科学家们开始阐明大气尘埃在滋养海洋中的全球作用

由俄勒冈州立大学科学家领导的一项新研究开始揭示尘埃在滋养全球海洋生态系统同时帮助调节大气中二氧化碳水平方面的作用。

研究人员早就知道，浮游植物——生活在海洋上层的植物类生物，是海洋食物网的基础——依赖陆地来源的灰尘获取关键营养。但是，尘埃的影响范围和强度——来自土壤等来源的颗粒被风吹起并影响地球气候——很难在全球范围内进行估计。

“这确实是第一次利用现代观测记录在全球范围内表明，沉积在海洋上的尘埃携带的营养物质正在表层海洋生物学中产生反应，”托比·韦斯特伯里说，他是一名研究人员。俄勒冈州立大学的海洋学家和刚刚发表在《科学》杂志上的论文的主要作者。

海洋在碳循环中发挥着重要作用;大气中的二氧化碳溶解在地表水中，浮游植物通过光合作用将碳转化为有机物质。一些新形成的有机物从表层海洋沉入深海，并在那里被锁住，这条路径被称为生物泵。

在新论文中，来自俄勒冈州的 Westberry 和其他科学家;马里兰大学巴尔的摩县;和美国宇航局戈达德太空飞行中心估计，尘埃沉积支持全球每年出口碳产量或碳汇的 4.5%。他们发现，这种贡献的区域差异可能要高得多，接近 20% 到 40%。

“这很重要，因为它是将碳从大气中带出并进入深海的途径，”韦斯特伯里说。“生物泵是控制大气二氧化碳的关键之一，而二氧化碳是推动全球变暖和气候变化的主导因素。”

在海洋中，浮游植物生长所需的重要营养素主要是通过这些营养素从深水区到地表的物理运动提供的，这一过程称为混合或上升流。但一些养分也是通过大气尘埃提供的。

迄今为止，对自然海洋生态系统对大气输入的响应的理解仅限于异常大的事件，例如野火、火山爆发和极端沙尘暴。事实上，Westberry 和其他人之前的研究调查了阿拉斯加西南部 Kasatochi 岛 2008 年火山喷发后的生态系统反应。

在这篇新论文中，Westberry 和俄勒冈州植物学与植物病理学系教授 Michael Behrenfeld 以及来自 UMBC 和 NASA 的科学家在过去的研究基础上研究了全球浮游植物的反应。

Westberry 和 Behrenfeld 将他们的精力集中在使用卫星数据来检查灰尘输入后海洋颜色的变化。每天在全球海洋中收集海洋彩色图像，并报告浮游植物丰度及其整体健康状况的变化。例如，较绿的水域通常对应丰富且健康的浮游植物种群，而较蓝的水域则表示浮游植物稀少且经常营养不良的区域。

UMBC 和 NASA 的科学家们将他们的精力集中在模拟灰尘传输和沉积到海洋表面上。

“确定有多少灰尘沉积到海洋中很困难，因为大部分沉积发生在卫星无法看到灰尘的暴雨期间。这就是我们求助于模型的原因，”UMBC 的 Lorraine Remer 说，他是UMBC 领导的一个财团戈达德地球科学技术与研究中心 II 的研究教授。在将其结果纳入研究之前，UMBC 团队使用观察来确认 NASA 全球模型。

通过合作，研究小组发现浮游植物对灰尘沉积的反应因位置而异。

在低纬度海洋区域，沙尘输入的特征主要被视为浮游植物健康状况的改善，而不是数量的增加。相比之下，当提供灰尘时，高纬度水域中的浮游植物通常会表现出更好的健康状况和更多的数量。这种对比反映了浮游植物和以它们为食的动物之间的不同关系。

低纬度环境往往更稳定，导致浮游植物生长和捕食之间的紧密平衡。因此，当粉尘改善浮游植物的健康或生长速度时，这种新产品会被迅速消耗掉，并几乎立即转移到食物链的上游。

在高纬度地区，由于不断变化的环境条件，浮游植物与其捕食者之间的联系较弱。因此，当灰尘刺激浮游植物生长时，捕食者就落后了一步，浮游植物种群的健康状况得到改善，数量也增加了。

研究团队正在继续这项研究，引入改进的建模工具，并准备从 NASA 即将进行的浮游生物、气溶胶、云、海洋生态系统 (PACE) 卫星任务中获取更高级的卫星数据，其中一些数据将由 UMBC 设计和 -内置HARP2乐器。

“目前的分析表明，海洋生物对大气输入的巨大动态范围有可测量的反应，”韦斯特伯里说。“我们预计，随着地球继续变暖，大气和海洋之间的这种联系将会发生变化。”