埃迪卡拉纪期间海洋氧化还原波动与磷循环之间的动态耦合

《Global and Planetary Change》：Dynamic coupling between marine redox fluctuations and phosphorus cycling during the Ediacaran Period

　　

摘要

Gaskiers 冰期（579.78–579.44 百万年前）是埃迪卡拉纪期间一个关键的气候事件，但其驱动机制迄今仍缺乏明确约束。本研究整合了磷的形态分配和氮同位素组成，并结合先前发表的包括铁地球化学形态和钡同位素组成在内的数据，对华南埃迪卡拉纪兰田组黑色页岩进行分析，以阐明海洋磷循环及其与气候变化的潜在联系。我们的数据记录显示，海水双碳（euxinia）环境驱动了高效的海洋磷循环再利用，而在Gaskiers冰期来临前夕，铁富集型底部水体中有机磷和铁结合磷的沉积封存则进一步增加。将这些发现与气候-环境背景相结合表明，高效的磷循环再利用显著刺激了光合初级生产力并增加了有机碳的埋藏。这一由磷驱动的生产力反馈机制很可能促进了大气-海洋的氧化，并可能对全球气候降温有所贡献。随后磷的滞留增加导致生物可利用磷受限，随时间推移抑制了海洋初级生产力，很可能建立了一个负反馈机制，阻止了大气-海洋氧化的进一步进行以及失控式的全球气候变冷。本研究强调了海洋磷循环与氧化还原条件之间的动态耦合，是调控埃迪卡拉纪大气-海洋氧化波动与气候扰动的重要因素。我们的研究结果指向了一个内在的磷-碳-氧反馈环路，这很可能作为早期地球表层系统的基本自稳定机制发挥作用，并对理解地球氧化历史的长期性具有重要启示。

引言

埃迪卡拉纪（约635–539 百万年前）是地球宜居性演化过程中的一个关键转折时期，见证了多细胞真核生命的大量出现和兴起（Tang 等，2024），同时伴随着大气-海洋氧含量的剧烈变化（Reinhard 和 Planavsky，2022；Wang 等，2025a）以及全球碳-硫循环的扰动（Fike 等，2006）。新兴的研究提出，一个延长的“埃迪卡拉大冰期”呈非同步但连续的方式发生于约580–560 百万年前，其跨度覆盖了先前提出的Gaskiers冰期（约580 百万年前）至Hankalchough冰期（约560 百万年前）（Wang 等，2023a；Liu 等，2025；Wang 等，2025b）。特别值得注意的是，Gaskiers冰期之后紧随着生态系统复杂性的显著增加，这暗示着这一重大气候事件与随后埃迪卡拉生物群（始于约575 百万年前）的演化之间存在潜在联系（Rooney 等，2020；Chang 等，2022；Wang 等，2023a）。因此，阐明Gaskiers冰期的成因及其环境影响，将有助于推进对埃迪卡拉纪环境变化与早期生命协同演化的理解。

现有研究主要聚焦于Gaskiers冰期之后地球环境-生命系统的演化，特别是地球历史上最大的碳同位素负漂移事件——Shuram异常（SE，又称DOUNCE/EN3/Wonoka）及其相关的生物地球化学反馈，因其与全球海洋氧化在时间上的广泛吻合（Zhang 等，2019；Dodd 等，2023；Wang 等，2023b）。相比之下，这一气候降温事件的驱动机制仍大多未被明确，特别是其与海洋环境动力学之间可能的关系。大陆硅酸盐岩石的风化传统上被认为是地质时间尺度上地球气候的主要调节因素，通过从大气中去除二氧化碳（CO₂）起作用（Torres 等，2017）。这一对气候的负反馈作用与早埃迪卡拉纪与长期增生造山带相对应的增强的大陆风化相符（Condie 等，2021；Niu 等，2024），这可能有助于冰期的形成（Segessenman 和 Peters，2025）。此外，海洋生物碳泵是海洋生态系统通过碳循环对气候进行地质调控的关键过程（Ricour 等，2023；Siegel 等，2023）。在这一过程中，初级生产者或浮游植物吸收大气中的CO₂生成表面海洋中的生物量，其中一部分以颗粒有机碳的形式下沉至海洋内部，并最终被封存于沉积物中（Babakhani 等，2025）。有趣的是，数值模型表明，关于有机碳埋藏与气候的这种反馈作用在某些特定环境条件下可能超过硅酸盐风化的影响，很可能导致气候过度变冷（Hülse 和 Ridgwell，2025）。有机碳的生成与埋藏紧密依赖于营养元素磷的生物可利用性，因为磷被认为是地质时间尺度上限制海洋初级生产力的最终限制因素（Tyrrell，1999；Reinhard 等，2017；Zhao 等，2025）。尤其值得注意的是，磷循环与碳循环之间的耦合反过来从根本上调控着地球历史上的大气-海洋氧化过程，与海洋生物碳泵的关键途径（如有氧光合作用和有机物的再矿化）密切相关（Reinhard 和 Planavsky，2022）。然而，Gaskiers冰期之前海洋磷循环与氧化还原动力学之间的机制联系尚不清楚，这使得验证当时允许性磷-碳-氧（P-C-O）循环及其对气候变化的潜在意义存在很大的不确定性。

本研究呈现了华南扬子地块下兰田组含化石黑色页岩的磷形态分配结果、氮同位素组成，并结合先前发表的铁地球化学形态数据和钡同位素组成。基于先前区域地层对比研究的工作，通过生物地层、化学地层和岩性地层的综合分析（Yang 等，2021；Wang 等，2023a），这一序列的黑色页岩可作为探索Gaskiers冰期之前海洋环境动力学的理想档案。我们的研究目的是探讨影响埃迪卡拉纪海洋磷生物可利用性的机制，从而为理解早期地球表层环境与生物地球化学循环的协同演化提供见解。

章节摘要

地质背景

在埃迪卡拉纪期间，扬子地块与华夏地块之间的被动型陆缘盆地（称为南华盆地）在华南地块中发育（Wang 和 Li，2003）。扬子地块在此期间从西北向东南方向通常表现为在不同古深度（inner shelf 陆架内带、intrashelf basin 陆架内盆地、shelf margin 陆架边缘到 slope-basin 斜坡-盆地）上具有不同的沉积相（图1；Jiang 等，2011）。研究的兰田剖面（N 29°55.724′，E 118°05.424′）位于

方法

本研究呈现了新的类腐殖质结合氮同位素组成（δ¹⁵N_kerogen）、总氮含量（TN_kerogen）、总磷含量（P_T）和磷形态数据，并结合Sui 等（2025）中已报告的相同样本的部分先前结果，包括总有机碳（TOC）含量、铁地球化学形态数据、Al含量、过量钡含量（Ba_excess）和同位素组成（δ¹³⁸Ba_excess）。新鲜的黑色页岩样本来自

结果

所有地球化学数据汇总于表S1，关键指标示于图3。TOC含量（图3A）、Fe_HR/Fe_T比值、Fe_py/Fe_HR比值（图3B）、Ba_excess含量（图3D）和δ¹³⁸Ba_excess值（图3E）均汇编自Sui 等（2025）。表S1清楚地区分了新产生的数据与先前发表的结果。就地球化学指标的地层变化而言，研究层段可大致划分为三个单元，包括

追踪海洋氧化还原条件

先前提出的氧化还原分层结构突显了埃迪卡拉纪海洋具有高度的时空异质性，其特征是氧化性表层水与铁富集型深水并存，并伴有沿生产性陆缘动态变化的双碳（euxinic，或硫化）水团（Li 等，2010）。在本研究中，对深水兰田黑色页岩的铁地球化学形态和氮同位素组成的综合分析，记录了海洋的显著时空波动

结论

本研究提供了证明埃迪卡拉纪期间长期海洋氧化还原演化与磷的埋藏-循环过程之间存在交互耦合的证据，并揭示了在地质时间尺度上支配表层环境稳定性的关键生物地球化学联系。扬子海经历了显著的氧化还原不稳定，其特征是双碳水团的扩张，随后在Gaskiers

CRediT作者贡献声明

曹广耀：写作 – 审阅与编辑、写作 – 原稿、方法、调查。赵艳艳：项目管理、方法、调查。刘鹏：调查、资助获取。刘宇：方法、调查。胡玉：方法、调查。王楠：方法、调查。相博：方法、调查。张广璐：方法、调查。杨雷：方法、调查。刘圣：方法、调查。王一卓：方法、

未引用参考文献

Hardisty 等，2017

Jiao 等，2010

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

我们感谢黄辉忠（上海海洋大学）和高潮（上海海洋大学）在实验室协助以及磷形态提取与分析方面提供的指导。本研究得到国家重点研发计划（2024YFF0808000）、中国石油天然气集团公司（CNPC）科学研究与技术开发项目（2021DJ05）以及山东省自然科学基金

曹广耀|赵艳艳|刘鹏|刘宇|胡玉|王楠|相博|张广璐|杨雷|刘圣|王一卓|宋军岚|李三忠

深海多圈层与地球系统前沿科学中心、海底科学与工程教育部重点实验室、中国海洋大学海洋地质与地球物理学院，青岛 266100，中国