四、中新世和第四纪的海洋碳循环
Marine Carbon Cycling in the Warm Miocene and Cold Quaternary
“气候演变的低纬驱动”是我室的重要学术主题之一，该主题包含“水循环”和“碳循环”两个方面。由于碳循环同时涉及到物理过程和生物地球化学过程，研究难度较大。2022年，我室“全球季风与低纬驱动”团队对构造和轨道时间尺度上碳循环演变机制的研究取得了一系列进展。
中新世海洋碳位移以及水循环-碳循环耦合演化的机理
不同于晚第四纪的“冰室期”气候态，早-中中新世(23-14 Ma)时地球气候处于较为温暖的“凉室期”气候态，全球平均地表温度比工业革命前高4°C以上，只有东南极出现成规模的冰盖。两种气候态下的地球表层系统有着不同特征的碳循环，这种差别主要体现在两个方面。其一，中新世存在两次振幅巨大的海洋碳同位素位移事件，推动了晚新生代海洋无机碳库同位素的持续负偏移；其二，全球大洋底栖有孔虫δ18O（代表全球冰盖体积以及深海水温变化）和δ13C（指示海洋无机碳库同位素）在偏心率周期上（40和10
年）呈现同相位变化，而在晚第四纪这两个参数是反相位变化。虽然学术界关注这些差异已经有超过30年的历史，但它们的驱动机制仍存在较大争议。田军课题组改进和发展了箱式碳循环模式和中等复杂程度地球系统模式，结合古环境再造数据开展了一系列敏感性试验，对这些学术问题提出了新的观点。
箱式模式模拟的LMCS期间海水δ13C（图A）、大气pCO2（图B、C）与古环境记录的对比
晚中新世碳位移事件(Late Miocene Carbon-isotope Shift, LMCS)发生于7.6～6.5 Ma，期间全球海水碳同位素下降约0.8‰，大气pCO2下降50~80 ppm，是近一千万年以来构造时间尺度上规模最大的碳同位素负偏移事件。Du et al. (2022a) 的箱式模式试验结果表明，LMCS期间约有2100 Gt左右的碳从陆地转移至海洋，陆源碱度和营养盐的输入可能是LMCS大气pCO2大幅度下降的原因。单独考虑陆地过程，无论是风化输入总量增加，还是C4植被扩张，造成的海水δ13C负偏均不超过0.3‰，因此单因子驱动不能完全解释LMCS。只有当两种陆源输入过程同时发生，陆源输入强迫之间的协同作用才能驱动LMCS级别的碳同位素漂移事件。中等复杂程度地球系统模式试验结果验证了箱式模式的结论，并且发现LMCS可能伴随着北半球高纬海区的迅速降温，以及相应的北半球高纬深水形成的强化。
利用同一个箱式模型，Ma et al. (2022, Global and Planetary Change, 208, 103723) 发现早-中中新世时期，较大的偏心率可以导致南极冰盖消融，全球海平面上升，海水δ18O发生负偏移；同时，偏心率极大值可驱动热带低纬水文循环和营养盐入海通量的增强，导致淹没的陆架上发育大量碳酸盐堆积并扣留正碳，诱发整个大洋无机碳库的δ13C发生负偏移，从而造成全球冰盖体积与海洋无机碳库同位素在偏心率周期上同相位变化。而在晚第四纪，北半球出现了冰盖。扩张的冰盖使得北半球植被量减少，大量陆地负碳进入海洋，降低了大洋无机碳库的δ13C值，因此第四纪全球冰量与大洋无机碳库同位素在偏心率周期上呈现反相位变化。
中中新世时全球冰盖与大洋无机碳库碳同位素在偏心率周期上发生同相位变化的机制示意图
2、第四纪大气CO2浓度的冰期旋回变化机制
第四纪大气CO2浓度的冰期旋回变化机制是古气候学领域的前沿课题，数十年来国际上各个课题组发表过大量高影响因子的文章。利用颗石藻质量演化记录、碳循环模型，刘传联、田军课题组分别对中更新世气候转型、冰期大气pCO2下降机制提出了新的论点。
中更新世气候转型(Mid-Pleistocene Transition, MPT)是指在距今约1.2至0.7 Ma期间，地球冰期-间冰期旋回的主导周期由4万年斜率周期转变为平均约为10万年的周期。由于太阳辐射量变化无法解释这一现象，因此推测碳循环变化在这个过程中起着关键作用。Jin et al. (2022) 发现更新世以来，全球大洋颗石藻趋向于演化出更大的颗石粒。这意味着颗石藻的钙化作用变强，更新世大洋总体碱度可能在逐渐增大。颗石平均重量的增加可以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与颗粒有机碳沉积雨的相对比率。利用箱式模型计算，发现颗石藻钙化作用会导致中更新世气候转型之后，大气pCO2升高了约25 ppm，全球大洋底层水碳酸钙饱和度下降，这些与重建记录基本吻合。
南极冰芯的大气pCO2记录显示，末次冰期时大气pCO2呈现出阶段性下降的特征，暗示在冰期不同阶段发挥作用的海洋储碳机制有所不同，但这种分阶段海洋储碳机制的演化过程尚不明确。利用高分辨率复杂海洋-生物地球化学数值模式并结合新研发的动态大气pCO2模块，Du et al. (2022b) 发现冰期不同阶段大气pCO2下降的主控因素不同：冰期早期主要是南大洋过程控制的底层层化和海水暴露时间减少；冰盛期主要是南大洋控制的底层层化进一步增强，南大洋表层的铁施肥作用，以及北大西洋表层溶解泵效率增强。同时发现南大洋的海冰对大气pCO2的影响不仅决定于海冰的覆盖面积，也受到海冰覆盖区域潜在的CO2通量影响。该项研究强调了南大洋在冰期海洋储碳过程中的关键控制作用。
关键数值试验中模式输出的海洋储碳与海水层结（盐度）情况
主要参考文献：
Du J., Tian, J., Ma, W.. The Late Miocene Carbon Isotope Shift driven by synergetic terrestrial processes: a box-model study. Earth and Planetary Science Letters, 2022a, 584: 117457.
Du, J., Ye, Y., Zhang, X., Völker, C., Tian, J. Southern control of interhemispheric synergy on glacial marine carbon sequestration. Geophysical Research Letters, 2022b, 49(16): e2022GL099048.
Jin, X., Ma, W., Liu, C. Origin of the long-term increase in coccolith size and its implication for carbon cycle and climate over the past 2 Myr. Quaternary Science Reviews, 2022, 290: 107642.
The warm and unipolar glaciated Miocene may provide an analogue for future warming scenarios. Indeed, the interaction between climate and carbon cycle during the warm Miocene shows a number of fundamentally different features compared to the Quaternary. First, long-term seawater δ13C changes throughout the Miocene were characterized by several negative excursions with large amplitudes. The mechanisms for the last excursion event, the Late Miocene Carbon Isotope Shift (LMCIS, 7.65 to 6.5 Ma), remain controversial.
Using a biogeochemical model, it was found that the expansion of C4 grasses, enhanced chemical weathering and land-sea nutrient inputs at low latitudes may have contributed to both the decrease in seawater δ13C and atmospheric CO2 concentrations (Du et al., 2022a). Second, benthic foraminiferal δ18O and δ13C were found to show in-phase variations in the 100-kyr eccentricity bands during the Middle Miocene (16-11.6 Ma), in contrast to the antiphase relationship during the Late Quaternary (Ma et al., 2022, GPC). The Miocene in-phase relationship can be attributed to two mechanisms: (1) a shelf-basin carbonate shift regulated by sea-level fluctuations resulting from the growth and retreat of the Antarctic ice sheet, within the 100-kyr bands; and (2) changes in terrestrial carbon inputs and the biological pump driven by the discharge of riverine nutrients, which was regulated by low-latitude precipitation variability within the eccentricity-modulated precessional band. Taken together, low-latitude climate processes appear to have played a much more important role in regulating marine carbon cycle during the warm Miocene, than during the Quaternary (Jin et al., 2022; Du et al., 2022b).