古新世-始新世气候最热期期间海洋氮循环的空间异质性

《Global and Planetary Change》：Spatial heterogeneity of marine nitrogen cycling during the Paleocene–Eocene Thermal Maximum

　　

摘要

现代全球变暖正在重塑海洋氮循环和海洋生物地球化学过程。研究过去的超热事件（如古新世-始新世热极值事件，PETM）中的氮循环，可以为未来气候动态提供洞察。来自两个浅海碳酸盐层的氮同位素记录显示，在PETM期间，有机氮同位素组成（δ¹⁵N_org）相对稳定且较高，这与之前在开阔海域、受限盆地和边缘海域记录到的主要呈负值的δ¹⁵N_org或有孔虫束缚的δ¹⁵N变化形成对比。Campo剖面（西班牙）和Shenkezha剖面（中国西藏）的δ¹⁵N_org升高归因于营养物质的增加和生产力提升、水柱轻度脱氧以及区域性的¹⁵N富集硝酸盐供应。而在Shenkezha剖面，PETM期间δ¹⁵N_org略有下降，恢复期则出现正值，这反映了孔隙水缺氧和沉积物-水界面的氧化还原波动。这些记录表明，浅海碳酸盐平台的氮循环主要以硝酸盐为基础，并主要由水柱或沉积物中的硝酸盐利用和反硝化作用控制。进一步比较表明，PETM时期的海洋氮循环在空间上具有异质性，反映了生产力、氧气水平、水文状况、营养来源和沉积环境的区域差异。在这种异质性的背景下，通风良好的浅水碳酸盐平台可能起到了区域生物地球化学缓冲的作用，在氮循环普遍受到干扰的情况下维持了基于硝酸盐的生态系统。

引言

现代全球变暖通过降低海洋氧气含量、增强分层作用以及重新组织营养物质供应来改变海洋氮循环（Hutchins和Capone，2022）。因此，追踪氮循环对于了解海洋生物地球化学过程至关重要。然而，与氮循环相关的响应具有空间变异性，这阻碍了对其在持续变暖情况下行为的准确预测。古新世-始新世热极值事件（PETM；约5600万年前）是新生代已知最大、最快的自然气候变化事件（Kennett和Stott，1991；Zachos等人，2001）。PETM期间，大量的轻同位素碳释放到海洋-大气系统中，导致碳同位素急剧下降（PETM开始阶段），随后是δ¹³C值持续偏低的时期（PETM主体阶段），最后又恢复到事件前的水平（PETM恢复阶段；McInerney和Wing，2011）。环境变化包括快速升温、海洋酸化以及水文循环的破坏（Zachos等人，2005；Aze等人，2014；Carmichael等人，2017；Xu等人，2025；Jiang等人，2026）。由于温度升高的幅度与未来RCP8.5碳排放情景相当（Tierney等人，2022），PETM被视为研究未来海洋氮循环状态的最佳类比之一。

氮同位素（δ¹⁵N）是宝贵的示踪剂，因为它们对氮循环过程中的变化非常敏感，包括水柱或沉积物中的氮固定、硝化、反硝化和厌氧异化作用（Stüeken等人，2016，Stüeken等人，2024；Chang和Algeo，2025）。通常情况下，氧缺乏区域（ODZs）的水柱反硝化作用会优先去除硝酸盐中的¹⁴N，从而使剩余硝酸盐池中的¹⁵N富集，进而提高出口有机物的δ¹⁵N值（Algeo等人，2008）。相比之下，沉积物反硝化作用的同位素效应较弱，因为孔隙水中的硝酸盐几乎被完全消耗。氮固定作用产生的氮具有较轻的同位素组成，δ¹⁵N值接近大气中的N₂；而在强还原条件下，铵的积累和光合带的铵吸收可以在沉积物中产生更低的δ¹⁵N值（Stüeken等人，2016，Stüeken等人，2024；Chang和Algeo，2025）。除了这些特定过程的同位素效应外，海洋固定氮的δ¹⁵N值在各个海洋盆地中也存在系统差异。在现代海洋中，北太平洋热带和亚热带地区的δ¹⁵N值相对较低，反映了来自N₂固定的轻同位素有机物的再矿化过程；而印度-太平洋热带大部分地区的δ¹⁵N值升高则主要源于强烈的反硝化作用（Rafter等人，2012；Marconi等人，2015；Rafter等人，2019）。这些区域特征通过温跃层、中层水体和深层水体的混合和再矿化过程被传输和改变。因此，特定地点的δ¹⁵N值不仅反映了当地的生物地球化学变化，还反映了源水体的同位素组成以及水团传输过程中的累积变化。

最近从PETM剖面获得的氮同位素记录揭示了海洋响应的显著空间变异性。在北太平洋热带地区，PETM期间有孔虫束缚的δ¹⁵N（FB-δ¹⁵N或δ¹⁵N_foram）的下降被解释为氧缺乏区域的收缩、水柱反硝化作用减弱、生产力降低以及海底海洋氧气含量增加（Moretti等人，2024）。相比之下，南大西洋的δ¹⁵N_foram下降与输出生产力的增强相关。这种模式被解释为氧缺乏区域从亚氧化状态扩展到氧化状态，同时形成了铵型氧缺乏区域（Yao等人，2024）。大陆边缘和受限海域的氮记录进一步表明，PETM期间的氮循环扰动对当地水文状况和营养物质供应非常敏感。在非洲东北部的特提斯海边缘，埃及的Wadi Nukhul和EI Dababiya剖面显示，在PETM期间δ¹⁵N_org明显下降，表明N₂固定蓝细菌的大量繁殖（Khozyem等人，2013，Khozyem等人，2015）。在东特提斯海区域的Kheu河，PETM期间富含有机物的腐泥中δ¹⁵N_org值显著下降，铁的形态和沉积学证据表明存在缺氧至低氧条件。这种极端的δ¹⁵N_org下降归因于光合带中循环利用的铵，这与由径流增加和营养物质输入驱动的水柱分层增强同时发生（Junium等人，2018a）。

尽管取得了这些进展，但PETM期间浅海碳酸盐平台的氮循环响应仍然知之甚少。与开阔海域相比，碳酸盐平台对径流和营养物质输送、局部环流、碳酸盐生成以及沉积物-水界面的氧化还原过程更为敏感。因此，确定这些环境是否记录了全球海洋δ¹⁵N的下降、受限盆地的N₂固定、铵的吸收，或特定的浅海平台信号，对于阐明PETM期间氮循环的空间结构至关重要（Khozyem等人，2013，Khozyem等人，2015；Junium等人，2018a；Moretti等人，2024；Yao等人，2024）。本文提供了来自两个浅海碳酸盐剖面的氮同位素和地球化学记录：比利牛斯的Campo剖面（Li等人，2021）和西藏南部的Shenkezha剖面（Li等人，2020），以探讨PETM期间氮循环的动态变化及其对碳酸盐平台环境演化的影响。

章节片段

地质背景

Shenkezha剖面（北纬28°41′33.0″，东经86°43′02.6″）位于西藏南部的Tingri地区，属于特提斯-喜马拉雅带，该地带包含了北印度被动大陆边缘的遗迹，面向新特提斯洋（图1；Yi等人，2011；Sciunnach和Garzanti，2012；Garzanti，2026）。在古新世早期，特提斯-喜马拉雅带的南部形成了浅水碳酸盐平台，而在北部则形成了深水相（Wang等人，2011；Hu等人，2012；

材料与方法

对Li等人（2020、2021）研究的Campo和Shenkezha剖面样本进行了有机氮同位素（δ¹⁵N_org）分析。对于Campo剖面，还分析了有机碳同位素、主要元素和微量元素、总碳（TC）和总氮（TN）（表S1-S3）。对于Shenkezha剖面，整合了Li等人（2020）先前发表的C/N比值、TC和TN数据，以及Jiang等人（正在审稿中）的类似数据以供比较。

Campo剖面

在Campo剖面，PETM之前的δ¹⁵N_org值相对较低（+1至+3‰），但在PETM期间显著上升到+4–6‰，之后又略微下降到约+3.5‰。TN含量较低（< 0.04%），总碳含量（TOC）没有显著富集（从0.02%增加到1.70%）。摩尔C/N比值在PETM之前约为37， PETM期间降至约6，之后再次上升至46。Y/Ho比值在PETM之前约为52，期间降至约35，随后部分恢复

原始地球化学特征的保存

在使用δ¹⁵N_org记录来推断氮循环的变化之前，我们必须首先评估同位素信号是否可能因有机物降解、来源混合、无机氮的贡献或早期成岩作用而发生改变（图3；Ader等人，2014；Stüeken等人，2016，Stüeken等人，2024）。

在Campo剖面，TOC和TN显示出中等程度的正相关（R² = 0.302，p < 0.001），表明氮含量主要与有机物相关

结论

本研究提供了来自西班牙和西藏南部Campo和Shenkezha浅海碳酸盐层的新的氮同位素记录，揭示了PETM期间碳酸盐平台上氮循环的情况。两个剖面都记录了相对稳定或较高的δ¹⁵N_org值，而不是在多个开阔海域、受限盆地和边缘盆地记录中观察到的显著负值，表明碳酸盐平台记录了不同的氮循环过程。

CRediT作者贡献声明

Jingxin Jiang：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，方法学，正式分析。Xiumian Hu：撰写——审稿与编辑，资金获取，概念构思。Zhong Han：撰写——审稿与编辑。Thomas J. Algeo：撰写——审稿与编辑。Xi Chen：撰写——审稿与编辑。Eduardo Garzanti：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢Weiqi Yao博士和一位匿名审稿人的深思熟虑和建设性评论，这些评论大大提高了我们手稿的清晰度和质量。我们将这篇论文献给我们亲爱的朋友Juan Li博士的记忆，他的热情和奉献精神将永远被铭记。这项研究基于Li Juan博士的早期工作完成，得到了中国国家重点研发计划（项目编号2023YFF0804000）和国家自然科学基金的支持

Jingxin Jiang|Xiumian Hu|Zhong Han|Thomas J. Algeo|Xi Chen|Eduardo Garzanti

中国南京大学地球科学与工程学院地球科学与工程系，关键地球物质循环与矿物沉积国家重点实验室，南京210023