古海洋中碳匯的研究對于理解現今海洋碳匯形成和預測其未來的碳匯趨勢及其環境生態效應都具有重要意義[2]。本專題的一個鮮明特色就是對地質歷史時期海洋碳匯的研究, 體現了古今結合研究海洋碳匯的新方向。本專題古海洋碳匯報告在時間上涉及了從18~8億年前的中元古代到距今2.5 Ma的第四紀, 在研究主題上涉及了從古海洋碳匯形成的古海洋環境到古海洋碳匯的生態環境效應等; 這些報告不僅為現代海洋碳匯研究提供了許多有益的借鑒, 而且也促成了本專題與會海洋碳匯科學家的新思想動向— — 海洋碳匯的歷史演化觀。

1 中元古代暖期的古海洋環境研究

由于距今18~8億年的中元古代在構造、生命演化等方面表現較為單調被稱為“ 沉寂的十億年” (Boring Billion)。然而這一時期具有氣候溫暖和海洋廣泛的缺氧分層甚至硫化等特點[3, 4], 這些海洋條件理論上應該更加適合古海洋中碳匯的形成。北京大學的胡永云團隊以此為突破口, 使用海氣耦合氣候模式(Community Climate System Model version 3, CCSM3)對這一時期古海洋洋流與層結程度給予研究。在模擬試驗中, 他們使用比現在弱10%的太陽常數和兩種重建的古大陸分布[5]:大陸偏近于高緯度, 主要分布在熱帶地區。通過對不同大氣CO2濃度進行一系列模擬試驗[6], 他們發現:中元古代大氣CO2濃度是現今的20倍(7 100× 10-6), 地球的兩極也沒有永久性冰川的存在(圖2)。在這種情況下, 古海洋溫鹽環流的強度以及海洋表層與深海物質交換效率比現在氣候條件下的還高, 而深部海洋層結穩定性與現代海洋層結穩定性相當。這些研究結果表明中元古代的海洋物理條件并不適合大規模的海洋碳匯的形成。

2 晚新元古代古海洋大型溶解有機碳庫的古海洋環境與環境效應研究

晚新元古代全球大冰期(即“ 雪球地球” [7])之后的埃迪卡拉紀(635~541 Ma)不僅是后生動物誕生的時代[8], 而且在全球范圍內記錄了地質歷史時期已知的最大碳同位素負偏事件(低至-12‰ )[9]。目前, 對于這一極端碳同位素負偏事件解釋的一個重要假說是埃迪卡拉紀古海洋中存在一個大型溶解有機碳(Dissolved Organic Carbn, DOC)庫; 隨著埃迪卡拉紀古海洋的逐步氧化, 這一大型DOC庫也逐步氧化, 釋放出的同位素較輕的CO2導致了這一強烈無機碳同位素負漂移事件[10~14]。這一假說對于這一時期海洋化學特征和古氣候條件有明確的暗示, 由此, 查明這一時期古海洋化學特征和古氣候的波動對于驗證大DOC庫假說和深入理解這一時期古海洋大型DOC形成機制和其環境生態效應具有重要的意義。以中國地質大學(武漢)李超團隊[15]為代表的研究人員以Fe-S-C多元的地球化學指標記錄以及數學定量模型方法重建了我國華南埃迪卡拉紀古海洋的氧化還原空間分布。研究結果表明新元古代全球大冰期之后的埃迪卡拉紀古海洋具有缺氧分層的空間結構。常華進等[16]的報告也表明這一古海洋特征甚至延伸到了早寒武世。更為重要的是, 以空間硫同位素記錄為基礎的數學定量模型計算表明:在從極端碳同位素負偏開始前至負偏結束, 海洋硫酸鹽含量整體上經歷了一次由低到高再降低的過程, 并存在明顯的從淺水向遠洋減少的空間梯度[17]。這些結果表明當時古海洋氧化還原特征的確適合大型DOC庫在深部海洋中積累和形成。李超等團隊在此基礎上使用了目前新興的全新的溫度代用指標— — 二元同位素溫度計(clumped isotope thermometer)△ 47重建了埃迪卡拉紀無機碳同位素出現強烈負漂移及之前(635~551 Ma)的古海洋表層海水的溫度變化[18]。結果表明:古海洋表層海水溫度波動范圍為18.3~62.1 ℃。進一步, 與無機碳同位素記錄的對比表明:當無機碳同位素記錄出現負漂時古海洋表層海水溫度升高(最低43.6 ℃, 最高62.1 ℃, 平均溫度46.2 ℃), 而當無機碳同位素記錄未出現負漂時, 古海洋表層海水溫度則較低(最低18.3 ℃, 最高41.8 ℃, 平均溫度32.3 ℃)。這一結果符合大溶解有機碳庫假說的預期, 也符合已知的埃迪卡拉紀中期Gaskiers冰期(約580 Ma)的出現(最低溫度處), 因此該研究為大溶解有機碳庫假說提供了獨立的地質證據。研究結果表明微型生物碳泵(Microbial Carbon Pump, MCP)在古海洋碳匯的重要作用, 同時, DOC庫演化影響了地球氣候的變化。

3 古生代— 中生代之交海洋儲碳機制波動與生態效應研究

2.52億年前的二疊系— 三疊系界線是地質歷史上的一條重要分界線, 既是古生代與中生代之間的時間分界線, 也是地球氣候從冰室期向溫室期轉變的關鍵時期, 在該界線附近還發生了顯生宙以來最大規模的生物滅絕事件, 隨后生物經歷了漫長和復雜的復蘇過程。華南越來越多的證據顯示, 這次生物大滅絕表現出兩幕式, 并伴隨兩幕碳同位素負偏和微生物暴發, 顯示了碳循環、微生物與生物危機之間的密切關系[19]。進一步的研究發現, 第二幕的生物危機可能更加嚴重, 表現在第二幕的生物危機破壞了存在約 2億年之久的海洋生態系結構, 導致以非移動型動物為主的古生代型生態系結構向以移動型動物為主的現代型生態系結構的重大轉變[20]。但目前對造成第二幕如此嚴重的生物危機的原因還不明朗。中國地質大學(武漢)謝樹成團隊[21]通過對四川廣元上寺剖面的生物標志化合物研究發現, 在第二幕碳同位素負偏和動物大滅絕時, 出現了大量真核微生物和原核微生物的繁盛、水體分層、海水硫化等現象, 這些現象正好又對應于古大氣溫度的升高以及隨后的古海洋酸化[22, 23]。因此, 古溫度升高可能導致古海洋分層, 一些微生物繁盛加劇了海洋缺氧并進一步發展為硫化。當時, 生物泵加強、異養呼吸作用加強, 但微型生物碳泵的作用可能減弱, 導致海洋出現酸化和碳同位素的負偏。以上記錄說明:微型生物碳泵作用的減弱而生物泵的加強可能對2.52億年前第二幕生態系統危機產生了極其重要的影響。

4 更新世以來海洋生物泵與微型生物碳泵效率波動的數學模擬

海洋沉積物記錄顯示上新世— 更新世的碳同位素(δ 13C)具有40萬年周期性變化, 這一周期在中更新世拉長為50萬年[24, 25]。δ 13C變化可以反映海洋碳儲庫的變化。前人研究將δ 13C這一長周期變化歸因于陸源風化、海洋初級生產力、沉積雨比例等因素的變化[26]。近年來, 海洋溶解有機碳庫的研究進展特別是微型生物碳泵概念的提出[27], 為解釋古海洋變化提供了新的視角?！?溶解有機碳” 假說成為解釋大洋碳儲庫長周期變化的一種新假說[24]。同濟大學馬文濤等[28]利用改進的中等復雜程度箱式模型模擬了2 Ma以來的海水δ 13C變化。模型通過添加微生物環, 將碳循環分成快循環和慢循環2個環路。營養鹽和生產力水平控制了碳循環的主要通路。模擬結果顯示風化加強, 營養鹽輸入增加會導致惰性溶解有機碳(Recalcitrant Dissolved Organic Carbon, RDOC)濃度減小, 海水無機碳δ 13C變輕, 生物泵起更大作用; 而營養鹽輸入減弱時, RDOC濃度增加, δ 13C變重, 微型生物碳泵起等大作用。0~2 Ma地質時間段的模擬結果也顯示, 40萬~50萬年周期變化受控于風化指標變化, 模擬的δ 13C相位和振幅都與地質記錄一致(圖3), 模擬結果可以支持“ 溶解有機碳” 假說。