自然实验证实浮游植物碳移除有效

背景

向海洋中添加营养物质，让微小的浮游植物从大气中吸收二氧化碳，这个想法对许多人来说还很陌生。陌生的概念往往让人不安，那种“我不太确定”的直觉反应很自然，它通常表现为一种模糊的担忧：这种事一定很危险，我们从未做过，不可能知道后果。然而，事实并非如此。我们对向贫营养海域添加富矿物质究竟会发生什么，已经有了相当精确的理解。几十次自然实验已经给出了答案，因为大自然一直在通过多种机制向海洋注入矿物质，已经持续了数百万年。

核心内容

自然界的“实验”无处不在。火山、野火、甚至受过“教育”的鲸鱼（原文幽默地借用了“educated whales”这一说法，意指鲸鱼的活动也可能带来营养物质），以及沙尘暴和冰山，都在不断地向海洋输送矿物质。二十多年来，卫星一直在精确测量海洋颜色，科考船也带着传感器和采样瓶追踪这些自然事件，我们积累了庞大且不断增长的数据记录，清楚地展示了营养匮乏的海水突然获得补给时会发生什么。这是海洋科学中记录最充分的因果关系之一。

需要记住的是，大部分开阔大洋是沙漠。表层海水有充足阳光，但随着远离陆地，构成海洋食物网基础的微小浮游植物会缺少一两种关键成分——通常是铁，有时是氮或磷。只要补充它们缺失的营养，它们就会大量繁殖，同时从大气中吸收二氧化碳。一旦营养源消失，几周内效果就会消退。这种模式在不同水域、由不同过程驱动，几乎随处可见，已被反复观测到。

汤加案例：一个特别有趣的案例来自南太平洋亚热带海域。长期以来人们假设但从未证实，汤加附近的浅海海底热液喷口可能泄漏富含铁的流体，到达阳光照射的表层，滋养固氮细菌。2019年，一次科考航行证实了这一点。一串海底热液喷口向一个德国大小的海域输送了足够的铁，促使固氮细菌大量繁殖，其生长速度是周围水域的2到8倍，并将2到3倍多的碳带入深海。这项研究于2023年发表在《科学》杂志上。后续巡航精确绘制了铁浓度在喷口附近急剧升高、随距离衰减的图景，逐细胞追踪了浮游生物的反应，甚至构建了氮收支模型，表明在某些季节，该区域几乎所有的生物生产力都依赖于热液喷口提供的铁。类似的铁供应现象已出现在非洲南部、南极洲附近以及太平洋海底的火山脊上，有些铁羽流漂移超过1000公里才被耗尽。一项近期研究甚至将南大洋浮游植物水华的强度与附近火山脊近期发生的小地震次数联系起来：地震越多，似乎释放的铁越多，浮游植物生长越旺盛。

尘埃输送：然而，海底热液喷口只是一个小众途径；最著名的自然肥料输送系统是风中的尘埃。每年，风将数百万吨撒哈拉沙漠的细土吹到大西洋上空；戈壁沙漠的尘埃吹过北太平洋；巴塔哥尼亚的尘埃落在南大洋；干旱的南部非洲的尘埃一直飘到马达加斯加。科学家们数十年一直在测量这类事件：无论哪里，富含铁的尘埃落在缺铁的海域，一到两周内浮游植物就会生长。最清晰的证据来自2001年北太平洋的机器人浮标，当时一场戈壁沙尘暴覆盖了它们，浮标测量到水中的活体碳在两周内几乎翻倍。2012年阿拉伯海的沙尘暴之后，叶绿素浓度跃升了近五倍。2024年一项利用超过十年海洋机器人数据的研究得出结论，目前尘埃中的营养物质每年支撑着整个南大洋约三分之一的植物生长；而在上一个冰河时期，当世界尘埃更多时，这个比例接近三分之二。换句话说，沙漠从有沙漠以来，一直在以半球尺度为海洋施肥。

火山灰：火山灰事件提供了更清晰的细节，因为营养添加突然、猛烈且易于精确确定时间。2008年8月，阿拉斯加阿留申群岛的卡萨托奇火山喷发，火山灰落在阿拉斯加湾。几天内，卫星就捕捉到该太平洋区域有记录以来最大的浮游植物水华之一。2010年冰岛埃亚菲亚德拉冰盖火山（那个让欧洲航空瘫痪、名字难念的火山）喷发时，火山灰覆盖了北大西洋，航行在羽流下的科考船测量到溶解铁激增，船上实验表明火山灰正在积极喂养当地浮游生物。2018年夏威夷基拉韦厄火山喷发后，火山灰被带到1000多英里外的海上，引发了该太平洋海域有史以来可能最大的水华，面积大约是台湾的五倍。2020年日本一个小火山岛周围、以及2003年马里亚纳群岛火山周围（地球上最贫营养的海域之一）也发生了同样的事情。研究人员不仅从太空观测了这些过程，还从十几个不同火山收集了火山灰样本，在实验室中将其浸入海水，精确测量了每种灰中溶解出的铁的数量和速度。铁添加与初级生产力之间的关系现在已经被理解得非常细致。

野火：也许最引人注目的近期案例完全不涉及岩石。2019-2020年澳大利亚灾难性野火期间，携带富含铁灰烬的烟雾飘过南大洋，引发了一场巨大的水华，在卫星图像中清晰可见，覆盖了澳大利亚南部大片开阔水域——这是科学家用现代仪器追踪到的最大的浮游植物水华之一。而且它没有迅速消退：后续研究发现，水华持续了将近九个月，因为生态系统循环利用了所获得的铁，而不是用完就重新挨饿。西伯利亚野火的烟雾被与北极附近放大的浮游植物水华联系起来。加拿大及其他北方森林的烟雾羽流正在成为北大西洋营养添加研究的对象，一项模拟研究预测，随着气候变暖野火更加频繁，它们每年可能使该海洋的植物生长量增加五分之一。甚至2020年加利福尼亚的野火也在蒙特雷湾附近的沿海水域留下了印记，改变了最常见的浮游植物种类。化学家们也大致弄清了为什么野火灰烬是如此高效的肥料：燃烧产生的灰烬中的铁比普通风中尘埃中的铁更容易在水中溶解。

深海岛屿：南大洋的一些偏远小岛——克尔格伦岛、克罗泽岛、南乔治亚岛——被特别深入地研究过。它们位于原本贫瘠如沙漠的水域中……（原文在此处截断，但根据上下文，这些岛屿周围因自然铁输入而产生了显著的浮游植物水华，为海洋碳去除提供了重要证据。）

关键要点

• 自然实验是铁证：几十年来，火山喷发、沙尘暴、野火、冰山融化等自然事件，一次又一次地向贫营养海域添加了铁等关键营养物质，每次都引发了可观测的浮游植物水华和碳吸收。这些事件提供了无可辩驳的因果证据。
• 机制清晰：铁是限制开阔大洋初级生产力的关键微量元素之一。向缺铁的海域添加铁，浮游植物（包括固氮细菌）会迅速繁殖，通过光合作用吸收大气中的二氧化碳。营养源一旦消失，效果在数周内消退。
• 规模巨大：自然事件产生的碳