海洋磷与大气氧在大氧化事件中的耦合关系研究

作者及机构
本研究由Matthew S. Dodd（西澳大利亚大学地球与海洋学院）、Chao Li（成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室）、Haodong Gu（中国地质大学（武汉）环境微生物与环境变化国家重点实验室）等13位作者共同完成，发表于*Nature Communications*（2025年）。

学术背景
大氧化事件（Great Oxidation Event, GOE）是地球早期大气氧浓度显著上升的关键时期（约24.3亿至20.6亿年前），但其驱动机制仍存在争议。本研究聚焦GOE期间海洋磷（P）循环与大气氧（O₂）的耦合关系，旨在通过碳酸盐结合磷酸盐（Carbonate-Associated Phosphate, CAP）这一新型指标，重建古海洋磷浓度变化，探讨磷的生物有效性如何影响初级生产力及有机碳埋藏，进而推动GOE的快速氧化学过程。

研究流程与方法
1. 样品采集与处理
- 研究对象：全球分布的14个碳酸盐岩层（如法国加蓬的Francevillian组、澳大利亚的Wooly Dolomite组等），覆盖GOE早期至Lomagundi事件（LE，约22.2亿至20.6亿年前）的沉积记录。
- 样品筛选：选择碳酸盐含量＞50%的样品，通过pH 8的NaCl缓冲溶液清洗吸附态磷，避免污染。

1. CAP提取与测定

   • 实验方法：采用2%醋酸部分溶解碳酸盐，通过离心过滤获取浸出液，利用孔雀石绿分光光度法测定磷浓度，并通过ICP-MS分析Ca、Mg等元素含量以标准化CAP值（单位：mmol P/mol (Ca+Mg)）。
     
   • 创新技术：CAP指标首次被开发为古海洋磷浓度的直接代理（Dodd et al., 2021），其优势在于排除铁结合磷、有机磷等干扰，直接反映海水溶解磷浓度。
     

2. 碳同位素分析

   • 使用GasBench II或Kiel IV装置与质谱联用，测定碳酸盐δ¹³C值，以反映有机碳埋藏效率。
     

3. 生物地球化学模型

   • 模型构建：基于四箱模型（近岸、远岸、表层、深层海洋），模拟磷输入增加对生产力、有机碳埋藏及δ¹³C分馏的影响。
     
   • 蒙特卡洛分析：通过1000次模拟，量化C/P比值、溶解无机碳（DIC）浓度等参数的不确定性。
     

主要结果
1. CAP与δ¹³C的协同变化
- 在LE期间，CAP值显著升高（如Juderina组达0.408 mmol/mol），较非LE层位高4-9倍，且与δ¹³C正相关（Pearson系数r=0.4-0.5，p<0.01）。
- 这一现象在全球多个盆地（南非、巴西、西澳等）均被验证，表明LE期间海洋磷浓度与生产力同步增长。

1. 模型验证

   • 模拟显示，磷输入增加可提升初级生产力，使有机碳埋藏量增加，驱动δ¹³C正向偏移（平均+8‰），同时大气O₂浓度在200 Myr内升至40-110%现代水平（PAL）。
     
   • 深部海洋因呼吸作用增强，δ¹³CDIC梯度达5‰，解释了浅海与深海碳酸盐δ¹³C差异。
     

2. 磷循环机制

   • GOE早期海洋以铁结合磷为主，硫酸盐匮乏限制磷再生；LE期间硫酸盐增加（氧化风化驱动）促进微生物硫酸盐还原，释放沉积有机磷，形成正反馈循环。
     

结论与意义
本研究首次通过CAP指标证实，GOE后期的快速氧化与海洋磷浓度升高直接相关。磷的生物有效性通过增强光合作用与有机碳埋藏，驱动大气O₂的瞬时峰值（LE期间）及后续回落。这一发现为理解地球早期氧化学的阶段性特征提供了关键证据，并揭示了营养元素循环对行星宜居性的深远影响。

亮点
1. 方法创新：CAP代理的全球应用，填补了古海洋磷定量重建的技术空白。
2. 跨学科整合：结合地球化学数据与生物地球化学模型，阐明磷-碳-氧耦合的动态机制。
3. 理论突破：提出“磷驱动GOE”假说，挑战了传统“还原剂消耗主导”模型，为早期生命演化（如真核生物起源）提供了新的环境背景解释。

其他价值
研究还发现，LE后磷的埋藏效率提高（如20亿年前磷块岩广泛沉积）可能加速了O₂下降，这一过程为理解前寒武纪碳-磷-氧循环的长期调控提供了新视角。