粉尘对全球生物地球化学循环与气候的影响

全球陆地每年释放的粉尘超过40亿吨。作为连接陆地、大气与海洋的关键纽带，源自干旱、半干旱区的粉尘携带铁、磷等海洋限制性营养元素，通过大气环流远距离输送至海洋并沉降。这一过程对海洋浮游植物产生关键的“施肥效应”，不仅能有效提升海洋初级生产力，还可通过强化“生物泵”效能，将大量二氧化碳从大气转移并封存于深海，进而深刻影响全球碳循环与气候变化。然而，该“施肥效应”的强度与效率，不仅取决于粉尘的输送通量，更与其源区特性、理化性质、营养元素赋存形态及在输送过程中的演化密切相关。当前研究多聚焦于粉尘的通量变化，对“来源-演化-生物效应”这一完整链条，尤其是粉尘组成与海洋生物群落的相互作用机制，仍缺乏系统认知，已成为制约粉尘气候效应准确评估的关键瓶颈。

由实验室大陆碰撞隆升与资源环境效应及重大工程支撑研究方向昝金波研究员与方小敏院士领衔，联合英国兰卡斯特大学Barbara A. Maher教授、瑞典乌普萨拉大学Thomas Stevens教授及青藏高原研究所吴福莉、杨一博研究员等组成的国际团队，应《自然综述：地球与环境》邀请，系统综述了粉尘对全球碳循环与气候的影响，梳理并揭示出全球主要沙尘源区在地质时期粉尘通量的演化规律、矿物组成及关键营养元素含量和赋存形态的差异，评估了其对海洋生态系统的潜在影响；在此基础上，明晰了粉尘在全球生物地球化学循环与气候变化中的关键作用与反馈机制，并指出了该领域未来研究的突破方向。

研究团队对全球22条海洋岩芯粉尘记录进行了集成分析（图1），发现全球主要海盆新生代以来的粉尘沉积通量呈阶梯式增长，其显著跃增期（约800-700、300-270、180-140及120-80万年）与北半球冰盖扩张及亚洲、北美、非洲等源区的干旱化进程高度同步。这一全球性趋势在北大西洋、北太平洋、菲律宾海及南大洋等关键区域均有清晰记录。据此，研究团队提出晚新生代以来，全球变冷驱动的大陆干旱化、冰盖扩张加剧的物理侵蚀与风力输送作用，以及以青藏高原隆升为代表的大地形对水汽的阻隔效应，共同驱动了全球粉尘释放与海洋粉尘沉积通量的增加。

研究还进一步揭示，粉尘通量增加对北太平洋和南大洋生产力的影响存在显著区域差异（图2）。在南大洋，粉尘是冰期亚南极海域的关键铁源，有效提升了生产力。在北太平洋，其效应则更为复杂：尽管粉尘通量早有增加，但低纬度地区直到中更新世，随着粉尘自身携带的磷（P）和二价铁（Fe²⁺）含量的提升，才引发浮游植物群落从颗石藻向固碳作用更强的硅藻转变，并强化了南海的初级生产力；而亚北极太平洋因受其他营养源（如上升流）影响，生产力未同步提升。这些差异凸显粉尘的“施肥效应”不仅取决于通量变化，更由其来源、成分和营养元素的生物可利用性共同决定。证据显示，亚洲冰川源粉尘因富含活性营养元素（如P和Fe²⁺），其影响远高于高度风化的北非粉尘（图3）。中更新世以来，输入北太平洋的亚洲粉尘营养元素通量因青藏高原冰川侵蚀加剧而猛增一到两个数量级，与该海域生产力和群落突然变化直接对应，证实了不同源区粉尘的施肥潜力存在本质区别。

基于此，研究团队进一步凝练出未来研究的三大核心方向：1）需整合现代观测、藻类培养实验与多指标古气候重建，系统量化全球主要粉尘源区（如撒哈拉、亚洲干旱区）的营养物质成分及其生物可利用性；2）应利用地球化学指标，在北太平洋等关键区域建立粉尘输入与海洋碳汇的定量关联，评估其导致的碳汇效应；3）最终建立包含粉尘组分与生物反馈过程的区域化参数方案，将其嵌入地球系统模型，以显著提升对粉尘-碳循环-气候互馈机制的模拟与预测能力。

该集成成果以“粉尘对全球生物地球化学循环与气候的影响（Global dust impacts on biogeochemical cycles and climate）”为题，于2025年11月11日在线发表，实验室昝金波研究员为论文第一和共同通讯作者，方小敏院士为共同通讯作者。该研究得到国家基金委青年科学基金项目（A类; 批准号42525207）和青藏高原地球系统卓越研究群体项目（延续）（42588201）联合资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s43017-025-00734-2

图1. 晚新生代主要大洋盆地粉尘通量变化与全球温度和冰量变化的联系。a |北大西洋高纬度区粉尘通量变化（标准化值）。b |副热带大西洋区粉尘通量。c |北印度洋（阿拉伯海）。d-e |早中新世以来北太平洋粉尘通量与中国黄土高原粉尘沉积速率对比。f |晚上新世以来冰室气候条件下北太平洋粉尘通量的持续增加。g |西菲律宾海。h |东赤道太平洋。i |南大洋。j |全球冰量变化。k |晚新生代以来全球海表温度变化。l |全球平均表面温度变化。粉尘通量经卡尔曼滤波方法进行了标准化，阴影区域为99%置信区间。箭头指示粉尘通量上升期与温度下降期。主要大洋盆地粉尘通量晚新生代以来的阶段性增加与全球变冷具有显著同步性。

图2. 北太平洋与南大洋地质历史时期粉尘通量、海洋生产力及碳循环变化的联系。a |过去700万年以来北太平洋粉尘通量（标准化值）、Fe²⁺和磷（<5 μm组分）元素含量与全球温度和冰量变化的联系。黄色阴影代表中更新世以来亚洲粉尘营养元素含量显著增加期，蓝色阴影代表早上新世温暖期亚洲源区粉尘通量及关键营养元素含量呈极低值。b |中更新世90-80万年以来亚洲粉尘Fe²⁺和磷元素含量增加对南中国海生产力和赤道太平洋浮游植物种群结构变化的影响。c |过去110万年期间南大洋粉尘铁输入通量、海洋生产力指标及总有机碳通量。 

图3. 亚洲与北非粉尘对全球碳循环及气候影响的机制对比。关键区别在于亚洲冰川源粉尘富含活性铁、磷等营养盐，对北太平洋特定海域的“施肥效应”显著，而高度风化的北非粉尘此类效应较弱。因此，全球变暖导致的冰川源粉尘减少，可能显著削弱其对海洋生产力的施肥作用。箭头与棕色阴影分别标示粉尘主要传输路径与源区。