近日，《Science Bulletin》杂志以“Coccolithophore carbonate counter pump covaried with ocean carbon cycle changes during the Mid-Miocene”为题，发表了我院刘传联教授团队的研究成果：通过分析南海IODP U1505C站中中新世（约1200至1500万年前）沉积物中的颗石藻化石，发现颗石藻碳酸盐反向泵与海洋碳循环呈协同变化；这表明在中中新世气候转型期间，颗石藻碳源汇功能发生了转换，可能对该时期大气二氧化碳浓度的下降发挥了重要作用。
地球气候在距今约1200至1500万年前的中中新世发生了巨大变化：大气二氧化碳浓度下降了约200 ppm、全球平均气温下降、南极冰盖扩张，气候状态由暖室期向凉室期转变。对于这一气候转型事件，目前普遍认为主要源于洋流改组，进而引起大气二氧化碳浓度下降，导致气候由暖变冷，但是对此仍有争论。该研究利用南海颗石藻沉积记录，对此问题提出了新的认识。
颗石藻是一种在海洋中广泛存在的单细胞浮游藻类，是重要的海洋初级生产者。颗石藻具有生物泵与碳酸盐反向泵的双重功能，既可以通过光合作用吸收二氧化碳，又可以通过钙化作用释放二氧化碳。因此颗石藻“双重碳泵”的相对强度变化可以改变海洋的碳源汇格局，进而影响大气二氧化碳浓度与气候变化。通过定量估算颗石藻生产的颗粒无机碳与有机碳比值（PIC:POC），可以量化这两种碳泵之间的相对强度。颗石形态参数测量可以估算PIC:POC，同时颗石质量堆积速率也能够反映碳酸盐反向泵强度。
该研究发现，中中新世气候转型期南海颗石PIC:POC和颗石质量堆积速率均出现显著升高，对应于同站位底栖有孔虫碳同位素（δ13C）正偏，说明该时期颗石藻碳酸盐反向泵与海洋碳循环呈协同变化（图1）。底栖有孔虫δ13C正偏与海水中陆源营养物质输入减少有关，寡营养的表层海水使得硅藻生产力减少；这为颗石藻的勃发创造了条件，最终导致了颗石藻碳酸盐反向泵的增强。该研究还发现，中中新世气候转型期之后，颗石PIC:POC与颗石质量堆积速率均呈明显的长时间尺度下降趋势，表明颗石藻碳酸盐反向泵的逐渐减弱，同时也意味着颗石藻碳泵由“碳源”向“碳汇”转换，可能是该时期大气二氧化碳浓度下降、气候由暖向冷转变的原因之一（图1）。
图1：南海IODP U1505C站位底栖有孔虫碳同位素与颗石形态参数比较。(a-c) Noelaerhabdaceae 科颗石形态学测量方法；(d) Noelaerhabdaceae 颗石侧向长宽比及对应的颗石藻PIC:POC；(e) Noelaerhabdaceae 颗石质量堆积速率；(f) IODP U1505C站位底栖有孔虫δ13C；(g) 地球公转轨道偏心率；(h) 浮游有空虫硼同位素重建大气CO2分压结果，阴影区域代表95%置信区间。
该论文第一作者为我院博士生孙立舜，通讯作者为刘传联教授，合作者包括我院金晓波副教授和中科院南海所副研究员苏翔。研究工作得到了国家自然科学基金的资助。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.11.052