中中新世（~12 Ma）以來(lái)，全球溫度逐漸降低，至2.6 Ma北半球大規模冰蓋形成。在此之前的上新世溫暖期，北極地區曾有過(guò)數次短暫的冰蓋發(fā)育事件。理論上講，冰蓋一旦形成，會(huì )增加反照率，導致進(jìn)一步變冷，這種正反饋機制使得氣候系統迅速進(jìn)入冰期。然而，上新世的冰蓋發(fā)育都曇花一現，氣候系統未進(jìn)入大規模冰蓋發(fā)育的冰期，其原因一直有很大爭議。
針對以上科學(xué)問(wèn)題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所楊石嶺研究員等系統采集了24個(gè)全新世黃土剖面的碳酸鈣結核樣品（圖1a），建立了黃土鈣結核團簇同位素（?47）溫度計（圖1b、圖1c），厘定了古土壤呼吸CO2濃度。據此重建了7.2 Ma以來(lái)溫度和大氣CO2濃度演化歷史。
圖1 中國北方黃土研究點(diǎn)分布（a）、全新世鈣結核?47溫度（T?47；黑線(xiàn)）與現代年均溫（灰線(xiàn)）分布（b）、T?47溫度與現代年均溫相關(guān)性（c）
溫度重建結果顯示（圖2），晚中新世以來(lái)黃土高原呈現出波動(dòng)式變冷的特征，與熱帶海洋尤其是西太暖池溫度變化一致，表明東亞季風(fēng)系統是西太暖池與東亞地區水熱交換的重要紐帶。大氣CO2濃度重建結果顯示（圖2），7.24–4.3 Ma和2.6–0 Ma期間大氣CO2濃度整體在150–325 ppmv間波動(dòng)；4.3–2.6 Ma期間大氣CO2濃度階段式上升至500 ppmv以上。
值得注意的是，4.3–2.6 Ma期間大氣CO2濃度階段式上升與全球海平面和深海底棲有孔蟲(chóng)δ13C值階段式下降相對應（圖3），具體表現為：4.3–4.0 Ma、3.7–3.3 Ma、3.1–2.6 Ma海平面下降，大氣CO2濃度增加，有孔蟲(chóng)δ13C值降低；相反，4.0–3.7 Ma和3.3–3.1 Ma海平面小幅回升，大氣CO2濃度保持穩定或略微降低，有孔蟲(chóng)δ13C值相對保持穩定。
上述結果揭示了晚中新世以來(lái)全球變冷的負反饋機制：全球變冷導致北半球冰蓋發(fā)育，海平面下降，大陸架暴露，陸架上保存的大量有機質(zhì)（富含12C）被氧化，從而釋放出大量CO2，使得海洋碳同位素負偏，氣候回暖，海平面小幅回升；當釋放的CO2被消耗完后，氣候繼續變冷，海平面進(jìn)一步下降，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)，直至陸架上的有機碳儲量下降到不足以維持高CO2濃度和溫暖氣候，冰蓋才得以大規模發(fā)育，從而終結了上新世溫暖期，正式開(kāi)啟了第四紀冰河時(shí)代。
圖2 靈臺黃土-紅粘土序列重建的年均溫（a）和大氣CO2濃度（b；藍色曲線(xiàn)為冰芯CO2記錄），熱帶海表溫度（Herbert et al.,?2016）（c）以及西太暖池海表溫度（Zhang et al.,?2014）（d）
圖3 上新世全球海平面變化（Miller et al.,?2020）（a）、重建大氣CO2濃度（b）、底棲有孔蟲(chóng)碳同位素記錄（Westerhold et al.,?2020）（c）以及靈臺重建年均溫（紅線(xiàn)）和北半球高緯海表溫度（Herbert et al.,?2016；藍線(xiàn)）（d）
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Global and Planetary Change（楊石嶺*，王永達，黃曉芳，孫敏敏，漢景泰，王旭，陳祚伶，張師豪，姜文英，唐自華，顧兆炎，熊尚發(fā)，丁仲禮. Pliocene CO2?rise due to sea-level fall as a mechanism for the delayed ice age [J]. Global and Planetary Change,?2024,?236: 104431. DOI: 10.1016/j.gloplacha.2024.104431.）。該研究受?chē)抑攸c(diǎn)研發(fā)計劃項目（2022YFF0800800）、國家自然學(xué)科基金（42107472，41725010）和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所自主部署項目（IGGCAS-201905）聯(lián)合資助。
