原文来源: Rafter P A, Farmer J R, Martínez-García A, et al., 2025. Persistent eastern equatorial Pacific Ocean upwelling since the warm Pliocene. Science, 390, eads8720.
https://doi.org/10.1126/science.ads8720.
研究背景和科学问题
赤道太平洋是调控全球气候系统的关键区域，其东西向海表温度梯度和上升流强度对全球降水格局、碳循环及海洋生态系统具有深远影响。在现代气候中，赤道东太平洋（EEP）在物理和生物特性上表现出强烈的西-东梯度：西部海域表层水温高、营养贫乏且分层明显，而东部海域则因信风驱动的上升流将较冷、富含营养的海水带到表层，形成“冷舌”和“营养盐舌”（图1）。而在厄尔尼诺事件期间，西-东温度梯度减弱，EEP上升流衰退甚至可能消失。
上新世（约530万至260万年前）是地球历史上一个持续温暖的时期，全球平均温度比现代高约3°C，被视为未来气候变化的潜在类比。海表温度（SST）重建结果表明，上新世期间赤道太平洋的西-东温度梯度较弱。这一发现引发了关于上新世存在“永久性厄尔尼诺”的假说，并引起对未来全球变暖下类似气候状态的担忧。
当前对上新世EEP古海洋环境的理解存在显著的矛盾和不确定性。如果上新世“永久性厄尔尼诺”假说成立，EEP上升流减弱和营养贫乏，那么该区域的生物输出生产力也应随之降低。但与之矛盾的是，一些独立的生产力指标（例如烯酮丰度和重晶石积累速率）却表明，上新世EEP的生物输出生产力与现代水平相似，甚至可能更高，这与“永久厄尔尼诺”所预测的营养盐供应减少相矛盾。这一矛盾指向一个核心科学问题：赤道太平洋西-东海表温度梯度的减弱，是否真的伴随着赤道东太平洋表层水体的营养匮乏和上升流的显著减弱，从而支持“永久性厄尔尼诺”的假说？如果不是，上升流如何维持，其营养供给机制是怎样的？
科学内涵
研究思路：准确判断上新世以来赤道东太平洋上升流是否持续，是检验“永久性厄尔尼诺”假说的关键。尽管前期研究基于海表温度重建提出上新世赤道东太平洋存在“永久性厄尔尼诺”状态，然而温度与营养盐供应之间并非简单对应关系，仅凭温度数据难以直接约束上升流强度。该研究对赤道西太平洋（ODP Site 806）和赤道东太平洋（ODP Site 849）的沉积岩芯开展了系统的氮同位素（δ15N）分析。首先，通过同时测量沉积物总有机氮和有孔虫壳结合有机氮的δ15N，利用两种指标的不同控制机制进行交叉验证，确保古营养盐重建结果的可靠性，排除成岩作用或物源输入等因素的干扰。其次，通过计算西太平洋与东太平洋δ15N的差值（Δδ15N），并将其与现代海洋观测中由上升流驱动的营养盐消耗梯度进行对比，建立起Δδ15N与赤道东太平洋营养盐供应强度的定量联系。
图1 （A）赤道太平洋表层温度和硝酸盐浓度强烈耦合。白线是混合层底部的年均水深。（B）赤道东太平洋表层年均硝酸盐浓度和（C）温度。符号代表研究钻孔。
核心发现1：上新世赤道太平洋西-东向营养盐供应梯度保持稳定，指示赤道东太平洋上升流并未减弱。通过对赤道西太平洋和东太平洋的两个岩芯中沉积物总有机氮和有孔虫壳体内封存有机氮的氮同位素（δ15N）进行系统测量，发现过去500万年以来，两地δ15N值均呈现同步上升趋势（图2A），而东西太平洋之间的δ15N差值（Δδ15N）长期保持稳定，平均为~4‰（图2C）。这一梯度与现代海洋中由赤道东太平洋上升流驱动的营养盐消耗梯度高度一致。由于Δδ15N的稳定性直接反映了赤道东太平洋表层水体中营养盐消耗程度（即营养盐供应强度）的恒定，该结果表明，尽管上新世赤道东太平洋“冷舌”减弱、海表温度升高，但其“营养盐舌”与现代仍然类似，有力支持了上升流强度并未发生显著减弱。这一发现与基于温度数据推断的“永久性厄尔尼诺”假说相悖，揭示了温度梯度与营养盐供应在温暖气候下可以发生解耦。
图2 上新世以来赤道太平洋δ15N东-西差异及其与南大西洋对比。（A）线条为全岩δ15N，符号代表不同种有孔虫δ15N数据。（B）大西洋有孔虫结合态δ15N。（C）不同站点的δ15N差异。WEP-赤道西太平洋；EEP-赤道东太平洋。
核心发现2：上新世赤道东太平洋上升流的维持得益于上层海洋垂向密度梯度的减弱，该效应抵消了信风减弱对上升流的负面作用。研究结合温度重建数据与物理机制分析指出，上新世温暖气候下，高纬度地区（模态水形成区）的放大性增温导致输送到热带太平洋的亚表层水体温度升高，进而削弱了热带太平洋上层海洋的垂向温度梯度和密度梯度（分层减弱）。一个简单的Ekman抽吸箱式模型计算表明（图3B），尽管上新世信风可能减弱（上升流驱动降低），但上层海洋分层的减弱同样降低了将亚表层水体卷入混合层所需的能量，从而在一定程度上抵消了风力减弱的不利影响，维持了赤道东太平洋的上升流速率。这一机制成功解释了为何在上新世较弱的温度梯度下，赤道东太平洋仍能维持与现代相当的营养盐供应和生物生产力。
图3 次表层变暖对上新世东赤道太平洋营养盐和温度的影响。（A）简化的混合模型。将赤道东太平洋海水简化为温暖表层水和次表层模态水的混合。模型显示，只有当下层海水本身变得更暖但营养盐不变时（水平黑箭头），才能解释上新世海洋的观测数据。如果只是减少下层海水上涌（虚线黑箭头），会导致营养盐下降，这与数据不符。（B）埃克曼上升流垂直速度（等高线）是一个分层指标，是纬向风应力（τx）和浮力频率平方（N2）的函数。τx驱动海水上涌，N2抑制海水上涌。橙色箭头表明，在上新世温暖时期，风力减弱和海洋分层减弱的共同作用，可能控制了上升流速度。
重要启示
启示1：从深时视角重新审视现代气候理论的适用性与复杂性。该研究揭示了在上新世温暖气候下，赤道东太平洋上升流并未如“永久性厄尔尼诺”假说所预测的那样减弱，这对我们利用现代气候理论推演深时地球系统行为提出了重要警示。它提示我们，在将“将今论古”原则应用于重大地质事件环境演化（如古上升流、厄尔尼诺、温盐环流）时，必须充分考虑地球系统各圈层活动（如海洋分层、风场、高-低纬度热力差）响应的不均衡性。未来的深时研究应更多从地球系统模型的角度出发，整合多圈层、多过程的反馈机制，而非简单地依赖单一的温度或环流线性推断。
启示2：深挖传统地球化学指标的潜力，开发链接全球与区域尺度的“过程型指标”。当前深时古环境研究存在一个明显的缺失：我们拥有很多反映全球整体状态（如全球温度、大洋缺氧程度、大气CO2和O2）的指标，也有大量描述区域沉积环境（如局部氧化还原状态、生产力、pH）的指标，但能够有效链接二者、揭示中间关键过程的指标和相关认识则非常匮乏。本研究正是这样一个典范，δ15N并未被简单用作区域生产力或全球氮循环的指标，而是利用赤道太平洋东西向的δ15N梯度（Δδ15N），将其转化为一个定量的“过程指标”，直接反映了赤道东太平洋上升流强度这一核心物理-生物地球化学过程。这一思路具有普适性。它启示我们，对于氮同位素乃至其他许多传统指标（如碳、硫、锶同位素等），未来的突破点可能不在于分析更多样品，而在于从新的视角重新定义和解读它们。系统性地开发这类“过程型指标”，将是推动古环境研究从现象描述迈向机制理解的重要方式。
——解读人：杜勇
——责任编辑：肖异凡
