2022年7月，国际知名地学期刊《Quaternary Science Reviews》以“Origin of the long-term increase in coccolith size and its implication for carbon cycle and climate over the past 2 Myr”为题，在线发表了我室金晓波副研究员与合作者的研究成果，讨论了更新世颗石藻钙化作用持续增强的起因、大洋碳酸盐泵的演变及其对全球碳循环与气候转变的作用。
颗石藻（coccolithophores）是一种重要的海洋钙化藻类，其钙化产物颗石（coccoliths）贡献了现代大洋约一半的生物成因碳酸钙（方解石）沉积。更新世期间（距今约260万年以来），全球大洋颗石藻趋向于演化出更大的颗石粒，这就意味着颗石藻的钙化作用变得更强。本研究讨论了（1）全球颗石藻钙化作用在更新世持续增强的起因；（2）海洋增强的碳酸盐泵的全球碳循环意义，及其对中更新世气候转型（Mid-Pleistocene Climate Transition，MPT，距今约70至120万年）的影响。
更新世颗石藻钙化作用的增强
颗石藻的钙化作用利用海水中的碳酸氢根离子（HCO3-），而光合作用则利用海水中的游离CO2。随着新生代以来大气CO2浓度不断降低，作为一种C3植物，—颗石藻的光合作用自然也被不断降低的海水环境CO2所限制，即“碳限制”。与硅藻类似，颗石藻发展出了一套碳浓缩机制，即增加利用海水中的碳酸氢根离子，作为光合作用的碳源。同时，这一机制会造成钙化过程中利用的碳酸氢根离子更少，颗石藻的钙化作用强度就会减弱，这就导致了全球新生代大洋颗石大小逐渐的减小。
然而更新世以来，颗石大小却在不断地增大（图1a）。本研究认为，这可能源于更新世大洋总碱度在逐渐增大，缓和了低环境CO2背景下“碳限制”，致使颗石藻钙化作用增强。更新世期间颗石藻这种生理作用演化，直接反映了颗石方解石碳同位素分馏特征的演变（图1b）；而大洋总碱度（主要由[HCO3-]贡献）的增加，可能源自更新世期间底层海水碳酸钙溶解性的增强（图1c），以及海平面变化加剧导致的陆源碱度向海输入增加（图1d）。
图1：（a）ODP Site 1143颗石质量揭示的颗石藻钙化作用在过去2 Ma以来的不断增强；（b）各大洋颗石碳同位素分馏（εcoccolith = δ13Ccoccolith-DIC）；（c）北大西洋底栖有孔虫B/Ca揭示的底层水方解石饱和程度，（d）全球相对海平面变化，反映了过去2 Ma以来不断增加的冰期与间冰期对比。
对碳循环的影响
在中更新世气候转型期间（约1百万年前），全球大洋颗石平均质量增加了约40-50%（图2a）。颗石平均重量的增加或许会等比例地提高全球大洋颗粒无机碳的生产与输出，并影响水柱的颗粒无机碳（PIC）与颗粒有机碳（POC）沉积雨的相对比率（rain ratio）。当然，颗石并非大洋生物成因方解石的唯一贡献者，颗石平均重量的增加对全球PIC生产的贡献必然会打一定的折扣。本研究假定1.125倍PIC输出背景的情境（图2b），利用碳循环箱式模型进行计算，结果显示大气CO2浓度提高了约25 ppm，全球大洋底层水碳酸钙饱和度也有了一定幅度的下降（图2c-d）。
这些结果，与最近发表的，1.5 Ma连续的大气CO2重建结果相吻合（基于叶蜡长链脂肪酸碳同位素的重建，Yamamoto et al. 2022，Nature Geoscience）。该大气CO2重建记录显示，中更新世以来间冰期CO2浓度增加了约20 ppm（图2c）。考虑到当今全球颗石藻产量主要集中在高纬度海区，如南大洋；而在高纬度海区，受控于海水温度及营养盐锋面的迁移，间冰期颗石藻的产量远高于冰期；因此，本研究认为颗石藻钙化作用的变化可能会更显著地影响间冰期的长期碳循环变化。同时，表层海水钙化作用的加强也会消耗大量的[HCO3-]（碱度），由于海水垂向混合作用，可能导致底层海水碳酸钙的饱和度显著降低。
图2：（a）ODP Site 1143颗石质量揭示的颗石藻钙化作用在中更新世时期（约距今100万年，1 Ma）有显著的增强；（b）碳循环箱式模型：全球大洋平均颗粒无机碳（PIC）生产、雨率（rain ratio，PIC：POC）作为强迫的场景；（c）PIC强迫场景下的大气CO2浓度变化；（d）PIC强迫场景下的赤道大西洋地层海水碳酸钙饱和度变化。
对中更新世气候转型（MPT）的启示
在MPT之前，地球气候的冰期—间冰期变化具有4万年的地球轨道斜率周期，极地冰盖大小由地球轨道斜率驱动的高纬度夏季综合辐射量控制。而在MPT之后，极地冰盖体积的变化转变为平均10万年的周期，而地球轨道偏心率及其相关的太阳辐射量的变化可能无法充分解释这一现象。因此，最新的大气CO2记录（图2c）及本研究揭示的海水碳酸盐泵变化，对MPT具有重要启示意义：
（1）约1 Ma之后，间冰期初始的大气CO2浓度相对较高，在较高浓度温室气体的背景下，高纬度地区成冰速率较慢；
（2）在一个斜率周期内，高纬度形成的冰盖体积较小、也较为稳定，因此无法促成较大规模、快速的冰盖消融；
（3）冰盖会在下一个（或两个）斜率周期内继续成长，冰盖累积体量的增大导致最终发生的冰盖消融更为急速、规模更大；
（4）最终使得，整个地球气候的冰期—间冰期循环加长、幅度增大，产生2-3个斜率周期长度的、均值为10万年的“准周期”。
论文第一作者为我室副研究员金晓波博士，通讯作者为我室刘传联教授与自然资源部第二海洋研究所马文涛研究员。该研究样品由国际大洋钻探提供，并由国家重点研发计划(2018YFE0202400) 等项目资助。
全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0277379122002736