近日，中国科学院海洋研究所徐兆凯团队在国际期刊Global and Planetary Change发表了题为“Insights into Quaternary iron fertilization dynamics in the western equatorial Pacific: Proxy archives offshore of northern Papua New Guinea”的研究论文。该研究基于多学科交叉和多圈层耦合，重建了第四纪轨道时间尺度上赤道西太平洋的铁施肥演化历史，揭示了春季当地太阳辐射量岁差周期对上述过程的重要调控作用，并阐明了该铁施肥的海洋生物碳泵效应。

海洋生物碳泵，主要包括有机碳泵和碳酸盐泵，在海洋生物地球化学与全球碳循环中发挥着关键作用。它可以通过向深海区输送大量的颗粒有机碳和颗粒无机碳，来影响海水-大气间的温室气体二氧化碳交换乃至全球变化。其中，赤道太平洋是研究地球气候系统动力学的关键海区，此处的营养物质（如铁、氮与磷）多寡直接制约着海洋生物碳泵效率。从现代过程来看，巴布亚新几内亚北部大河（如塞皮克河）流域的降水、剥蚀与风化作用非常强烈，其输沙量名列世界前茅，是赤道西太平洋海表最重要的陆地营养物质来源，尤其是在炎热多雨的拉尼娜事件中；同时，该海域温跃层的变深则不利于海洋深部营养物质的向上涌升，即两者对研究区海表生物碳泵效率的影响截然不同。然而，目前尚未开展过针对第四纪轨道时间尺度上该铁施肥过程、机制和碳循环效应的系统研究。

研究团队利用国家重点基础研究发展计划在巴布亚新几内亚北部大陆坡上获取的KX12-1孔岩心沉积物（图1），基于已有的高质量年龄框架，通过多组分的高时间分辨率元素-同位素组成记录，并结合针对其中典型指标的相关性与时间序列分析结果，全面地分析了过去27.5万年中巴布亚新几内亚北部的地表剥蚀和风化作用及其产物入海以及赤道西太平洋的海表生物生产力、生源物质向下输送与底层水氧化-还原条件的演化历史和变化周期，进而揭示了上述陆源铁施肥过程对气候变化的响应和对大气二氧化碳浓度的影响机制。

图1 KX12-1孔地理位置及其周边陆地和洋流分布情况

物源分析结果表明，所研究的富铁碎屑沉积物主要来自巴布亚新几内亚北部河流（图2），而稳定的物质来源则为更进一步的古气候环境研究工作奠定了坚实的基础。此外，巴布亚新几内亚北部大陆坡上富铁沉积物的源-汇过程及其影响下的海表生物碳泵与海底沉积环境记录都呈现出显著的岁差周期（即2.3万年）旋回特征，并和5ºS地区1-3月太阳辐射量的变化同步，从而指示着赤道气候（即太阳辐射）对当地降水与洋流系统的直接影响。在太阳辐射量高的阶段（即类拉尼娜条件下），巴布亚新几内亚北部的地表降水量和剥蚀作用增强，促进了陆源营养物质（如铁）和淡水的向海输送，并刺激了赤道西太平洋的垂向分层、铁施肥效应、海表硅质与钙质生物生产力水平以及海底颗粒有机碳和无机碳的埋藏通量，还抑制了该海域深部溶解无机碳的向上输送，从而使研究区成为重要的大气二氧化碳汇（图3）。

而从模型模拟结果来看，未来拉尼娜事件的发生概率可能会进一步上升。在此背景下，巴布亚新几内亚北部地表的剥蚀作用以及赤道西太平洋的铁施肥效应也会相应增强，进而吸收更多的温室气体二氧化碳，从而有效缓解人类活动所引起的全球变暖系列危机。上述研究成果为深入理解地质历史时期赤道西太平洋地区的生物地球化学循环过程及其碳循环效应奠定了理论基础，并为科学预测和应对未来全球变暖趋势下极端气候事件对地表水土保持和海洋生态系统的影响提供了新视角。

图2 基于锶-钕同位素组成的KX12-1孔碎屑沉积物来源示踪

图3 第四纪极端气候条件下赤道西太平洋铁施肥过程、机制与碳循环效应

论文第一作者为中国科学院海洋研究所徐兆凯研究员，通讯作者为中国科学院海洋研究所徐兆凯研究员、韩国海洋科学技术院Lim Dhongil研究员和自然资源部第一海洋研究所李铁刚研究员，主要合作者包括中国科学院海洋研究所万世明研究员和范庆超博士生、同济大学党皓文教授、法国巴黎-萨克雷大学Colin Christophe教授和中山大学吴家望副教授。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项等的联合资助。

论文信息：

Xu, Z.K.*, Fan, Q.C., Dang, H.W., Wan, S.M., Colin, C., Wu, J.W., Lim, D.I.*, Li, T.G.* (2025). Insights into Quaternary iron fertilization dynamics in the western equatorial Pacific: Proxy archives offshore of northern Papua New Guinea.Global and Planetary Change, 253: 104952.

https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2025.104952.