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沙漠尘埃如何滋养海洋浮游植物的生长

在过去的几十年里,科学家们一直在观察自然的海洋施肥事件——火山灰、冰川粉、野火烟尘和沙漠灰尘的羽状物吹到海面上,引发浮游植物的大规模繁殖。但除了这些极端事件之外,还有一场持续的、长距离的尘埃颗粒雨,它几乎全年都在促进浮游植物的生长,几乎每个盆地都有。

在5月5日发表在《科学》杂志上的一项新研究中,俄勒冈州州立大学、马里兰大学巴尔的摩县分校和美国国家航空航天局的一组研究人员将卫星观测与先进的计算机模型相结合,深入了解了陆地上的矿物粉尘如何促进海洋中浮游植物的生长。浮游植物是微小的、类似植物的生物,构成了海洋食物网的中心。

这张2011年4月8日由美国国家航空航天局Terra卫星上的中分辨率成像光谱仪(MODIS)拍摄的图像显示了比斯开湾上空的撒哈拉尘埃。浮游植物的大量繁殖使海水呈现明亮的绿色和蓝色。沉积物可能是造成某些颜色的原因,尤其是在沿海地区。

浮游植物漂浮在海面附近,主要依靠阳光和矿物营养物质生存,这些营养物质从深处或在沿海径流中漂到海里。但富含矿物质的沙漠尘埃——由强风携带并沉积在海洋中——对浮游植物的健康和丰度也起着重要作用。

根据这项新的研究,沉积在海洋上的灰尘约占全球年出口产量的4.5%,这是衡量浮游植物在光合作用过程中吸收的碳量沉入深海的指标。然而,在中高纬度的一些海洋地区,这一贡献接近20%至40%。

浮游植物在地球气候和碳循环中发挥着重要作用。像陆地植物一样,它们含有叶绿素,并通过光合作用从阳光中获得能量。它们在这个过程中产生氧气并封存大量二氧化碳,其规模可能与热带雨林相当。它们处于海洋范围内的食物等级的底部,从微小的浮游动物到鱼类再到鲸鱼。

该研究的合著者、马里兰大学巴尔的摩县分校的研究教授Lorraine Remer说,尘粒在落入海洋之前可以传播数千英里,在那里它们滋养着远离尘源的浮游植物。她说:“我们知道沙漠尘埃的大气输送是海洋‘发出咔哒声’的部分原因,但我们不知道如何找到它。”。

海洋颜色告诉一个故事你如何在地球表面400英里的高空追踪海洋生物?沿着叶绿素的绿色轨迹。

研究作者Toby Westberry和Michael Behrenfeld是俄勒冈州立大学的遥感海洋学家,他们分析了美国国家航空航天局Aqua卫星上的中分辨率成像光谱仪(MODIS)从2003年到2016年收集的14年海洋颜色测量结果。通过追踪海洋颜色的不同特征,他们不仅能够确定浮游植物水华发生的时间和地点,还能够确定浮游植物的健康程度和数量(基于叶绿素浓度)。

为了确定浮游植物是否对沙漠尘埃有反应,该团队将他们的海洋颜色发现与美国国家航空航天局戈达德地球观测系统(GEOS)同期尘埃沉积事件模型的输出进行了比较。这些事件的强度从强大的撒哈拉沙尘暴到美国西海岸相对较弱的羽状物不等。他们发现,即使是少量的沙漠灰尘,也会增加浮游植物的数量,改善浮游植物的健康状况,几乎在他们观察到的任何地方都会出现水华。

此前的研究集中在大型局部事件上——火山爆发、野火、极端沙尘暴——这些事件向空气中喷出了大量的有机和矿物颗粒。在其他研究中,研究人员有意通过在海水中“播种”铁来刺激浮游植物的生长,铁是海洋中一种关键但往往有限的营养物质。

“我们观察到浮游植物的反应不仅仅发生在海洋中贫铁的地区,”合著者、美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的科学家于洪斌说。“这种反应在世界各地都在发生。添加一点营养素,你就会在水中发生一些事情。”

科学家们说,沙漠尘埃的营养益处不仅限于铁。尘粒含有植物所需的其他营养物质,尤其是磷和氮。

雷默说,随着气候变化影响大气模式、土壤湿度和其他影响灰尘如何进入海洋的因素,还需要更多的研究。

“对我来说,”她补充道,“我们在这里完成的最有趣的事情是把海洋学家和大气科学家带到了同一张桌子上。”


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