海洋碳匯形成機制新認知:鐵-鋁假說研究獲得新進展
中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室譚燁輝研究員團隊與國內外科研機構合作，在海洋碳匯形成機制——鐵-鋁假說研究方面取得新進展。相關研究以“Aluminum increases net carbon fixation by marine diatoms and decreases their decomposition: Evidence for the iron–aluminum hypothesis”為題，于2021年5月3日發表于《湖沼與海洋》雜志（Limnology and Oceanography）。
如何通過減排、增匯應對全球變暖和氣候變化是國際政治和科學研究關注的熱點。使溫室氣體凈排放盡快減少為零達到“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。2060年前實現“碳中和”是我國作出的重大戰略決策。然而，經濟社會發展必然導致大量人為排放是無法回避的現實，因此對從大氣中移除溫室氣體的增匯技術（負排放技術）的開發提出了迫切要求。
海洋是地球上最大的活躍碳庫，有著巨大的碳匯潛力和負排放研發前景。上世紀八十年代，已故著名海洋學家John Martin根據南大洋等海域浮游植物生長受鐵限制，以及南極冰芯記錄地球歷史時期沙塵（鐵）輸入與大氣CO2濃度的負相關關系，提出“鐵假說”理論。認為在南大洋等“高營養鹽，低葉綠素（HNLC）”的海域添加少量鐵可顯著促進海洋浮游植物生長，吸收大氣中的CO2，形成有機物埋藏到海洋內部。當足夠多的HNLC區域都進行鐵施肥后，就會增強海洋碳匯，降低大氣中的CO2濃度，從而扭轉溫室效應，使地球降溫冷卻。基于此，Martin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。不少地質沉積記錄數據都顯示了沙塵（鐵）輸入與古氣候變化的聯系，支持鐵假說。
然而，從1993年起，科學家在多個海域進行了13次中等尺度的人工鐵施肥實驗，其結果不完全支持鐵假說。鐵施肥確實促進了浮游植物的大量生長固碳，甚至形成藻華，但向深海的碳輸出沒有出現必然顯著的增加，大部分浮游植物固定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，而且人工施肥實驗的鐵利用效率顯著不足，只有自然施鐵的1-10%。
事實上，自然鐵施肥過程（如沙塵沉降）不僅帶來鐵，還向海洋輸入鋁等其他元素。譚燁輝研究員團隊從2010年起研究鋁對海洋浮游植物生長固碳的效應，前期的一項研究指出，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。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浮游植物利用海水中鐵和溶解有機磷的效率，增強上升海洋固碳（圖1），還可能顯著降低生源有機碳的分解速率，增強碳向深海的輸出和埋藏；并且發現過去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。據此在鐵假說的基礎上提出了“鐵-鋁假說”（Iron-Aluminum Hypothesis），闡釋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（Zhou et al. Biogeochemistry, 2018）。
本研究中，該團隊采用放射性同位素14C示蹤技術，證實了向海水中添加痕量的鋁（如40nM）會顯著提高海洋硅藻的凈固碳量（10-30%）；更為重要的是證實了自然環境中痕量濃度的鋁可以顯著降低海洋硅藻顆粒有機碳的分解速率（可達50%以上）。據此估算向海洋添加40 nM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2），顯著提高海洋碳匯能力，并長期封存碳于海洋中，從而影響氣候變化。該研究為鐵-鋁假說提供了新的有力證據，也為基于鐵鋁假說的潛在高效負排放技術開發提供了數據支持。
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。該研究得到了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。
相關論文信息：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
文章鏈接：https://aslopubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lno.11784
圖1鋁（Al）促進海洋浮游植物利用鐵(Fe)和溶解有機磷(DOP)示意圖
圖2 模擬添加痕量濃度鋁對顆粒有機碳向深海輸出的影響
