揭秘晚中新世降温之谜：磷风化增强或是关键推手

晚中新世气候和碳循环变化机制不明。研究人员通过分析西北太平洋铁锰结壳的磁性和地球化学古海洋学指标，利用全球生物地球化学模型研究。结果表明磷风化增强促使大气 CO2下降和降温。该研究增进了对过去气候变化的理解。

　　在地球漫长的气候演变历程中，晚中新世（距今 1160 万年至 530 万年）宛如一个神秘的 “气候实验室”，发生了诸多意义深远的变化。那时，全球气候逐渐变冷，海洋温度大幅下降，大气中二氧化碳（CO₂）含量也持续走低。这场被称为 “晚中新世冷却（LMC）” 的气候转变，不仅深刻影响了生物群落的演变，还塑造了如今我们所熟悉的海洋温度格局。然而，尽管它对理解地球气候系统至关重要，但隐藏在这一深刻气候和碳循环变化背后的驱动机制，尤其是 700 万年至 540 万年前那令人费解的降温过程，始终如同迷雾一般，困扰着科学界。解开这些谜团，对于准确预测未来气候变化、深入了解地球生态系统的响应机制意义重大，就像是为我们打开了一扇通往未来气候预测的大门，能让我们提前做好应对各种气候挑战的准备。

为了揭开晚中新世气候和碳循环变化的神秘面纱，来自中国南方科技大学海洋科学与工程系海洋磁学中心（CM2）等多个研究机构的研究人员，包括 Yi Zhong、Zhiguo Li、Xuefa Shi 等众多科研人员，踏上了这场充满挑战的科研之旅。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们带来了新的曙光。

研究人员采用了多种关键技术方法来开展这项研究。首先，他们从西北太平洋采集了氢成铁锰结壳样本，通过对样本进行微钻取样，获取了不同深度的样品。接着，运用高精度的分析技术，对样品中的元素浓度进行精确测量，如利用 Thermo - Fisher IRIS II Intrepid XSP ICP - OES 测定主要元素，使用 Perkin - Elmer ELAN 9000 ICP - MS 分析包括稀土元素和钇（REY）在内的微量元素。同时，通过测定钕（Nd）同位素，利用其作为水团示踪剂来研究海洋环流和上升流过程。此外，还运用了矿物磁性测量技术，获取了一系列磁性参数，以探究古环境变化。最重要的是，他们构建并运用全球生物地球化学模型，模拟了磷（P）风化和硅酸盐风化对海洋 P 浓度和气候的影响。

海洋磷库和初级生产力的变化

研究人员以西北太平洋 MID03 站点的铁锰结壳样本为研究对象，发现其中磷（P）主要存在于铁的氢氧化物中，并且铁的氢氧化物中 P/Fe 比值与过去深层水磷酸盐水平密切相关。通过分析 P/Fe 比值，研究人员发现晚中新世海洋 P 浓度显著增加，在 750 万年至 400 万年间，P/Fe 比值从约 0.032 上升到 0.046 左右，随后在 400 万年至 300 万年间下降，之后又有所波动。这一变化趋势与之前在多个地点观察到的晚中新世生产力增强现象高度吻合，例如 ODP 885/886 站点的蛋白石积累增加、日本海的钡富集等。由于 P 是初级生产力的关键限制营养素，因此研究人员认为海洋 P 水平的增加是晚中新世初级生产力增强的主要驱动力。

营养物质循环动态

晚中新世时期，在西太平洋、查塔姆海隆、布莱克高原等多个地区都观察到了磷酸盐化现象。研究人员利用铁锰结壳 MID03 和西太平洋其他样本的 εNd 记录作为水团示踪剂，发现晚中新世期间西太平洋的 Nd 同位素组成相对放射性更强，这表明低纬度地区有更多放射性岛弧物质输入，意味着该地区的深层水从西北太平洋边缘深层水向低纬度赤道深层水转变。这种深层水的振荡增强了海洋中的营养物质循环，再加上海洋中 P 浓度的升高，进一步刺激了初级生产力和磷酸盐化过程。同时，研究还发现海洋 P 浓度的增加与晚中新世海洋氧化还原变化密切相关。在西太平洋 MID03 站点，约 750 万年前海洋 P 上升的同时，底部水氧浓度同步下降，这一现象得到了磁细菌（MTB）相关指标的验证，表明晚中新世太平洋海洋存在深层水脱氧现象。

磷施肥在驱动 CO₂消耗中的主导作用

虽然硅酸盐风化和 P 风化都可能导致大气 CO₂的消耗，但它们在晚中新世气候动态变化中的相对重要性一直存在争议。研究人员运用全球生物地球化学模型进行模拟研究，结果显示晚中新世期间 P 风化和硅酸盐风化存在解耦现象。当单独增加 P 风化时，模型结果显示大陆 P 风化增加约 30% 就能产生 400 万年前重建的海洋 P 浓度峰值，同时导致大气 CO₂显著下降约 60 ppm，这足以解释晚中新世大气 CO₂记录中的全部变化。而当同时增加 P 和硅酸盐风化时，模拟结果出现与实际数据不符的情况，无法再现观测到的海水 P 浓度变化。综合分析，研究人员认为区域构造导致的 P 风化是晚中新世气候快速冷却和南极西部及北极冰盖扩张的主要触发因素。喜马拉雅 - 青藏高原和安第斯山脉的隆升和风化，可能加速了生物限制营养素磷向海洋的净通量，海洋营养物质输入的增加促进了全球海洋生产力的提升。此外，亚热带和热带地区陆地环境和生态系统的大规模变化，也可能通过增加土壤侵蚀和土壤有机物质向海洋的输入，进而增加海洋中的 P 含量。

研究结论表明，晚中新世溶解海洋磷酸盐浓度呈现持续的阶梯式增加。研究还揭示了晚中新世冷却期间 P 和硅酸盐风化之间存在显著解耦现象，突出了陆地环境和生态系统变化在调节 P 风化和气候变化中的重要意义。这一研究成果为我们更全面地理解新生代过去海洋营养物质的变化、风化作用以及气候影响之间的关系提供了重要依据。不过，研究也指出，未来还需要对全球铁锰结壳样本进行更多的 P/Fe 记录分析，以进一步验证海洋磷酸盐浓度的变化。同时，高分辨率的古气候研究也有助于揭示自中新世以来 P 风化的短期变化，以及在地球历史早期全球冷却事件中 P 风化相对于硅酸盐风化的重要性。这项研究就像是在气候研究的拼图中，成功地找到了关键的几块，让我们离揭开地球气候演变的真相又近了一步，但拼图尚未完成，还有更多的未知等待着科研人员去探索和发现。