巨型淡水湖泊排放N?O维持T-OAE高温的新机制被揭示

巨型淡水湖泊排放N?O维持T-OAE高温的新机制被揭示

近日，成都理工大学沉积地质研究院研究员 葛毓柱团队联合合作者在 《地质学》发表了最新研究成果，该研究通过水体反硝化作用和元素限制耦合分析，揭示了 早侏罗世托阿尔期大洋缺氧事件（T-OAE，距今约1.83亿年） 期间巨型淡水湖泊释放一氧化二氮（ N?O） 维持气候高温的新机制。

T-OAE是显生宙一次重大的极热事件，以大量轻碳快速排放到大洋-大气系统和碳同位素负偏（NCIE）为特征，并伴随着全球变暖与大范围海洋缺氧。一般认为，极热事件期间增强的硅酸盐风化和海洋有机碳埋藏是消耗大气二氧化碳、促使地球温度回归的两种主要方式。然而，地质记录表明，在T-OAE大规模碳埋藏时期及之后的一段时期，全球高温仍然持续，被称之为“极热气候维持之谜”。

针对此问题，该研究关注湖泊对气候变化的反馈作用。早侏罗世四川是一个巨型湖泊，其面积超过23万平方公里，约占现代全球湖泊总面积的十分之一。通过对四川盆地大安寨段钻孔岩芯样品的系统研究，在T-OAE碳同位素偏移（NCIE）层段，湖相沉积物中的总有机碳显著增加，同时伴随底层水体严重缺氧。最关键的是，这段地层中记录到显著的氮同位素正偏（最高达6.2‰），这被解释为缺氧环境下湖泊水柱中的反硝化作用（脱氮作用）显著增强。

为了进一步探索增强的反硝化作用与全球持续高温之间的关系，团队从微量元素的角度找到了破局的关键。在正常的反硝化过程中，细菌必须依赖微量元素“铜（Cu）”作为催化剂，才能将强温室气体一氧化二氮（ N?O ）最终转化为无害的氮气（ N? ）。然而，极热事件期间的四川巨型湖泊深层水体严重缺氧，且湖底富集了大量有机质。这种特殊的缺氧环境，促使水中原本可供生物利用的溶解态铜，极易与硫化物或有机质发生结合，进而被彻底封存在湖底沉积物中。这导致湖水中可供细菌使用的铜极度匮乏，引发了严重的“铜限制”效应。正是这一效应，迫使湖泊反硝化作用，最后将大量的氮以 N?O 的形式直接释放。

基于上述关键地质证据，该研究构建了氮循环质量平衡模型。模型结果表明四川巨型湖泊在T-OAE期间向大气释放了约0.9至1.8 Gt的 N?O 。考虑到 N?O 的全球变暖潜能是二氧化碳的265-298倍，这部分N?O释放所产生的温室效应，足以抵消该湖泊中巨量C O? 随有机碳埋藏所带来的潜在降温效应。

本研究从“微量元素限制-湖泊氮循环”视角，揭示了巨型湖泊在深时极热事件中扮演维持高温的正反馈角色，为困扰学术界的“极热气候维持之谜”提供了新的视角。本研究也为理解当今全球变暖、水体富营养化及缺氧背景下，现代湖泊气体排放有可能进一步增加温室效应风险提供了科学依据。

相关论文信息：https://doi.org/10.1130/G54763.1

主题：T-OAE|反硝化作用|“极热气候维持之谜”