中新世高纬度升温被高估：颗石藻团簇同位素揭示北半球高纬度仅存在适度增温而非极端放大

《Nature Communications》：Coccolith clumped isotopes reveal modest rather than extreme northern high latitude amplification during the Miocene

本研究针对古气候模拟与代理指标在中新世高纬度温度重建中的显著矛盾，通过应用颗石藻方解石的团簇同位素（Δ47）测温技术，首次获得与气候模型吻合的北大西洋高纬度海表温度记录。结果显示，中新世北半球高纬度升温幅度仅为适度水平（较传统烯酮指标低约9°C），挑战了“极端高纬度增温”的既有范式，为更准确预测未来CO2驱动下的高纬度气候响应提供了新依据。

　　

在地球漫长的气候变迁史中，中新世（约2300万至530万年前）因其大气CO₂浓度与当今接近，常被视作预测未来气候的“天然实验室”。然而，一个长期困扰古气候学界的谜题是：基于生物标志物（如烯酮不饱和度指数U^k'₃₇）重建的中新世高纬度海表温度显著高于当前气候模型的模拟结果，暗示存在极端的“高纬度增温放大”现象。这种矛盾引发了对气候模型物理过程完整性或代理指标可靠性的质疑。为解决这一争议，研究团队将目光投向一种更具物理基础的温度代理——团簇同位素（Clumped Isotope, Δ₄₇）测温法。

团簇同位素技术通过测量碳酸盐中¹³C-¹⁸O键的异常富集程度来反演矿物形成温度，其优势在于不受水体化学组成的影响，且热力学基础明确。近年来，该技术被成功应用于颗石藻（coccolithophores）——一类广泛分布于透光层的钙质超微浮游生物。培养实验证实，尽管颗石藻的氧、碳同位素存在显著“生命效应”，其Δ₄₇与温度的关系却在不同物种间保持一致，使其成为重建混合层温度的可靠指标。

本研究聚焦北大西洋ODP 982站（57.5°N）的沉积岩芯，提取了从中新世至第四纪（距今1600万年）的纯颗石藻方解石（纯度91–98%）。通过Δ₄₇分析，团队重建了该区域长期的海表温度变化，并与同一样品的烯酮温度记录进行对比。结果显示，颗石藻Δ₄₇温度在中新世峰值仅为18.3±5.0°C，且从中新世至第四纪累计冷却约9.0°C。这一结果显著低于基于U^k'₃₇的传统校准温度（平均偏高9°C），却与多种气候模型模拟的中新世高纬度温度高度吻合。

关键技术方法概述

研究团队对ODP 982站沉积样品进行脂质提取后，通过微滤（2–10 μm）和离心分离获得高纯度颗石藻组分，并利用扫描电镜（SEM）和Sr/Ca比值评估成岩作用影响。颗石藻Δ₄₇测量在ETH Zürich的Kiel IV-MAT 253质谱仪上完成，采用LIDI（长积分双入口）流程，并以文化颗石藻的Δ₄₇-温度校准曲线计算温度。同期，对同一样品进行烯酮萃取，通过气相色谱-火焰离子化检测器（GC-FID）测定U^k'₃₇值，并对比多种校准模型（如核心顶部校准、BAYSPLINE校准等）。

研究结果

颗石藻团簇同位素温度的可靠性验证

团队首先通过冰岛海单一物种（Coccolithus pelagicus）的沉积陷阱样品验证Δ₄₇测温的准确性。其Δ₄₇温度（7.4±4.4°C）与遥感海表温度（6.74°C）高度一致，证实了技术可靠性。对ODP 982站样品的分析表明，颗石藻Δ₄₇温度未受粒径分选（如<2 μm或10–11 μm碎片）或成岩作用的显著影响（冷偏差<2°C）。Sr/Ca比值和SEM观察进一步排除了自生碳酸盐的干扰。

颗石藻Δ₄₇与烯酮温度的系统性差异

颗石藻Δ₄₇温度始终显著低于烯酮温度（图2a）。这种差异不能完全归因于颗石藻的冷偏差（如物种组成或成岩作用），而是主要源于烯酮校准的局限性。传统烯酮校准（如核心顶部校准、BAYSPLINE校准）基于全年或暖季（8–10月）海表温度回归，而北大西洋颗石藻的实际生产高峰位于冬春季节，且可能发生在混合层内部。团队发现，若采用考虑生产季节与深度的新校准模型，烯酮温度与Δ₄₇温度的差异大幅缩小（图4a）。

对中新世高纬度增温幅度的新认识

颗石藻Δ₄₇温度记录首次与气候模型模拟的中新世高纬度温度高度一致（图5）。相比烯酮数据暗示的近乎平坦的纬向温度梯度（如晚中新世梯度仅4.7°C），Δ₄₇数据显示北大西洋与赤道东太平洋的温差为12.1–13.5°C，更接近模型结果（如NorESM-L模型模拟的14.7°C）。这表明中新世北半球高纬度仅存在“适度增温”，而非此前认为的极端放大。

结论与意义

本研究通过颗石藻团簇同位素测温技术，揭示了中新世北大西洋高纬度温度较传统烯酮指标低约9°C，首次为“适度高纬度增温”提供了直接证据。这一发现不仅解决了长期存在的模型-数据矛盾，还强调了对代理指标校准（如生产季节、深度和非热力学效应）进行持续评估的重要性。若这一结论在其他高纬度区域得到验证，将意味着未来CO₂驱动下的高纬度气候响应可能比基于传统代理的预测更为温和，为更准确的气候预测提供了新视角。