【原】黄沙能孕育海洋的生态系统是真的吗？ ~根据海水中的石英粒子推测黄沙向海洋的沉积通量~

Wsz6868 2023-09-30 发布于浙江

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黄沙能孕育海洋的生态系统是真的吗？~根据海水中的石英粒子推测黄沙向海洋的沉积通量~

2023.09.29

国立研究開発法人海洋研究開発機構

国立大学法人北海道大学

国立大学法人広島大学

国立大学法人九州大学

1. 发表要点

通过将电镜阴极发光分析( SEM-CL )※1应用于海水中少量石英粒子的独特方法，揭示了沙尘暴※2在西部北太平洋亚寒带的沉积通量※3和季节性。
据了解，海洋中浮游植物必需微量营养素“铁”的主要来源，有4成左右是通过沙尘等经由大气进入海洋表层的。
从数量上印证了黄沙对人类生活和健康的不利影响，在海洋中通过铁的供给，在支撑西部·北太平洋的海洋生态系统中起着重要的作用。

解説図

用語解説

※1 电子显微镜阴极发光分析( SEM-CL ) :利用向固体物质照射电子束时，根据固体中的结构缺陷和杂质元素等放出的发光现象(阴极发光)，用电子显微镜调查固体的电子状态的分析法。 ※2 黄沙:指在中国和蒙古的干燥区域，被强风卷起到大气中，通过偏西风向东下风区域输送的沙尘。 ※3 沉积通量:单位时间单位面积的沉积量。

2. 概要

国立研究开发法人海洋研究开发机构(理事长大和裕幸，以下称为“JAMSTEC”。 )地球环境部门地球表层系统研究中心为了调查现在正在进行的各种环境变化对海洋生态系统的影响，从2005年开始在以观测点K2 (北纬47度，东经160度，图1 )为中心的西部北太平洋亚寒带进行大气海洋观测。该中心的长岛佳菜副主任研究员等与北海道大学、广岛大学、九州大学的研究者共同新开发了对沉积在海洋上的黄沙通量进行定量评价的分析方法，成功地阐明了黄沙在海洋上的沉积通量及其季节性。本研究进一步调查了黄沙在海洋中沉积时，一部分矿物粒子向海水中溶解的“铁”(溶解铁※4 )的量是否多到足以影响西部北太平洋亚寒带海洋的基础生产※5。铁是浮游植物进行光合作用的必需营养素，但在北太平洋亚寒带，由于海洋表层铁的不足，基础生产受到限制。另一方面，海洋的基础生产通过二氧化碳的吸收，起到了促进大气中二氧化碳的海洋吸收的作用，因此黄沙的铁供给，有可能通过基础生产，影响到本海域的二氧化碳吸收量。因此，以黄沙在海洋上的沉积通量为基础，计算了黄沙提供给该海域表层的溶解铁的量。结果表明，在海洋基础生产提高的4-7月份，日均为0.9 ±0.3 µg m-2。据悉，该量接近近年来作为本海域主要的铁供给源备受关注的、从海洋中层向表层供给的溶解铁的量(本研究推测:每天约2.2 µg m-2 )的一半，黄沙是仅次于海洋中层水的溶解铁的供给源。作为通过大气向海洋的铁供给源，除了黄沙之外，还伴随着化石燃料的燃烧过程等的人为起源气溶胶传播※6广为人知。据推测，人为起源气溶胶传播产生的溶解铁的供给量为黄沙的一半左右，其中包括黄沙产生的溶解铁在内的“通过大气供给溶解铁”的总量，承担着包括来自海洋中层的溶解铁供给在内的全部铁供给的4成左右。这个结果意味着，一直被认为是对居住在东亚的人们健康造成不良影响的“坏蛋”的黄沙和人为起源气溶胶传播，在海洋中通过铁的供给，对海洋基础生产发挥了巨大的作用。可以预想沙尘暴和人为起源气溶胶传播将来的产生量·输送量的变化会改变西部北太平洋亚寒带的生态系统和这个海域的二氧化碳量·吸收量，今后有必要关注。本成果于9月29日(日本时间)刊登在《Scientific Reports》上。另外，本研究得到了日本学术振兴会科学研究费( JP19H05669、JP20H04329、JP20H04350JP20H04350 )的资助。

论文信息

标题 Asian dust deposition flux to the sub arctic Pacific estimated using single quartz particles 作者长岛佳菜1、川上创1、杉江恒二1、藤木彻一1、西冈纯2、岩本洋子3、竹村俊彦4、宫川拓真1、竹谷文一1、野口真希1 所属 1 .海洋研究开发机构，2 .北海道大学，3 .广岛大学，4 .九州大学 DOI 10.1038/s41598-023-41201-6 论文公开日日本时间2023年9月29日

用語解説

※4 溶解铁:指在水中溶解的铁。浮游植物容易吸收。 ※5 海洋的基础生产:指浮游植物等藻类等的光合作用，从含碳的无机物(主要是二氧化碳)中产生有机物。 ※6 人为起源气溶胶传播:由人类活动排出，在大气中浮游的硫酸盐、硝酸盐等微小粒子。有报告称，人为起源气溶胶传播中所含铁显示出在水中的高溶解率，作为海洋植物浮游生物利用的铁的供给源发挥着重要的作用。（2019年5月2日既報）

3. 背景

西部北太平洋是浮游植物等初级生产者对二氧化碳的吸收能力世界最大，且各海域渔获量高的丰富的海洋。另外，由于属于中高纬度偏西风带，在其上风处有塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠等广阔的沙漠区域，从这些沙漠区域每年大量排出的黄沙，在被风吹走数千公里后沉积在海洋上，会对海洋生态系统造成怎样的影响，长期以来备受关注。其中，在北太平洋亚寒带，已知生物必需的微量营养盐铁的不足限制了海洋的基础生产(例如Duce and Tindle，1991 )，黄沙的量可能规定了基础生产的量。另外一方面，向该海域铁供给工序除了通过从沉积在海洋上的黄沙或人为起源气溶胶传播等溶出的大气进行供给之外，还可以通过来自以鄂霍次克海为起源的富含铁的中层水的海洋中层的供给(例如，Nishioka et al， 2020 )，明确通过黄沙等大气的铁供给量占全部铁供给的多大程度，调查来自大气的铁供给是否会对该海域的基础生产产生影响，对理解该海域的生态系统很重要。但是，沉积在海里的黄沙量的实测困难，成为了掌握来自大气的铁供给量时的障碍。为什么这么说呢？因为海水中除了黄沙粒子之外，还存在着来自周边陆地区域的火山喷发物、由洋流从远方运来的东西等各种各样的粒子，用以前的方法无法区分这些粒子的起源，所以没有直接的测定黄沙量的方法。因此，作为独自的尝试，本研究关注了黄沙的主要构成矿物石英，对海水中微量存在的石英粒子进行了SEM-CL分析，确定了石英的供给源。其次，求出了来源于黄沙的石英量，推算了沉积在海里的黄沙通量。

4. 成果

本研究成功地揭示了(1)通过应用SEM-CL法的独特技术，从海洋观测中发现了黄沙在海洋上的沉积通量；(2)从数量上揭示了黄沙对西部北太平洋亚寒带海洋生态系统的影响。 (1)探明黄沙在海洋上的沉积量如图1所示，向观测点K2输送的石英粒子的主要供给源可以是黄沙的主要发生源塔克拉玛干沙漠、戈壁沙漠等东亚地区，鄂霍次克海、白令海及其周边的陆地，以及千岛群岛和阿留申列岛上大量存在的火山喷发物。

图1 .西部北太平洋亚寒带观测点K2及向该海域输送的石英颗粒的供应源候选地 (由地理院地图https://maps.gsi./加工制成) 作为主要的供给源，可以考虑以塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠为代表的东亚沙漠地区、鄂霍次克海、白令海、阿留申列岛以及千岛群岛的火山。

因此，使用在这些供给源中得到的沙漠砂和海水过滤试样，分别对几十~几百个石英粒子进行了SEM-CL分析。 SEM-CL分析方法的优点在于，如图2(A )所示，利用石英的每个粒子的“偏差”( Nagashima et al .，2017 )。一般来说，在使用各种元素的同位素比等的供给源推定法中，由于是根据粒子群的“平均值”推定供给源，所以存在难以区分各个供给源并讨论其混合比的问题。因此，本研究通过将SEM-CL分析中每个粒子的“偏差”应用于海水中的石英，使得区分存在多个石英粒子的供给源成为可能。通过电子束照射得到的CL光谱※7 (图2(B ) )可以大致分为显示以变质岩、深成岩、火山岩等为母岩的石英粒子的3个团簇※8 (图2(C ) )。根据岩石类型而表现出不同的CL光谱的理由是，对于每个岩石类型，石英晶体生成时的温度、冷却速度、生成后受到的热或压力环境不同，在石英晶体中会产生各类型特有的晶体结构的紊乱或杂质(例如，Götze et al .，2001 ) 计算各供给源区域的石英粒子的集群组成( 3个集群的聚集情况)后，发现根据供给源的不同具有不同的集群组成，通过使用该组成可以识别供给源(图2(C ) )。因此，在2003-2022年期间在各个季节实施的9个航海(海洋地球研究船“未来号”等)中，对从观测点K2水深10-20m采集的石英粒子同样进行SEM-CL分析，调查团簇组成，与供给源候补地的值进行比较结果表明，输送到观测点K2的石英粒子分布在连接东亚沙漠地区和火山石英的线上，是它们的混合(图2(C ) )。利用该结果，通过减去来自火山的石英的贡献，可以计算出东亚沙漠地区起源的石英粒子数。

图2 .通过单个石英颗粒的SEM-CL分析估计供应源 ( a )利用基于个别粒子分析的每个粒子的测定值的偏差的供给源推定的模式图。根据偏差的评价，可以确定供给源。 ( b ) SEM-CL设备照片和分析的示意图。过滤器上的石英粒子(对于黑色的过滤器，看起来白色的是石英粒子)一粒粒地照射电子射线，得到粒子放出的CL光谱。 ( c )基于个别石英粒子CL光谱的观测点K2试样(◆标记)的团簇组成、和以东亚沙漠区域、白令海、鄂霍次克海、火山喷出物为代表的石英粒子的团簇组成(表示越接近三角形的各顶点，各团簇的比例越多) 观测点K2的石英可以用东亚沙漠及火山来源石英的混合来说明。

接着，以得到的沙漠为起源的海水中来自黄沙的石英粒子数为基础，计算黄沙的沉积通量，调查其季节变动后，发现黄沙沉积通量在4-6月左右增加，然后逐渐减少(图3 )。计算每年的黄沙沉积通量，约为0.4 g m-2。将该数值转换为全球气溶胶传播气候模型miroc-sprint ars ( model for inter disciplinary research on climate coupled with the spectral radiation-transport model for ars ) s )，通过观测估算的观测点K2黄沙沉积通量与数值模型结果一致，印证了数值实验和基于观测的本研究各自独立估算的可靠性之高(图3 )。

图3 .观测点K2处黄沙沉积通量的估算结果和季节变化观测点K2的3个点的移动平均值(紫线)表示与水色条所示的用MIROC-SPRINTARS推定的黄沙沉积通量类似的值、季节性。

(2)沙尘暴对海洋生态系统的铁供应估算根据SEM-CL分析表明的黄沙沉积通量，考虑黄沙中铁的溶解度，计算溶解铁的供给通量，可知在浮游植物生产活跃的4-7月，每天供给0.9 ± 0.3 µg m-2的铁在评估该量是多还是少时，衡量标准的是来自被认为是主要溶解铁供给源的海洋中层的溶解铁供给通量。因此，根据观测点K2的表层到深层的铁浓度分布及其季节变化，计算了通过冬季混合等从中层供给到表层的溶解铁的量。结果如图4所示，从中层向表层的溶解铁供给焊剂的合计每天约为2.2 µg m-2，黄沙的铁供给达到来自中层的铁的近一半。另外，作为通过大气向海洋的铁供给源，加上有报告显示提供了黄沙约一半的溶解铁的人为起源气溶胶传播( Kurisu et al .，2021 )的贡献，明确了通过大气供给溶解铁，占包括来自海洋中层的铁供给在内的溶解铁供给焊剂整体的约4成。

图4 .西部北太平洋亚寒带的海洋环境(水温、混合层深度)、海洋基础生产、大气和海洋中层的铁供给量季节性示意图

用語解説

※7 CL光谱:按波长分解阴极发光的发光，作为各波长的强度表示的。 ※8 集群:指根据相似度划分数据集合时的集团。

5. 今后的展望

沙尘暴在我们的生活中，对健康的危害和能见度差等负面因素备受关注，但在海洋中，它成为生物重要的铁的供给源，本研究从数量上确认了其有积极的一面。随着全球变暖，海洋的成层化※9的推进，可以预想从海洋中层提供给表层的铁的量会减少。在这种情况下，可以预想到黄沙提供铁的重要性将会进一步提高，而另一方面，根据观测，黄沙在过去几十年间也随着变暖而产生量减少( Wu et al .、 2018 :解说文章ref.https://www.jams tec./j/pr/topics/column-2023 04 13-2/)，就这样黄沙产生量持续减少，还是在某个地方转为增加，是掌握西部北太平洋亚寒带基础生产和二氧化碳吸收能力未来的关键。连接陆地、大气和大海的黄沙，今后也会仔细调查其复杂的举动，解开逼近我们身边的气候变化。

用語解説

※9 海洋分层:海洋内部主要存在水温随深度从海面减少而形成的密度分层，具有使海水难以在上下方向上混合的作用。密度成层发达，该作用被强化，这被称为成层化。随着全球变暖，海水表层的水温上升，可以预想成层化的进展。

参考文献

文献1

Duce, R. A. and Tindale, N. W. (1991) Chemistry and biology of iron and other trace metals. Limnol. Oceanogr. 36, 1715-1726.

文献2

Götze, J. et al. (2001) Origin, spectral characteristics and practical applications of the cathodoluminescence (CL) of quartz—A review. Mineral Petrol. 71, 225–250.

文献3

Kurisu, M. et. al. (2021) Contribution of combustion Fe in marine aerosols over the northwestern Pacific estimated by Fe stable isotope ratios. Atmos. Chem. Phys. 21, 16027–16050.

文献4

Nagashima, K. et al. (2017) Composition of Asian dust from cathodoluminescence spectral analysis of single quartz grains. Geology 45, 879–882.

文献5

Nishioka, J. et al. (2020) Subpolar marginal seas fuel the North Pacific through the intermediate water at the termination of the global ocean circulation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 117, 12665–12673.

文献6

Wu, C. et al. (2018) Can climate models reproduce the decadal change of dust aerosol in East Asia? Geophysical Research Letters 45, 9953–9962.

本研究の咨询方式国立研究开发法人海洋研究开发机构地球环境部门地球表层系统研究中心副主任研究员长岛佳菜国立大学法人北海道大学低温科学研究所附属环鄂霍次克观测研究中心教授西冈纯国立大学法人广岛大学研究生院综合生命科学研究科副教授岩本洋子国立大学法人九州大学应用力学研究所教授竹村俊彦新闻发言人国立研究开发法人海洋研究开发机构海洋科学技术战略部新闻办公室国立大学法人北海道大学社会共创部宣传科国立大学法人广岛大学宣传室国立大学法人九州大学宣传科