近日，美国国家科学院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）刊登了题为“Triple oxygen isotope constraints on atmospheric O₂ and biological productivity during the mid-Proterozoic”的研究论文。此项成果是由中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室李三忠教授的博士后—刘鹏博士为第一作者完成。

      地质记录表明，在距今~14亿年前的硫酸盐沉积物中氧同位素非质量分馏信号（Oxygen Mass-Independent Fractionation, O-MIF）约为–0.9‰，远高于现代海洋中硫酸盐中O-MIF水平。该文基于一维光化学模式，发展了氧同位素光化学模块，模拟不同背景大气氧气与二氧化碳浓度下，O-MIF的源汇及传输过程，并在模式中引入影响海洋-大气界面气体交换速率的物理制约（Piston Velocity Limit）。通过将模拟结果与地质记录对比，探究中元古代时期的大气氧气浓度和总初级生产力水平。

      当仅考虑海洋生态系统，甲烷地表通量设定为现代水平，模式结果显示近地表氧气的O-MIF同时依赖于大气背景氧气与二氧化碳浓度。由于中元古代的二氧化碳浓度至今仍存在较大不确定性，该文选用了前人基于气候模式与地质记录重建得到的中元古代二氧化碳阈值。模拟结果显示，中元古代的氧气浓度可能在~0.8%-20% PAL之间（图1a）。当同时考虑陆地与海洋生态系统，前人研究表明中元古代甲烷地表通量可能为现代水平的10倍，此时大气中高甲烷浓度（>10 ppmv）产生较强温室效应。相较于图1a，通过气候模式得到的中元古代二氧化碳阈值应降低，此时中元古代的氧气浓度应低于3% PAL（图1b）。所以模式估计中元古代的大气氧气浓度，可能需要二氧化碳浓度和甲烷通量（浓度）的可靠重建数据支撑。

图1. （a）当仅考虑海洋生态系统（甲烷通量设定为现代水平），近地表氧气O-MIF的模拟结果；（b）当同时考虑陆地和海洋生态系统（甲烷通量设定为现代水平的10倍），近地表氧气O-MIF的模拟结果。图中红线为根据中元古代O-MIF地质记录获得的近地表氧气O-MIF阈值。黑色虚线代表不同情境下，根据前人数值模拟和地质观测所选取的二氧化碳的阈值。

      该文利用一维光化学模式，基于O-MIF地质记录探索了中元古代的大气氧含量和总初级生产力，有助于进一步理解早期地球中氧同位素非质量分馏记录、氧气浓度、二氧化碳浓度、甲烷地表通量、海气气体交换速率之间的耦合关系。

      该成果受到国家自然科学基金创新群体项目和国家自然科学基金重大计划重点项目等资助。

Liu, P., Liu, J., Ji, A., Reinhard, C. T., Planavsky, N. J., Babikov, D., Najjar, R. G., Kasting, J. F., Triple oxygen isotope constraints on atmospheric O₂ and biological productivity during the mid-Proterozoic. 2021, 118(51), e2105074118.

文章链接：https://www.pnas.org/content/118/51/e2105074118