▲张一歌从刚刚通过海底钻探获得的岩芯中取样品。

▲李孜晔在岩芯库取样间取样。受访者供图

■本报记者 李晨阳 廖洋 见习记者 朱献东

李孜晔忘不了2017年的那一天，此前她已经对着几颗鱼类的牙齿化石碎片鼓捣好几个月，却一无所获。就在这个时候，导师张一歌结束了为期两个月的航海科考，带着一身的海风回来了。

他对这个刚刚来到自己实验室、正一筹莫展的姑娘笑着说：“这不是世界末日。”因为他这次从海上带回来的，还有一个全新的科学idea（想法）。

李孜晔当时是中国海洋大学在读博士，2016年至2018年，受国家留学基金委资助在美国德州农工大学接受联合培养。张一歌是她联合培养期间的导师。

近日，他们在《自然》合作发表了题为《新近纪全球大洋有机碳埋藏》的论文。

这篇论文最初的萌芽，正是那个来自大海的idea。

一个颠覆教科书的发现

张一歌参与的科考项目，名叫国际大洋发现计划（IODP），其前身是美国于1968年开始进行的深海钻探计划（DSDP）和1985年开始实施的大洋钻探计划（ODP）。

张一歌作为有机地球化学家登上科考船。他的主要任务是研磨从海底打捞上来的岩芯，然后进行无机碳和有机碳含量的测量。整整两个月的夜班，他经常要抱着研钵和研杵磨上12个小时，手上都生了厚厚的茧子。磨着磨着，他的脑海里冒出了一个想法。

“我意识到，从大洋钻探计划启动开始，人们就在研磨这些东西，产生的有机碳测试数据已经积累了50多年。但过去人们只用这些数据做些很基础的统计。”张一歌对《中国科学报》说，“我想，我们或许能拿这些数据做些更有意义的事情。”

他把这个想法分享给李孜晔，于是开启了一个崭新的课题。

他们关注的焦点是“有机碳埋藏”，也就是大气和海洋中的碳被海藻进行光合作用合成的有机物进入海底沉积物中，形成深埋的有机质。这种现象可以有效减少大气中的温室气体含量。

在当前全球气候变化加剧的背景下，人们迫切需要知道，海底储藏有机碳的能力存在什么样的变化规律、对全球碳循环产生怎样的影响。

直接检测全球不同区域的海底沉积物的成分很困难，所以过去人们多是通过有机碳和无机碳的“质量平衡”估算有机碳的埋藏速率。所谓“质量平衡”，指的是在地质时间尺度上，进入到大气和海洋系统中的碳，只能以有机碳（包括大量有机碳情况下形成的石油、天然气等）或无机碳（主要是碳酸盐，例如珊瑚、贝壳等）埋藏的方式被移除。碳有碳12和碳13两种同位素，而相较于碳13，有机碳主要富集碳12。于是科学家想出一个办法——检测海洋沉积物中碳酸盐的碳同位素，碳13越多，证明越多的有机碳已经沉积在全球海底了。

最著名的案例出现在美国加利福尼亚州的蒙特利地层。这里的页岩沉积岩来自距今约1500万年的中新世中期，有机碳的含量非常高，是加州产出的石油和天然气的来源。同时，中新世中期时的海洋碳酸盐表现出极大的碳同位素值。人们据此认为，当时地球上出现了有机碳埋藏的增强，对应着随后出现的大气二氧化碳下降和全球气候变冷。这是写在教科书里的知识点。

然而，在过去50多年间，国际大洋发现计划在各大海域的海底采集了大量岩芯，这让直接研究海底沉积物中的有机碳成为可能。张一歌和李孜晔等人汇总了全球不同海盆共计81个站位上的岩芯总有机碳测试数据后，惊讶地发现，中新世中期的有机碳埋藏不是最多的，反而是最少的。

“这可能是一个颠覆教科书的发现。”张一歌说。

重建2000万年有机碳埋藏记录

在该研究中，研究人员第一次重建了过去2000多万年的全球海洋有机碳埋藏记录。

为了做到这一点，李孜晔在研究初期查阅了海量资料。国际大洋发现计划的历次航行数据都会被上传到几个数据库中。但很多时候，这些数据库中的信息不够完整、不够“一手”，还需要从散落在各处的文献和报告中寻找更多数据，甚至刨根问底去挖掘更加原始的资料来源。此外，很多论文中的数据局限于某个时间段，不足以覆盖他们需要的研究时间，因此还要进一步完善。

这是个苦功夫。短短两个月间，李孜晔的眼镜度数就增加了100多度。

找到尽可能多的数据只是第一步。接下来，他们还需要建立一种全新的有机碳埋藏速率计算方法。“如何让我们的方法能够尽可能适用于漫长的历史尺度和广阔的空间尺度，减少不确定性，是我们工作中最大的难点之一。”李孜晔说。

最终他们发现，海底有机碳埋藏的时空变率远高于以往的估计。在上新世和中新世早期，之所以会在全球近海、陆架和深海沉积扇出现有机碳埋藏的峰值，与造山期隆升、冰川侵蚀等导致的高沉积物通量密切相关。

而在开阔海洋，一般认为海底有机碳的埋藏更多受到海洋生产力变化的影响。但该研究认为，在中新世中期，气候变暖导致海洋中异养细菌新陈代谢速率加快，有机质再矿化速率升高，使得海底有机碳埋藏速率降低，从而对气候产生正反馈效应。

“这个结论非常重要。”张一歌说，“这也就是说，当地球气候变暖时，反而不利于海底储存更多的碳。对我们来说，这不是个好消息，会让目前面临的气候问题雪上加霜。”

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05413-6