邱若原等-PNAS：早侏罗世Toarcian海洋缺氧事件期间脉冲式生物成因甲烷释放与幕式变暖

摘要：自工业革命以来，人类活动通过大规模化石燃料的开采与温室气体排放，使地球系统进入有记录以来增温速度最快的时期。在不到150年的时间内，全球平均气温已突破《IPCC第五次评估报告》设定的1.5°C升温控制目标，带来了极端气候事件频发、生物多样性急剧下降等一系列严重

自工业革命以来，人类活动通过大规模化石燃料的开采与温室气体排放，使地球系统进入有记录以来增温速度最快的时期。在不到150年的时间内，全球平均气温已突破《IPCC第五次评估报告》设定的1.5°C升温控制目标，带来了极端气候事件频发、生物多样性急剧下降等一系列严重后果。碳循环作为调节地球气候系统长期稳定性的核心机制，其扰动将对气候系统和生态系统产生深远且广泛的影响。

地质历史中，早侏罗世Toarcian大洋缺氧事件（T-OAE，约183 Ma）为研究碳循环失衡引发的气候—生态响应提供了一个典型案例。该事件以有机/无机碳同位素记录中超过6‰的负偏移、约6°C的全球变暖幅度，以及海洋无脊椎动物灭绝为特征，反映出碳释放规模巨大、过程剧烈、影响深远的系统性失衡。系统量化此类古气候事件中温室气体的释放通量、来源构成及其对气候系统的反馈效应，不仅有助于解析古代碳循环-气候-生态联动机制，更为理解当代气候变暖背景下可能触发的临界反馈过程、构建“过去—未来”类比模型提供了关键的理论支撑。

然而，目前学界对于造成T-OAE期间碳扰动关键碳来源的理解还存在诸多不同的看法。主要提出三种潜在的碳释放机制：（1）Karoo–Ferrar大火成岩省（LIP）广泛岩浆活动引发的二氧化碳脱气；（2）Karoo LIP岩浆侵入烘烤Karoo盆地中富含有机质的二叠系煤层，释放大量热成因甲烷；（3）大陆边缘海域海底甲烷水合物分解，释放生物成因甲烷。当前争论的核心在于：是否必须引入大规模的生物成因甲烷释放，才能模拟和解释T-OAE期间全球范围内同步发生的多次δ13C快速负偏移（pulsed excursions）。支持者认为，微生物产生的甲烷具有极端轻的同位素信号（δ13C约为 –50‰至 –70‰），即使释放量相对较小，也可在全球碳库中产生显著的δ13C响应。然而，反对观点则指出，生物成因甲烷的大量释放要求具备特殊的触发机制与快速的运移路径，目前对其生成、储存和释放过程的时空耦合机制仍缺乏明确证据。此外，现有多数地球系统模型难以准确重建T-OAE δ13C记录中所体现出的多期次突发性脉冲等特征，导致生物甲烷在该事件中的作用仍是一个未解之谜。综上，生物成因甲烷是否为驱动T-OAE全球碳同位素异常的主要碳源，以及其释放机制是否可满足事件的时间尺度与同位素特征，仍有待进一步约束与验证。

为准确限定T-OAE期间碳释放的通量、类型及其来源，并评估关键碳源释放所引发的气候与环境效应，中国科学院地质与地球物理研究所博士研究生邱若原、赵明宇研究员、喻志超高级工程师、张旺高级工程师、万博研究员、张瑞珍博士研究生，以及北京大学金之钧院士、黄任达博士研究生，英国利兹大学Benjamin J. W. Mills教授，新西兰怀卡托大学大学Terry Isson教授共同合作，通过整合多代理记录进行约束，进一步开发了一个包含甲烷在沉积物-海洋-大气中循环的全球生物地球化学耦合模型（CHemical Evolution of Earth Surface spheres, CHEES），并建立了基于马尔可夫链蒙特卡罗的时序递进式贝叶斯反演算法，首次系统高分辨地量化了T-OAE期间碳释放的通量和种类特征，发现生物成因甲烷是驱动多个全球性脉冲式负偏移的关键碳源，并通过成岩模型模拟进一步发现有机质输入通量增加和低硫酸盐的海洋促进了生物甲烷的形成，同时揭示了甲烷辐射强迫效应驱动全球地表温度产生≥2°C的附加增温以及海洋溶解氧在千年尺度内的下降，从而造成了T-OAE期间海洋生物的灭绝。

一个耦合沉积物-水柱-大气甲烷循环的全球生物地球化学反演模型

尽管地质历史上的多个极热事件均被认为与甲烷释放密切相关，但长期以来仍缺乏一个能够系统耦合甲烷循环的全球生物地球化学模型。这主要源于三个关键挑战：（1）不同地质时期中大气O2浓度变化显著，导致甲烷在大气中的居留时间和增温潜力高度不确定；（2）甲烷来源多样，陆地湿地释放的甲烷可直接参与大气过程，而海洋沉积物释放的甲烷需经历水柱氧化与逃逸过程，循环机制更为复杂；（3）若涉及海底甲烷水合物储库，其与外部碳库的耦合过程及不同释放速率对碳循环的影响亦难以量化。

针对上述难点，研究团队通过CHEES模型，实现了对沉积物—水柱—大气中甲烷循环的定量。该模型以非线性函数刻画不同氧气浓度下的甲烷氧化速率，并通过现代系统中甲烷的停留时间对模型进行校准。气候响应部分引入了一维光化学与辐射模式，以构建全球平均温度与大气甲烷浓度之间的定量关系。

甲烷来源分为陆源与海源，其中海洋部分进一步耦合甲烷水合物储库及其与外部碳库的交换过程。模型设置两种释放机制：慢速释放模拟甲烷以弥散方式自硫酸盐还原带缓慢渗出，并在水柱中被氧化，难以逸出进入大气；快速释放模拟外部强迫触发储库失稳，导致大量甲烷穿越水柱上升。其间，氧气浓度随水深变化，深层水体氧化能力有限，允许更多甲烷逃逸至大气，并引起海洋无机碳库（DIC）与碱度（ALK）扰动，增强温室效应与气候反馈。

为实现高分辨率的参数反演，研究团队基于马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）算法构建了时序递进式的贝叶斯反演框架，并与CHEES模型集成（图1）。该反演流程包括六个模块：参数敏感性分析、参数更新与提议、模型运行、似然函数计算与扰动幅度自适应调节，能够动态优化参数估计与模拟精度。在设定初始输入参数（CO2CH4）后，系统自动执行迭代，直至收敛。研究以三个约束良好的环境指标作为反演目标：英国约克郡富有机质页岩剖面的有机δ132浓度，以及剔除纬度效应后的全球平均温度。通过与观测数据拟合，模型反演得到了T-OAE期间关键温室气体释放的通量与同位素特征，为解析事件的碳源结构及气候反馈机制提供了重要约束。

图1MCMC反演算法流程图

T-OAE期间生物成因甲烷的释放

13C值介于 –50‰至 –70‰之间（典型的生物成因甲烷特征）时，模型才能准确再现T-OAE期间观测到的五次全球性脉冲式δ13C负偏移（幅度为1–3‰），同时与大气CO2浓度和温度的演化趋势保持一致（图2）。相比之下，若假设甲烷完全来源于煤层热裂解（δ13CCH4约为 –30‰至 –40‰，δ13CCO2约为 –5‰至 –25‰），则为实现总计~6‰的δ13模型模拟结果表明：仅当释放约4700 Gt C生物成因甲烷时，才能在不违反代理数据约束的前提下重现δ13C记录中的负偏移速率和幅度。值得注意的是，每个单一脉冲释放的碳量已超过自工业革命以来的人类总碳排放（~400 Gt C），而五个脉冲累计释放量接近现代已知的石油与天然气总储量（敏感性分析表明：研究估算的总碳释放量（约17,000–73,000 Gt C）远高于此前基于同位素质量守恒的估算（约1,500–2,700 Gt C），以及部分采用预设碳源和低气候敏感度参数的箱式模型结果（约15,000–25,000 Gt C）。该研究发现，中生代气候系统对CO2强迫的响应敏感度显著高于现代，在气候敏感度设定为4–6°C时模型拟合度最佳。

图2反演模拟结果图

生物成因甲烷的来源

现代海洋中甲烷难以进入大气，主要因水体中的氧化屏障和沉积物中的厌氧氧化（AOM）机制所致，而早侏罗世海水硫酸盐浓度较低（~12 mM）显著削弱了AOM效率。应用一维反应传输成岩模型SEDCHEM 模拟结果表明，T-OAE期间的背景海洋甲烷通量约为 5.95 Tmol y⁻¹，较现代高出约4.6倍。

为追踪事件期间有机碳输入的变化，研究收集了全球大陆边缘海域的 TOC数据，并应用动态时间规整（Dynamic Time Warping, DTW）算法，将不同剖面对齐至高精度锆石 CA-ID-TIMS U-Pb 年代框架，计算了不同区域有机碳输入速率（OCAR）的变化。结果表明，各区普遍出现OCAR 的上升，指示 T-OAE期间全球有机碳埋藏显著增强，为海底厌氧产甲提供了充足的有机底物来源。

CHEES 模拟显示，在纯生物成因甲烷假设下，T-OAE 期间甲烷释放通量比背景增加约 6.59 Tmol y⁻¹（5.81–7.21 Tmol y⁻¹）。SEDCHEM 模拟进一步验证，随着有机碳输入增强和硫酸盐浓度降低，海底产甲烷过程增强了约 20–68%，相当于每年额外释放 1.19–4.05 Tmol 的海洋源甲烷（图3）。

模型进一步引入了“动态甲烷储库”机制，模拟海洋甲烷水合物库的快速甲烷释放所引起的外部碳库扰动过程。敏感性分析表明，随着甲烷水合物库贡献比例的提高，所需甲烷总量反而下降，因部分甲烷在水柱中被氧化，直接影响 DIC 库的同位素组成。

此外，除海洋外，陆地湖泊与湿地可能在T-OAE期间也作为快速响应碳源参与反馈过程，从而加速全球增温。

图3SEDCHEM成岩模型模拟有机碳输入引起产甲烷作用强度变化结果

生物成因甲烷的气候效应

生物成因甲烷的强辐射强迫效应使其在短时间内显著提升全球温度，并通过正反馈机制加剧后续甲烷的释放。五次脉冲式δ13C负偏移事件（182.883–182.784 Ma）均对应显著的快速变暖，尤其是第3与第4脉冲（182.842 Ma 和 182.822 Ma），在约2000年内分别引发~2°C的全球升温，且其发生时间与2万年周期的岁差极值高度吻合，表明轨道强迫在调控生物成因甲烷释放中可能起到了关键作用。

连续的热事件引发了多波次的生物灭绝，第3与第4次负偏移分别对应海洋无脊椎动物多样性骤降67%与再次损失50%。间歇性的大气甲烷释放造成频繁的增温，同时水柱中甲烷氧化可能进一步加剧溶解氧的耗竭。尽管海洋缺氧的空间扩展程度有限，但频繁增温和缺氧过程协同作用可能是持续生物危机的关键驱动。

模拟结果表明，T-OAE期间大气甲烷浓度可能从背景值0.8 ppm升至峰值~15 ppm，平均上升速率（0.03–0.34 ppm y⁻¹）接近或高于工业革命以来人为排放造成的甲烷浓度升高速率（~0.1 ppm y⁻¹）。尽管T-OAE总碳排放速率低于现代化石燃料年消耗（~10 Gt C y⁻¹），但甲烷释放速率相当于甚至超过当前水平。

综上，研究人员发现T-OAE期间以生物成因甲烷为基础的动态甲烷储库的大规模甲烷释放，是驱动全球性δ13C脉冲式负偏移与快速变暖的关键机制（图4）。该反馈过程强化了气候系统的非线性响应，使地球更易陷入灾变性失衡状态。当前人类主导的气候变暖亦可能激发更强烈的甲烷循环响应，带来深远的气候与生态风险。

图4海洋生物甲烷储库释放造成的生态和气候效应

研究成果发表于国际学术期刊PNAS（邱若原，喻志超，Benjamin J. W. Mills，黄任达，张旺，Terry Isson，万博，张瑞珍，赵明宇*，金之钧*. Pulsed biogenic methane emissions coupled with episodic warming during the Toarcian Oceanic Anoxic Event [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2025, 122(36), e2423598122. DOI: 10.1073/pnas.2423598122.）。研究受中国科学院战略性先导科技专项（B类）（XDB0710000）和国家自然科学基金（92255303, 42202162, 42302339）以及中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-202201）共同资助。