末次间冰期南半球西风增强下南极与亚北极输出生产力的解耦及其碳循环意义

《Nature Communications》：Decoupled Antarctic and Subarctic export productivity under intensified Southern Hemisphere westerlies during the last interglacial

本研究针对末次间冰期暖期背景下南半球西风对极地海洋碳循环的调控机制这一关键科学问题，通过集成15个南极和5个亚北太平洋输出生产力记录，发现南极与亚北极生产力在海洋同位素阶段5发生解耦：南极生产力持续高位而亚北太平洋生产力显著下降。研究揭示南半球西风增强通过促进绕极深层水上涌维持南极生产力及大气CO2，而南极底水输送变化抑制亚北极上升流。该发现为预测未来变暖情景下极地海洋碳循环响应提供了古气候参照。

　　

在地球气候系统中，极地海洋如同巨大的碳循环调节器，通过复杂的物理和生物过程影响着大气二氧化碳的浓度。特别是南大洋和亚北太平洋这两个高纬度海域，其深层水上涌过程既能将富含营养盐和二氧化碳的深海水带到表层，促进浮游植物生长，又可能将海洋中储存的碳释放到大气中。过去的研究普遍认为，南极温度变化是调控大气二氧化碳浓度的主导因素，但这一传统观点在解释某些暖期气候时遇到了挑战。

末次间冰期（128-113 ka BP）是研究暖期气候-碳循环相互作用的理想窗口，这一时期地球气候比工业革命前温暖约1.0-1.5°C，但大气二氧化碳浓度稳定在270-280 ppm。令人困惑的是，在末次间冰期后期，南极温度下降了超过6°C，而大气二氧化碳却保持稳定，这与传统的温度-二氧化碳耦合关系明显不符。这一矛盾暗示着，可能还有其他重要因素在调控着极地海洋的碳循环过程。

为了解决这一科学难题，由陆丽娟、杨清华为首的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究。他们系统集成了来自南大洋南极带的15个输出生产力记录和亚北太平洋的5个输出生产力记录，覆盖了过去两个冰期-间冰期旋回。通过构建生物硅和生物钡等多指标综合序列，研究人员揭示了南半球西风在调控极地海洋碳循环中的关键作用。

研究团队主要运用了古海洋学代用指标分析和高分辨率年代标尺构建等关键技术方法。他们整合了来自12个南大洋岩芯和10个亚北太平洋岩芯的沉积记录，利用生物硅含量和通量、生物钡浓度及元素比值（Ba/Ti、Ba/Al、Ba/Fe）等多种指标重建古生产力变化。所有南大洋记录统一采用AICC2012年代标尺进行重新校准，通过逆标准差加权法和主成分分析两种独立方法构建综合序列，确保结果的可靠性。亚北太平洋记录则主要依赖生物钡和²³¹Pa/²³⁰Th比值，避免了生物硅成岩作用的影响。

南极与亚北太平洋输出生产力关系的解耦

研究发现，在大多数时期，南极和亚北太平洋的输出生产力变化与南极温度、大气二氧化碳浓度呈现良好的一致性，特别是在 Termination I 和 Termination II 等增温事件期间，两个区域都表现出生产力同步增加的特征。然而，在海洋同位素阶段5（MIS 5），尤其是末次间冰期期间，这种协同关系被打破。尽管南极温度显著下降，南极输出生产力仍维持在较高水平，而亚北太平洋生产力却急剧降低。线性回归分析显示，当排除MIS 5数据后，南极与亚北太平洋生产力之间的相关性从R²=0.58显著提高至R²=0.90，表明MIS 5是一个异常期。

风驱动上涌而非温度控制南极输出生产力

研究人员排除了海冰范围和铁肥效应对南极生产力的主要影响。尽管末次间冰期后期海冰重新扩张，但南极生产力仍保持高位并出现三个明显峰值。更重要的是，南极输出生产力与温度的关系在MIS 5期间明显偏离长期模式。当排除MIS 5后，两者相关性从R²=0.76提升至R²=0.90。特别是在末次间冰期后期，南极生产力在温度下降6°C的情况下仍维持高位，表明温度 alone 不能完全解释生产力变化。

南半球西风增强被认为是维持南极高生产力的关键机制。 Termination II 期间，北大西洋淡水输入导致大西洋经向翻转环流（AMOC）减弱，通过两极跷跷板机制促进南大洋热积累和南极增温。这种半球间温度对比引发了热带辐合带（ITCZ）南移和南半球西风（SHW）向极强化，增强了绕极深层水（CDW）上涌。轨道强迫进一步放大这一效应，倾斜度减小加强了经向温度梯度，使风系统呈现类似正相位南极环状模（SAM）的特征，促进营养盐供应和生产力。

南大洋环流对亚北太平洋输出生产力的远程影响

亚北太平洋生产力与南极温度保持较强相关性（R²=0.77），表明存在远程联系。研究人员提出，亚北太平洋深层通风依赖来自南大洋的水体输送，包括南极底水（AABW）和再循环的北大西洋深层水（NADW）。在 Termination 期间，AABW输出增强而绕极流（ACC）北边界流减弱，限制了下绕极深层水（LCDW）向北输送，导致营养丰富的深层水在亚北太平洋积累，促进生产力。末次间冰期后期，随着AMOC恢复和AABW输出减少，ACC向极迁移进一步限制LCDW进入太平洋，削弱了深层通风和生产力。

对极地海洋-大气二氧化碳交换的启示

研究表明，南大洋上涌始终与大气二氧化碳浓度保持强相关性（R²=0.92），而亚北太平洋与二氧化碳的耦合在MIS 5期间减弱。末次间冰期后期，尽管南极降温，但南半球西风增强维持了CDW上涌，造成营养盐供应与生物利用之间的不平衡（类似现代高营养盐低叶绿素区域），使部分上涌碳逃逸到大气。与此同时，亚北太平洋深层通风减弱限制了碳向表层的传输。这种不对称响应解释了为何南极降温期间二氧化碳仍保持稳定。

这项研究突破了传统上强调南极温度主导二氧化碳变化的框架，揭示了南半球西风在暖期气候中的关键调控作用。随着气候变暖背景下南半球西风持续强化，南大洋上涌增强可能增加大气二氧化碳，而AABW形成减少和ACC变化则可能限制亚北太平洋碳释放。这种古气候类比为预测未来极地海洋-大气碳交换提供了重要参考，凸显了风场变化在气候-碳反馈中的核心地位。