8000万年来海洋磷埋藏的阶段性强化，对生物地球化学变化的洞察

海洋磷埋藏在调节全球生物地球化学循环和影响地质时间尺度上发挥着关键作用。磷是生命的关键营养物质，其埋藏在海洋沉积物中有助于控制初级生产者的营养物质供应，从而影响海洋生态系统和碳循环。在过去的8000万年中，已记录了海洋磷埋藏加剧的偶发事件，这与地球气候、海洋缺氧、海洋环流和生物多样性的重大变化等有关。

海洋磷埋藏及其地球化学意义

海洋沉积物中的磷主要通过磷化过程沉积，在此过程中磷被掺入碳酸盐氟磷灰石(CFA)等矿物中。这些磷酸盐矿物沉淀在海山、大陆架和其他海洋沉积环境中。磷埋藏为长期营养循环提供了一种机制，磷埋藏的强度和频率受多种地球化学因素的影响，例如海洋化学、生物活动和构造过程。

磷循环与海洋生物生产力密切相关，初级生产者如浮游植物消耗海洋中溶解的磷。一旦这些生物死亡并沉降到海底，它们所含的磷就会被埋藏起来，从而将其与海洋营养物隔离开来。因此，磷埋藏增加的时期与生物生产力的变化有关，高埋藏率通常与海洋缺氧条件和有机碳从表层水向深层海洋的高输出率相吻合。

偶发性磷埋藏事件

对过去8000万年磷埋藏的研究表明，这些事件是偶发性的，磷埋藏增强的时期与地球历史上的关键气候转变和进化里程碑相关。其中包括始新世-渐新世过渡期，这标志着全球气候从温室状态到冰室状态的重大转变。同样，白垩纪和古新世-始新世极热事件(PETM)与磷埋藏增强的时期有关，这可能是由于大气中CO₂水平高和由此导致的变暖导致生物活动增加而引发的。

这些偶发事件的一个关键特征是它们与海洋环流的联系，海洋环流模式的变化，特别是在冷却事件期间深水形成的开始，已被证明会影响磷的埋藏。在分层期间，向更深的海洋层输送营养物质的增加可能导致生物生产力的提高，随后磷沉积在沉积物中。

导致磷埋藏的驱动因素有很多，如生物生产力的变化、海洋地质构造活动和钙浓度和碳酸氟磷灰石形成等。

碳酸氟磷灰石是一种主要的磷酸盐矿物，其沉淀受海水中钙浓度的影响很大。钙的可用性是调节碳酸盐氟磷灰石形成的关键因素，而碳酸盐氟磷灰石与磷的埋藏有关。钙浓度高的时期对应于磷埋藏较高的时期，这是由于碳酸盐氟磷灰石沉淀增加造成的。

海洋地质构造活动如海洋通道的开通、造山运动和火山活动等地质事件，可导致海洋环流、深水形成和营养物质的变化，进而促进磷的埋藏。

生物生产力变化方面，如海洋缺氧时间，海洋缺氧或低氧在增强磷埋藏方面起着关键作用，在缺氧的时期，由于含氧水域中通常发生的生物地球化学循环减少，磷更容易被埋藏。此外，由于营养物质输送的变化，也可能提高初级生产力并进而提高随后的磷沉积。

磷埋藏在气候调节中的作用

磷的埋藏与全球碳循环密切相关，对地球气候具有重要影响。在地质时间尺度上，磷的埋藏会影响海洋中营养物质的浓度，进而影响生物生产力和碳封存。在磷埋藏量高的时期，海洋生产力可能会提高，从而导致向深海输出更多的碳，这有助于从大气中封存碳。

这种反馈机制在气候变暖时期尤为重要，例如白垩纪和古新世-始新世极热期(PETM)。在此期间，更高的磷埋藏量可能有助于降低大气中的二氧化碳水平，从而有助于稳定全球气温。相反，在冷却期，磷埋藏量减少可能导致生物生产力下降，并形成一个反馈回路，加剧冰川作用和低大气二氧化碳浓度。

磷埋藏与全球气候之间的相互作用非常复杂。磷埋藏会影响硅酸盐岩的风化，进而影响碳酸盐-硅酸盐循环——这是调节长期气候稳定性的基本过程。当磷埋藏量高时，它会促进更高程度的风化，从而通过硅酸盐风化和碳酸盐的形成导致更多的二氧化碳吸收。这会产生长期的负反馈，有助于稳定地球数百万年的温度。

新的研究发现

中山大学海洋科学学院、广东省海洋资源与海岸工程重点实验室领导的一项新的研究，对西太平洋海山的Fe-Mn结壳中的CFA进行了U-Pb测年，以确定CFA沉淀物的年龄。

这些数据与Sr同位素年龄显示出良好的一致性，揭示了六个潜在的磷酸盐化事件，这些事件与全球海洋环流、气候和地质事件的关键变化相吻合。这个已建立的CFA年表缩短了磷酸盐化事件的时间跨度并完善了Fe-Mn结壳的年龄框架。

随后，研究人员利用多代理方法来证明磷酸盐化事件与海洋氧气最小区的扩张同时发生。因此，西太平洋铁锰结壳记录了全球海洋磷循环的重大扰动，这种扰动似乎是由与全球海洋环流变化相关的气候引起的初级生产力增加所驱动的。例如始新世-渐新世过渡期（约3400万年前）的海洋环流模式变化，这一时期的标志是全球变冷事件和极地冰盖动态的变化。

研究表明，海洋环流和气候变冷的变化是磷埋藏率增加的主要驱动因素。例如，在从始新世到渐新世的过渡期间，气候变冷和南极冰盖的形成改变了海洋中营养物的分布，增强了某些地区的磷埋藏率。全球降温阶段与磷埋藏率增加之间存在相关性。这可能与较冷时期深海氧气含量的降低有关，这会导致磷更容易在海洋沉积物中积累。

这项研究证实了早期的研究，即钙驱动的磷酸盐化是理解全球磷循环的关键因素。这提供了更详细的视角，说明钙浓度随时间的变化（例如与构造活动和火山喷发有关）可能如何影响全球磷埋藏事件。

思考

具体来说，海洋环流、气候和生物生产力的变化如何同步导致大规模磷埋藏事件？

磷埋藏增强是否会导致长期碳大幅减少，还是其对全球碳循环的影响受到其他因素（如温度或其他营养物质（如氮）的可用性）的调节？

参考文献：Jinzhou Peng, Dengfeng Li, Simon W. Poulton, Gary J. O’Sullivan, David Chew, Yu Fu & Xiaoming Sun ，Episodic intensification of marine phosphorus burial over the last 80 million years.  Nature Communications volume 15, Article number: 7446 (2024) ，doi.s41467-024-51598-x

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