海洋“铝施肥”可以给地球降温吗？_风闻

中科院之声-中国科学院官方账号-2021-05-21 07:36

2021-05-21

大气中二氧化碳（CO2）浓度升高，温室效应使全球气候变暖，引发极端天气和气候事件，日益严重的负面效应影响着人类的生产生活。使CO2等温室气体净排放值尽快降低为零，尽早达到“碳中和”，是国际公认的实现《巴黎气候协定》目标、应对全球变暖和气候变化的关键，也是我国2060年前实现“碳中和”重大战略决策目标的必然要求。

众所周知，社会经济发展是导致大量人为排放的重要因素之一。该部分碳排放短时间内难以迅速降低。因此，人们对从大气中移除CO2的负排放技术的开发提出了迫切需求。

海洋是地球上最大的活跃碳库，具有巨大的碳汇（吸收CO2）潜力和负排放研发前景。海洋微藻吸收CO2，通过光合作用合成有机物，是全球碳循环的重要驱动者。铁是海洋微藻生长必需的微量元素，在海水中的浓度很低，因而全球三分之一的海洋微藻生长受到铁的限制。上世纪八十年代，美国已故著名海洋学家约翰·马丁（John Martin）提出了著名的“铁假说”理论，认为给缺铁的海洋添加少量的铁，就可以显著提高海洋微藻吸收CO2，形成的有机物埋藏在海洋内部，当足够多的海域都进行“铁施肥”后将增强海洋碳汇，降低大气中的CO2浓度，从而扭转温室效应，使地球降温冷却。基于此，马丁在1988年的一次报告中说出了“给我半船铁，还你一个冰河时代”的豪言壮语。

大量地质记录数据确实显示了海洋沙尘（铁）输入与古气候变化的联系，支持“铁假说”。过去80万年间地球气候经历八次变冷-变暖，输入海洋的沙尘量与气候变化存在显著的相关关系：输入海洋的沙尘（铁）量越多，地球气温就越低（图1）。因此，海洋“铁施肥”一度被认为是人类调控气候变化、缓解全球变暖的“灵丹妙药”。

图1 过去80万年间南大洋沙尘输入量与气温的关系。高沙尘输入对应地球变冷，寒冷的冰期沙尘输入量平均可达温暖的间冰期值的25倍。（修改自Lambert et al. 2008）

从1993年起，科学家在多个海域进行了13次人工铁施肥实验（图2），但其结果不完全支持“铁假说”。铁施肥确实促进了海洋微藻的大量生长，甚至暴发形成“藻华”，但向深海的碳输出没有出现必然显著的增加，大部分微藻合成的有机碳在上层海洋分解矿化，重新变成CO2，不能在海洋中长期封存埋藏，同时人工施铁的利用率很低，只有自然施铁的1%-10%。

图2 南大洋铁施肥实验观测系统示意图（修改自Yoon et al. 2018）

“灵丹妙药”为什么失灵了？

事实上，自然铁施肥（如沙尘沉降）不仅带来铁，还向海洋输入铝等其他元素，而海洋中的铝浓度往往比铁高一个数量级。中国科学院南海海洋研究所的研究团队从2010年起研究铝对海洋微藻生长的效应，团队前期研究报道了忽略铝等元素的作用很可能是人工铁施肥实验不完全支持“铁假说”的原因。

那么，铝有什么作用呢？

该团队与国内外多家科研机构合作，发现铝不仅可能提高海洋微藻利用海水中铁和溶解有机磷营养的效率，增强上层海洋吸收固定CO2（图3），还可能显著降低有机碳的分解速率，增强碳向深海的输出和埋藏。

图3 铝（Al）促进海洋微藻利用铁（Fe）和溶解有机磷（DOP）营养示意图

（周林滨、徐晓东供图）

他们还发现，过去16万年间南大洋铝输入量与大气CO2浓度存在显著的负相关关系（图4），南大洋铝输入量增加对应大气CO2浓度降低。也就是说，自然向海洋“铝施肥”，有可能调节气候变化，使地球变冷。

图4 南极冰芯记录过去16万年间南大洋铝输入量与大气CO2浓度的关系（修改自Zhou et al. 2018）

因此，该团队在“铁假说”的基础上提出了“铁-铝假说”，指出铝可能是增加海洋碳汇，调节气候变化的关键因子之一。与铁一样，铝也可能在地球历史时期气候变化过程中发挥重要作用，更好地阐释海洋沙尘输入在气候变化中的角色。

最新研究发现添加少量的铝可显著提高海洋硅藻（微藻的重要类群）的净固碳量，并明显降低其分解速率，为“铁-铝假说”提供了有力证据。相关研究成果于2021年5月3日在线发表于Limnology and Oceanography （《湖沼与海洋》）。

研究人员采用放射性同位素14C示踪技术，证实了向海水中添加少量的铝（如40nM）后，海洋硅藻的净固碳量（10%-30%）显著提高。更为重要的是证实了自然环境中痕量浓度的铝可明显降低海洋硅藻颗粒有机碳的分解速率，达50%以上。据此估算，向海洋添加40nM甚至更低浓度的铝就可能会使输入到深海1000m的颗粒有机碳量增加1-3个数量级（图5），海洋碳汇能力大幅增强，长期封存碳于海洋之中达百年以上，从而将影响气候变化。

海洋上层铝的浓度与沙尘沉降输入量密切关联。在地球变冷的“冰期”，全球海洋沙尘输入量普遍显著增高，在南大洋平均提高25倍（图1）。明显增强的海洋沙尘输入量很可能使全球上层海洋铝浓度增高40 nM以上。这说明自然“铝施肥”很可能大幅提高了冰期全球海洋的碳输出和埋藏，有利于地球降温和冰期的形成。

图5 模拟添加痕量浓度铝对颗粒有机碳向深海输出的影响（周林滨供图）

该研究为基于“铁-铝假说”的潜在高效负排放技术开发提供了数据支持，研究人员认为“铝配方”是“铁施肥”这个“灵丹妙药”发挥增加海洋碳汇和调节气候变化作用的关键。海洋“铝施肥”、“铁+铝施肥”有可能成为高效的负排放手段，甚至调节气候的地球工程技术（图6）。研究人员将会继续研究，结果值得期待。

图6 “铁铝施肥”增加海洋碳汇原理示意图

铁铝相互作用配合促使微藻吸收更多的CO2，并促使微藻生产的有机碳沉降埋藏到深海中。（周林滨、徐晓东供图）。

周林滨副研究员为论文第一作者和共同通讯作者，谭烨辉研究员为共同通讯作者。该研究得到南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项项目、国家重点基础研究计划项目（973）、国家自然科学基金项目和广东省基础与应用基础研究基金项目等的资助。