大气CO₂是全球气候变化的重要驱动因子。重建地质时期大气CO₂浓度（pCO₂）对于理解地球气候系统演变与评估未来气候具有重要意义。更新世 (258~1万年) 是地球气候模式转变的关键期，也是未来气候重要的类比期。南极冰芯记录的中晚更新世（80万年以来）的pCO₂主要在180~280 ppm间波动，而在早更新世，根据海洋沉积物指标估算的多个pCO₂记录存在明显差异。针对这一问题，表生地球化学团队季峻峰教授课题组基于陆相风尘沉积序列, 定量恢复了早更新世间冰期的古大气CO₂浓度。重建结果显示，该时期pCO₂整体处于较低水平 (＜300 ppm)，与南极冰芯气泡中记录的过去80万年水平相当。该成果以“Low CO₂ levels of the entire Pleistocene Epoch”为题于2019年9月25日在线发表于《自然通讯》(Nature Communications)。

图1 洛川黄土-古土壤剖面与成壤碳酸盐形态 (a) 洛川剖面更新世风尘沉积序列，可见颜色深浅交替的黄土-古土壤旋回；(b)-(c) 扫描电镜下古土壤全岩成壤碳酸盐形态
我国黄土高原地区自更新世以来堆积有一套连续的黄土-古土壤序列（图1a）。古土壤中赋存多种形态不同的成壤碳酸盐（图1b，c），为更新世古大气CO₂记录的重建提供了独特的研究材料。在传统古土壤CO₂气压计研究基础上，该研究进行了两点改进：1）采用古土壤全岩成壤碳酸盐样品，而非通常使用的钙结核样品。该类成壤碳酸盐矿物主要由细颗粒微米-纳米级的针簇状方解石所构成（图1b，c）；2）创建古土壤S(z)（呼吸作用产生的CO₂浓度）与磁化率值关系模型，通过测量古土壤磁化率限定古土壤样品S(z)值。改进后的古土壤气压计方法，显著降低了分析误差，可获得较精准的pCO₂值。研究表明，黄土与冰芯、深海沉积物一样，不但记录了古气候演化历史，也可高分辨率地记录过去大气CO₂的浓度变化。
结果显示，早更新世以来pCO₂在180~300 ppm间变化（图2d），低于海洋指标记录的200~400 ppm的水平，而与最近发现的南极蓝冰中的pCO₂记录一致，表明更新世以来地球气候系统一直在较低大气CO₂水平下运行（图2）。研究结果支持大气环流与冰川模型揭示的晚上新世以来北半球大规模冰川的形成需要pCO₂低于280 ppm的结论。研究还发现中更新世革命（约1.2~0.8百万年）前后间冰期大气CO₂浓度无明显变化。作为关键气候转型期，中更新世革命 (MPT) 标志着冰期-间冰期旋回由4.1万年斜度周期转变为10万年离心率周期，并伴随全球尺度气候变化幅度的增加。中更新世革命的触发机制引起学界广泛讨论，一种主要观点认为更新世以来大气CO₂浓度的持续下降导致了MPT的发生，而本研究的结果并不支持这一观点。

图2 不同指标恢复的早更新世大气CO₂水平与深海沉积物δ¹⁸O（冰量变化）记录对比 (a) 深海沉积物δ¹⁸O记录；(b) 基于颗石藻代谢物alkenone指标的大气CO₂结果；(c) 基于有孔虫壳体δ¹¹B指标的大气CO₂结果；(d) 本研究基于洛川古土壤成壤碳酸盐的大气CO₂结果。灰色曲线为南极冰芯记录的过去80万年大气CO₂浓度；紫色方框为南极蓝冰记录的1百万年前的大气CO₂水平；水平虚线为工业化前大气CO₂水平
该成果已被美国科普文章专题新闻网站《每日科学》(ScienceDaily) 以“Humankind did not live with a high-carbon dioxide atmosphere until 1965”为题在线报道 (https://www.sciencedaily.com/releases/2019/09/190925123415.htm)。目前所发现的最早的直立人出现于2.1-1.8百万年以前，根据该研究的古大气CO₂重建结果，人类直到1965年才首次生活在大气CO₂浓度超过320 ppm的环境中，而现今超过410 ppm的大气CO₂水平，不仅对全球气候环境、对我们人类本身也是一种考验。
博士研究生达佳伟为论文第一作者，季峻峰教授为通讯作者。其他合著作者均为我院校友，包括美国德州A&M大学张一歌助理教授，加州理工学院李根博士后和中科院南京地理与湖泊研究所孟先强助理研究员。该研究受到中国国家自然科学基金 (41773118和41230526)和南京大学优秀博士研究生创新能力提升计划A项目的资助与支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-12357-5
（地球科学与工程学院 科学技术处）