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(fēng)環(huán)流的傳輸，促進(jìn)西北太平洋地區(qū)浮游植物的繁盛。然而，地質(zhì)歷史時(shí)期的亞洲內(nèi)陸粉塵能否同樣通過“鐵肥料”效應(yīng)強(qiáng)化北太平洋生物固碳作用，并對(duì)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(shí)間尺度記錄的檢驗(yàn)。

中國科學(xué)院青藏高原研究所新生代環(huán)境團(tuán)隊(duì)研究員昝金波和方小敏，聯(lián)合英國蘭卡斯特大學(xué)教授Barbara A. Maher、東京大學(xué)教授Toshitsugu Yamazaki、臨沂大學(xué)教授韓文霞等，探究亞洲內(nèi)陸粉塵360萬年以來鐵化學(xué)形態(tài)組成和含量變化歷史重建，首次揭示了中更新世氣候轉(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(xué)形態(tài)以及太平洋生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的機(jī)制聯(lián)系，深化了對(duì)“鐵假說”碳循環(huán)模型的認(rèn)識(shí)。6月6日，相關(guān)研究成果以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)表在《美國國家科學(xué)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(dá)671米的黃土古粉塵序列。研究團(tuán)隊(duì)的已有成果表明，它的起始年齡約為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(xué)追蹤物質(zhì)來源均證實(shí)，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，研究通過分析西昆侖山黃土細(xì)顆粒組分（<5微米）鐵含量和化學(xué)價(jià)態(tài)，揭示了晚上新世（360萬年）以來亞洲粉塵鐵化學(xué)形態(tài)的組成變化，并在構(gòu)造時(shí)間尺度上進(jìn)一步檢驗(yàn)了“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。

科研團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(qiáng)，導(dǎo)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(shí)鐵元素總含量和高生物活性的二價(jià)鐵含量急劇增加。計(jì)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(jià)鐵通量分別增加了約70%和約120%，促進(jìn)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(jìn)一步變冷。

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(duì)較弱的alkenones（顆石藻、鈣質(zhì)）轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼜?qiáng)的epibrassicasterol（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(jià)鐵含量對(duì)太平洋的浮游植物生長更為關(guān)鍵，同時(shí)高原冰川侵蝕過程可能是主控亞洲沙塵鐵化學(xué)形態(tài)變化的關(guān)鍵因素。上述研究為剖析“亞洲粉塵鐵輸入增加-海洋生物固碳作用增強(qiáng)-大氣CO₂降低-全球氣候變冷”這一地球科學(xué)領(lǐng)域重要的碳循環(huán)正反饋機(jī)制提供了直接證據(jù)，并深化了對(duì)該機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

研究工作得到第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究、國家自然科學(xué)基金青藏高原地球系統(tǒng)基礎(chǔ)科學(xué)研究中心項(xiàng)目和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員項(xiàng)目等的支持。

論文鏈接

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）

圖3.高原北部冰川侵蝕增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)亞洲沙塵Fe化學(xué)組成和太平洋生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型