冰期海平面下降导致洋中脊火山活动增强所引发的海洋铁施肥作用

《Nature Geoscience》：Ocean iron fertilization from enhanced mid-ocean-ridge volcanism due to ice-age sea-level falls

　　

高营养、低叶绿素（HNLC）区域中的铁施肥作用已被提出可促进浮游植物生长并增强海洋CO₂封存。尽管长期以来尘埃一直被认为是这些海域外源铁的主要来源，但近期发现强调，洋中脊沿线的热液活动也是深海铁的重要来源。然而，热液铁是否会直接影响上层海洋生产力，仍不明确。更新世（Pleistocene）冰期旋回提供了一个天然检验，因为先前研究提示，冰期海平面下降会在冰消期（glacial deglaciations）期间导致热液活动及铁释放增加数倍。该研究比较了铁受限的东赤道太平洋（EEP）过去200,000年的浮游植物营养盐消耗记录（基于有孔虫结合态15N/14N重建）与下伏东太平洋海隆（EPR）洋中脊热液铁释放记录。结果显示，在最近两次冰消期开始之前，东太平洋海隆热液活动的增强与东赤道太平洋营养盐消耗升高同时发生，这与增强的洋脊火山作用通过直接铁施肥效应发挥作用相一致。若这一现象在南大洋等其他铁受限海区得到证实，则表明在冰期旋回尺度上，海平面、洋脊火山作用、海洋碳封存、大气CO₂与气候之间可能存在更广泛的地球系统反馈。

该论文发表于《Nature Geoscience》，聚焦于冰期—间冰期尺度上海洋铁循环、洋中脊火山作用与气候系统之间的耦合关系。既有研究已证明，高营养、低叶绿素（HNLC）海区的浮游植物生产力主要受铁限制，铁输入增加可通过强化生物泵促进深海碳封存，并降低大气CO₂。过去学界通常将风尘视为这类海区最重要的外源铁来源，尤其在南大洋和北太平洋，冰期及冰消期尘埃铁输入增强与生产力和营养盐消耗升高相对应。然而，近年来海洋地球化学研究表明，洋中脊热液系统向深海输送的溶解铁规模与尘埃输入相当，且在南太平洋等区域尤为显著。问题在于，绝大多数热液喷口位于深海，上升到透光层的物理通道并不明确，因此热液铁是否能够直接影响上层海洋生态过程，一直缺乏明确证据。另一方面，更新世冰期旋回中海平面曾发生约130 m幅度变化，已有研究指出，海平面下降可通过减压效应增强洋中脊岩浆房活动，并使热液活动和铁释放在冰消期显著增强。基于这一背景，开展本研究的必要性在于检验：冰期海平面变化是否能够通过调节洋中脊火山与热液铁输入，进一步影响HNLC海区营养盐消耗和生物生产，从而构成连接固体地球、海洋生物地球化学与气候变化的新型反馈机制。

研究人员围绕东赤道太平洋这一现代典型铁限制海区展开研究，选择靠近东太平洋海隆脊顶的沉积岩心Y71-07-51与Y71-07-47，测定有孔虫结合态氮同位素FB-δ¹⁵N，以重建过去200,000年浮游植物对硝酸盐的消耗程度，并与同地点已发表的热液铁通量和火山活动记录进行比较。为检验HNLC带纬向迁移是否影响结果，研究人员进一步分析了位于赤道附近的ODP 849站位；为约束氧亏损带（ODZ）变化对FB-δ¹⁵N的潜在影响，又建立了南太平洋贫营养站位OC73-3-20近30,000年的FB-δ¹⁵N记录。结果表明，在最近两次冰消期开始前，EEP营养盐消耗升高与EPR热液铁通量增强高度同步，而与尘埃通量峰值、ODZ扩张及上升流变化并不一致。结合区域高分辨率海洋模式与一维平流—扩散模型，研究人员进一步论证，增强的热液活动可通过羽流抬升、混合与上升流等机制将铁输送至更浅水层，从而促进表层海洋铁施肥。研究最终得出结论：最近两次冰消期中东赤道太平洋营养盐消耗升高，主要由海平面下降诱发的洋中脊火山活动增强及其热液铁释放所驱动。这一发现的重要意义在于，它提出了一个新的地球系统反馈环节，即海平面变化可通过洋中脊火山作用调控海洋铁供应、生物泵效率和大气CO₂演化。

在技术方法上，研究主要采用了四类关键手段。第一，基于东赤道太平洋与南太平洋多个沉积岩心样品，包括Y71-07-51、Y71-07-47、ODP Site 849和OC73-3-20，建立有孔虫结合态氮同位素（FB-δ¹⁵N）记录，用于重建古海洋硝酸盐消耗。第二，将新获得的FB-δ¹⁵N记录与既有的热液铁通量、浮游有孔虫δ¹⁸O、尘埃通量及南大洋氮同位素记录进行年代对比和相关分析。第三，构建基于MITgcm的东赤道太平洋区域高分辨率海洋模式，以被动示踪剂模拟热液铁从洋中脊向上层海洋的输运。第四，建立一维平流—扩散模型，结合南太平洋分层参数、羽流穿透高度变化及上升流效应，估算冰消期温跃层铁浓度的变化幅度。

在研究结果方面，论文首先通过“Comparison of the EEP FB-δ¹⁵N records with the underlying EPR hydrothermal iron-flux records”表明，11° S处Y71-07岩心的高分辨率FB-δ¹⁵N记录在过去200,000年表现出约5‰的冰期—间冰期变化幅度，并出现两个显著峰值。这两个峰值对应最近两次主要冰消期，且与同地点热液铁通量峰值高度相关。该结果说明，在冰消期开始前数千年，EPR热液活动增强与EEP硝酸盐消耗上升同步发生，支持洋中脊火山增强引发直接铁施肥的解释。相比之下，在冰期逐步增强阶段，FB-δ¹⁵N虽有缓慢升高，但幅度远小于冰消期，且热液铁通量基本稳定，提示此阶段可能受其他因素影响更大。

其次，论文通过赤道ODP Site 849与11° S站位的对比，排除了HNLC区南北迁移是主要控制因素的可能性。位于现代上升流轴两侧的两个区域，其FB-δ¹⁵N变化趋势非常相似。如果冰期—间冰期变化主要由热带风带或赤道辐合带（ITCZ）位置变化引起的生产带迁移控制，则这些记录应呈现明显分异。因此，这一结果支持区域尺度营养盐消耗变化具有较一致的外源驱动，而不是单纯的纬向位置变化所致。

在“Dust-associated iron supply”部分，研究人员评估了风尘铁输入的作用。结果显示，在冰消期过程中，FB-δ¹⁵N峰值普遍滞后于尘埃通量峰值数千年。考虑到尘埃铁在表层海洋中的停留时间较短，这种时间错位说明尘埃并非导致冰消期FB-δ¹⁵N峰值的主要原因。不过，在MIS 5d至MIS 2期间，当热液铁通量相对稳定时，FB-δ¹⁵N缓慢升高约1‰，与尘埃沉降的逐渐增强相一致，表明冰期背景下尘埃铁可能对EEP生产力有所贡献。作者同时讨论了南大洋尘埃施肥通过改变副南极模态水（SAMW）营养盐含量间接影响EEP的可能性，但由于南大洋δ¹⁵N峰值早于EEP FB-δ¹⁵N峰值数千年，该机制不足以解释冰消期EEP记录中的最大值。

在“Upwelling in the EEP”部分，论文分析了区域上升流与氧亏损带扩张的影响。理论上，更强的上升流一方面增加表层硝酸盐供给并降低硝酸盐消耗程度，另一方面又会提高生产力、加强次表层耗氧并扩展ODZ，通过反硝化作用提高温跃层硝酸盐δ¹⁵N。这两种效应方向相反，可能相互抵消，从而削弱上升流对EEP FB-δ¹⁵N的净影响。实际数据也显示，在上一个冰期内，当热液铁通量较稳定时，EEP FB-δ¹⁵N变化较弱；而末次冰消期FB-δ¹⁵N变化时间与OC73-3-20所反映的ODZ范围变化并不一致。因此，ODZ扩张并不是冰消期FB-δ¹⁵N峰值的主要控制因素。

在“Ocean iron fertilization by enhanced hydrothermal activity”部分，研究人员综合证据认为，热液铁输入是最合理的解释。为回答深海热液铁如何抵达表层这一关键问题，研究首先援引现代观测，指出EPR水柱中1,500–2,000 m深度已可检测到显著升高的颗粒态和溶解态铁浓度，且最高值位于脊顶上方350–500 m。随后，研究人员利用MITgcm构建东赤道太平洋0.1°分辨率区域模式，将热液铁作为被动示踪剂从EPR脊顶持续释放。结果显示，仅在10年尺度内，示踪剂已可从源区向上扩散并到达1,500–2,000 m水深，浓度仅比源区低2–3个数量级。这说明即使在保守设定下，热液铁也具备向浅层输运的物理可行性。进一步地，一维平流—扩散模型在考虑羽流穿透高度上升后指出，冰消期EEP约500 m深处的铁浓度至少可达到现代的10倍；再结合风驱上升流与等密度混合，可为上层海洋提供显著增强的铁供给。

论文还讨论了“megaplumes”这一特殊机制。既往研究发现，某些突发性超强热液羽流的浮力输运可高达普通喷口的1,000倍，并可到达温跃层深度。研究引用太平洋—南极洋脊在Termination 2前的厚火山灰层与MORB成分火山玻璃证据，说明冰消期更频繁的强羽流事件可能存在，且羽流穿透高度至少可达2 km。此类megaplumes为热液铁直接进入浅层海洋提供了另一条高效通道，也增强了热液施肥机制的可信度。

基于上述观测、时间序列对比和模型模拟，研究人员得出总体结论：最近两次冰消期东赤道太平洋营养盐消耗增强，主要由海平面下降后岩浆房减压触发的洋中脊火山活动增强及热液铁释放增加所致。论文提出，这一过程构成了火山作用—海洋—大气耦合的新环节。虽然研究重点是EEP，而该区营养盐消耗变化对大气CO₂的直接影响可能有限，但若类似过程同样存在于南大洋，则其对全球生物泵效率和冰期—间冰期CO₂变化的意义将更为深远。研究还指出，火山作用既可能通过释放地质源CO₂促进冰消期升温，也可能通过向HNLC海区输入铁、增强海洋碳封存而部分抵消这一效应，从而降低火山作用对大气CO₂的净正向影响，并可能延缓冰消期CO₂上升。

讨论部分的核心在于重新界定热液铁在海洋生物地球化学中的地位。传统观点强调尘埃是主导性外源铁源，而该研究显示，在特定区域和特定时期，热液铁不仅是深海铁库的重要组成，还可能在洋中脊活动增强时超过尘埃，成为影响上层海洋营养盐消耗的重要因子。对气候系统而言，这意味着海平面变化并非只通过冰盖、洋流或陆源尘埃影响海洋碳循环，还可能通过调控海底火山活动改变海洋铁供给。作者强调，未来需要在其他靠近热液喷口的铁限制海区获取更多营养盐消耗记录，以检验这一机制的普适性，尤其是南大洋是否在冰消期因热液铁而维持较强施肥效应。

研究结论部分可概括翻译如下：基于观测记录与模型结果，研究人员认为，在最近两次冰消期，东赤道太平洋营养盐消耗的增加是由洋中脊火山活动增强及热液铁释放所引发的海洋铁施肥作用驱动的，而这种火山增强又受到先前海平面下降和岩浆房减压的触发。若这一机制在其他铁限制海区得到证实，则说明冰消期海平面变化可通过加强洋中脊火山作用而触发海洋铁施肥，进而建立连接火山活动、海洋生物地球化学、大气CO₂与气候的新型地球系统反馈。