古海洋碳汇

古海洋中碳汇的研究对于理解现今海洋碳汇形成和预测其未来的碳汇趋势及其环境生态效应都具有重要意义[2]。本专题的一个鲜明特色就是对地质历史时期海洋碳汇的研究, 体现了古今结合研究海洋碳汇的新方向。本专题古海洋碳汇报告在时间上涉及了从18~8亿年前的中元古代到距今2.5 Ma的第四纪, 在研究主题上涉及了从古海洋碳汇形成的古海洋环境到古海洋碳汇的生态环境效应等; 这些报告不仅为现代海洋碳汇研究提供了许多有益的借鉴, 而且也促成了本专题与会海洋碳汇科学家的新思想动向— — 海洋碳汇的历史演化观。

1 中元古代暖期的古海洋环境研究

由于距今18~8亿年的中元古代在构造、生命演化等方面表现较为单调被称为“ 沉寂的十亿年” (Boring Billion)。然而这一时期具有气候温暖和海洋广泛的缺氧分层甚至硫化等特点[3, 4], 这些海洋条件理论上应该更加适合古海洋中碳汇的形成。北京大学的胡永云团队以此为突破口, 使用海气耦合气候模式(Community Climate System Model version 3, CCSM3)对这一时期古海洋洋流与层结程度给予研究。在模拟试验中, 他们使用比现在弱10%的太阳常数和两种重建的古大陆分布[5]:大陆偏近于高纬度, 主要分布在热带地区。通过对不同大气CO2浓度进行一系列模拟试验[6], 他们发现:中元古代大气CO2浓度是现今的20倍(7 100× 10-6), 地球的两极也没有永久性冰川的存在(图2)。在这种情况下, 古海洋温盐环流的强度以及海洋表层与深海物质交换效率比现在气候条件下的还高, 而深部海洋层结稳定性与现代海洋层结稳定性相当。这些研究结果表明中元古代的海洋物理条件并不适合大规模的海洋碳汇的形成。

2 晚新元古代古海洋大型溶解有机碳库的古海洋环境与环境效应研究

晚新元古代全球大冰期(即“ 雪球地球” [7])之后的埃迪卡拉纪(635~541 Ma)不仅是后生动物诞生的时代[8], 而且在全球范围内记录了地质历史时期已知的最大碳同位素负偏事件(低至-12‰ )[9]。目前, 对于这一极端碳同位素负偏事件解释的一个重要假说是埃迪卡拉纪古海洋中存在一个大型溶解有机碳(Dissolved Organic Carbn, DOC)库; 随着埃迪卡拉纪古海洋的逐步氧化, 这一大型DOC库也逐步氧化, 释放出的同位素较轻的CO2导致了这一强烈无机碳同位素负漂移事件[10~14]。这一假说对于这一时期海洋化学特征和古气候条件有明确的暗示, 由此, 查明这一时期古海洋化学特征和古气候的波动对于验证大DOC库假说和深入理解这一时期古海洋大型DOC形成机制和其环境生态效应具有重要的意义。以中国地质大学(武汉)李超团队[15]为代表的研究人员以Fe-S-C多元的地球化学指标记录以及数学定量模型方法重建了我国华南埃迪卡拉纪古海洋的氧化还原空间分布。研究结果表明新元古代全球大冰期之后的埃迪卡拉纪古海洋具有缺氧分层的空间结构。常华进等[16]的报告也表明这一古海洋特征甚至延伸到了早寒武世。更为重要的是, 以空间硫同位素记录为基础的数学定量模型计算表明:在从极端碳同位素负偏开始前至负偏结束, 海洋硫酸盐含量整体上经历了一次由低到高再降低的过程, 并存在明显的从浅水向远洋减少的空间梯度[17]。这些结果表明当时古海洋氧化还原特征的确适合大型DOC库在深部海洋中积累和形成。李超等团队在此基础上使用了目前新兴的全新的温度代用指标— — 二元同位素温度计(clumped isotope thermometer)△ 47重建了埃迪卡拉纪无机碳同位素出现强烈负漂移及之前(635~551 Ma)的古海洋表层海水的温度变化[18]。结果表明:古海洋表层海水温度波动范围为18.3~62.1 ℃。进一步, 与无机碳同位素记录的对比表明:当无机碳同位素记录出现负漂时古海洋表层海水温度升高(最低43.6 ℃, 最高62.1 ℃, 平均温度46.2 ℃), 而当无机碳同位素记录未出现负漂时, 古海洋表层海水温度则较低(最低18.3 ℃, 最高41.8 ℃, 平均温度32.3 ℃)。这一结果符合大溶解有机碳库假说的预期, 也符合已知的埃迪卡拉纪中期Gaskiers冰期(约580 Ma)的出现(最低温度处), 因此该研究为大溶解有机碳库假说提供了独立的地质证据。研究结果表明微型生物碳泵(Microbial Carbon Pump, MCP)在古海洋碳汇的重要作用, 同时, DOC库演化影响了地球气候的变化。

3 古生代— 中生代之交海洋储碳机制波动与生态效应研究

2.52亿年前的二叠系— 三叠系界线是地质历史上的一条重要分界线, 既是古生代与中生代之间的时间分界线, 也是地球气候从冰室期向温室期转变的关键时期, 在该界线附近还发生了显生宙以来最大规模的生物灭绝事件, 随后生物经历了漫长和复杂的复苏过程。华南越来越多的证据显示, 这次生物大灭绝表现出两幕式, 并伴随两幕碳同位素负偏和微生物暴发, 显示了碳循环、微生物与生物危机之间的密切关系[19]。进一步的研究发现, 第二幕的生物危机可能更加严重, 表现在第二幕的生物危机破坏了存在约 2亿年之久的海洋生态系结构, 导致以非移动型动物为主的古生代型生态系结构向以移动型动物为主的现代型生态系结构的重大转变[20]。但目前对造成第二幕如此严重的生物危机的原因还不明朗。中国地质大学(武汉)谢树成团队[21]通过对四川广元上寺剖面的生物标志化合物研究发现, 在第二幕碳同位素负偏和动物大灭绝时, 出现了大量真核微生物和原核微生物的繁盛、水体分层、海水硫化等现象, 这些现象正好又对应于古大气温度的升高以及随后的古海洋酸化[22, 23]。因此, 古温度升高可能导致古海洋分层, 一些微生物繁盛加剧了海洋缺氧并进一步发展为硫化。当时, 生物泵加强、异养呼吸作用加强, 但微型生物碳泵的作用可能减弱, 导致海洋出现酸化和碳同位素的负偏。以上记录说明:微型生物碳泵作用的减弱而生物泵的加强可能对2.52亿年前第二幕生态系统危机产生了极其重要的影响。

4 更新世以来海洋生物泵与微型生物碳泵效率波动的数学模拟

海洋沉积物记录显示上新世— 更新世的碳同位素(δ 13C)具有40万年周期性变化, 这一周期在中更新世拉长为50万年[24, 25]。δ 13C变化可以反映海洋碳储库的变化。前人研究将δ 13C这一长周期变化归因于陆源风化、海洋初级生产力、沉积雨比例等因素的变化[26]。近年来, 海洋溶解有机碳库的研究进展特别是微型生物碳泵概念的提出[27], 为解释古海洋变化提供了新的视角。“ 溶解有机碳” 假说成为解释大洋碳储库长周期变化的一种新假说[24]。同济大学马文涛等[28]利用改进的中等复杂程度箱式模型模拟了2 Ma以来的海水δ 13C变化。模型通过添加微生物环, 将碳循环分成快循环和慢循环2个环路。营养盐和生产力水平控制了碳循环的主要通路。模拟结果显示风化加强, 营养盐输入增加会导致惰性溶解有机碳(Recalcitrant Dissolved Organic Carbon, RDOC)浓度减小, 海水无机碳δ 13C变轻, 生物泵起更大作用; 而营养盐输入减弱时, RDOC浓度增加, δ 13C变重, 微型生物碳泵起等大作用。0~2 Ma地质时间段的模拟结果也显示, 40万~50万年周期变化受控于风化指标变化, 模拟的δ 13C相位和振幅都与地质记录一致(图3), 模拟结果可以支持“ 溶解有机碳” 假说。