北京
磷是遺傳物質核酸、能量儲存物質三磷酸腺苷和細胞膜等的重要組成部分，對生命活動不可或缺。磷還是海洋初級生產力的制約性營養元素，決定了海洋生物圈的大小。生態系統中，磷的關鍵來源是陸地化學風化過程中磷酸鹽的溶解（簡稱磷風化）。因此，磷風化和環境因子的關系對于定量描述全球C-P-O循環至關重要。
基于現代土壤中磷含量的分析結果，研究者普遍認為氣候對磷風化有顯著影響。多種溫度與磷風化之間的定量關系已被應用于全球模型中，以理解地球歷史上耦合的生物地球化學循環過程。例如，阿倫尼烏斯方程常被用來描述溫度對磷風化的影響。然而，基于實證數據的氣候與磷風化之間的定量關系仍然缺乏。
針對這一科學問題，中國科學院地質與地球物理研究所郭利成副研究員、趙明宇特聘研究員、熊尚發研究員、楊石嶺研究員、崔靜怡博士、王永達博士、姜磊研究員、徐志方研究員、蔡春芳研究員，聯合國內外多家研究機構，集成了14322個全球表土的環境因子和主量元素（用以計算化學蝕變指數CIA）數據，評估了氣候和非氣候要素對化學風化過程中磷釋放的影響，并建立了溫度和磷風化（P2O5/TiO2摩爾比）的定量關系。在此基礎上，研究人員將這一定量關系整合至考慮了溫度和陸地面積緯向分布的數值模型中，得到了全新的磷風化通量與全球溫度的關系。
數據集成結果揭示，溫度調控著全球尺度土壤磷的遷移，當溫度超過12℃或者CIA>80時，土壤磷含量顯著下降（圖1）。研究人員進一步對土壤磷含量顯著下降的可能機制進行探索，發現土壤pH和粘土礦物組成是影響土壤磷遷移的關鍵因素（圖2）。高溫條件下的低土壤pH有利于磷灰石礦物溶解、磷酸根從伊利石等粘土礦物表面解吸和Al、Fe、Ca磷酸鹽的溶解。在高溫和強風化的情形下，由于高嶺石含量增加，伊利石含量降低，粘土礦物對磷酸根的總吸附能力顯著減弱，這促進了土壤磷的丟失。
圖1 全球表土P2O5/TiO2、溫度和CIA的關系
圖2 A全球表土pH隨CIA的變化，B pH對磷灰石溶解速率的影響，C表土粘土礦物組成隨CIA的變化，D不同粘土礦物的磷酸根吸附能力
在新的溫度和磷風化定量關系基礎上，考慮溫度和陸地面積的緯向分布，研究人員基于數值模型構建了全新的磷風化與全球溫度的關系（圖3A）。新的模型結果揭示了現代全球磷風化對溫度的非線性響應過程，尤其是20–23℃區間，磷風化通量加速增加（圖3B）。研究人員還進一步計算了顯生宙大洋缺氧事件期間全球磷風化的變化（圖3C）。增溫引發全球磷風化通量的增加會導致海洋生產力升高，水體氧氣快速消耗，有機碳在海洋沉積物中大量埋藏，進而引發全球降溫。新的模型結果支持了磷風化增強是大洋缺氧事件的一個重要驅動機制，也是全球增溫的一個負反饋因素。
圖3 磷風化與全球溫度的關系，PT為二疊紀–三疊紀大滅絕事件，TOAE為托阿爾階海洋缺氧事件，OAE1a為阿普特階海洋缺氧事件，OAE2為賽諾曼階–土倫階海洋缺氧事件，PETM為古新世–始新世極熱事件
該研究利用全球表土數據集，建立了溫度和磷風化的定量關系，并基于數值模型構建了全新的磷風化通量與全球平均溫度的關系。研究結果有助于認識顯生宙海洋缺氧事件的成因，對探索極熱事件的終結機制也有重要意義。此外，從增溫引發全球磷風化加速的結論可以進一步推測，未來人類碳排放造成的增溫很可能會導致全球土壤磷的快速流失，這將危及全球農業生產和海洋生態系統。
研究成果發表于國際學術期刊Science Advances（郭利成*，熊尚發*，Benjamin J. W. Mills，Terry Isson，楊石嶺，崔靜怡，王永達，姜磊，徐志方，蔡春芳，鄧義楠，魏廣祎，趙明宇*. Acceleration of phosphorus weathering under warm climates [J]. Science Advances, 2024, 10(28): eadm7773. DOI: 10.1126/sciadv.adm7773）。該研究受國家重點研發計劃項目（2022YFF0800800）、中國科學院戰略性先導項目（XDB0710000）、國家自然科學基金項目（42007282，42077409）和中國科學院地質與地球物理研究所自主部署項目（IGGCAS-201905）聯合資助。
編輯：萬鵬
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