微生物代谢通过降低有机碳转移效率放大显生宙三次高温事件期间的全球变暖

《Nature Communications》：Microbial metabolism amplified warming in three Phanerozoic hyperthermal events

为揭示古代高温事件期间海洋生物碳泵（BCP）的变化及其对气候的反馈，研究人员通过整合δ13CDIC代理数据和cGENIE地球系统模型模拟，发现升温驱动的微生物代谢增强导致颗粒有机碳（POC）从表层向深海转移效率降低2-6倍，可能通过减少海洋碳封存形成正反馈机制，加剧了全球变暖。

　　

在地球漫长的地质历史中，曾发生过多次剧烈的全球变暖事件，这些被称为"高温事件"的时期，为理解当前和未来的气候变化提供了重要的自然实验场。特别是显生宙以来的三次重大高温事件——二叠纪-三叠纪极热事件（PTTM）、托阿尔早期极热事件（ETTM）和古新世-始新世极热事件（PETM），都伴随着全球碳循环的显著扰动、大规模碳释放和生物灭绝。传统上，这些快速升温被认为主要由火山活动释放的大量CO₂或海底甲烷排放驱动，而海洋生物碳泵在碳封存和气候调节中的作用却被长期忽视。

海洋生物碳泵是地球气候系统的重要组成部分，它通过光合作用在表层海洋固定碳，形成颗粒有机碳（POC）沉降到深海，从而实现碳的长期封存。这一过程的效率，特别是POC从表层向深海的转移效率，直接影响到大气CO₂的封存效果。然而，关于古代高温事件期间生物碳泵的变化，特别是POC转移效率的变化，科学界知之甚少，这限制了对海洋碳封存与气候变化之间反馈机制的理解。

温度是影响微生物代谢速率的关键因素。研究表明，温度每升高10°C，微生物呼吸速率可增加2-3倍。这种温度驱动的微生物再矿化作用增强，可能会影响沉降有机物的降解，从而改变POC的转移效率。同时，溶解无机碳（DIC）的δ¹³C垂直梯度是追踪有机碳转化和再矿化的重要地球化学指标。

为了揭示古代高温事件期间生物碳泵的变化规律，吴宇阳、宋海军等研究人员在《自然-通讯》上发表了一项重要研究。他们通过整合全球174个地点的碳酸盐碳同位素（δ¹³C_carb）数据和浮游有孔虫碳同位素记录，重建了三次高温事件期间海洋溶解无机碳（DIC）的δ¹³C垂直梯度，并利用cGENIE地球系统模型进行了机制分析。

关键技术方法

研究团队主要采用了以下关键技术方法：1）全球海洋碳酸盐碳同位素（δ¹³C_carb）数据汇编，包括来自不同水深沉积环境的174个地点数据；2）浮游有孔虫碳氧同位素分析，用于重建古水深的δ¹³C_DIC剖面；3）cGENIE地球系统模型模拟，设置了"环流变化"、"富营养化"和"微生物代谢"三种情景来验证不同机制的作用；4）垂直δ¹³C_DIC梯度计算和统计分析；5）敏感性测试，包括混合模型和古水深变化情景模拟。

研究结果

古代高温事件期间增强的垂直δ¹³C_DIC梯度

研究发现，三次高温事件期间，表层与中层海水之间的垂直δ¹³C_DIC梯度显著增加了2-3倍。具体而言，PTTM期间梯度从0.5±1.6‰/hm增加到1.7±1.7‰/hm，ETTM期间从1.7±1.3‰/hm增加到2.6±1.5‰/hm，PETM期间从1.0±0.9‰/hm增加到2.8±1.9‰/hm。这种梯度增加的模式在全球多个地点和不同地质时期都得到了一致体现，表明这是一种全球性现象，而非局部效应。

测试高温事件期间垂直δ¹³C_DIC梯度增加的驱动因素

为了验证垂直δ¹³C_DIC梯度增加的机制，研究团队设计了三种模型情景进行对比。结果显示，"微生物代谢"情景（即温度依赖的微生物再矿化作用）与观测数据最为吻合，而"环流变化"和"富营养化"情景的模拟结果与实测数据存在较大偏差。这表明温度依赖的微生物代谢是驱动垂直δ¹³C_DIC梯度增加的主要因素，而营养盐和海洋环流变化的作用相对次要。

温度依赖的微生物代谢作为正反馈机制

模型模拟显示，尽管高温事件期间表层海洋的POC输出生产力有所增加（PTTM增加122%，ETTM增加83%，PETM增加40%），但由于升温导致的微生物呼吸作用增强，中层水体的POC通量显著降低，导致POC转移效率降低了2-6倍。具体而言，PTTM期间转移效率从9.2%降至1.5%，ETTM期间从13.8%降至4.2%，PETM期间从1.9%降至0.9%。

研究结论与意义

这项研究揭示了温度依赖的微生物代谢在古代高温事件气候反馈中的关键作用。升温驱动的微生物代谢增强导致有机质再矿化速率提高，减少了POC向深海的转移效率，从而降低了海洋内部的碳封存能力。这种生物碳泵效率的降低可能通过正反馈机制进一步放大全球变暖。

研究结果对理解未来气候变化具有重要启示。随着全球变暖的持续，类似的微生物代谢增强可能导致现代海洋生物碳泵效率降低，减少海洋对大气CO₂的吸收能力，形成正反馈循环。尽管这种反馈在短时间尺度（如百年内）可能被其他过程掩盖，但在更长的时间尺度上，它可能对全球碳循环和气候系统产生重要影响。

该研究的创新之处在于首次通过多指标、多模型的方法，系统揭示了温度依赖的微生物代谢在古代高温事件气候反馈中的作用机制，为理解地质历史时期碳循环-气候反馈提供了新视角，也为预测未来气候变化背景下海洋生物碳泵的响应提供了重要参考。