自工業(yè)革命以來，人類活動通過大規(guī)模化石燃料的開采與溫室氣體排放，使地球系統(tǒng)進入有記錄以來增溫速度最快的時期。在不到150年的時間內(nèi)，全球平均氣溫已突破《IPCC第五次評估報告》設定的1.5°C升溫控制目標，帶來了極端氣候事件頻發(fā)、生物多樣性急劇下降等一系列嚴重后果。碳循環(huán)作為調(diào)節(jié)地球氣候系統(tǒng)長期穩(wěn)定性的核心機制，其擾動將對氣候系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠且廣泛的影響。

    地質(zhì)歷史中，早侏羅世Toarcian大洋缺氧事件（T-OAE，約183 Ma）為研究碳循環(huán)失衡引發(fā)的氣候—生態(tài)響應提供了一個典型案例。該事件以有機/無機碳同位素記錄中超過6‰的負偏移、約6°C的全球變暖幅度，以及海洋無脊椎動物滅絕為特征，反映出碳釋放規(guī)模巨大、過程劇烈、影響深遠的系統(tǒng)性失衡。系統(tǒng)量化此類古氣候事件中溫室氣體的釋放通量、來源構(gòu)成及其對氣候系統(tǒng)的反饋效應，不僅有助于解析古代碳循環(huán)-氣候-生態(tài)聯(lián)動機制，更為理解當代氣候變暖背景下可能觸發(fā)的臨界反饋過程、構(gòu)建“過去—未來”類比模型提供了關鍵的理論支撐。

    然而，目前學界對于造成T-OAE期間碳擾動關鍵碳來源的理解還存在諸多不同的看法。主要提出三種潛在的碳釋放機制：（1）Karoo–Ferrar大火成巖?。↙IP）廣泛巖漿活動引發(fā)的二氧化碳脫氣；（2）Karoo LIP巖漿侵入烘烤Karoo盆地中富含有機質(zhì)的二疊系煤層，釋放大量熱成因甲烷；（3）大陸邊緣海域海底甲烷水合物分解，釋放生物成因甲烷。當前爭論的核心在于：是否必須引入大規(guī)模的生物成因甲烷釋放，才能模擬和解釋T-OAE期間全球范圍內(nèi)同步發(fā)生的多次δ13C快速負偏移（pulsed excursions）。支持者認為，微生物產(chǎn)生的甲烷具有極端輕的同位素信號（δ13C約為 –50‰至 –70‰），即使釋放量相對較小，也可在全球碳庫中產(chǎn)生顯著的δ13C響應。然而，反對觀點則指出，生物成因甲烷的大量釋放要求具備特殊的觸發(fā)機制與快速的運移路徑，目前對其生成、儲存和釋放過程的時空耦合機制仍缺乏明確證據(jù)。此外，現(xiàn)有多數(shù)地球系統(tǒng)模型難以準確重建T-OAE δ13C記錄中所體現(xiàn)出的多期次突發(fā)性脈沖等特征，導致生物甲烷在該事件中的作用仍是一個未解之謎。綜上，生物成因甲烷是否為驅(qū)動T-OAE全球碳同位素異常的主要碳源，以及其釋放機制是否可滿足事件的時間尺度與同位素特征，仍有待進一步約束與驗證。

    為準確限定T-OAE期間碳釋放的通量、類型及其來源，并評估關鍵碳源釋放所引發(fā)的氣候與環(huán)境效應，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所博士研究生邱若原、趙明宇研究員、喻志超高級工程師、張旺高級工程師、萬博研究員、張瑞珍博士研究生，以及北京大學金之鈞院士、黃任達博士研究生，英國利茲大學Benjamin J. W. Mills教授，新西蘭懷卡托大學大學Terry Isson教授共同合作，通過整合多代理記錄進行約束，進一步開發(fā)了一個包含甲烷在沉積物-海洋-大氣中循環(huán)的全球生物地球化學耦合模型（CHemical Evolution of Earth Surface spheres, CHEES），并建立了基于馬爾可夫鏈蒙特卡羅的時序遞進式貝葉斯反演算法，首次系統(tǒng)高分辨地量化了T-OAE期間碳釋放的通量和種類特征，發(fā)現(xiàn)生物成因甲烷是驅(qū)動多個全球性脈沖式負偏移的關鍵碳源，并通過成巖模型模擬進一步發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)輸入通量增加和低硫酸鹽的海洋促進了生物甲烷的形成，同時揭示了甲烷輻射強迫效應驅(qū)動全球地表溫度產(chǎn)生≥2°C的附加增溫以及海洋溶解氧在千年尺度內(nèi)的下降，從而造成了T-OAE期間海洋生物的滅絕。

    一個耦合沉積物-水柱-大氣甲烷循環(huán)的全球生物地球化學反演模型

盡管地質(zhì)歷史上的多個極熱事件均被認為與甲烷釋放密切相關，但長期以來仍缺乏一個能夠系統(tǒng)耦合甲烷循環(huán)的全球生物地球化學模型。這主要源于三個關鍵挑戰(zhàn)：（1）不同地質(zhì)時期中大氣O2濃度變化顯著，導致甲烷在大氣中的居留時間和增溫潛力高度不確定；（2）甲烷來源多樣，陸地濕地釋放的甲烷可直接參與大氣過程，而海洋沉積物釋放的甲烷需經(jīng)歷水柱氧化與逃逸過程，循環(huán)機制更為復雜；（3）若涉及海底甲烷水合物儲庫，其與外部碳庫的耦合過程及不同釋放速率對碳循環(huán)的影響亦難以量化。

    針對上述難點，研究團隊通過CHEES模型，實現(xiàn)了對沉積物—水柱—大氣中甲烷循環(huán)的定量。該模型以非線性函數(shù)刻畫不同氧氣濃度下的甲烷氧化速率，并通過現(xiàn)代系統(tǒng)中甲烷的停留時間對模型進行校準。氣候響應部分引入了一維光化學與輻射模式，以構(gòu)建全球平均溫度與大氣甲烷濃度之間的定量關系。

    甲烷來源分為陸源與海源，其中海洋部分進一步耦合甲烷水合物儲庫及其與外部碳庫的交換過程。模型設置兩種釋放機制：慢速釋放模擬甲烷以彌散方式自硫酸鹽還原帶緩慢滲出，并在水柱中被氧化，難以逸出進入大氣；快速釋放模擬外部強迫觸發(fā)儲庫失穩(wěn)，導致大量甲烷穿越水柱上升。其間，氧氣濃度隨水深變化，深層水體氧化能力有限，允許更多甲烷逃逸至大氣，并引起海洋無機碳庫（DIC）與堿度（ALK）擾動，增強溫室效應與氣候反饋。

    為實現(xiàn)高分辨率的參數(shù)反演，研究團隊基于馬爾可夫鏈蒙特卡羅（MCMC）算法構(gòu)建了時序遞進式的貝葉斯反演框架，并與CHEES模型集成（圖1）。該反演流程包括六個模塊：參數(shù)敏感性分析、參數(shù)更新與提議、模型運行、似然函數(shù)計算與擾動幅度自適應調(diào)節(jié)，能夠動態(tài)優(yōu)化參數(shù)估計與模擬精度。在設定初始輸入?yún)?shù)（CO2釋放通量、CH4釋放通量及δ13CCH4）后，系統(tǒng)自動執(zhí)行迭代，直至收斂。

    研究以三個約束良好的環(huán)境指標作為反演目標：英國約克郡富有機質(zhì)頁巖剖面的有機δ13C記錄、基于Brachyoxylon化石重建的大氣CO2濃度，以及剔除緯度效應后的全球平均溫度。通過與觀測數(shù)據(jù)擬合，模型反演得到了T-OAE期間關鍵溫室氣體釋放的通量與同位素特征，為解析事件的碳源結(jié)構(gòu)及氣候反饋機制提供了重要約束。

圖1 MCMC反演算法流程圖

    T-OAE期間生物成因甲烷的釋放

    研究結(jié)果顯示，僅當碳源的δ13C值介于 –50‰至 –70‰之間（典型的生物成因甲烷特征）時，模型才能準確再現(xiàn)T-OAE期間觀測到的五次全球性脈沖式δ13C負偏移（幅度為1–3‰），同時與大氣CO2濃度和溫度的演化趨勢保持一致（圖2）。相比之下，若假設甲烷完全來源于煤層熱裂解（δ13CCH4約為 –30‰至 –40‰，δ13CCO2約為 –5‰至 –25‰），則為實現(xiàn)總計~6‰的δ13C負偏移需釋放遠超記錄約束的碳量，最終導致pCO2水平遠高于可接受范圍，且無法再現(xiàn)多個的脈沖結(jié)構(gòu)。

    模型模擬結(jié)果表明：僅當釋放約4700 Gt C生物成因甲烷時，才能在不違反代理數(shù)據(jù)約束的前提下重現(xiàn)δ13C記錄中的負偏移速率和幅度。值得注意的是，每個單一脈沖釋放的碳量已超過自工業(yè)革命以來的人類總碳排放（~400 Gt C），而五個脈沖累計釋放量接近現(xiàn)代已知的石油與天然氣總儲量（<5000 Gt C）。如此規(guī)模與速度的碳輸入遠超地球穩(wěn)態(tài)碳循環(huán)系統(tǒng)的緩沖能力，暗示地質(zhì)碳儲庫的幕式釋放可能是T-OAE碳異常的關鍵驅(qū)動。

    敏感性分析表明：研究估算的總碳釋放量（約17,000–73,000 Gt C）遠高于此前基于同位素質(zhì)量守恒的估算（約1,500–2,700 Gt C），以及部分采用預設碳源和低氣候敏感度參數(shù)的箱式模型結(jié)果（約15,000–25,000 Gt C）。該研究發(fā)現(xiàn)，中生代氣候系統(tǒng)對CO2強迫的響應敏感度顯著高于現(xiàn)代，在氣候敏感度設定為4–6°C時模型擬合度最佳。

圖2 反演模擬結(jié)果圖

    生物成因甲烷的來源

    現(xiàn)代海洋中甲烷難以進入大氣，主要因水體中的氧化屏障和沉積物中的厭氧氧化（AOM）機制所致，而早侏羅世海水硫酸鹽濃度較低（~12 mM）顯著削弱了AOM效率。應用一維反應傳輸成巖模型SEDCHEM 模擬結(jié)果表明，T-OAE期間的背景海洋甲烷通量約為 5.95 Tmol y?¹，較現(xiàn)代高出約4.6倍。

    為追蹤事件期間有機碳輸入的變化，研究收集了全球大陸邊緣海域的 TOC數(shù)據(jù)，并應用動態(tài)時間規(guī)整（Dynamic Time Warping, DTW）算法，將不同剖面對齊至高精度鋯石 CA-ID-TIMS U-Pb 年代框架，計算了不同區(qū)域有機碳輸入速率（OCAR）的變化。結(jié)果表明，各區(qū)普遍出現(xiàn)OCAR 的上升，指示 T-OAE期間全球有機碳埋藏顯著增強，為海底厭氧產(chǎn)甲提供了充足的有機底物來源。

    CHEES 模擬顯示，在純生物成因甲烷假設下，T-OAE 期間甲烷釋放通量比背景增加約 6.59 Tmol y?¹（5.81–7.21 Tmol y?¹）。SEDCHEM 模擬進一步驗證，隨著有機碳輸入增強和硫酸鹽濃度降低，海底產(chǎn)甲烷過程增強了約 20–68%，相當于每年額外釋放 1.19–4.05 Tmol 的海洋源甲烷（圖3）。

    模型進一步引入了“動態(tài)甲烷儲庫”機制，模擬海洋甲烷水合物庫的快速甲烷釋放所引起的外部碳庫擾動過程。敏感性分析表明，隨著甲烷水合物庫貢獻比例的提高，所需甲烷總量反而下降，因部分甲烷在水柱中被氧化，直接影響 DIC 庫的同位素組成。

    此外，除海洋外，陸地湖泊與濕地可能在T-OAE期間也作為快速響應碳源參與反饋過程，從而加速全球增溫。

圖3 SEDCHEM成巖模型模擬有機碳輸入引起產(chǎn)甲烷作用強度變化結(jié)果

    生物成因甲烷的氣候效應

    生物成因甲烷的強輻射強迫效應使其在短時間內(nèi)顯著提升全球溫度，并通過正反饋機制加劇后續(xù)甲烷的釋放。五次脈沖式δ13C負偏移事件（182.883–182.784 Ma）均對應顯著的快速變暖，尤其是第3與第4脈沖（182.842 Ma 和 182.822 Ma），在約2000年內(nèi)分別引發(fā)~2°C的全球升溫，且其發(fā)生時間與2萬年周期的歲差極值高度吻合，表明軌道強迫在調(diào)控生物成因甲烷釋放中可能起到了關鍵作用。

    連續(xù)的熱事件引發(fā)了多波次的生物滅絕，第3與第4次負偏移分別對應海洋無脊椎動物多樣性驟降67%與再次損失50%。間歇性的大氣甲烷釋放造成頻繁的增溫，同時水柱中甲烷氧化可能進一步加劇溶解氧的耗竭。盡管海洋缺氧的空間擴展程度有限，但頻繁增溫和缺氧過程協(xié)同作用可能是持續(xù)生物危機的關鍵驅(qū)動。

    模擬結(jié)果表明，T-OAE期間大氣甲烷濃度可能從背景值0.8 ppm升至峰值~15 ppm，平均上升速率（0.03–0.34 ppm y?¹）接近或高于工業(yè)革命以來人為排放造成的甲烷濃度升高速率（~0.1 ppm y?¹）。盡管T-OAE總碳排放速率低于現(xiàn)代化石燃料年消耗（~10 Gt C y?¹），但甲烷釋放速率相當于甚至超過當前水平。

    綜上，研究人員發(fā)現(xiàn)T-OAE期間以生物成因甲烷為基礎的動態(tài)甲烷儲庫的大規(guī)模甲烷釋放，是驅(qū)動全球性δ13C脈沖式負偏移與快速變暖的關鍵機制（圖4）。該反饋過程強化了氣候系統(tǒng)的非線性響應，使地球更易陷入災變性失衡狀態(tài)。當前人類主導的氣候變暖亦可能激發(fā)更強烈的甲烷循環(huán)響應，帶來深遠的氣候與生態(tài)風險。

圖4 海洋生物甲烷儲庫釋放造成的生態(tài)和氣候效應
 

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