近日，中国地质大学（武汉）童金南教授、宋海军教授团队在国际学术期刊《Nature Communications》上发表了题为《Microbial metabolism amplified warming in three Phanerozoic hyperthermal events》的研究成果。该研究结合地质记录与地球系统模型，定量揭示了海洋生物碳泵中微生物代谢过程对深时极热事件的放大作用。论文第一作者为吴玉样副教授，通讯作者为宋海军教授，合作者来自中国地质大学（武汉）和美国蒙特克莱尔州立大学。
图1 深时三次典型极热事件中温度变化和碳同位素负偏现象
自显生宙以来，地球系统经历了多次快速而剧烈的全球增温事件。这些深时极热事件以全球碳循环的异常扰动为主要特征，通常被归因于大量碳向地球表层系统的快速释放，包括大规模火山活动释放的CO2和热变质成因甲烷等。因此，以往研究多强调碳排放是全球温度升高的主要驱动力，而深时极热事件中海洋生物碳泵碳汇变化的作用往往被忽视。实际上，海洋生物碳泵是调控大气CO2浓度和全球气候的重要机制，其通过浮游植物的光合作用吸收大气CO2，并将有机碳向海洋内部输送，从而发挥固碳和降温作用。因此，定量刻画深时极热事件期间海洋生物碳泵的变化，对于清晰认识显生宙海洋碳封存与气候变化之间的反馈机制具有重要意义。
本研究聚焦显生宙三个典型极热事件，包括二叠纪-三叠纪之交，早侏罗世托尔阶和古新世-始新世之交（图1）。研究采用地质指标与地球系统模型相结合的方法，利用海水溶解无机碳碳同位素（δ13CDIC）水深梯度指标（即表层水与中层水的δ13CDIC差异），评估全球变暖期间海洋生物碳泵的响应和反馈作用。
图2 地质指标和三种不同模拟场景的碳同位素水深梯度对比
全球碳同位素指标记录显示升温后的δ13CDIC水深梯度较升温前增加约2–3倍（图2）。cGENIE地球系统模型的模拟结果表明，与温度有关的微生物新陈代谢变化是影响δ13CDIC水深梯度增大的主要因素，而营养物质和海洋环流是次要因素。具体而言，极热事件期间，海洋温度升高促进中层水的微生物呼吸作用增强，导致中层水下颗粒沉有机物（POC）的分解效率大大提升，从而在中层水产生更多12C富集的溶解无机碳，最终引起δ13CDIC水深梯度增大。
图3 海洋生物碳泵过程与温度的关系
本研究进一步评估了温度控制的微生物代谢过程这单一机制在深时极热事件期间对海洋生物碳泵的影响（图3）。地球系统模拟结果显示，表层输出生产力随温度升高而增大。然而，这种生产力的增加不足以完全抵消变暖条件下微生物呼吸增强所导致的POC加速分解，因而中层水的POC通量随温度升高而持续下降（图3c）。这一过程最终导致POC转移效率（中层水POC与表层水输出生产力的比值）显著下降，降幅达2-6倍。
变暖导致的POC 转移效率的显著下降反映了海洋内部对大气CO2封存能力的削弱，在本研究涉及的三次极热事件中，这一机制可能形成放大温室效应的正反馈，从而促进这些事件持续数十万年至数百万年。这项研究为理解未来气候变化背景下生物碳泵的响应提供了重要借鉴，表明温度控制的微生物代谢过程同样是调控未来生物碳泵变化及气候反馈的关键因素之一。
相关论文信息：Wu, Y.Y., Song, H.J.*, Chu, D., Cui, Y., Dal Corso, J., Luo, G., Song, H.Y., Tian, L., Song, H., Jia, E. and Tong, J., 2025. Microbial metabolism amplified warming in three Phanerozoic hyperthermal events. Nature Communications. 10.1038/s41467-025-66388-2.
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66388-2
