上新世以来热带西太平洋深部呼吸碳库的演化及其与大气pCO2冰期旋回的关联

Expansion and contraction of respired carbon reservoir in the deep ocean are hypothesized to result in glacial low values and deglacial (or interglacial) high values in atmospheric pCO2, thus contributing to glacial cycles in atmospheric pCO2. Accurately capturing the evolution of deep respired carbon reservoir in the tropical West Pacific is a valid chance to uncover the forcing of global climate changes. However, current research on deep respired carbon reservoir in the tropical West Pacific is constrained in the timescales of last glaciation, and just focusing on its (in)existence. Here, surface productivity, deep ventilation and deep [CO32-] in the tropical West Pacific since Pliocene are reconstructed by bulk biogenic components and redox-sensitive elements, and foraminiferal Nd and shell weight in the sites U1490 and U1486 from International Ocean Discovery Program (IODP) 363 expedition. Based on these data, from the perspective of (in)existence, intensity and composition of deep respired carbon reservoir in the tropical West Pacific, long-term trends on its evolution since Pliocene are integrated, and detailed processes on its evolution during the climate abrupt/transition periods such as Pliocene warm period, Northern Hemisphere glaciation, mid-Pleistocene transition and last deglaciation are subtly examined. Finally, the comparison of variations on deep respired carbon reservoir in the tropical West Pacific with glacial cycles in atmospheric pCO2 since Pliocene is used to reveal the mechanism on their correlations, thus confirming the significance of tropical West Pacific in the past global climate changes.

大洋深部呼吸碳库的扩张与萎缩被认为导致大气pCO2在冰期的降低和冰消期（或间冰期）的升高，从而为大气pCO2的冰期旋回负责。因此，全面捕捉热带西太平洋深部呼吸碳库的演化是理解全球气候变化机制的绝佳切入点。然而，目前热带西太平洋深部呼吸碳库的研究局限于末次冰期，且只关注呼吸碳库的有无。项目以IODP 363航次钻取的站位U1490和U1486为材料，通过沉积物生源组分和氧化还原敏感元素、有孔虫Nd同位素和壳重反演热带西太平洋表层生产力、深部流通状况和深部[CO32-]。以此为基础，从热带西太平洋深部呼吸碳库的有无、强弱和组成，综合构建上新世以来其演化的长期趋势，精细解剖气候转型/突变期（上新世暖期、北半球大冰期、中更新世转型期和末次冰消期）其演化的细节过程。最后，将上新世以来热带西太平洋深部呼吸碳库的演化与大气pCO2记录对比，揭示两者的关联机制，明确热带西太平洋在过去全球气候变化中的地位。

探索大洋深部呼吸碳库的演化是解决“大气pCO2冰期旋回驱动机制”的关键环节。项目以热带太平洋卡罗琳海和西菲律宾海的两个沉积物柱状岩芯U1490站和MD06-3054孔为研究材料，在建立年代地层的基础上，通过重建的表层生产力、深部流通状况、深部氧化还原沉积条件和深部[CO32-]，约束了新世以来热带西太平洋深部呼吸碳库的演化，并揭示了其与大气pCO2冰期旋回的关联机制。具体成果有：热带太平洋CO2的泄露对末次冰消期大气pCO2升高有重要贡献，但相对于热带东太平洋和热带中太平洋，热带西太平洋在其中的作用明显逊色，尤其是热带西太平洋的中段和西段。这主要是末次冰消期热带西太平洋深部呼吸碳库的减弱程度不足以贡献大气pCO2的升高，尽管类厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）在千年尺度上对此起促进作用。中更新世（MPT）热带西太平洋深部[CO32-]降低、呼吸碳库加强，从而加强的深部储碳能力贡献了大气pCO2的降低。但必须注意的是，MPT大洋[CO32-]降低是全球尺度的现象，这表明该加强的呼吸碳库不是原位形成的，而是南大洋冰盖扩张引起垂向流通减弱，导致南大洋深部溶解无机碳含量增加，进而通过大洋传送带分配到全球大洋的结果。上新世（包括上新世暖期（PWP）），热带西太平洋生产力和营养跃层深度协同变化，表现为生产力升高对应营养跃层变浅，这种上层水体的生物地球化学耦合与中新世-上新世之交的全球生物勃发事件、中美洲海道关闭以及南大洋水体对热带大洋的侧向传导密切相关。上新世以来热带西太平洋生产力逐渐降低、深部相对氧化状态逐渐减弱、深部[CO32-]逐渐增加，且这些约束深部呼吸碳库的古海洋参数在PWP、北半球大冰期（NHG）、MPT和末次冰消期等气候突变/转型期有显著变化（部分见上述）。这些结果初步表明，上新世以来热带西太平洋深部呼吸碳库的演化与大气pCO2冰期旋回有明显关联，这其中，深部流通状况相对于生产力等其它因素在这种关联机制中起主导作用。项目成果对于解决气候演化的驱动机制，特别是理解热带大洋在过去全球气候变化中的作用具有重要启示。