全球變暖將會導致什麼樣的後果？地球上的生命將麵對怎樣的生存環境？解答這些問題，可以到地球曆史中與當前地球環境變化類似的時期尋找答案。近日，中國科學院南京地質古生物研究所與南京大學、美國加州大學戴維斯分校等合作發表一項重要研究成果：與當前地球環境類似的約3億年前的晚古生代大冰期期間，曾發生一次短暫的巨量碳排放事件，引起了海洋缺氧及海洋生物多樣性顯著降低。5月2日，這一成果發表於國際著名的科學期刊《美國科學院院報》（PNAS）。 

　　當今地球正處於從3400萬年前開始的新生代冰室氣候，然而，近百年來，全球氣溫在冰室氣候大背景下快速升高，兩極冰川消融加劇，海平麵上升，海洋缺氧程度加重，導致全球生物多樣性降低。全球變暖的趨勢將如何進一步發展？根據當前環境變化的觀察數據很難預測未來的長期趨勢。為了找到全球冰室氣候背景的變暖與海洋缺氧、生物多樣性變化的內在關係，更準確地模擬和評估海洋缺氧程度，科學家們通過對地球曆史的冰室氣候的研究尋找答案。 

　　3.6-2.8億年間的晚古生代大冰期是地球持續時間最長、規模最大的一次冰室氣候，也是陸生高等植物及陸地生態係統建立以來唯一一次記錄了地球由冰室氣候向溫室氣候轉變的地質時期，當時的大氣二氧化碳和氧氣濃度也與現代相當，可以與現今人類生存的冰室氣候環境很好地進行類比。因此，研究晚古生代大冰期已經發生過的碳排放與全球變暖事件所造成的影響，將有益於我們更加深入地理解當前在冰室氣候下地球係統內部的關聯與反饋機製，從而更加準確地預測全球氣候環境變化與生物多樣性的未來發展趨勢。 

　　由南京古生物所陳吉濤研究員與南京大學王向東教授、美國加州大學戴維斯分校Isabel Montanez教授等領銜的國際合作團隊，對我國華南石炭紀地層開展了近十年的地層學、古生物學、沉積學、沉積地球化學、數值模擬等多學科的綜合研究，首次發現了石炭紀晚期冰室氣候下的一次巨量碳排放事件。 

　　貴州羅甸納慶剖麵發育了國際上鮮有的連續出露的石炭紀海相地層，完整記錄了石炭紀晚期海水的地球化學信息。研究人員通過對該剖麵采集精度達厘米級的樣本進行了碳和鈾同位素及主微量元素等測試分析，用全球碳循環模型（LOSCAR）對碳排放量及碳源進行了數值模擬研究，並利用耦合的碳-鈾模型計算出當時全球海洋缺氧程度，最後，利用更綜合的地球係統模型（CESM）進行數據模擬；最終建立了該事件中碳排放與海洋缺氧麵積的關聯機製。 

　　研究結果顯示，石炭紀晚期（約3.04億年前）冰室氣候下，約9萬億噸碳在30萬年內排向大氣，從而引起了當時全球氣候的顯著變暖。期間海水表麵溫度升高約4℃，全球海洋缺氧麵積擴張至18%，海洋生物多樣性在短期內顯著下降。地球係統模型研究表明，在冰室氣候的全球變暖期間，廣泛的海洋缺氧可能與海水分層的增強和營養輸入的增加（消耗氧氣）相關。 

　　通過比較地質曆史中不同氣候環境下的碳排放事件及其引起的全球變暖和海洋缺氧狀態，研究團隊首次提出，在同樣的碳排放速率下，相較於溫室氣候，冰室氣候下的海洋可能會出現更嚴重的缺氧狀態。而通過對地質曆史過程中已經發生的類似氣候環境事件的研究，詳細識別事件的發生、發展及結束過程，可進一步揭示其對海洋生物多樣性的影響，為人類如何應對未來可能發生的極端氣候提供一定借鑒。 

　　論文相關信息：Jitao Chen, Isabel P. Montanez, Shuang Zhang, Terry T. Isson, Sophia I. Macarewich, Noah J. Planavsky, Feifei Zhang, Sofia Rauzi, Kierstin Daviau, Le Yao, Yu-ping Qi, Yue Wang, Jun-xuan Fan, Christopher J. Poulsen, Ariel D. Anbar, Shu-zhong Shen, Xiang-dong Wang, 2022, Marine anoxia linked to abrupt global warming during Earth’s penultimate icehouse, PNAS, https://doi.org/10.1073/pnas.2115231119   　　  

圖1. 石炭紀晚期（約304百萬年）發生的一次顯著的大氣二氧化碳濃度升高及碳同位素負漂事件，對應著全球海水表層溫度升高及海洋生物多樣性的降低

圖2. 貴州羅甸納慶剖麵的碳和鈾同位素記錄及模擬結果，顯示在卡西莫夫期末期出現一次明顯的同位素負漂，表明全球碳循環波動及海洋缺氧事件

圖3. 晚古生代冰室氣候和其他溫室氣候中的碳排放與海水溫度和缺氧程度的關係對比圖，表明同樣速率的碳排放或變暖，海洋的缺氧程度在冰室氣候下比溫室氣候下更高