科学通报 | 地质暖期边缘海陆源有机碳埋藏及其碳循环负反馈

工业革命以来, 人类活动造成的大气CO2浓度激增, 已引发全球显著变暖 [1] . 阐明地质历史暖期地球系统碳循环在调节各圈层碳收支中的作用与机制, 对缓解当前的“温室危机”并准确预测未来变暖条件下大气CO2浓度的变化趋势具有重要意义. 在构造及轨道等长周期尺度上, 硅酸盐风化与有机碳埋藏构成了地球系统调节“海洋–大气”碳库平衡的两大核心反馈过程 [2] . 现代观测表明, 海洋沉积物中的有机碳埋藏作为长周期的关键碳汇, 每年可将约152~220 Mt的碳封存在沉积物中, 使其脱离地表系统“海洋–大气”碳库的快速循环体系 [3] . 因此, 从地质记录中揭示有机碳埋藏通量及调控机制, 对于理解地球气候环境的自我调节与恢复至关重要.

然而, 地质暖期海洋沉积物中有机碳埋藏的主控因素至今仍存有争议. 传统观点普遍认为, 地质暖期海洋沉积物中有机碳的埋藏量相较于冷期显著降低 [ 4 , 5 ] . 在轨道尺度上, 末次间冰期全球深海有机碳的埋藏量较冰盛期低约50% [4] . 在构造尺度上, 过去 22 Ma 以来的中中新世暖期, 全球海洋有机碳埋藏量亦显著低于相对寒冷的早中新世和上新世 [5] . 这些研究主要揭示了由生物泵驱动的海源有机碳埋藏在暖期的减弱趋势, 以及其对气候变暖的正反馈效应. 与之不同的是, 在距今 56 Ma 前的古新世–始新世极热期(Palaeocene–Eocene Thermal Maximum, PETM), 水循环加剧引起的陆地物理侵蚀增强, 伴随着大量的陆源有机碳的快速转移与高效埋藏 [6] . 但长期以来, 由于缺乏直接的地质证据与精确的通量评估, 极大制约了对地质暖期地球碳库稳态机制的全面认识.

近期, 英国南安普顿大学Gordon N. Inglis领衔的国际合作团队发表了题为“Enhanced marine burial of terrestrial organic carbon through the Palaeocene-Eocene Thermal Maximum”的研究成果 [7] , 该研究通过集成全球边缘海沉积记录, 并结合气候与植被模型, 估算了PETM时期陆源有机碳的埋藏通量, 揭示了极热事件期间大量陆源有机碳在边缘海及受限制海道环境中发生显著埋藏的现象, 为理解地质暖期全球气候恢复机制提供了重要的地质证据 [7] .

传统研究在估算构造尺度海洋沉积物中陆源与海源有机碳的比例时, 通常采用“双端元混合模型”, 将陆源有机碳视为一个成分均一的整体(如文献 [8] ). 这种方案忽略了维管植物与土壤有机碳在地球化学性质及降解机制的显著差异, 可能导致海洋沉积中陆源有机碳埋藏量的系统性低估(幅度可达40%~85%) [9] . 针对这一问题, Gordon N. Inglis团队在全球范围内精选了5个具有较好年代控制的边缘海沉积剖面, 应用正构烷烃TAR(terrestrial-aquatic ratio) [10] 和四醚脂类化合物BIT(branched-to-isoprenoid tetraether) [11] 等参数, 构建了包括土壤、植物以及海源有机碳的三端元混合模型, 揭示出PETM期间全球边缘海沉积有机碳库呈现出陆源主导的特征, 其中植物和土壤有机碳的占比高达40%~95% [7] . 结合总有机碳含量、沉积物干密度以及沉积速率等参数, 研究显示PETM时期的陆源有机碳在海洋中的埋藏通量较PETM前增加了10~50倍 [7] . 模型模拟结果进一步表明, 气候和水文状况剧烈波动引发的陆地物理侵蚀加剧是导致PETM期陆源有机碳埋藏增强的主要因素, 而非传统认为的由陆地植被生产力增加导致 [7] . 这一发现清晰勾勒出地质暖期“水文变异–物理侵蚀–陆源有机碳埋藏”的响应机制, 为阐明有机碳埋藏对气候暖化的负反馈机制提供了理论基础.

这一研究的科学贡献与创新性主要体现在以下三个方面: (1) 在深时古气候研究中引入并验证了包含TAR和BIT的三端元混合模型, 成功将土壤有机碳、植物有机碳与海洋自生有机碳进行了有效区分. (2) 引入动态植被模型, 证明驱动陆地有机碳大量入海的关键因素是水文气候剧烈波动导致的地表物理侵蚀与河流泥沙输送速率的显著增加, 纠正了传统观念中“陆源碳埋藏增加主要依赖生产力提升”的认识误区. (3) 估算显示PETM时期边缘海陆源有机碳的埋藏量高达每年81 Mt [7] , 这一数值与现代海洋沉积物的碳埋藏通量相当, 说明在PETM极热期, 陆地碳循环可能发挥了举足轻重的作用.

综上所述, 该研究不仅揭示了距今 56 Ma 前的极热期陆源有机碳的埋藏量与控制机制, 更为应对当前温室效应以及预测未来气候长期变暖趋势提供了重要的科学启示. 目前的气候预测模型未充分考虑陆源有机碳在海洋沉积物中的输入与埋藏过程, 未来有必要将这一长效碳汇机制纳入全球碳循环预测模型中, 从而更准确地预测和评估地球系统碳循环的长期变化趋势. 该研究还可拓展对其他地质暖期陆源碳埋藏规律的普适性检验. 既然在PETM这一温室背景下存在由地表物理侵蚀驱动的强陆源碳负反馈, 那么在其他暖期, 如轨道尺度的间冰期或其他极热事件, 该机制是否同样普遍存在还需要进一步验证. 与此同时, 现代人类活动加剧水土流失、陆源碳入海通量提升, 与PETM暖期侵蚀驱动碳埋藏机制具有类比性. 因此, 这一工作进一步启示我们, 一旦人为CO2排放停止, 人类活动影响下的陆源有机碳的海洋埋藏过程有望成为一种重要的潜在自然机制, 协助地球系统在未来千年-万年尺度上实现长期的稳态恢复.

参考文献

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[10] Pancost R D, Boot C S. The palaeoclimatic utility of terrestrial biomarkers in marine sediments. Mar Chem, 2004, 92 239-261

[11] Hopmans E C, Weijers J W H, Schefuß E, et al. A novel proxy for terrestrial organic matter in sediments based on branched and isoprenoid tetraether lipids. Earth Planet Sci Lett, 2004, 224 107-116

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