现代观测表明，亚洲内陆大气粉尘中铁元素等营养物质通过高空西风环流的传输，促进西北太平洋地区浮游植物的繁盛。然而，地质历史时期的亚洲内陆粉尘能否同样通过“铁肥料”效应强化北太平洋生物固碳作用，并对全球气候环境产生重大影响，亟需亚洲内陆粉尘长时间尺度记录的检验。
中国科学院青藏高原研究所新生代环境团队昝金波研究员和方小敏研究员，联合英国兰卡斯特大学Barbara A. Maher教授、东京大学Toshitsugu Yamazaki教授、临沂大学韩文霞教授等专家学者，通过研究亚洲内陆粉尘360万年以来铁化学形态组成和含量变化历史重建，首次揭示出中更新世气候转型期（1.2-0.7 Ma，MPT）青藏高原冰川剥蚀过程与亚洲粉尘铁化学形态以及太平洋生态系统转型的机制联系，深化了对“铁假说”碳循环模型的认识，该研究成果于2023年6月6日发表在国际知名学术期刊《美国科学院院刊》(PNAS)上。
亚洲内陆的塔里木盆地南缘、西昆仑山北坡沉积有厚达671米的黄土古粉尘序列，研究团队的已有研究结果表明，其起始年龄约为360万年，是亚洲内陆厚度最大、沉积速率最高的古粉尘堆积。卫星观测以及地球化学追踪物质来源均证实，塔里木粉尘是北太平洋海洋沉积物铁等营养元素的主要来源。因此，通过分析西昆仑山黄土细颗粒组分（<5微米）铁含量和化学价态，不仅揭示了晚上新世（360万年）以来亚洲粉尘铁化学形态的组成变化，还在构造时间尺度上进一步检验“亚洲内陆粉尘输入增加—大气二氧化碳降低—全球气候变冷”的全球碳循环“铁假说”模型。
图1 塔里木沙尘传输至北太平洋的路径（阴影区）及西昆仑山黄土岩芯位置（五角星）
研究团队通过研究西昆仑山黄土古粉尘序列样品以及小于5微米黄土颗粒组分的铁氧化物种类和含量，进一步发现在中更新世转型期（约80万年）开始，随着全球变冷以及北半球中高纬地区山地冰川的急剧增加，青藏高原的冰川侵蚀作用显著增强，导致塔里木粉尘铁氧化物突然从赤铁矿（Fe3+）转变为磁铁矿（Fe2+和Fe3+），同时铁元素总含量和高生物活性的二价铁含量急剧增加。计算结果表明，中更新世气候转型期以后，亚洲内陆干旱区输送至北太平洋的铁元素总含量以及二价铁通量分别增加了约70%和约120%，极大促进了北太平洋生物物质的繁盛，并可能改变了浮游植物种群结构，大量消耗了大气中二氧化碳，造成全球气候进一步变冷。
图2 塔里木沙尘（<5微米）360万年以来铁化学形态组成（A-D）及其与赤道太平洋PC932孔生物记录的对比（G-L）
80万年后，随着输入太平洋的全铁和Fe2+增多，PC932孔浮游植物群落结构发生转型，由固碳作用相对较弱的alkenones（颗石藻，钙质）转变为更强的epibrassicasterol（硅藻）和dinosterol（鞭毛藻）。
该研究首次提出相较粉尘的通量变化，亚洲沙尘的二价铁含量对太平洋的浮游植物生长更为关键，同时高原冰川侵蚀过程可能是主控亚洲沙尘铁化学形态变化的关键因素。上述发现为深入理解“亚洲粉尘铁输入增加—海洋生物固碳作用增强-大气CO2降低—全球气候变冷”这一地球科学领域重要的碳循环正反馈机制提供了最直接的证据，并深化了对该机制的认识。
图3 高原北部冰川侵蚀增强驱动亚洲沙尘Fe化学组成和太平洋生态系统转型
上述成果以“Mid-Pleistocene links between Asian dust, Tibetan glaciers, and Pacific iron fertilization”为题，以研究论文（Research article）形式发表。我所昝金波研究员为论文第一和共同通讯作者，方小敏研究员为策划和合作者。该研究得到第二次青藏高原综合科学考察研究（2019QZKK0602）、国家基金委青藏高原地球系统基础科学研究中心项目（41988101-01）和中科院青年创新促进会优秀会员项目（Y202023）等联合资助。
