在海洋中播撒铁可能不会影响气候变化

从历史上看，海洋承担了地球从大气中吸收二氧化碳的大部分重任。浮游植物是一种被统称为浮游植物的微生物，它们生长在阳光普照的海洋表面，通过光合作用吸收二氧化碳。

为了帮助遏制由于燃烧化石燃料而产生的不断增加的二氧化碳排放，一些科学家提议在海洋中播种铁——一种可以刺激浮游植物生长的基本成分。这样的“铁肥”将培育出广阔的浮游植物新领域，特别是在通常缺乏海洋生物的地区。

麻省理工学院的一项新研究表明，铁的ferilization可能不会对浮游植物的生长产生重大影响，至少在全球范围内不会。

研究人员研究了浮游植物、铁和海洋中帮助浮游植物生长的其他营养物质之间的相互作用。他们的模拟表明，在全球范围内，海洋生物通过这些相互作用调整了海洋化学，进化到维持海洋铁的水平，支持世界各地微妙的营养平衡。

“根据我们的框架，铁肥不能对海洋中的碳总量产生显著的总体影响，因为微生物所需的铁总量已经恰到好处了，”该研究的主要作者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系的研究科学家乔纳森·劳德代尔说。

该论文的共同作者是Rogier Braakman, Gael Forget, Stephanie Dutkiewicz，以及MIT的Mick。

配体汤

浮游植物赖以生长的铁主要来自席卷大陆并最终在海洋水域定居的尘埃。虽然大量的铁可以通过这种方式沉积下来，但这些铁中的大部分会因为没有使用过而迅速沉入海底。

“根本的问题是，海洋微生物需要铁来生长，但铁不会在周围徘徊。它在海洋中的浓度非常小，是一种宝贵的资源，”劳德代尔说。

因此，科学家们提出了铁施肥的方法，将更多的铁引入到系统中。但是，如果浮游植物与某些有机化合物结合在一起，使铁保持在海洋表面，而这些有机化合物本身是由浮游植物产生的，那么浮游植物获得铁的可能性就大得多。这些被称为配体的化合物构成了劳德代尔所说的“成分汤”，这些成分通常来自有机废物、死细胞或铁离子——微生物进化后专门与铁结合的分子。

在生态系统的尺度上，我们对这些铁捕获配体了解不多，研究小组想知道这些分子在调节海洋的能力以促进浮游植物的生长并最终吸收二氧化碳方面起什么作用。

“人们已经了解了配体是如何与铁结合的，但还不知道这种系统在全球范围内的突发性，也不知道这对整个生物圈意味着什么，”Braakman说。“这就是我们试图在这里建立的模型。”

铁甜点

研究人员开始描述铁、配体和大量营养元素(如氮和磷酸盐)之间的相互作用，以及这些相互作用如何影响全球浮游植物的数量，同时也影响海洋储存二氧化碳的能力。

该团队开发了一个简单的三盒模型，每个盒子代表一个一般的海洋环境，其中铁元素和宏量营养素的比例特别平衡。第一个方框代表遥远的水域，比如南大洋，那里通常有大量的宏量营养素从深海上涌。由于它们离任何大陆尘源都很远，所以含铁量也很低。

第二个方框代表北大西洋和其他拥有相反平衡的水域:由于靠近尘土飞扬的大陆，铁含量高，而宏量营养素含量低。第三个盒子代表深海，那里有丰富的宏量营养素，如磷酸盐和硝酸盐。

研究人员模拟了三个盒子之间的一般环流模式，以代表连接世界上所有海洋的全球洋流:环流从北大西洋开始，潜入深海，然后上升到南大洋，再回到北大西洋。

研究小组设定了每个盒子里铁元素和宏量营养素的相对浓度，然后运行该模型，观察浮游植物在每个盒子里一万多年的生长演变。他们进行了10000次模拟，每一次都有不同的配体性质。

通过模拟，研究人员发现了配体和铁之间的一个关键的正反馈回路。配体浓度较高的海洋，浮游植物生长和产生更多配体所需的铁浓度也较高。当微生物有足够的铁来饱食时，它们会消耗同样多的其他营养物质，如氮和磷酸盐，直到这些营养物质完全耗尽。 

对于配体浓度低的海洋来说，情况正好相反:配体浓度低的海洋中可供浮游植物生长的铁较少，因此总体上生物活动很少，导致宏量营养素消耗较少。

研究者还发现配体浓度的模拟范围狭窄,导致一个甜点,那里有适量的配体对浮游植物生长提供足够的铁,同时也留下适量的营养素剩下来维持一个全新的循环增长在所有三个海洋框。

当他们将模拟结果与现实世界中营养素、铁和配体浓度的测量结果进行比较时，他们发现模拟的最佳点范围是最接近的。也就是说，在自我强化和自我可持续的资源平衡中，世界上的海洋似乎有适量的配体，因此也有适量的铁，可以最大限度地增加浮游植物的生长，并最大限度地消耗大量的营养素。

如果科学家们广泛地向南大洋或任何其他缺铁的水域施铁肥，这种努力将会暂时刺激浮游植物生长，并吸收该地区所有可利用的宏量营养素。但最终将不会有大量的营养元素留下来循环到其他地区，比如北大西洋，那里依赖这些大量的营养元素，以及来自灰尘沉积物的铁，来维持浮游植物的生长。最终的结果将是北大西洋浮游植物的减少，而全球二氧化碳的减少不会显著增加。

劳德代尔指出，用铁肥南大洋可能还会产生其他意想不到的影响。

劳德代尔说:“我们必须把整个海洋看作是一个相互联系的系统。”他还说，如果北大西洋的浮游植物数量骤减，那么食物链上端依赖微生物的所有海洋生物数量也会骤减。

劳德代尔说:“南大洋以北大约75%的产量是由南大洋的营养物质提供的，而北大洋是大多数渔场所在的地方，也是对人类生态系统有很多好处的地方。”“在我们向南大洋倾倒大量的铁和吸取营养之前，我们应该考虑下游可能出现的意外后果，这些后果可能会使环境状况变得更糟。”

这项研究部分得到了国家科学基金会、戈登和贝蒂·摩尔基金会以及西蒙斯基金会的支持。