在卡尼安雨季事件（晚三叠世）期间，全球环境变化对碳和氮循环的影响

《Global and Planetary Change》：Carbon and nitrogen cycling in response to global environmental change during the Carnian Pluvial Episode (late Triassic)

氮循环对卡尼尼亚 Pluvial Episode 的响应：基于羌塘盆地 Quemo Co-section 的同位素与元素地球化学分析，发现δ13C_org同位素地层学显示研究剖面涵盖CPE初期，伴随短期负碳同位素偏移（NCIEs）和沉积物粗化、硅铝比升高，可能由水循环增强引起。δ1?N正值偏移指示氮输入增加，推测源于陆地有机质输入增强，促进浮游植物吸收和部分硝酸盐同化。

　　在地球历史的长河中，某些关键的地质事件对生态系统和环境条件产生了深远的影响。其中，三叠纪晚期的“卡尼亚湿润事件”（Carnian Pluvial Episode, CPE）被认为是一次重要的环境变迁时期，对当时的海洋和陆地生态系统造成了显著的冲击。CPE发生在约2.34亿年前，标志着一系列气候变化、水文循环的转变以及生物地球化学循环的扰动。这些变化不仅影响了陆地上的生态系统，也对海洋环境产生了连锁反应，尤其是对氮循环的影响，长期以来缺乏深入研究。

为了更好地理解CPE期间氮循环的变化，研究团队对中国青藏高原羌塘盆地的“巴公组”剖面（Quemo Co section）进行了详细的地质和地球化学分析。该剖面位于羌塘盆地的东北边缘，属于古特提斯洋的一部分。研究团队采集了71个岩石样本，其中包括泥岩和粉砂岩，并通过系统的方法对样本进行了处理和分析。这些样本的处理过程包括破碎、研磨，使其成为细粉末，以便进行后续的地球化学测试。通过对样本的有机碳（δ13Corg）和氮同位素（δ1?N）含量进行测定，结合整体元素的地球化学数据，研究人员能够追踪CPE期间环境和沉积条件的变化，以及这些变化与海洋氮循环之间的关系。

研究发现，有机碳同位素地层学显示，所研究的沉积序列涵盖了CPE的起始阶段，这一阶段以连续的短期碳同位素负偏移（NCIEs）为特征。NCIEs的出现表明，全球碳循环受到了显著扰动，可能与大气中二氧化碳浓度的波动、陆地和海洋之间的物质交换以及生物地球化学过程的改变有关。此外，岩石学观察结合硅铝比和铝钾比的升高，表明在CPE期间，有更多的细粒沉积物和化学改造的黏土矿物输入到沉积体系中，这可能与当时水文循环的增强有关。例如，随着降雨量的增加，陆地上的侵蚀和风化作用加剧，导致更多的物质被输送到边缘海环境，从而改变了沉积物的组成和分布。

同时，研究团队在NCIE区间内发现了氮同位素正偏移（δ1?N正偏移）的现象，这表明在CPE期间，海洋环境中的营养物质输入显著增加。这种增加可能源于陆地有机质输入的增强，尤其是在高温和强降雨的条件下，陆地上的植物和微生物活动更加活跃，从而增加了向海洋输送的营养物质。这些营养物质，如硝酸盐（NO??）和铵（NH??），对于海洋初级生产力至关重要，能够促进浮游植物的生长，进而影响整个海洋生态系统的结构和功能。此外，研究还发现，硝酸盐的同位素组成在现代海洋中主要以硝酸盐形式存在，其平均δ1?N值约为+5‰，而这一现象在CPE期间可能反映了不同的氮循环机制，如硝化作用和反硝化作用的增强。

研究团队还探讨了氮循环的多种机制及其对环境变化的响应。例如，在有氧条件下，固定氮的主要产物是硝酸盐（NO??），而在缺氧条件下则主要以铵（NH??）的形式存在。这种变化可能与CPE期间海洋环境中的氧气含量波动有关，进而影响氮的转化和分配。此外，研究还指出，反硝化作用和厌氧氨氧化（anammox）是固定氮输出的主要机制，其中反硝化作用在沉积物或水体中通过细菌将硝酸盐作为电子受体，进行有机质的分解，从而产生氮气（N?）。而anammox则是在缺氧条件下，通过微生物将铵和硝酸盐（或亚硝酸盐）转化为氮气，这一过程在某些环境下可能比反硝化作用更为显著。

通过分析这些同位素数据，研究团队能够揭示CPE期间海洋氮循环的变化模式。例如，δ13Corg和δ1?N的同位素记录表明，沉积物的组成和分布发生了显著变化，这可能与当时环境条件的改变密切相关。此外，研究还发现，某些沉积层中的氮同位素组成与现代海洋的氮同位素组成存在差异，这可能反映了古海洋中不同的氮循环机制，如氮的固定、转化和输出过程的变化。

在陆地生态系统方面，CPE期间的环境变化也对生物多样性产生了重要影响。例如，陆地上的湿润气候扩展，导致更多的水生植物和微生物活动，这可能促进了陆地生态系统中氮的循环。同时，CPE期间的高温和强降雨也导致了陆地上的侵蚀和风化作用增强，进而增加了向海洋输送的营养物质。这种营养物质的增加可能对海洋生态系统产生了积极影响，促进了浮游植物的生长，进而影响了整个海洋食物链的结构和功能。

在海洋生态系统方面，CPE期间的环境变化同样对生物多样性产生了深远的影响。例如，CPE期间的海洋环境变化导致了某些生物类群的灭绝，如菊石和牙形石，但同时也促进了其他生物类群的多样化和辐射，如珊瑚和钙质浮游植物。这种变化可能与海洋环境中的氧气含量波动、营养物质输入的变化以及生物地球化学循环的扰动有关。例如，在CPE期间，海洋环境中的氧气含量可能降低，导致某些依赖氧气的生物类群灭绝，而其他能够适应低氧环境的生物类群则得以繁盛。

此外，研究还指出，CPE期间的环境变化可能促进了海洋环境中的缺氧条件的发展，这可能与陆地上的侵蚀和风化作用增强有关。例如，随着陆地上的营养物质输入增加，海洋中的初级生产力提高，进而导致更多的有机质沉积，这些有机质在分解过程中可能消耗氧气，形成缺氧环境。这种缺氧环境可能对海洋生态系统产生了负面影响，导致某些生物类群的灭绝，同时也促进了其他生物类群的多样化和辐射。

研究团队还强调，氮同位素数据在揭示古海洋氮循环方面具有重要意义。例如，通过分析沉积物中的氮同位素组成，可以了解当时海洋环境中氮的来源、转化和输出过程。这些数据不仅能够帮助科学家理解CPE期间海洋氮循环的变化，还能够为研究其他地质时期海洋环境的变化提供参考。此外，研究还指出，氮同位素数据在追踪生物地球化学循环方面具有独特的优势，能够提供关于生态系统变化的详细信息。

在研究方法上，团队采用了多种地球化学分析技术，包括有机碳和氮的浓度测定、同位素分析以及整体元素的测定。这些技术的结合使得研究人员能够更全面地了解CPE期间环境和沉积条件的变化。例如，通过测定有机碳和氮的浓度，可以了解当时陆地和海洋之间的物质交换情况，而通过测定同位素组成，可以了解氮的来源和转化过程。此外，整体元素的测定能够提供关于沉积物组成的详细信息，帮助研究人员理解沉积环境的变化。

研究团队还特别关注了氮同位素信号在沉积过程中的保存情况。例如，在沉积物的成岩过程中，氮同位素信号可能会受到干扰，导致其与原始的同位素组成不同。因此，研究人员在分析同位素数据时，需要考虑这些干扰因素，并采取相应的校正措施。例如，通过测定沉积物中的有机氮和黏土结合的铵的含量，可以了解氮同位素信号的变化情况，并评估其是否受到成岩过程的影响。此外，研究还指出，沉积物中的无机氮（如铵）可能会显著影响氮同位素的组成，特别是在有机质含量较低的沉积物中。

通过这些分析，研究团队能够揭示CPE期间氮循环的变化模式，并为理解当时的环境和生态系统变化提供新的视角。例如，研究发现，CPE期间的氮同位素信号变化可能反映了氮的来源、转化和输出过程的变化，这些变化可能与当时的气候、水文和地质条件密切相关。此外，研究还指出，CPE期间的环境变化可能对海洋和陆地生态系统产生了深远的影响，包括生物多样性的变化、生态系统结构的调整以及生物地球化学循环的扰动。

总的来说，这项研究不仅提供了关于CPE期间环境和沉积条件变化的详细信息，还揭示了氮循环在这一时期的变化模式。通过分析有机碳和氮同位素数据，结合整体元素的测定，研究人员能够更好地理解CPE期间海洋和陆地生态系统的变化，以及这些变化与全球气候变化之间的关系。这些发现对于研究地球历史上的环境变迁及其对生态系统的影响具有重要意义，也为未来的地质和地球化学研究提供了新的思路和方法。