昝金波
“你是风儿，我是沙，缠缠绵绵到天涯”。这动人的歌词，在地球科学家眼中，描述的是一场规模宏大、持续数百万年，并深刻影响全球环境的史诗级旅程。每年，超过40亿吨的粉尘从陆地扬起，在大气环流的驱动下开启跨越山海的远征（图1）。它们不仅仅是一粒粒的沙尘，更是连接陆地、大气与海洋的关键纽带，悄然调控着全球的碳循环与气候格局。
最新研究通过系统分析全球22条海洋岩芯这一“深海档案”，不仅厘清了2500万年来全球粉尘沉积的演化规律，更关键的是，解开了不同“产地”粉尘“肥力”差异之谜。研究揭示，受青藏高原冰川侵蚀作用影响强烈的亚洲内陆粉尘具有独特的矿物学和地球化学特性，其海洋施肥效应远高于北非长期氧化的粉尘，在全球碳循环与气候调控中扮演着关键角色。
图1 全球粉尘源区、输送路径及排放沉降通量（Zan et al., 2025）。
冰期-间冰期旋回中，北半球始终主导全球粉尘排放，其中北非与亚洲干旱区作为主要粉尘源区，贡献了约90%的大气粉尘总量。
1 倾听深海：22条岩芯讲述的全球粉尘故事
要理解数百万年来的粉尘变化，我们必须找到可靠的“历史记录者”。深海之下，层层堆积的海洋沉积物，特别是其中的风尘组分，正是记录地球粉尘通量变化的绝佳载体。它们如同厚厚的历史年志，默默记载着远古大气粉尘的演化历史与气候的变迁。
然而，科学界长期面临一个挑战：单一地点的岩芯记录如同“孤证”，可能受到局部洋流、地形等因素的干扰，无法代表全球整体的真实情况。
为此，研究团队通过系统性地集成来自全球各大洋的22条高质量海洋岩芯的粉尘记录，运用卡尔曼滤波等统计分析方法进行合成，将散落在北大西洋、北太平洋、菲律宾海及南大洋等关键区域的“历史碎片”拼凑成一幅完整的全球粉尘演化图景（图2）。这种方法让我们能倾听到深海档案的“集体声音”，从而还原一个更全面、更可靠的全球粉尘演化历史。
解读这份跨越2500万年的深海“联合档案”，一个清晰的规律浮现出来：自晚新生代以来，全球主要海盆的粉尘沉积通量并非平稳增加，而是呈现出显著的 “阶梯式”增长。几个关键的跃增期分别发生在距今约800-700万年前、300-270万年前、180-140万年前以及120-80万年前（图2）。进一步研究发现，这些时间节点并非随机，它们与北半球大冰盖的周期性扩张以及亚洲、北美、非洲等主要粉尘源区的干旱化进程高度同步，如同踩着同一个节拍不约而同地起舞。
这揭示了驱动全球粉尘变化的关键机制：全球变冷驱动大陆日趋干旱；冰盖扩张加剧了冰川对基岩的物理侵蚀作用，制造出大量碎屑物质；同时，以青藏高原隆升为代表的高大地形对水汽的阻隔效应，进一步加剧了内陆的干旱化。这三者共同主导了这场全球粉尘释放的“大戏”。可以说，全球粉尘的通量变化，精准地记录了陆地环境变迁，特别是内陆水汽传输和干旱气候演化的关键信息。
图2 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（Zan et al., 2025）。
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在晚新生代以来的阶段性增加与全球变冷具有显著同步性。
2 肥力之谜：粉尘“出身”决定其海洋施肥效率
如果说粉尘通量的增加是故事的“量变”，那么不同源区粉尘在化学成分上的巨大差异，则是引发全球碳循环“质变”的关键。
传统的研究和模型多关注“输送了多少粉尘”，但全球表土、河流泥沙和基岩的证据揭示出：“产地”决定了粉尘的“肥力”，忽略这一点，将严重低估或误判粉尘的气候效应。尤其北非撒哈拉粉尘，像是“风化已久的老者”。其粉尘源区经历了长期强烈的化学风化和氧化，生物可利用的活性亚铁（Fe2+）含量极低，接近零，其“施肥”效果因此大打折扣（图3）。
而受冰冻圈过程影响显著的亚洲内陆粉尘，则像是“营养丰富的青年”。源自青藏高原等地冰川剧烈的研磨作用，产生的粉尘富含活性亚铁和磷元素（P），其亚铁含量通常超过总铁的30%。相较于性质稳定、难溶的三价铁，亚铁更易溶解并被海洋浮游植物直接吸收利用，从而能高效缓解开阔大洋的铁限制，是海洋浮游植物梦寐以求的“超级肥料”。尤其是相对于北非粉尘，亚洲粉尘由陆地到海洋传输距离要远得多，颗粒更细，黏土矿物含量更高，粉尘颗粒吸附并富集更多的P和活性亚铁等营养物质（图3）。
矿物学证据进一步佐证了这一差异：北非粉尘以高岭石、伊利石为主，赤铁矿含量高；而亚洲内陆粉尘则富集含亚铁的绿泥石矿物。这种“出身”决定的成分差异，奠定了两者对海洋生态系统截然不同的影响力。
图3 全球主要粉尘源区的关键营养元素含量、组分及沉积粒度分布特征（Zan et al., 2025）。
由于土壤风化程度、暴露历史、沉积物产生速率、岩石类型及地貌环境的差异，亚洲粉尘相较于高度氧化的北非老化粉尘，含有更高含量的必需营养元素氮、磷与二价铁。
3 海洋的回应：差异性施肥与生物泵的强化
“超级肥料”到了海洋，究竟会引发怎样的变化？证据显示，不同地区的粉尘对海洋生产力产生了复杂的“差异性施肥”效应（图4）。
中更新世约80万年以来，由于青藏高原冰川侵蚀加剧，输入北太平洋的亚洲粉尘中P和亚铁营养物质通量猛增了一到两个数量级（几十到上百倍）！这些关键限制性营养盐的剧增，直接提升了包括中国南海在内的北太平洋低纬度海域的初级生产力，并在中赤道太平洋区域，为需铁量高、固碳能力强的硅藻等浮游植物提供了决定性竞争优势，驱动了当地浮游植物群落从固碳效率较低的颗石藻向硅藻的革命性转变（图4）。浮游植物生产力的增加和硅藻群落的兴起，极大地强化了太平洋的 “生物泵” 效应（即海洋将大气二氧化碳转化为有机质并输送至深海的过程），从而将更多大气二氧化碳抽离并封存到深海。
相比之下，南大洋的响应则更为直接，增加的粉尘主要解决了那里长期存在的“铁限制”问题，有效提升了初级生产力（图4）。但在亚北极太平洋，由于受上升流等其他营养源的强烈影响，生产力的提升与粉尘通量增加的关系并不明显。
这些鲜明的区域差异有力地证明：评估粉尘的气候效应，必须从 “来源-组成-输送-生物效应” 的完整链条出发，绝不能仅仅依赖通量一个指标。
4 关键的反馈：粉尘驱动全球变化的动力链过程与未来隐忧
粉尘影响全球气候存在一个关键正反馈循环：全球变冷 → 冰川扩张与干旱化增强 → 亚洲冰川粉尘（富含营养）排放增加 → 海洋生产力提升，生物泵增强 → 大气CO2被大量吸收 → 进一步加剧全球变冷（图5）。
这个循环在晚新生代全球从“温室”向“冰室”转变的过程中，很可能扮演了 “加速器” 的重要角色。它让我们认识到，粉尘不仅是气候变化的“结果”，更是驱动气候变化、放大气候信号的“推手”。
然而，在全球变暖的背景下，这一机制可能被削弱甚至逆转。耦合气候系统模型模拟表明，在人类活动导致变暖情景下，未来全球粉尘载荷可能减少20-60%。尤其是青藏高原等冰川区因气温显著升高，冰川面积将急剧萎缩，部分区域甚至可能完全消融，从而大幅削弱冰川粉尘的供给能力。这意味着，源自冰川的“超级肥料”供应将大幅削减。这可能不仅深刻改变海洋生态系统的结构与功能，更会削弱海洋通过生物泵固碳的能力，从而可能形成一个正反馈循环，进一步加剧全球变暖。
图4 北太平洋与南大洋地质历史时期粉尘通量和营养元素含量变化对海洋浮游植物的影响（Zan et al., 2025）。
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。90-80万年以来亚洲粉尘Fe2+和P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产生了显著影响。
图5 亚洲与北非粉尘对全球碳循环及气候影响的机制对比（Zan et al., 2025）。
关键区别在于亚洲冰川源粉尘富含活性亚铁、P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。
5 研究展望：为地球系统模型注入“灵魂”
上述研究让我们对“缠缠绵绵到天涯”的粉尘有了全新的、更深刻的科学认知。它们不再是被动飘散、微不足道的沙粒，而是地球系统中活跃的 “信使” 和 “调节者” 。理解它们的来源、成分和跨越千山万水的旅程，是理解我们星球过去、现在与未来气候变迁的关键一环。
未来，关于粉尘沉积对全球生物地球化学循环和气候影响的研究，需要聚焦以下三大核心方向，可大力提升预测未来气候变化的能力：
(1). 从“量”到“质”的精准量化：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，彻底摸清不同粉尘的“家底”。
(2). 建立碳汇的定量关联：在北太平洋中部等以粉尘输入为主要营养源的关键海域，利用地球化学指标等工具，建立粉尘输入与海洋碳汇之间的定量关系模型，评估粉尘沉降到底能带来多少碳汇效应。
(3). 将“灵魂”嵌入模型：通过把粉尘组分差异及其生物地球化学效应纳入区域参数化方案，并耦合至地球系统模型，可有效克服现有模型对粉尘过程的过度简化，显著增强对粉尘–碳–气候互馈作用的模拟精度。
这正如同一次漫长的地质旅行：粉尘从其源区启程，一路历经改造，最终将其携带的营养物质汇入海洋，滋养生态系统——精准刻画这一完整而动态的生命历程，正是为地球系统模型注入“灵魂”的关键。
本研究的第一及共同通讯作者为中国科学院青藏高原研究所昝金波研究员，核心成果发表于《Nature Reviews Earth & Environment》（2025）与《PNAS》（2023）等国际著名期刊。相关问题可与昝金波(zanjb@itpcas.ac.cn)联系交流。更多详情，请进一步阅读原文和下列参考文献。
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