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距今3.6億年至2.6億年的晚古生代大冰期是地球自陸生高等植物及陸地生態(tài)系統(tǒng)建立以來(lái)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的冰室氣候時(shí)期。該時(shí)期的大氣二氧化碳水平跨越了工業(yè)革命前的水平到未來(lái)高碳排放情景預(yù)期的范圍，而大氣中的氧氣水平則達(dá)到整個(gè)地球歷史的峰值，約為當(dāng)前大氣氧氣含量的1.2倍至1.7倍。這種異常高氧環(huán)境可能與海洋、陸地動(dòng)物的巨型化現(xiàn)象相關(guān)，也可能與石炭紀(jì)中期至二疊紀(jì)早期海洋生物大輻射事件相關(guān)。盡管地質(zhì)記錄、生物化石證據(jù)及生物地球化學(xué)模型重建均支持當(dāng)時(shí)大氣含氧量升高的觀(guān)點(diǎn)，但關(guān)于高氧大氣與冰室氣候下海洋氧化還原環(huán)境如何演化仍缺乏直接證據(jù)。

近日，由中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員陳吉濤領(lǐng)銜的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)華南板塊貴州羅甸盆地3.1億年至2.9億年前的碳酸鹽巖沉積序列開(kāi)展了高時(shí)間分辨率的鈾同位素研究；結(jié)合該研究時(shí)段的碳同位素和大氣二氧化碳濃度數(shù)據(jù)以及火山活動(dòng)、植被演化等地質(zhì)事件，利用生物地球化學(xué)循環(huán)模型等，綜合探討了該時(shí)段的全球碳循環(huán)與海洋氧化還原狀態(tài)。

研究發(fā)現(xiàn)，盡管研究時(shí)段為晚古生代大冰期的高峰期也是顯生宙的大氣氧含量峰值期，但鈾同位素比值多次顯著下降，表明海底缺氧面積反復(fù)擴(kuò)大。每次鈾同位素比值下降均與大氣二氧化碳濃度的快速上升及碳同位素的負(fù)漂同時(shí)發(fā)生。

研究人員利用耦合貝葉斯反演的碳-磷-鈾生物地球化學(xué)循環(huán)模型，定量模擬了晚古生代冰室氣候下的海洋缺氧、碳循環(huán)和氣候的演變過(guò)程。結(jié)果顯示，在整個(gè)研究時(shí)段，海洋中有機(jī)碳埋藏增加可能導(dǎo)致大氣二氧化碳濃度下降和氧氣濃度上升。盡管此時(shí)大氣–海洋整體氧化水平很高，但間歇性的巨量碳排放也可以引起重復(fù)發(fā)生的氣候變暖和海底缺氧，致使全球海洋缺氧面積擴(kuò)張4%至12%，甚至可能導(dǎo)致海洋生物多樣性停滯或下降。

上述成果有助于科研人員更好地理解地球氣候系統(tǒng)內(nèi)部的關(guān)聯(lián)與反饋機(jī)制，對(duì)預(yù)測(cè)當(dāng)前全球變暖背景下海洋環(huán)境的變化趨勢(shì)具有參考價(jià)值。

6月24日，相關(guān)研究成果作為亮點(diǎn)文章發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。

古生代海洋生物多樣性、大氣成分與海洋氧化狀態(tài)