地空学院常燎研究员等利用纳米磁化石指示第四纪冰期印度洋碳库储量的增强

　　

2023年8月10日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了北京大学地球与空间科学学院常燎研究员课题组与合作者完成的题为”Indian Ocean glacial deoxygenation and respired carbon accumulation during mid-late Quaternary ice ages”的研究成果，该研究定量分析了过去90万年以来东印度洋深海沉积物中的纳米化石磁小体记录，创新性地将化石磁小体磁性记录用于海洋溶解氧和海洋碳库演化重建，结果表明第四纪气候旋回下冰期印度洋深海溶解氧降低和碳库储量增强，研究揭示了海洋对于调控大气CO₂浓度的重要作用，为理解气候转换背景下的海洋碳库自然演化规律和海-气交换作用提供了重要启示。

海洋溶解氧水平对理解海洋调控的全球碳收支和营养元素循环等具有重要作用。海洋中溶解氧气的消耗可以反映海洋“生物碳泵”调节大气CO₂的强度，因此，过去海洋氧含量演化的重建是研究海洋碳库变化和大气-海洋碳分配的一种重要手段，但是，复杂海洋环境下的海洋溶解氧重建方法的发展存在挑战，特别是在缺乏海洋碳酸盐质生物壳体化石的海洋沉积环境。趋磁细菌是一类主要生活在水-沉积物界面附近的原核生物，在地球表层广泛分布，其体内可以矿化形成纳米级磁性矿物颗粒，称为磁小体，磁小体矿化过程受基因控制的同时，还受环境中氧气浓度等环境因子调控，表现为磁小体颗粒的尺寸和形貌差异。在趋磁细菌死亡后，有机质降解，磁性矿物得以保留，形成纳米级化石磁小体颗粒，因此，保存在沉积物或岩石中的化石磁小体可作为古环境指标，能够指示氧化还原状态等重要环境因素的变化。

研究团队分析了东印度洋在过去21个海洋氧同位素阶段冰期-间冰期气候旋回下的海洋沉积记录，对沉积序列中的化石磁小体的磁性特征和形貌特征进行了详细研究。磁性测量结果显示，与相对温暖的间冰期相比，冰期阶段生物磁铁矿具有更高的磁性矫顽力分布与更高的生物硬磁组分（BiogenicHard – BH）含量，冰期的生物磁铁矿由于氧化程度弱，其磁铁矿的低温Verwey相变也更加显著。透射电镜观测显示出冰期与间冰期化石磁小体的形态特征也具有显著差异：冰期的化石磁小体具有更大的尺寸和拉长度（图1）。

图1 透射电镜观测的典型（a-c）冰期、（d-f）间冰期样品中化石磁小体纳米颗粒分布

图2 研究的海洋沉积钻孔MD00-2361过去90万年以来（a）深海氧同位素记录、（b, c）全岩磁性和元素、（e）生物磁铁矿硬磁组份（δ_BH）、海洋底栖有孔虫△δ¹³C和（f）氧化还原敏感的痕量金属元素丰度等数据时间变化序列，及其与（d）南极冰芯记录的大气CO₂浓度的对比

图3 冰期-间冰期印度洋海洋溶解氧和碳库演化概念模型：（a）间冰期具有增强的海水通风效应，氧气浓度高，呼吸碳储量降低、（b）冰期通风减弱，氧浓度低，碳储量增加

基于以上发现，研究团队利用化石磁小体的BH组分占比（δ_BH），结合其它海洋底层水溶解氧浓度指标（海洋底栖有孔虫△δ¹³C和痕量金属元素丰度），得到不同溶解氧重建指标的时间变化序列（图2）。结果显示，δ_BH具有明显冰期-间冰期差异，大部分冰期的δ_BH显著高于间冰期，反映了低氧的海洋环境，这与有孔虫△δ¹³C和痕量金属元素丰度所反映的氧含量变化趋势一致，指示了印度洋冰期退氧的特征。此外，研究结果显示化石磁小体δ_BH与南极冰芯记录的大气CO₂浓度变化具有相关性，说明印度洋在冰期-间冰期气候旋回下对调控大气CO₂变化中具有重要作用（图3），支持了海洋碳储量增强能够驱动大气CO₂浓度降低的假说，这对理解全球碳循环和海洋碳库变化具有重要意义。该研究认为，在环境氧含量降低时，拉长度高、尺寸更大的化石磁小体含量增加，表现为δ_BH增加，显示出化石磁小体具有成为海洋氧化还原指标的重要潜力。

常燎为论文第一作者和通讯作者。合作者包括英国赫瑞-瓦特大学Babette Hoogakker教授，澳大利亚国立大学David Heslop研究员和Andrew Roberts教授等。该研究得到国家自然科学基金项目（41974074，42061130214），英国皇家学会牛顿高级学者项目（NAF\R1\201096）等经费支持。