每年，南大洋都會出現(xiàn)大規(guī)模浮游植物暴發(fā)，從大氣中吸收二氧化碳，并為南極海洋食物網(wǎng)提供能量來源。長期以來，科學界通常將這一年度“生命脈沖”歸因于陽光、風力和洋流等傳統(tǒng)因素，但一項由斯坦福大學主導的新研究提出，隱藏在海床之下的地震活動，可能在這一過程中扮演了關(guān)鍵而被忽視的角色。

研究團隊通過結(jié)合衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)與地震記錄分析南大洋海域，重點考察夏季前數(shù)月（南半球夏季來臨之前）海底5級及以上地震對海面生態(tài)系統(tǒng)的影響。結(jié)果顯示，在這些較強地震頻發(fā)的年份，當?shù)卦陔S后浮游植物生長高峰期的海面暴發(fā)規(guī)模更大、生產(chǎn)力更高，年際之間的差異十分顯著。研究第一作者Casey Schine指出，在衛(wèi)星影像中，這一年度浮游植物暴發(fā)的面積有時可相當于美國加利福尼亞州，有時卻縮減至相當于特拉華州，而背后的主要控制因子正是前幾個月的地震活動強弱。

新研究認為，地震通過增強海底熱液系統(tǒng)的活動，從而間接“投喂”海面浮游植物。所謂熱液噴口，可被視為海底“天然管道網(wǎng)絡(luò)”：海水滲入地殼深部后被加熱，溶解出鐵、錳等多種金屬及微量元素，隨后以富營養(yǎng)的熱液形式重新噴出進入海水。這些金屬元素尤其是鐵，是浮游植物生長的關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)之一。

在正常情況下，大部分熱液物質(zhì)被“鎖”在深層海水中，難以及時上升至光照充足的表層。但當海底發(fā)生地震、巖石圈破裂時，熱液系統(tǒng)會在短時間內(nèi)被“加碼”，大量含鐵熱液被釋放并更有效地向上混合。研究將這一過程形象比喻為“攪動一口沉寂已久的大鍋”：一次震動足以將沉積在海底的營養(yǎng)物質(zhì)重新攪入水體，最終為上層生態(tài)系統(tǒng)輸送養(yǎng)分。

值得注意的是，該研究首次在定量層面建立了“海底地震活動—海面浮游植物暴發(fā)”之間的直接聯(lián)系。團隊發(fā)現(xiàn)，從噴口釋放出的鐵元素，需要在數(shù)周到數(shù)月內(nèi)向上跨越近1，830米水深，才能真正進入受光照條件支配的表層水體。這一上升速度遠快于此前主流觀點中“需耗時數(shù)十年才能抵達海面”的推斷，從而對熱液鐵參與海洋生物地球化學循環(huán)的傳統(tǒng)認識提出挑戰(zhàn)。

在南大洋，鐵是限制浮游植物繁殖的關(guān)鍵瓶頸營養(yǎng)鹽之一，即便陽光與其他營養(yǎng)鹽充足，鐵匱乏仍會壓制浮游植物種群擴張。因此，一旦海底地震觸發(fā)熱液系統(tǒng)加強并釋放大量鐵元素，就可能在短時間內(nèi)顯著放大浮游植物暴發(fā)規(guī)模。這類暴發(fā)向上支撐著浮游動物、魚類以及更高營養(yǎng)級的捕食者，同時也增強了海洋從大氣中“抽取”碳的能力。

浮游植物通過光合作用吸收二氧化碳，并將其固定在細胞之中，這一過程構(gòu)成了“生物泵”的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。當浮游植物暴發(fā)擴大時，表層海水中被移除的二氧化碳增多，隨后隨著生物死亡沉降或被捕食后碎屑下沉，更多碳被輸送至深海長期儲存。不過，這一由地震驅(qū)動的鐵輸入機制在全球碳循環(huán)中的占比目前仍屬未知。

論文通訊作者Kevin Arrigo指出，全球還有許多海域存在活躍的熱液噴口系統(tǒng)，向海洋持續(xù)釋放微量金屬，理論上都可能對局地浮游植物生長和碳吸收產(chǎn)生類似效應(yīng)。然而，這些深海區(qū)域往往極難實地采樣，現(xiàn)有觀測能力有限，因此要精確評估其在行星尺度上的影響仍具挑戰(zhàn)。

研究同時強調(diào)，地震并非連續(xù)穩(wěn)定的營養(yǎng)鹽來源，而是一種偶發(fā)、突發(fā)性的“脈沖事件”。傳統(tǒng)海洋生態(tài)與氣候模型，多將風場、洋流及季節(jié)性混合等持續(xù)性物理過程視為主導因素，而忽略了這類間歇卻可能帶來“超額響應(yīng)”的地質(zhì)事件。此次成果表明，將這些偶發(fā)的地震營養(yǎng)輸入納入考量，有助于更細致地刻畫海洋生產(chǎn)力的年際波動，尤其是在像南大洋這樣長期受到營養(yǎng)鹽限制的敏感區(qū)域。

展望未來，研究團隊認為，下一步關(guān)鍵在于厘清海底地震、深海環(huán)流與營養(yǎng)輸運之間更復雜的耦合機制，并找出全球海洋中還存在哪些“地質(zhì)—生物”隱藏聯(lián)動帶。隨著觀測和監(jiān)測技術(shù)的持續(xù)進步，地震活動或?qū)⒊蔀榭茖W界在評估海洋對環(huán)境變化響應(yīng)時必須考慮的又一重要變量。該項研究已發(fā)表于《Nature Geoscience》期刊，并由斯坦福大學Doerr可持續(xù)發(fā)展學院對外發(fā)布。