我國學者與海外合作者在深時不同極端氣候的觸發機制和環境響應方面取得進展

圖 （A）晚古生代石炭紀早期海相碳酸鹽碳、鋇和鈾同位素組成；（B）古新世-始新世極熱事件前后海相碳酸鹽和碎屑巖碳、鋰、鈾同位素及有孔蟲氮同位素組成

　　深時極端氣候的驅動機制及其對全球環境的影響能夠為深入了解全球變化提供重要理論參考。晚古生代大冰期和古新世-始新世極熱事件是地球顯生宙以來最為顯著的兩次極端氣候時期，分別代表了地球冰室和極熱氣候的發生，對早期動物多樣性的演化有著深遠的影響。然而這兩次氣候背景下的環境響應和氣候變化機制仍缺乏系統性定量研究。

　　在國家自然科學基金項目（批準號：42322304、42073002、42293280、42373056）等資助下，南京大學張飛飛教授、魏廣祎副教授等與國內外學者合作以海相沉積地層為研究對象，綜合非傳統金屬穩定同位素和中等復雜程度的地球系統模型，分別對晚古生代大冰期起始時期（距今約3.5億年）和古新世-始新世極熱事件（距今約5500萬年）兩次不同類型的氣候轉折事件的驅動機制和環境響應開展了定量研究。研究成果分別以“增強的海洋生物泵驅動晚古生代大冰期的開始（Enhanced marine biological pump as a trigger for the onset of the late Paleozoic ice age）”為題于2025年7月2日發表于《科學·進展》（Science Advances）、以“大陸風化狀態改變抑制了古新世-始新世極熱事件海洋缺氧的發生（Changes in continental weathering regimes inhibited global marine deoxygenation during the Paleocene-Eocene thermal maximum）”為題于2025年10月15日發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。論文鏈接分別為https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12219544和https://doi.org/10.1038/s41467-025-64217-0。

　　研究團隊通過開發金屬穩定同位素聯合示蹤指標，并將鋇、鋰、鈾等關鍵金屬同位素體系與中等復雜程度的地球系統模型cGENIE深度耦合，系統重建了兩次極端氣候背景下海洋生物碳泵和大陸硅酸鹽風化的響應，定量闡明了不同環境因素對于海洋環境和氣候條件的作用機制。研究發現，晚古生代大冰期之前海相碳酸鹽巖出現顯著的無機碳同位素和鋇同位素正漂移（圖A），指示海洋輸出生產力的大幅增加，同時出現的極負鈾同位素組成代表了全球海洋缺氧的發生。模擬結果表明，這一時期海洋輸出生產力增強了約30%，海洋生物碳泵的增強造成海洋缺氧的發生并提高了有機碳的埋藏，最終驅動了全球氣候從溫室向冰室的轉換。而在古新世-始新世極熱事件發生時，碳酸鹽和碎屑巖均出現鋰同位素的負漂移（圖B），指示全球大陸整體風化強度降低，但陸地古老沉積巖的剝蝕和再風化增強，這一風化狀態的改變減弱了營養物質磷等向海洋的輸入效率。模擬結果表明，在古新世-始新世極熱事件發生時海洋輸出生產力明顯降低，減少了有機碳再礦化過程對海水中溶解氧的消耗，抑制了全球海洋大幅度缺氧的發生，這與同時期碳酸鹽鈾同位素和有孔蟲氮同位素重建的海洋氧化還原變化結果完全一致（圖B）。

　　以上研究通過同位素數據與數值模型深度耦合，定量評估了不同氣候背景下的環境響應及其機制，闡明了大陸風化、海洋生產力和氧化還原狀態在不同氣候變化下的反饋模式，為科學評估當今全球氣候-環境變化規律提供“深時”參考，也為系統模擬古氣候和古環境變化提供了創新范例。