古海洋中碳匯的研究對(duì)于理解現(xiàn)今海洋碳匯形成和預(yù)測(cè)其未來(lái)的碳匯趨勢(shì)及其環(huán)境生態(tài)效應(yīng)都具有重要意義[2]。本專(zhuān)題的一個(gè)鮮明特色就是對(duì)地質(zhì)歷史時(shí)期海洋碳匯的研究, 體現(xiàn)了古今結(jié)合研究海洋碳匯的新方向。本專(zhuān)題古海洋碳匯報(bào)告在時(shí)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(jì), 在研究主題上涉及了從古海洋碳匯形成的古海洋環(huán)境到古海洋碳匯的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)等; 這些報(bào)告不僅為現(xiàn)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(zhuān)題與會(huì)海洋碳匯科學(xué)家的新思想動(dòng)向— — 海洋碳匯的歷史演化觀(guān)。

1 中元古代暖期的古海洋環(huán)境研究

由于距今18~8億年的中元古代在構(gòu)造、生命演化等方面表現(xiàn)較為單調(diào)被稱(chēng)為“ 沉寂的十億年” (Boring Billion)。然而這一時(shí)期具有氣候溫暖和海洋廣泛的缺氧分層甚至硫化等特點(diǎn)[3, 4], 這些海洋條件理論上應(yīng)該更加適合古海洋中碳匯的形成。北京大學(xué)的胡永云團(tuán)隊(duì)以此為突破口, 使用海氣耦合氣候模式(Community Climate System Model version 3, CCSM3)對(duì)這一時(shí)期古海洋洋流與層結(jié)程度給予研究。在模擬試驗(yàn)中, 他們使用比現(xiàn)在弱10%的太陽(yáng)常數(shù)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(qū)。通過(guò)對(duì)不同大氣CO2濃度進(jìn)行一系列模擬試驗(yàn)[6], 他們發(fā)現(xiàn):中元古代大氣CO2濃度是現(xiàn)今的20倍(7 100× 10-6), 地球的兩極也沒(méi)有永久性冰川的存在(圖2)。在這種情況下, 古海洋溫鹽環(huán)流的強(qiáng)度以及海洋表層與深海物質(zhì)交換效率比現(xiàn)在氣候條件下的還高, 而深部海洋層結(jié)穩(wěn)定性與現(xiàn)代海洋層結(jié)穩(wěn)定性相當(dāng)。這些研究結(jié)果表明中元古代的海洋物理?xiàng)l件并不適合大規(guī)模的海洋碳匯的形成。

2 晚新元古代古海洋大型溶解有機(jī)碳庫(kù)的古海洋環(huán)境與環(huán)境效應(yīng)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(jì)(635~541 Ma)不僅是后生動(dòng)物誕生的時(shí)代[8], 而且在全球范圍內(nèi)記錄了地質(zhì)歷史時(shí)期已知的最大碳同位素負(fù)偏事件(低至-12‰ )[9]。目前, 對(duì)于這一極端碳同位素負(fù)偏事件解釋的一個(gè)重要假說(shuō)是埃迪卡拉紀(jì)古海洋中存在一個(gè)大型溶解有機(jī)碳(Dissolved Organic Carbn, DOC)庫(kù); 隨著埃迪卡拉紀(jì)古海洋的逐步氧化, 這一大型DOC庫(kù)也逐步氧化, 釋放出的同位素較輕的CO2導(dǎo)致了這一強(qiáng)烈無(wú)機(jī)碳同位素負(fù)漂移事件[10~14]。這一假說(shuō)對(duì)于這一時(shí)期海洋化學(xué)特征和古氣候條件有明確的暗示, 由此, 查明這一時(shí)期古海洋化學(xué)特征和古氣候的波動(dòng)對(duì)于驗(yàn)證大DOC庫(kù)假說(shuō)和深入理解這一時(shí)期古海洋大型DOC形成機(jī)制和其環(huán)境生態(tài)效應(yīng)具有重要的意義。以中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)李超團(tuán)隊(duì)[15]為代表的研究人員以Fe-S-C多元的地球化學(xué)指標(biāo)記錄以及數(shù)學(xué)定量模型方法重建了我國(guó)華南埃迪卡拉紀(jì)古海洋的氧化還原空間分布。研究結(jié)果表明新元古代全球大冰期之后的埃迪卡拉紀(jì)古海洋具有缺氧分層的空間結(jié)構(gòu)。常華進(jìn)等[16]的報(bào)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(chǔ)的數(shù)學(xué)定量模型計(jì)算表明:在從極端碳同位素負(fù)偏開(kāi)始前至負(fù)偏結(jié)束, 海洋硫酸鹽含量整體上經(jīng)歷了一次由低到高再降低的過(guò)程, 并存在明顯的從淺水向遠(yuǎn)洋減少的空間梯度[17]。這些結(jié)果表明當(dāng)時(shí)古海洋氧化還原特征的確適合大型DOC庫(kù)在深部海洋中積累和形成。李超等團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上使用了目前新興的全新的溫度代用指標(biāo)— — 二元同位素溫度計(jì)(clumped isotope thermometer)△ 47重建了埃迪卡拉紀(jì)無(wú)機(jī)碳同位素出現(xiàn)強(qiáng)烈負(fù)漂移及之前(635~551 Ma)的古海洋表層海水的溫度變化[18]。結(jié)果表明:古海洋表層海水溫度波動(dòng)范圍為18.3~62.1 ℃。進(jìn)一步, 與無(wú)機(jī)碳同位素記錄的對(duì)比表明:當(dāng)無(wú)機(jī)碳同位素記錄出現(xiàn)負(fù)漂時(shí)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(dāng)無(wú)機(jī)碳同位素記錄未出現(xiàn)負(fù)漂時(shí), 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(jié)果符合大溶解有機(jī)碳庫(kù)假說(shuō)的預(yù)期, 也符合已知的埃迪卡拉紀(jì)中期Gaskiers冰期(約580 Ma)的出現(xiàn)(最低溫度處), 因此該研究為大溶解有機(jī)碳庫(kù)假說(shuō)提供了獨(dú)立的地質(zhì)證據(jù)。研究結(jié)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(shí), DOC庫(kù)演化影響了地球氣候的變化。

3 古生代— 中生代之交海洋儲(chǔ)碳機(jī)制波動(dòng)與生態(tài)效應(yīng)研究

2.52億年前的二疊系— 三疊系界線(xiàn)是地質(zhì)歷史上的一條重要分界線(xiàn), 既是古生代與中生代之間的時(shí)間分界線(xiàn), 也是地球氣候從冰室期向溫室期轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期, 在該界線(xiàn)附近還發(fā)生了顯生宙以來(lái)最大規(guī)模的生物滅絕事件, 隨后生物經(jīng)歷了漫長(zhǎng)和復(fù)雜的復(fù)蘇過(guò)程。華南越來(lái)越多的證據(jù)顯示, 這次生物大滅絕表現(xiàn)出兩幕式, 并伴隨兩幕碳同位素負(fù)偏和微生物暴發(fā), 顯示了碳循環(huán)、微生物與生物危機(jī)之間的密切關(guān)系[19]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn), 第二幕的生物危機(jī)可能更加嚴(yán)重, 表現(xiàn)在第二幕的生物危機(jī)破壞了存在約 2億年之久的海洋生態(tài)系結(jié)構(gòu), 導(dǎo)致以非移動(dòng)型動(dòng)物為主的古生代型生態(tài)系結(jié)構(gòu)向以移動(dòng)型動(dòng)物為主的現(xiàn)代型生態(tài)系結(jié)構(gòu)的重大轉(zhuǎn)變[20]。但目前對(duì)造成第二幕如此嚴(yán)重的生物危機(jī)的原因還不明朗。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)謝樹(shù)成團(tuán)隊(duì)[21]通過(guò)對(duì)四川廣元上寺剖面的生物標(biāo)志化合物研究發(fā)現(xiàn), 在第二幕碳同位素負(fù)偏和動(dòng)物大滅絕時(shí), 出現(xiàn)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(xiàn)象, 這些現(xiàn)象正好又對(duì)應(yīng)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(dǎo)致古海洋分層, 一些微生物繁盛加劇了海洋缺氧并進(jìn)一步發(fā)展為硫化。當(dāng)時(shí), 生物泵加強(qiáng)、異養(yǎng)呼吸作用加強(qiáng), 但微型生物碳泵的作用可能減弱, 導(dǎo)致海洋出現(xiàn)酸化和碳同位素的負(fù)偏。以上記錄說(shuō)明:微型生物碳泵作用的減弱而生物泵的加強(qiáng)可能對(duì)2.52億年前第二幕生態(tài)系統(tǒng)危機(jī)產(chǎn)生了極其重要的影響。

4 更新世以來(lái)海洋生物泵與微型生物碳泵效率波動(dòng)的數(shù)學(xué)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(wàn)年周期性變化, 這一周期在中更新世拉長(zhǎng)為50萬(wàn)年[24, 25]。δ 13C變化可以反映海洋碳儲(chǔ)庫(kù)的變化。前人研究將δ 13C這一長(zhǎng)周期變化歸因于陸源風(fēng)化、海洋初級(jí)生產(chǎn)力、沉積雨比例等因素的變化[26]。近年來(lái), 海洋溶解有機(jī)碳庫(kù)的研究進(jìn)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(jī)碳” 假說(shuō)成為解釋大洋碳儲(chǔ)庫(kù)長(zhǎng)周期變化的一種新假說(shuō)[24]。同濟(jì)大學(xué)馬文濤等[28]利用改進(jìn)的中等復(fù)雜程度箱式模型模擬了2 Ma以來(lái)的海水δ 13C變化。模型通過(guò)添加微生物環(huán), 將碳循環(huán)分成快循環(huán)和慢循環(huán)2個(gè)環(huán)路。營(yíng)養(yǎng)鹽和生產(chǎn)力水平控制了碳循環(huán)的主要通路。模擬結(jié)果顯示風(fēng)化加強(qiáng), 營(yíng)養(yǎng)鹽輸入增加會(huì)導(dǎo)致惰性溶解有機(jī)碳(Recalcitrant Dissolved Organic Carbon, RDOC)濃度減小, 海水無(wú)機(jī)碳δ 13C變輕, 生物泵起更大作用; 而營(yíng)養(yǎng)鹽輸入減弱時(shí), 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(zhì)時(shí)間段的模擬結(jié)果也顯示, 40萬(wàn)~50萬(wàn)年周期變化受控于風(fēng)化指標(biāo)變化, 模擬的δ 13C相位和振幅都與地質(zhì)記錄一致(圖3), 模擬結(jié)果可以支持“ 溶解有機(jī)碳” 假說(shuō)。