Science | 基拉韦厄的熔岩如何滋养了贫瘠海域的浮游植物？

文摘 2024-09-26 00:01 上海

基拉韦厄火山

暑期兴趣班

基拉韦厄火山（Kīlauea）是夏威夷岛上的一座活跃盾状火山，位于夏威夷火山国家公园内，以其频繁的喷发和流动性强的熔岩流而闻名，其在夏威夷文化中具有重要地位，被当地居民视为火山女神佩蕾（Pele）的家园。

基拉韦厄火山的喷发历史可以追溯到至少2000-3000年前，它几乎每年都有活动记录，有些年份甚至多次喷发。2018年的喷发是近年来最显著的事件之一，熔岩从多个裂隙喷出，流入海洋，造成了显著的地质变化和生态影响。（熔岩主要由玄武岩组成，这种岩石富含铁和镁，形成了火山特有的黑色或暗棕色外观。）

图1 基拉韦厄火山喷发熔岩流入海洋相关事件的时间线

（A至D模拟的黄色染料投影显示岩浆影响的水域，叠加在海平面高度等高线之上，E至H为2018年6月至8月的卫星观测，显示叶绿素a羽流的形成和随后消失）

这是关于基拉韦厄火山2018年喷发活动的一张时间线图，喷发期间形成了一条宽阔的熔岩流，以每秒50至100立方米的估计速率流入海洋，从2018年6月3日到8月6日持续了2个月左右，这次喷发最终为夏威夷岛的海岸线增加了3.5平方公里的新土地。

Samuel T. Wilson等研究者们利用模拟的黄色染料投影显示了熔岩影响的水域是如何在海面上扩散的，熔岩进入海洋后三天，MODIS Aqua卫星在附近海域观测到高浓度的叶绿素a羽流。在整个喷发期间，该区域内的叶绿素浓度保持升高，超过了过去15年在该地区观测到的数值。

与周围同质贫瘠海域相比，受熔岩影响的羽流水体中的叶绿素a浓度变化很大，浮游植物大量繁殖，这是什么原因造成的？

研究者们在熔岩排入海洋的高峰期，进行了一次海洋学研究考察，以确定由此产生的浮游植物水华的原因和组成。

图2 浮游生物群落组成和生物量

（A为熔岩影响水域浮游生物种群的碳生物量，B为周围贫营养环境中的碳生物量）

在受熔岩影响的水域内，浮游生物的碳生物量相对于周围的贫营养水域增加了2至3倍，主要由硅藻属的大型链状硅藻组成（占估计总碳生物量的37%），硅藻通常在夏威夷群岛的沿海水域中发现，它们对熔岩输入的强烈反应反映了它们能够利用与熔岩相关的营养输入。

研究者们检测发现了羽流中具有高浓度的硝酸盐，远高于周围贫营养水域的背景浓度。但是地幔源岩浆中没有固定的氮种，这意味着熔岩本身并不是硝酸盐的来源，硝酸盐与其他熔岩衍生元素的强共变意味着熔岩输入和硝酸盐供应之间存在机制耦合。

地下水排放是夏威夷群岛近岸水域高浓度硝酸盐的另一种来源。然而，当地地下水中硝酸盐的同位素组成与研究者们的测量结果并不重叠，并且在羽流中没有检测到预期的地下水流量增强引起的盐度异常。

所以，研究者们假设，在泛光带下方注入的熔岩产生了富含营养的深水的浮力羽流，将硝酸盐带到了表面。

图3 2018年火山喷发期间硝酸盐潜在来源示意图

（包括≥300 m地下水上涌、近岸地下水排放和非生物固氮，上涌的硝酸盐分成同位素较轻的颗粒氮池和同位素较重的残余表面硝酸盐池）

这一结果得到证实，熔岩侵入最终达到了725米的深度，来自这一深度的上升水将含有足够浓度的硝酸盐，为浮游植物大量繁殖提供“养料”。

总结与评价

综上，这种强烈的生物反应不仅依赖于熔岩本身，还依赖于外源硝酸盐的输入，硝酸盐从进入深海的熔岩中分离出来，在缺乏氮的表层海洋中形成了富含硝酸盐的浮力羽流。这一机制有可能在过去导致了类似的“海洋施肥”事件，与夏威夷群岛的形成和其他重大火山爆发有关。海洋生态系统对如此大量增加的硝酸盐的反应很少被实时观察或采样。

本次考察提供了一个独特的机会，可以亲眼看到外源营养物质的大量输入如何改变适应贫营养条件的海洋生态系统。

参考文献：Kīlauea lava fuels phytoplankton bloom in the North Pacific Ocean.Science, 6 Sep 2019,Vol 365, Issue 6457 pp. 1040-1044.

创作人：王一年江南大学

本文来源于第一届水生生物与水域生态学全国研究生暑期学校的学员作业。

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