化的聯(lián)系

亞洲與北非粉塵對全球碳循環(huán)及氣候影響的機(jī)制對比