《自然—地球科学》：王星辰团队揭示冰期海平面下降或让海底火山成为“海洋肥料厂”

美国波士顿学院地球与环境科学系王星辰团队，联合波士顿大学、马萨诸塞大学波士顿分校、台湾大学、普林斯顿大学等机构的研究人员发现，冰期海平面下降可能增强中洋脊火山和热液活动，使东太平洋海隆释放更多热液铁，并促进东赤道太平洋浮游植物对营养盐的消耗。这一发现为理解冰期—间冰期气候变化中的海洋生物地球化学反馈提供了新的机制。

研究成果以“Ocean iron fertilization from enhanced mid-ocean-ridge volcanism due to ice-age sea-level falls” 为题，于北京时间2026年6月9日在线发表于Nature Geoscience。

波士顿学院地球与环境科学系博士毕业生孔天舒和波士顿大学地球与环境系阮晓舟为论文共同第一作者，波士顿学院地球与环境科学系王星辰为通讯作者。

浮游植物是海洋中利用阳光和营养盐生长的微小生物，也是海洋碳循环的重要参与者。它们通过光合作用吸收二氧化碳，并通过“生物泵”将部分碳输送到海洋内部，从而影响海洋碳储存和大气二氧化碳浓度。

然而，在一些海区，氮、磷等主要营养盐并不缺乏，浮游植物生长却仍然受到铁元素不足的限制。铁虽然只是微量元素，却像“维生素”一样关键。这一现象被称为“铁限制”，也是“海洋铁施肥”被纳入现代碳移除讨论的重要科学背景之一。不过，该研究并不是对人为铁施肥或地球工程的检验，而是利用地球历史中的自然过程，探讨天然铁源如何影响海洋生态系统和碳循环。

长期以来，风尘被认为是铁限制海区最重要的外部铁源，尤其是在冰期。冰期风尘输入增强，可能向海洋表层提供更多铁，从而促进浮游植物生长。但近年来研究表明，中洋脊热液系统也是深海铁的重要来源。热液口是海底开口，受热且富含矿物质的流体从海底喷出，其中可携带铁等金属元素；一些热液羽流还能够在深海中传播很远距离。

由此产生了一个关键科学问题：来自深海的热液铁，是否能够影响有阳光照射的表层海洋生产力？

冰期旋回为回答这一问题提供了天然实验。冰期时，大量水体被储存在陆地冰盖中，全球海平面下降。较低海平面可能降低中洋脊岩浆系统所承受的压力，并在一定延迟后增强海底火山和热液活动。如果这些热液系统释放出更多铁，并且海洋环流能够将铁向上输送，那么深海火山活动就可能影响表层海洋生态系统。

针对这一问题，研究团队聚焦于东赤道太平洋及其下方的东太平洋海隆。东赤道太平洋是典型的铁限制海区，而东太平洋海隆则是全球重要的洋中脊系统之一。研究人员分析了该区域过去约20万年的沉积岩芯记录，并测量了有孔虫化石壳体中封存有机物的氮同位素组成。有孔虫是微小的有壳海洋生物，其化石壳体能够保存过去海洋环境的信息；其中的氮同位素可用于重建浮游植物对表层营养盐的利用程度。

图1 研究区、采样站位及东太平洋海隆位置示意图

研究团队随后将营养盐消耗记录与已有的东太平洋海隆热液铁释放记录进行对比。结果显示，在最近两次冰期向间冰期过渡的退冰期，氮同位素记录均出现明显峰值，表明东赤道太平洋表层浮游植物对营养盐的消耗增强；这些峰值与同一海岭系统的热液铁释放增强在时间上高度一致，支持热液铁输入促进浮游植物生长的解释。

相比之下，其他可能机制与观测记录的时间关系并不完全吻合。例如，风尘铁输入峰值、铁限制区位置变化、缺氧水体扩张以及来自南大洋的营养盐变化，都不能更好解释这些退冰期氮同位素峰值。

图2 东赤道太平洋有孔虫结合态氮同位素记录与东太平洋海隆热液铁通量记录对比

为了进一步检验深海热液铁是否可能到达较浅层海水，研究团队开展了海洋模型实验。阮晓舟使用高分辨率区域海洋模型将热液铁表示为沿东太平洋海隆释放的被动示踪物，用以模拟其在海洋中的扩散和垂向输送。模型结果显示，热液来源物质能够随时间在海洋中扩散，并具有向上输送到较浅水层的潜在路径。

研究团队还使用一维扩散—平流模型，进一步考察退冰期热液活动增强、热液羽流高度变化、海洋混合和上升流等过程对铁向上传输的影响。模型结果表明，在退冰期更强热液活动背景下，热液铁可显著提高中层水体中的铁浓度，并可能通过风驱上升流和混合过程被输送至表层海洋，从而促进浮游植物营养盐消耗和生产力增强。

图3 海洋模型显示热液示踪物在东赤道太平洋的扩散和向上输送路径

综合沉积记录和模型结果，研究人员认为，冰期海平面下降可能通过增强中洋脊火山和热液活动，增加东太平洋海隆热液铁释放，并在退冰期直接“施肥”东赤道太平洋铁限制海区。这一过程将深部地球活动与表层海洋生态系统联系起来，揭示了海底火山活动参与海洋生物地球化学循环的新路径。

该研究还提出了一个可能的地球系统反馈：海平面变化可能调节中洋脊火山活动，而中洋脊火山活动又可能影响海洋铁施肥、浮游植物生长、海洋碳储存、大气二氧化碳和气候。火山活动通常被认为会释放二氧化碳，但该研究表明，火山和热液系统也可能向海洋提供铁；在铁限制海区，这种铁输入可促进浮游植物生长和海洋碳储存，从而在一定程度上抵消火山二氧化碳释放的影响。

图4 海平面—火山—热液铁施肥—海洋碳储存—大气二氧化碳—气候反馈机制示意图

研究人员指出，该发现为深部地球过程与表层地球系统之间的联系增加了新的维度。

不过，该研究也强调，目前证据主要来自东赤道太平洋，而该区域营养盐消耗变化对全球大气二氧化碳的直接影响可能有限。未来关键问题是，类似机制是否也发生在南大洋等对全球碳循环影响更强的铁限制海区。南大洋营养盐利用对大气二氧化碳具有更大影响，同时洋流与海底地形相互作用可能更有利于将热液铁输送至表层海洋。

未来研究需要在南大洋及其他铁限制海区的中洋脊附近获取可比沉积记录，并结合更高分辨率的海洋模型，以更好刻画铁的清除、稳定、输送以及对碳循环的影响。这些研究将有助于判断热液铁施肥究竟是东赤道太平洋的区域性现象，还是冰期—间冰期气候反馈中的一个更重要组成部分。

此项研究得到波士顿学院启动经费及美国国家科学基金的共同支持。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41561-026-01982-7

来源：“小柯地球”

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