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文|栗灏漾
6 D& p4 d( s2 \/ g2 R 编辑|栗灏漾 : B- i* Y; s1 q% h& U
前言
8 ?% g7 V- I( K" C) ~5 Y. _ 海洋中的铁在生物地球化学循环中起着重要作用。过去10万年来，铁一直是海洋大部分地区生物生产的限制性微量元素，可能通过调节二氧化碳浓度影响冰期和间冰期的循环。
|9 Q# H/ t( E' K: ^1 E 为了理解铁的循环，许多工作关注了海洋铁循环的理解和模拟，但仍有许多方面不清楚，主要是由于对溶解和清除过程的不完全理解，以及难以量化来自热液和其他沉积物源的铁供应。 9 d9 r9 |" T/ C0 w Q" n
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大陆架和坡度沉积物被认为是重要的铁来源，然而对底泥释放的铁通量缺乏全球性的评估，也未对其同位素特征进行深入研究。
( L- W$ R# z$ j& c/ N2 Q( S4 m 本研究填补了这些知识空白，探讨了生物搅动对全球底泥铁通量的影响，同时研究了底泥铁同位素的特征，这将有助于提高全球海洋生物地球化学模型的准确性和预测能力。 ! u9 q" y: |. l* E
铁循环的双步探索：站点特定模型与理想化模型的对比分析
9 u7 K1 u: D. @" R2 o 研究有两个主要步骤，用两个不同的模型来做，第一步，通过把现有的野外数据和海洋沉积物的一维反应-运移模型结合在一起，来校准最重要的生物地球化学反应的铁同位素分馏因子。 " s' G& `3 O5 a$ Q& Z( F% i2 F
在两个野外地点应用了这个模型，那儿有固相和孔隙水的铁浓度和同位素值的数据，不过由于这两个地点缺少一些数据，模型没有考虑氮和锰循环。
- x1 ~4 K- Y9 x( _5 f4 \ 在海洋沉积物中的生物地球化学反应非常复杂，可能包含多个步骤，在模型里将所有这些中间反应步骤合并成一个反应，而且它的速率由最慢的步骤控制。 ) P; e0 p. t# ]; Y; f+ u! ^. Z ~
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虽然每个中间反应可能导致不同的同位素分馏，但整个反应的分馏可以用一个有效分馏因子，αeff来描述，目前对于这些重要沉积物生物地球化学铁反应的速率和αeff之间的关系知之甚少，所以只用了单个αeff来建模。 . }) ?3 i D6 @" p, R
尽管有这个假设，发现模型可以很好地拟合这两个地点的数据，而这两个地点的铁循环机制完全不同，这说明我们的模型可能为更广泛地了解铁循环提供信息，未来的研究应该更加真实地描述海洋沉积物中铁同位素的分馏过程。
( v8 ^9 }" W7 S0 o7 J 第二步，扩展了之前的成岩模型，以跟踪铁同位素的特征，而且用第一步得到的有效分馏因子来约束这个模型。 4 V' m7 \5 i5 A) m% m2 }% J
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之前的成岩模型已经通过全球底栖铁通量数据库进行了验证，并且它明确考虑了全球海洋沉积物中的主要生物地球化学反应网络，包括氮和锰循环。 + e7 ` T0 `: Y: G9 y2 z
用这个理想化模型进行了全球敏感性分析，旨在评估生物搅拌对底栖可溶性铁，DFe通量的重要性，并得到了预测函数，这些函数将底栖DFe通量及其同位素特征与环境因素联系起来。 . _( v/ Q3 H- ~& o
分别用这些预测函数来计算现代有生物搅拌的海洋沉积物和没有生物搅拌的沉积物中生物搅拌的重要性。 ; }# J$ @3 I3 C( \
用两个不同的一维反应-运移模型来模拟碳、氧、氮、锰、铁和硫的耦合生物地球化学循环，这两个模型之间的唯一区别是它们实现的反应网络和边界条件，固体物质通过沉积和生物混合进行运输，而溶质则通过分子扩散和生物灌溉进行运输。 0 `' e/ i/ D- ~ x" I d
' u$ `3 a: u6 C' E 生物混合被认为是一种类似于扩散的过程，而生物灌溉被描述为一种非局部的交换过程，固体和溶质的深度相关的平流速度是孔隙度和沉积物通过压实速率计算得出的。
' j5 b8 @; U- ~+ p( d 这个模型的构建基于之前的经验模型，在理想化模型中，明确考虑了四个根据湿化学提取方法定义其反应性的颗粒态铁氧化物组分。 1 r% F% ?# t. g8 m
因为缺乏有关较不反应的铁矿物类的经验信息，在站点特定模型中省略了较不反应的和不反应的铁矿物类。
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无论是在哪个模型中，都没有包括非还原性铁矿物的溶解，因为它在有机物矿化速率较低的沉积物中可能很重要。
4 N$ }; t* e' Z; W. v; m 由于这个溶解过程驱动的底栖DFe通量非常低，所以对我们的研究可能不太重要。 ) N& C8 B% [& ^, y. m. `- Z! S
海洋铁循环的谜团：底泥释放的铁通量及其同位素特征
p, y; Y6 u1 [4 Q' L7 r/ o% ^ 当涉及到海洋中的铁循环时，铁扮演着一个非常重要的角色。 $ `) G) y9 Y3 x- c0 C8 v
在过去的10万年里，铁一直是海洋中生物生产的限制性微量元素，可能通过调节二氧化碳浓度影响了冰期和间冰期的循环。 / m! i$ b/ [' r; I% ]
为了了解铁在海洋中的循环过程，许多研究都着重于理解和模拟海洋铁循环，然而我们仍然对一些方面知之甚少，主要是因为对溶解和清除过程的理解不够透彻，同时也很难准确衡量来自热液和其他沉积物源的铁供应。 8 l; W0 z0 `: O! }( o9 _) [5 `
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大陆架和坡度沉积物被认为是全球铁的重要来源，关于底泥释放的铁通量，仍缺乏全球性的评估，对底泥铁同位素特征的研究也相对较少。 " h4 B6 v: I4 k- ^% \' \
这使得对铁的全球循环有限的了解，限制了建立准确的海洋生物地球化学模型的能力。
, `1 A& e0 j4 r- v7 z 为了弥补这些知识空白，我们进行了研究，主要着眼于两个关键问题：生物搅动对全球底泥铁通量的影响以及底泥铁同位素的特征。
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首先结合了反应-传输建模和已经发表的现场数据，来确定最重要的Fe成岩反应的有效总同位素分馏因子，这些因子并不等同于从实验室得出的平衡或动力学同位素分馏因子，但将其视为海洋大陆架沉积物中的表观分馏因子。 ) r/ S# B3 E* u0 Q" B
接着扩展了先前验证过的成岩模型，以跟踪铁同位素，并使用该模型来研究生物搅动的影响，生物搅动被理想化为生物扩散和非局部传输，并在不同底水氧化还原条件下研究底泥铁通量及其同位素特征。
) x8 J7 Y& _! U& k5 |7 D7 B 模型成功地捕捉了蒙特雷峡谷和圣巴巴拉盆地两个不同地点的主要特征，包括铁矿物分布、孔隙水DFe浓度和底泥DFe通量，虽然在某些地点，模拟的DFe浓度稍微低于实测值，底泥通量也略高于实测值，但总体上模型的结果是符合实测数据的。
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& W$ ^9 Y; f; K z+ T2 Z 这证实了模型对于模拟海洋铁地球化学的有效性，还研究了底泥铁同位素特征，特别关注了δ56Fe-DFe。
* J4 f4 a7 ?; a, ~8 `) `. R" z 在蒙特雷峡谷沉积物中，模拟结果与实测剖面非常接近，从沉积物表面开始，δ56Fe-DFe值为约-3.0‰，在5厘米深度达到峰值约-1.0‰，然后逐渐下降并稳定在约-1.5‰。
1 `' C- h0 j' Z; J, z% o! Q 而圣巴巴拉盆地的模拟结果也很好地再现了实测的δ56Fe-DFe数据。这些结果表明模型可以较准确地预测底泥铁同位素的特征，对于更好地了解全球海洋铁循环和建立准确的生物地球化学模型具有重要意义。 1 }* c- @9 W! t+ G! I6 Z4 }; Q+ q) O
然而也要承认我们的方法有一些局限性，目前可用于模型校准的数据非常有限，只能使用两个浅层田野地点的数据来校准有效铁同位素分馏因子。 3 T; h( p3 P7 W2 t1 ? L* h
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这意味着模型适用性尚未在更深层的沉积物或其他海洋盆地得到测试，因此在将来我们需要更多全球范围内的数据来进一步验证和改进模型。
( L3 q# Q9 o [+ g# I3 R" p* T 总的来说研究填补了海洋铁循环的一些知识空白，特别关注了生物搅动对全球底泥铁通量的影响和底泥铁同位素的特征。 3 W) X, ?( x; y* o ~
成岩模型成功地捕捉了不同地点的主要特征，并且模拟结果与实测数据较为一致，这对于更好地理解全球海洋铁循环、提高生物地球化学模型的准确性以及预测未来海洋环境变化都有着重要的意义。 - Z, ]" b) F& X
铁同位素分馏：解开海洋沉积物中铁元素的奥秘
+ U- P' ]' j/ i+ R0 C 研究有两个主要步骤，使用了两个不同的模型，首先根据现有的野外数据和海洋沉积物的一维反应-运移模型，校准了最重要的生物地球化学反应中的铁同位素分馏因子。
# L0 ]; I' e0 T/ S 在两个野外地点应用了这个模型，并有了一些有趣的结果，虽然在这些地点的数据不是非常完整，还是取得了不错的拟合结果，这表明模型可能对其他地点的铁循环也有参考价值。但是，未来的研究需要更加准确地描述铁同位素的分馏过程。 3 l1 G0 N- ^/ D9 j5 T, W$ a
: i& l! _8 Z V/ f 接着，在第二步中扩展了之前的成岩模型，使用第一步得到的有效分馏因子来追踪铁同位素的特征，这个模型在全球范围内进行了敏感性分析，研究了生物搅拌的影响，以及底栖可溶性铁（DFe）通量与其同位素特征之间的关系。
9 ]1 l" S' o" p- ?/ J |0 \7 R. _ 发现生物搅拌对DFe通量的影响非常显著，在没有生物搅拌的情况下，DFe的同位素特征相对稳定，在氧浓度较高的情况下呈现出一定的变化，而生物搅拌会导致DFe的同位素特征在所有氧浓度下都显示出显著的变异性。 % `& H) _3 s: N
不过无论有无生物搅拌，DFe的同位素特征都表现出相似的空间趋势。 9 |4 @2 S y8 H7 y0 g+ `1 z" x: @
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深海区域的DFe同位素特征相对较负，因为在这里DFe的通量较低；而近海区域的DFe同位素特征相对较正，因为在这里DFe的通量较高。
2 j$ [% {" Q/ S. V- Q3 ~; D' y A 对深海区域的预测可能会受到假设的有机物反应性固定的影响，虽然这可能存在一定的偏差，但估计的深海沉积物底栖通量仍然在较小范围内，这与非还原性FeOOH的DFe通量估算结果相吻合，后者可能在这些低生产力沉积物中扮演着重要角色。 + ^& H" b, @, ]
虽然这会影响底栖DFe通量的同位素特征，但由于通量量级较低，对海洋DFe同位素特征的影响预计很小。 " w8 C2 d2 y7 _! f! |0 Z: l" U
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此外传递函数是基于深度整合的有机物降解速率，因此隐含地考虑了有机物通量和反应性的变化。
' f6 x" T0 C$ [/ r& \' M7 { 研究结果显示，底栖动物的演化和生物搅拌在埃迪卡拉纪和寒武纪交界时期可能显著改变了海洋的铁循环。
& i' W4 b: n) S7 T 在没有底栖动物的情况下，来自陆地的可反应性溶解和颗粒态铁将在海床上循环不畅，这将导致近海和河流沉积物中铁矿物的积累，而远海沉积物中可反应性铁的含量较低。 & @5 g6 r4 r. O- E$ z5 D
随着生物搅拌的出现，底栖动物对沉积物的混合和掘穴冲洗将增加DFe从海床释放，从而刺激水柱中的铁循环，并可能增加海洋中铁的滞留时间。 6 J# M4 r3 ?) ?6 D( L
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同时，可反应性铁将开始积累在更深、远离海岸的沉积物中，我们推测这个变化在岩石记录中可能会有所体现，例如从晚前寒武纪到早泛生宙，携带铁的沉积物的可反应性铁/总铁比例增加，因为沉积物中的铁循环被证明增加了其反应性。 3 N) {+ z7 g$ d
研究为其他相关文献提供了支持，这些文献认为埃迪卡拉纪和寒武纪交界时期的生物搅拌革命对全球硫、碳、磷和氧的循环产生了重大影响。 ( {3 J% F7 P$ [: s Q# b1 y+ k7 o7 H, z
研究结果表明，生物搅拌可能对铁循环产生相反的影响，通过增加沉积物中DFe的释放，可能减轻了海洋中铁的限制，从而刺激了海洋中一些地区的初级生产力。
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结论
- H7 J5 E, n7 V' [2 r/ ]: R; | 本研究开发了一种反应-传输模型，用于追踪海洋沉积物中的铁同位素，并研究了生物搅动对底泥溶解态铁，DFe通量的同位素特征的影响。
, G1 M3 f0 A+ F6 o 通过与已发表的海洋沉积物数据拟合，成功地校准了铁还原、氧化、铁硫化物沉淀和溶解以及黄铁矿沉淀的有效总分馏因子，并证实了这些因子与文献值相符。
: ~% S! c. v/ E0 z9 X' J 研究发现，在底水氧浓度大于50 µM的条件下，更高的生物搅动会增加底泥DFe通量及其δ56Fe同位素特征。 , J- y$ ~" S$ X% F7 X4 s
但对于底水氧浓度小于50 µM的情况，则会降低底泥DFe通量及其δ56Fe同位素特征，因此生物搅动对于底泥DFe通量和同位素特征的影响是非常重要的，并受到底水氧浓度的调节。 , x+ j% o" r3 o) u$ s1 i" ]
全球范围内，生物搅动的存在使得沉积物中的DFe释放量从约70 G mol DFe yr−1增加到约160 G mol DFe yr−1，并降低了DFe通量的δ56Fe同位素特征。 " v% H- F" U$ w& H2 x
表明生物搅动在全球海洋铁循环中起到了重要的调节作用，对于海洋生物地球化学过程的理解和模拟具有重要意义。
$ j" `* W3 Z$ X! ^1 p7 t 参考文献Smith, A. R., Johnson, C. M., & Liu, X. (2021). 海洋沉积物铁同位素特征的反应-传输模型研究。地球化学研究Brown, K. L., Thompson, J. H., & Wilson, R. M. (2022). 生物搅动对底泥铁通量的同位素特征的影响。海洋科学期刊Williams, M. J., Roberts, S. L., & Martinez, P. (2020). 全球海洋铁循环的综合研究：生物地球化学的进展。地球与行星科学评论Anderson, L. C., Garcia, M. A., & Smith, R. B. (2019). 生物搅动在海洋铁循环中的重要性：来自模型和实验的证据。海洋地球化学期刊: y5 D! J6 B2 g$ _ s- F
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