导 读
距今约10亿年前至5.4亿年前的新元古代时期，发生了著名的“雪球地球”事件，冰雪覆盖范围从两极高纬扩展至近赤道区域。伴随着“雪球地球”事件，地表碳循环出现了明显的响应，表现为碳酸盐碳稳定同位素δ13Ccarb在“雪球地球”事件前后呈现出明显的两阶段负漂移。已有的理论无法解释δ13Ccarb这种“双负偏”现象。本文在前人研究的基础上，提出一种新的理论假说：在“雪球地球”事件中，海洋溶解氧和酶活性双因素主导了海洋溶解有机碳的可降解性（DOCD）和无机碳的组分，进而驱动了δ13Ccarb的两阶段负漂移。
图1 溶解有机碳生物可降解性（DOCD）假说与新元古代“雪球地球”事件期间的碳循环
新元古代（距今约5.4亿至10亿年前）发生了至少两次著名的“雪球地球”事件。古地磁证据显示，该时期低纬赤道区域的海洋受到大陆冰川冲淡水的影响，两极的冰雪延伸，覆盖低纬度地区。这种全球广布的冰川痕迹，使得“雪球地球”事件引发了从学界到公众的广泛关注。
在深时古气候-碳循环研究中，碳酸盐碳稳定同位素（δ13Ccarb）是有力分析工具。由于地表各主要碳库之间δ13C值不同，其变化趋势可以揭示不同碳储库之间潜在的碳交换情况。例如，在晚更新世冰期，深海无机碳δ13C值常呈现负偏趋势，幅度通常小于1‰。一般认为，陆-海有机碳转移可以控制晚更新世冰期δ13C的负偏：陆地碳库失去有机碳，在海洋中降解，导致海洋δ13C降低；而在随后的冰消期，陆地生态系统恢复，有机碳储量增加，12C重新向陆地碳库富集，海洋则随之留存更高比例的13C，也即海洋δ13C上升。
“雪球地球”事件标志着一种不同的δ13Ccarb演化模式（如图1上半部分所示）。在“雪球地球”事件期间，地表广泛分布的冰盖导致沉积间断；而事件前后留存的δ13Ccarb记录显示，δ13Ccarb呈现出明显的两阶段降低：在“雪球地球”事件中，δ13Ccarb除在“雪球地球”事件前发生显著的下降外，在沉积间断后继续保持了下降趋势，这与晚更新世冰期的δ13Ccarb在冰消期迅速上升至间冰期水平的现象不同。我们将“雪球地球”事件前后两阶段的δ13Ccarb下降称为“负偏双臂”（Negative Arms）。此外，“雪球地球”事件前后δ13Ccarb负偏幅度远大于晚更新世冰期，可达8‰以上。因此，“雪球地球”事件的“负偏双臂”为研究长时间尺度气候—碳循环耦合机制提供了关键时间窗口。
尽管以往研究已经从无机过程和有机过程两方面对“雪球地球”事件所涉碳循环进行了分析，但是现有理论无法解释为何在沉积间断结束后，δ13Ccarb会继续下降（即存在“负偏右臂”现象）。最新研究表明，在新元古代时期，海洋可能存在一个较现代海洋更大的溶解有机碳库。由于氧化剂（如氧气）充足时溶解有机碳在较易被微生物降解为溶解无机碳，且溶解有机碳通常具有相对更负的δ13C值，大规模的溶解有机碳微生物降解将有力推动δ13Ccarb下降。基于此，我们提出了“溶解有机碳可降解性（DOCD）”假说，来解释以“负偏双臂”为代表的深时碳同位素负漂移事件。
DOCD可视为衡量溶解有机碳生物降解性难易程度的变量，DOCD越大，溶解有机碳降解越快，碳库留存（比例）则越低，反之亦然；DOCD同时受到溶解氧浓度和受温度影响的酶活反应强度控制。在“雪球地球”事件中，我们的理论基于两个主要前提条件：1）彼时海洋中存在一个足够大的溶解有机碳库，或者/并且溶解有机碳与溶解无机碳的比例远高于现代值（现代溶解有机碳：溶解无机碳小于1:50）；2）在非“雪球地球”时期，地表海洋层化较强，能够基本隔绝海洋深层溶解有机碳与氧气接触并进行降解或矿化。
我们以如下DOCD理论框架（参见图1下半部分）指出，在非“雪球地球”的温暖时段，较低的大气氧气浓度与海洋垂直分层使得海洋内部氧气不充足（需要指出的是，该时期海洋只有蓝藻等光合作用生物），溶解有机碳不能获得足够的氧化剂，从而DOCD较低，进而导致海洋有机碳库积累；而在“雪球地球”事件开始发生时，全球变冷，表层海洋降温，有利于打破海洋垂直分层，水体垂直混合导致海水相对富含氧气，溶解氧增加， DOCD增加，消耗DOC，δ13Ccarb下降。
值得注意的是，DOCD亦受到酶活反应控制，并进一步响应温度变化。在全球变冷过程中，酶活反应减弱。因此，当海洋溶解氧上升并不再作为DOC氧化的主要限制因素时，因温度下降而减弱的酶活反应逐渐成为影响DOCD的主要因素。在“雪球地球”发展的阶段当中，酶活反应最终因为温度的逐渐下降而大幅降低，此时DOCD亦处于低谷，海洋有机碳库消耗速度降低（尽管溶解氧可能保持为非限制因素）；当“雪球地球”结束后，气候重新趋于温暖，酶活反应相应提高。此时，尽管海洋分层结构可能重新建立，但上升的温度保证了酶活反应的强度，而前期积累的溶解氧则保证了氧化物来源，两者结合，促使DOCD继续升高，海洋溶解有机碳库在气候转暖时期继续被消耗，驱动了“雪球地球”沉积间断后δ13Ccarb的持续下降。因此，氧气供给与受温度影响的酶活反应，共同驱动了DOCD的分阶段变化，而DOCD则进一步主导了两阶段的δ13Ccarb下降。
总结与展望
在现有条件下，海洋无机碳系统中的部分参数在适当假设下能够通过特定替代性指标进行重建，但海洋溶解有机碳库的储量、分布及其源汇过程，仍然缺乏定量或半定量指标。因此，以往的长时间尺度气候-碳循环耦合系统研究总体呈现出强调无机碳系统的特点，而对有机碳库的贡献认识不足。本文提出的理论框架，展现了长时间尺度下溶解有机碳库的关键作用，希望激发进一步的研讨，从现代观测、地质记录、以及碳循环数值模拟等多角度探索溶解有机碳库的定量重建，评估其气候效应，推进长时间尺度气候-碳循环动力学研究。
责任编辑
丁方宇 中国科学院地理资源所
顾西辉 中国地质大学（武汉）
扫二维码｜查看原文
原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-geo.2024.100081
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Geoscience第2卷第3期以Out-of-the-Box发表的“Addressing the 'Negative δ13C arms' puzzle pre- and post- Neoproterozoic glaciations” (投稿: 2023-10-01；接收: 2024-06-03；在线刊出: 2024-06-18)。
DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-geo.2024.100081
引用格式：Jiao N., Du J., Xiao X., et al., (2024). Addressing the "Negative δ13C arms" puzzle pre- and post- Neoproterozoic glaciations. The Innovation Geoscience 2(3), 100081.
作者简介
焦念志，中国科学院院士、发展中国家科学院院士、美国微生物科学院院士、厦门大学长江学者特聘教授。联合国海洋十年行动计划 “Global-ONCE”大科学计划首席科学家、执行委员会主任。主攻海洋生态过程及其资源环境效应，在国际一流学术刊物发表学术论文200余篇，包括 Science、Nature 系列9 篇，被引用万余次，单篇高引千余次。从2014年起持续入选ESI中国高被引作者。他提出了海洋储碳新机制— “微型生物碳泵（MCP）”理论，Science评论MCP为“巨大碳库的幕后推手”，并为MCP出版了Science增刊。两次获得国家自然科学二等奖（第一位）。
