原文来源：Fakhraee M, Bauer K W, Planavsky N J, et al.2025. Climate stabilization by alkalinity production from pyrite burial during oceanic anoxia. Nature Geoscience,18, 495-502.
https://doi.org/10.1038/s41561-025-01698-0.
全球碳循环通过对大气中二氧化碳浓度的调节，对地球气候和地表宜居性具有重要控制作用。大气二氧化碳浓度主要通过水圈—大气圈系统中二氧化碳的输入和输出通量大小调节。在地质时间尺度（超过10万年），火山排放和陆地上有机碳的氧化风化输入的二氧化碳，与通过碳酸盐和硅酸盐岩石的化学风化以及海洋沉积物中碳酸盐矿物和有机碳的埋藏输出所消耗的二氧化碳基本平衡。
化学风化产生碱度的速率取决于温度和二氧化碳浓度。大气二氧化碳通过与海洋碳酸盐系统的相互作用来影响水体酸碱度，碱度的提高会促使碳酸盐矿物沉淀，并随着碳酸盐岩的埋藏酸碱度被调节。因此，海洋碱度的大幅度变化（例如通过海洋黏土产量的变化）会强烈影响大气二氧化碳浓度，并对气候产生相应影响。传统理论认为，地球长期气候稳定主要依赖于硅酸盐的风化。当大气中二氧化碳浓度升高，温室效应导致气温上升，并加速硅酸盐风化作用以提高海洋碱度，促使碳酸盐矿物沉积并消耗二氧化碳，促使碳埋藏从而影响气候变化。
但是二氧化碳波动带来的水体碱度变化无法解释地质历史中二氧化碳大规模释放事件（如大火成岩省，LIP）与气候恢复速率的差异（如二叠纪-三叠纪大灭绝气候持续恶化，而古新世-始新世极热事件快速恢复）。并且除了硅酸盐矿物风化对海洋碱度有贡献外，海洋沉积物中硫酸盐矿物的还原也有重要贡献（黄铁矿的埋藏）。因此本文要解决的科学问题是：黄铁矿埋藏驱动的碱度升高是否足以构成地球碳循环的关键负反馈机制，尤其是在大洋缺氧事件（OAE）期间通过黄铁矿埋藏能否抵消火山作用带来二氧化碳排放对气候的冲击。
科学内涵
研究思路：
本文通过热力学方程推导黄铁矿埋藏提升碱度过程，通过生成黄铁矿，1摩尔硫埋藏产生2摩尔碱度。基于显生宙硫同位素，并利用数值关系计算硫埋藏比例与黄铁矿硫埋藏通量，重建古生代至今的碱度通量（图1）。构建碳—硫耦合模型，设置三组碳排放情景与缺氧面积梯度，以海底缺氧比例、火山二氧化碳释放速率、海水硫酸盐浓度为变量，并对比"有/无黄铁矿碱度反馈"下的ΔpCO2和ΔpH（图2）。最后以5次LIP-OAEs事件验证分析事件中碳释放量、缺氧面积、反馈强度与灭绝率的相关性（图3）。
图1 显生宙期间黄铁矿埋藏驱动的碱度通量变化的硫质量平衡估算
a. 硫酸盐（灰色方框）和黄铁矿（绿色方框）的硫同位素比值（δ34S）随时间变化。b. 以黄铁矿形式埋藏的硫占总硫比例（fpyrite）随时间变化。本文同位素质量平衡估算（蓝色圆点），蓝色虚线代表LOESS（局部加权散点平滑法）拟合曲线。灰色条形棒表示基于海洋输入通量（Finput）得出的最大值和最小值。c. 基于黄铁矿埋藏速率的碱度通量。蓝色阴影部分表示基于Finput的最小值和最大值范围。灰色阴影表示基于黄铁矿埋藏的现代碱度通量范围。绿色虚线标记了过去3亿年由大火成岩省形成时释放二氧化碳引发的海洋缺氧事件：二叠纪-三叠纪大灭绝（P-T）、三叠纪末大灭绝（ET）、托阿尔期海洋缺氧事件（TOAE）、白垩纪海洋缺氧事件（OAE1a）以及古新-始新世极热事件（PETM）。
核心发现：
（1）黄铁矿碱度通量：气候稳定器
模型显示不同时期黄铁矿埋藏导致的海洋碱度通量（Tmol/yr）不同。整个显生宙时期海洋的碱度通量为5-46 Tmol/yr，古生代海洋的碱度峰值为6.5 Tmol/yr，白垩纪OAE1a期间海洋的碱度通量最高可达22 Tmol/yr。硫同位素显示在白垩纪OAE1a时期，海水的硫酸盐浓度从3-10 mM骤降至1 mM以下，反映当时海洋的硫埋藏激增。
图2 碳硫耦合质量平衡模型
a.用于驱动模型的火山碳释放参数。b-d.对于a中不同的火山释放碳参数，（b）黄铁矿埋藏速率的变化（∆）（c）大气二氧化碳的变化，（d）海洋pH的变化与海洋缺氧程度的关系。变化数据通过有缺氧-碱度反馈和无缺氧-碱度反馈的模型运行结果差值计算得出，阴影部分代表a中曲线±50%的不确定度范围。
（2）大洋缺氧—碱度反馈对气候的缓冲
黄铁矿埋藏增强可以使碱度产生通量增至现代的20倍以上，从而成为调控大气二氧化碳浓度的关键因素之一，可抵消大规模火山活动释放的二氧化碳，降低大气二氧化碳浓度并缓冲海洋酸化。当海底缺氧面积达到10%时，黄铁矿埋藏抵消的ΔpCO2范围根据碳排放规模在1,900 ppm到15,000 ppm之间，对海水ΔpH的缓冲范围在0.5到0.8。模型预测，在二叠纪末灭绝事件中，碱度反馈降低峰值pCO2490–1,755 ppm，缓冲pH上升1.01–1.09，与基于参数计算和数值模型计算得到的pCO2基本一致。相对于没有反馈的假设情景，缺氧—碱度反馈至少可以将pCO2的增加限制15%-22%。结果黄铁矿埋藏在与缺氧相关的事件期间，通过调节水体碱度变化调节大气二氧化碳，从而在稳定气候方面发挥了重要的作用。
图3 过去3亿年间大火成岩省 - 海洋缺氧事件期间缺氧 - 碱度反馈的强度
a. 不同缺氧事件（OAEs）的大火成岩省（LIP）碳释放量和缺氧严重程度随时间的变化。模拟的总碳释放值（柱状图，左轴）对应图2的估算值。绿色圆点表示缺氧的平均范围（fanoxia），蓝色误差线代表缺氧最大值与平均值之间的差值。所研究的大火成岩省-海洋缺氧事件（LIP-OAEs）包括：西伯利亚大火成岩省与二叠纪-三叠纪大灭绝（P-T）；中大西洋大火成岩省（CAMP）与三叠纪末大灭绝（ET）；卡鲁大火成岩省与托阿尔期海洋缺氧事件（TOAE）；翁通爪哇大火成岩省与白垩纪OAE1a期海洋缺氧事件（OAE1a）；以及北大西洋大火成岩省（NAIP）与古新世-始新世极热事件（PETM）。b、c. 模拟的每个LIP-OAEs期间大气二氧化碳和海洋pH变化。误差线为基于各事件火山碳排放速率上限和下限（或最大值和最小值）的模型运行结果的1个标准差，圆点代表平均值。d. 灭绝强度和速率随时间的变化。e-h. 不同LIP-OAEs与海洋缺氧事件缺氧范围（fanoxia；占现代海底总面积的百分比）的关系，分别为火山碳排放量、大气二氧化碳浓度变化、海洋pH变化和灭绝强度与大洋缺氧面积的关系。所有数据均是基于a中较低脱气量估算值的模型结果。误差线与a-c相同。每个图中均显示通过数据的线性回归拟合曲线（虚线）及对应的R²值，阴影部分代表95%置信区间。f和g代表模型的输出结果，R为多重相关系数。
（3）生物灭绝的“减震器“
大洋缺氧—黄铁矿碱度反馈的强度与生物灭绝率呈负相关。在古新世—始新世极热事件中，海底缺氧面积为5%-8%，由黄铁矿埋藏引起水体碱度变化带来的大气ΔpCO2变化比例为35%-40%，灭绝率小于20%；而在二叠纪—三叠纪灭绝事件（P-T灭绝事件）中，海底缺氧面积为14%-18%，黄铁矿埋藏引起水体碱度升高所带来的大气ΔpCO2降低比例仅为15%-22%，灭绝率高达90%。这说明黄铁矿埋藏引起水体碱度变化从而调节大气CO2存在局限性：当碳排放速率超过地球系统容量的临界阈值时（如P-T灭绝事件），大洋缺氧—碱度反馈与其他稳定机制（如硅酸盐风化）的缓冲能力会被耗尽，黄铁矿碱度等反馈机制失效，进而导致气候失控。
重要启示
过度排放可能导致系统失调。黄铁矿埋藏是独立于硅酸盐风化的第六大碳汇机制，其强度受海洋缺氧范围直接调控。例如OAE通过扩大缺氧区促进黄铁矿埋藏从而提高水体碱度，促进碳埋藏，缓冲碳排放冲击。但碳注入存在临界阈值，当其超过临界阈值后调节系统失效。地球系统具有强大的自我调节和修复能力，通过不同指标的调节，使地球系统趋于稳定。但是也提示我们当代需控制二氧化碳排放速率与规模，避免突破地球系统缓冲能力阈值。
——解读人：丁继凯、王威
——责任编辑：汤冬杰
