南极冰川向表层南大洋输出富含碳稳定亚铁(Fe2+)颗粒的机制及其对海洋碳泵的影响

为解决南极洲陆架铁(Fe)输入如何缓解南大洋铁限制并驱动生产力热点的问题，研究人员通过X射线显微镜等技术，首次揭示冰川融水向西南极半岛表层输送富含Fe2+的颗粒，发现有机碳(OC)可抑制Fe2+在富氧海水中的氧化，表明加速消融的冰川可能通过提供生物可利用铁重塑南大洋碳循环格局。该成果发表于《Nature Communications》。

　　

南极洲冰川消融正以前所未有的速度进行，而这片冰封大陆对全球海洋生物地球化学循环的影响远未被充分认知。铁(Fe)作为浮游植物生长的关键微量营养素，在南大洋呈现显著限制性，但南极陆架输入的铁如何缓解这种限制仍存在诸多谜团。传统观点认为，颗粒铁(pFe)中的二价铁(Fe²⁺)在富氧海水中会迅速氧化为生物利用率较低的三价铁(Fe³⁺)，然而近年研究发现冰川系统可能输送异常高比例的Fe²⁺。这种矛盾现象背后是否存在稳定机制？加速消融的冰川是否会改变南大洋铁循环格局？这些问题的解答对预测全球碳泵响应至关重要。

由英国南极调查局等机构组成的研究团队，通过跨学科方法首次证实：西南极半岛(WAP)冰川向表层海洋输出的颗粒中，41±8%的铁以Fe²⁺形式存在，且有机碳基体通过形成Fe-C复合物显著延缓Fe²⁺氧化。这项发表于《Nature Communications》的研究，结合了现场采样、同步辐射技术和地球化学建模，为理解冰川-海洋耦合系统的生物地球化学过程提供了新范式。

研究团队运用三项核心技术：1) 扫描X射线显微镜(SXM)对61个颗粒进行Fe L边和C K边X射线吸收近边结构(XANES)分析，量化Fe²⁺/Fe³⁺比值；2) 跨西南极半岛600公里范围的帕尔默长期生态研究(LTER)网格采样，建立pFe输出与冰川融水的关系；3) 扫描电镜-能谱(SEM-EDS)解析颗粒元素组成，辅以溶解有机碳(DOC)和同位素示踪技术。

WAP glaciogenic particles are Fe(II)-rich
通过对比矿物标准，发现颗粒平均Fe²⁺:Fe³⁺比值达41±8%，显著高于典型风尘颗粒(<5%)。这些颗粒光谱特征介于绿锈[Fe²⁺/Fe³⁺混合相]与黄铁矿(Fe²⁺为主)之间，且在距冰川终端0.5-8公里范围内未出现显著氧化，暗示存在稳定机制。

Organic carbon stabilizes pFe(II) at the WAP
SXM像素级定位显示63%的Fe富集区与碳共定位(r>0.3)，Fe²⁺常被包裹在含芳香族(285 eV)和羧基(287.7-289.0 eV)的有机基质中。DOC浓度(40.4-82.2 μM)显著高于深层水，表明微生物源半活性有机质可能通过配体交换保护Fe²⁺。

Transport of pFe(II) offshore
LTER数据揭示pFe沿海岸-外海呈幂律衰减(pFe=102x^-0.01-97.14)，证实16%的pFe可输送到陆架外缘。斯托克斯定律计算显示0.2-5 μm颗粒在6个月内仅沉降40米，确保其水平输送可达160公里。

这项研究突破了"冰川Fe²⁺在海洋中快速失活"的传统认知，提出有机碳-铁耦合保存的新机制。随着WAP冰川年消融量达2-10 Gt，这种Fe²⁺输送通路可能增强南大洋碳汇功能。研究不仅为冰川作用下的铁生物地球化学循环提供理论框架，更暗示当前气候模型可能低估了极地生态系统对冰川退缩的反馈强度。未来需重点关注Fe-C复合物在浮游植物摄取效率及深海碳封存中的具体作用路径。