自中更新世革命（MPT）以来，大气CO2浓度与深海碳库之间的关系是我们理解气候动力学的基石。封存在大洋深处巨量的碳库不仅维持着寒冷的冰期气候，也是导致冰消期气候反转的物质基础。然而，深海碳库的释放并不能完全解释冰芯记录的大气CO2变化模式。特别是在冰盖扩张期间，大气CO2浓度其实就已经趋于稳定并开始反弹，领先于深海碳库的释放。这种矛盾表明，仅依赖海洋碳封存和释放的传统模型不足以解释轨道尺度上大气CO2的波动和气候转型。除了深海碳库，与北极冰盖扩张相关的地质过程也是值得进一步研究的调控因素，因为它牵涉到有机碳大规模地从陆地向海洋迁移。
图1 北极碳库调节大气CO2示意图. a) 现代或间冰期气候条件下，初级生产力高，陆架是有机碳埋藏的主要区域，水体成层性强，从大气吸收的CO2高于释放; b）冰期气候条件下，冰盖和海冰扩张，海平面下降，初级生产力非常有限，陆地和陆架有机碳遭受侵蚀，有机碳降解释放大量溶解无机碳(DIC)，限制海水吸收大气CO2的能力，并可能转化为碳源；c）研究区地貌及采样站位(圆点指示的站位引用自文献)。
约有1500 Gt（十亿吨）的有机碳被埋藏在靠近北冰洋的浅层土壤和永冻层中，是大气中CO2的两倍。培养实验表明，陆源有机碳在海水中的降解速率通常要比陆地沉积物中的更快。增强的降解作用有助于溶解无机碳(DIC)的释放，从而导致海洋酸化。冰盖的扩张不仅抑制了光合作用吸收大气中的CO2，还使古老的埋藏有机碳重新暴露在富氧条件下。当冰盖从陆地向海床扩张时，富含有机碳的大陆架沉积物变得极易被迁移。冰川剥蚀、研磨和应变热导致冰下沉积物的化学风化指数惊人地高，甚至可以释放矿物结合的难降解有机碳。与现代相比，冰期再迁移有机碳降解释放的DIC可能没有被北冰洋和北欧海相对较低的初级生产力所抵消，从而导致海水吸收大气CO2的能力降低。尽管在深海沉积物中埋藏有机碳被公认为是封存大气CO2的关键机制，但北冰洋和北欧海中埋藏的再迁移有机碳指示的可能是完全相反的机制（图1）。
图2 晚更新世轨道尺度上不同碳库的协同演变. a)北冰洋和北欧海北部TOC通量；b)全球平均TOC埋藏速率; c)和d)浅内生种底栖生孔虫和浮游有孔虫壳体碳同位素；e）基于介形虫Mg/Ca的底层海水温度; f)南极冰芯记录的大气CO2浓度；g)海水氧同位素指示的全球冰量.
自然资源部海底科学重点实验室“海洋沉积与海岸过程”团队基于我国第三次北极科考以来所采集的海冰、悬浮体和沉积物样品以及现代水文数据，通过重新定义沉积物中海相有机碳的δ13C端元，构建有机碳迁移和冰盖扩张的协同演化模式，发现晚更新世期间北极冰盖在有机碳再迁移过程中发挥了关键作用。北极地区最强烈的有机碳再迁移发生在冰盖强烈扩张的氧同位素第4期（MIS4）和第二期（MIS2），为释放DIC提供了充足的物质基础。MIS4和MIS2期累积的DIC分别达到了200±114和117±66 Gt，约占北冰洋和北欧海当前DIC储量的15～26%，不仅限制了该区域的碳汇能力，甚至有潜力使之转变为大气CO2的源（图2）。这种与北极冰盖相关的碳释放，成为了连接陆地、海洋和大气碳库的纽带，被认为是气候由冰期向间冰期转变的关键因素，对于理解气候变化的驱动机制至关重要。
论文引用：
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