磷是遺傳物質(zhì)核酸、能量儲存物質(zhì)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(chǎn)力的制約性營養(yǎng)元素，決定了海洋生物圈的大小。生態(tài)系統(tǒng)中，磷的關(guān)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(huán)境因子的關(guān)系對于定量描述全球C-P-O循環(huán)至關(guān)重要。

基于現(xiàn)代土壤中磷含量的分析結(jié)果，研究者普遍認為氣候?qū)α罪L化有顯著影響。多種溫度與磷風化之間的定量關(guān)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(huán)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(shù)據(jù)的氣候與磷風化之間的定量關(guān)系仍然缺乏。

針對這一科學問題，中國科學院地質(zhì)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(fā)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(lián)合國內(nèi)外多家研究機構(gòu)，集成了14322個全球表土的環(huán)境因子和主量元素（用以計算化學蝕變指數(shù)CIA）數(shù)據(jù)，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(guān)系。在此基礎(chǔ)上，研究人員將這一定量關(guān)系整合至考慮了溫度和陸地面積緯向分布的數(shù)值模型中，得到了全新的磷風化通量與全球溫度的關(guān)系。

數(shù)據(jù)集成結(jié)果揭示，溫度調(diào)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(fā)現(xiàn)土壤pH和粘土礦物組成是影響土壤磷遷移的關(guān)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(guān)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(guān)系基礎(chǔ)上，考慮溫度和陸地面積的緯向分布，研究人員基于數(shù)值模型構(gòu)建了全新的磷風化與全球溫度的關(guān)系（圖3A）。新的模型結(jié)果揭示了現(xiàn)代全球磷風化對溫度的非線性響應過程，尤其是20–23℃區(qū)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(fā)全球磷風化通量的增加會導致海洋生產(chǎn)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(fā)全球降溫。新的模型結(jié)果支持了磷風化增強是大洋缺氧事件的一個重要驅(qū)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(guān)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(shù)據(jù)集，建立了溫度和磷風化的定量關(guān)系，并基于數(shù)值模型構(gòu)建了全新的磷風化通量與全球平均溫度的關(guān)系。研究結(jié)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(jié)機制也有重要意義。此外，從增溫引發(fā)全球磷風化加速的結(jié)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)和海洋生態(tài)系統(tǒng)。

研究成果發(fā)表于國際學術(shù)期刊Science Advances（郭利成*，熊尚發(fā)*，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(fā)計劃項目（2022YFF0800800）、中國科學院戰(zhàn)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(zhì)與地球物理研究所自主部署項目（IGGCAS-201905）聯(lián)合資助。

編輯：萬鵬