海洋“鋁施肥”可以給地球降溫嗎？

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大氣中二氧化碳（CO2）濃度升高，溫室效應使全球氣候變暖，引發極端天氣和氣候事件，日益嚴重的負面效應影響著人類的生產生活。使CO2等溫室氣體淨排放值盡快降低為零，盡早達到“碳中和”，是國際公認的實現《巴黎氣候協定》目標、應對全球變暖和氣候變化的關鍵，也是我國2060年前實現“碳中和”重大戰略決策目標的必然要求。

眾所周知，社會經濟發展是導致大量人為排放的重要因素之一。該部分碳排放短時間內難以迅速降低。因此，人們對從大氣中移除CO2的負排放技術的開發提出了迫切需求。

海洋是地球上最大的活躍碳庫，具有巨大的碳匯（吸收CO2）潛力和負排放研發前景。海洋微藻吸收CO2，通過光合作用合成有機物，是全球碳循環的重要驅動者。鐵是海洋微藻生長必需的微量元素，在海水中的濃度很低，因而全球三分之一的海洋微藻生長受到鐵的限制。上世紀八十年代，美國已故著名海洋學家約翰·馬丁（John Martin）提出了著名的“鐵假說”理論，認為給缺鐵的海洋添加少量的鐵，就可以顯著提高海洋微藻吸收CO2，形成的有機物埋藏在海洋內部，當足夠多的海域都進行“鐵施肥”後將增強海洋碳匯，降低大氣中的CO2濃度，從而扭轉溫室效應，使地球降溫冷卻。基於此，馬丁在1988年的一次報告中說出了“給我半船鐵，還你一個冰河時代”的豪言壯語。

大量地質記錄數據確實顯示了海洋沙塵（鐵）輸入與古氣候變化的聯系，支持“鐵假說”。過去80萬年間地球氣候經曆八次變冷-變暖，輸入海洋的沙塵量與氣候變化存在顯著的相關關系：輸入海洋的沙塵（鐵）量越多，地球氣溫就越低（圖1）。因此，海洋“鐵施肥”一度被認為是人類調控氣候變化、緩解全球變暖的“靈丹妙藥”。

圖1 過去80萬年間南大洋沙塵輸入量與氣溫的關系。高沙塵輸入對應地球變冷，寒冷的冰期沙塵輸入量平均可達溫暖的間冰期值的25倍。（修改自Lambert et al. 2008）

從1993年起，科學家在多個海域進行了13次人工鐵施肥實驗（圖2），但其結果不完全支持“鐵假說”。鐵施肥確實促進了海洋微藻的大量生長，甚至暴發形成“藻華”，但向深海的碳輸出沒有出現必然顯著的增加，大部分微藻合成的有機碳在上層海洋分解礦化，重新變成CO2，不能在海洋中長期封存埋藏，同時人工施鐵的利用率很低，只有自然施鐵的1%-10%。

圖2 南大洋鐵施肥實驗觀測系統示意圖（修改自Yoon et al. 2018）

“靈丹妙藥”為什麼失靈了？

事實上，自然鐵施肥（如沙塵沉降）不僅帶來鐵，還向海洋輸入鋁等其他元素，而海洋中的鋁濃度往往比鐵高一個數量級。中國科學院南海海洋研究所的研究團隊從2010年起研究鋁對海洋微藻生長的效應，團隊前期研究報道了忽略鋁等元素的作用很可能是人工鐵施肥實驗不完全支持“鐵假說”的原因。

那麼，鋁有什麼作用呢？

該團隊與國內外多家科研機構合作，發現鋁不僅可能提高海洋微藻利用海水中鐵和溶解有機磷營養的效率，增強上層海洋吸收固定CO2（圖3），還可能顯著降低有機碳的分解速率，增強碳向深海的輸出和埋藏。

圖3 鋁（Al）促進海洋微藻利用鐵（Fe）和溶解有機磷（DOP）營養示意圖

（周林濱、徐曉東供圖）

他們還發現，過去16萬年間南大洋鋁輸入量與大氣CO2濃度存在顯著的負相關關系（圖4），南大洋鋁輸入量增加對應大氣CO2濃度降低。也就是說，自然向海洋“鋁施肥”，有可能調節氣候變化，使地球變冷。

圖4 南極冰芯記錄過去16萬年間南大洋鋁輸入量與大氣CO2濃度的關系（修改自Zhou et al. 2018）

因此，該團隊在“鐵假說”的基礎上提出了“鐵-鋁假說”，指出鋁可能是增加海洋碳匯，調節氣候變化的關鍵因子之一。與鐵一樣，鋁也可能在地球歷史時期氣候變化過程中發揮重要作用，更好地闡釋海洋沙塵輸入在氣候變化中的角色。

最新研究發現添加少量的鋁可顯著提高海洋矽藻（微藻的重要類群）的淨固碳量，並明顯降低其分解速率，為“鐵-鋁假說”提供了有力證據。相關研究成果於2021年5月3日在線發表於Limnology and Oceanography（《湖沼與海洋》）。

研究人員采用放射性同位素14C示蹤技術，證實了向海水中添加少量的鋁（如40nM）後，海洋矽藻的淨固碳量（10%-30%）顯著提高。更為重要的是證實了自然環境中痕量濃度的鋁可明顯降低海洋矽藻顆粒有機碳的分解速率，達50%以上。據此估算，向海洋添加40nM甚至更低濃度的鋁就可能會使輸入到深海1000m的顆粒有機碳量增加1-3個數量級（圖5），海洋碳匯能力大幅增強，長期封存碳於海洋之中達百年以上，從而將影響氣候變化。

海洋上層鋁的濃度與沙塵沉降輸入量密切關聯。在地球變冷的“冰期”，全球海洋沙塵輸入量普遍顯著增高，在南大洋平均提高25倍（圖1）。明顯增強的海洋沙塵輸入量很可能使全球上層海洋鋁濃度增高40 nM以上。這說明自然“鋁施肥”很可能大幅提高了冰期全球海洋的碳輸出和埋藏，有利於地球降溫和冰期的形成。

圖5 模擬添加痕量濃度鋁對顆粒有機碳向深海輸出的影響（周林濱 供圖）

該研究為基於“鐵-鋁假說”的潛在高效負排放技術開發提供了數據支持，研究人員認為“鋁配方”是“鐵施肥”這個“靈丹妙藥”發揮增加海洋碳匯和調節氣候變化作用的關鍵。海洋“鋁施肥”、“鐵+鋁施肥”有可能成為高效的負排放手段，甚至調節氣候的地球工程技術（圖6）。研究人員將會繼續研究，結果值得期待。

圖6 “鐵鋁施肥”增加海洋碳匯原理示意圖

鐵鋁相互作用配合促使微藻吸收更多的CO2，並促使微藻生產的有機碳沉降埋藏到深海中。（周林濱、徐曉東供圖）。

周林濱副研究員為論文第一作者和共同通訊作者，譚燁輝研究員為共同通訊作者。該研究得到南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）人才團隊引進重大專項項目、國家重點基礎研究計劃項目（973）、國家自然科學基金項目和廣東省基礎與應用基礎研究基金項目等的資助。

相關論文：

Zhou Linbin*, Liu Fengjie, Liu Qingxia, Fortin Claude, Tan Yehui*, Huang Liangmin and Campbell Peter G. C. (2021). Aluminum increases net carbon fixation by marine diatoms and decreases their decomposition: Evidence for the iron-aluminum hypothesis. Limnology and Oceanography, doi: 10.1002/lno.11784

https://aslopubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lno.11784

參考文獻：

1. Lambert F, Delmonte B, Petit JR, Bigler M, Kaufmann PR, Hutterli MA, Stocker TF, Ruth U, Steffensen JP, Maggi V (2008) Dust-climate couplings over the past 800,000 years from the EPICA Dome C ice core. Nature 452:616-619

2. Yoon JE, Yoo KC, Macdonald AM, Yoon HI, Park KT, Yang EJ, Kim HC, Lee JI, Lee MK, Jung J, Park J, Lee J, Kim S, Kim SS, Kim K, Kim IN (2018) Reviews and syntheses: Ocean iron fertilization experiments – past, present, and future looking to a future Korean Iron Fertilization Experiment in the Southern Ocean (KIFES) project. Biogeosciences 15:5847-5889

3. Zhou L, Tan Y, Huang L, Fortin C, Campbell PGC (2018) Aluminum effects on marine phytoplankton: implications for a revised Iron Hypothesis (Iron-Aluminum Hypothesis). Biogeochemistry 139:123-137

來源：中國科學院南海海洋研究所

本文來源：中科院之聲