Nature：南极冰芯揭示过去300万年来的温室气体水平

近百年来，人类活动引起的碳排放导致全球平均温度不断升高，全球变暖已成为全人类面临的重要挑战。然而，从地质历史尺度上来看，我们正处于新生代以来地表温度最低的时期。因此，温室气体对不同尺度气候演化的驱动机制，一直是古气候研究的前沿科学问题，也是理解当前气候变化的关键。在此背景下，地质历史上两个关键的气候转型期，成为研究这一问题的理想窗口：上新世（Pliocene）-更新世（Pleistocene）转型期（PPT，约 2.6 Ma）：北半球大陆冰盖扩张的时期；中更新世转型期（MPT；1.2–0.8 Ma）：气候从振幅较小的 4 万年冰期循环向振幅较大的 10 万年循环转变。这两个时期，温室气体浓度究竟是多少？它们是如何影响地球从温暖的上新世向冰河时代过渡的？要回答这些问题，需要借助于具有高分辨率、定年准确、且准确保存温室气体含量的记录。

冰芯作为古气候记录的三大载体（深海沉积、黄土、冰芯）之一，在全球变化研究中占有重要地位。南极冰盖因气温低、受污染程度小、冰层厚度厚等特点，储存着保真度高、时间序列长的气候环境信息。欧洲科学家曾在南极 Dome C 钻取了覆盖 80万年以来的冰芯，并建立了目前最长的连续的大气成分记录，展现了晚更新世以来完整的冰期-间冰期循环。此后，科学家们致力于在南极建立更长的、能覆盖过去几百万年的冰芯记录。理论上，最老的冰应该在冰盖的最深处，但现实中，由于地球内部地热的加热，南极冰盖最底部的老冰往往会因为底部融化而消失。而在蓝冰区（积雪经长期重压，空气排出而变得极度致密的冰层区。致密结构能吸收光谱中的红橙长波光，仅让蓝色短波光穿透并散射，使其呈现深蓝色），冰流、冰下地形和强劲的下降风，会将冰川深处的冰推向冰盖表面，反而能保存更古老的冰。

最近，美国俄勒冈州立大学Julia Marks-Peterson教授及其同事在Nature上发表了他们的最新研究成果。他们从位于横贯南极山脉西侧维多利亚地的阿兰丘陵（Allan Hills）蓝冰区钻取浅层冰芯（ALHIC1901冰芯，100-200 米），利用40Aratm同位素定年法，获得了3.1-0.5 Ma时期不连续的温室气体“快照”记录，重建了过去300万年来大气温室气体浓度的变化历史（图1-图2）。结果发现，CH₄ 浓度在整个PPT期间保持稳定（约500 ppb），而CO₂ 浓度从2.9 Ma到1.2 Ma期间仅下降约20 ppm，此后在MPT期间保持稳定（±10 ppm）。来自同一支冰芯的温度记录显示，自上新世以来，东南极洲降温约 3.5℃，同期全球平均海洋温度下降约 2.5℃。这说明，PPT和MPT期间的长期降温过程中，CO₂和 CH₄对直接辐射强迫变化的贡献很小，而海洋环流、冰盖覆盖或植被产生的反照率、古地理学等因素可能发挥了关键作用。

图1 ALHIC1901 冰芯的温室气体数据。a. 阿兰丘陵（Allan Hills）及冰芯钻探点的位置；b. ALHIC1901 样本的深度与年龄对照图。c. ALHIC1901 部分样品（n = 31）测量所得 CO2浓度与 δ13C值；d. 研究中年龄在 40 万至 80 万年之间样品的CO2和CH4浓度与南极Dome C冰芯（EDC）的CO2和CH4浓度值的对比

图2 ALHIC1901 冰芯的三百万年古气候记录。a-c.冰芯中的CO2（a）和CH4（b）浓度、EDC冰芯包裹气体中的δ18Oatm（大气氧同位素）记录（c），其中，红色和蓝色数值均来自该研究中的ALHIC1901，灰色的连续数值来自Dome C冰芯；d. 底栖有孔虫δ18O记录以及来自阿兰丘陵（Allan Hills）冰芯的δ18Oice（冰同位素）数值

全球长期的自然CO₂排放源约为 0.12–0.22 Gt C yr−1，而该研究显示更新世期间大气 CO₂仅下降了约 20 ppm（< 840 Gt C ），这表明 CO₂ 的源与汇在此期间的平衡精度达到了1‰ 以内。也就是说，在数百万年的时间尺度上，全球碳循环在地球内部排放的 CO₂与作为有机物和碳酸盐矿物长期埋存的碳之间达成了平衡。造成这种平衡的原因可能在于：“CO₂ 调温器”对 CO₂排放源减少以及大陆风化增加的响应；“CO₂ 调温器”的作用微弱，而且CO₂ 的源与汇在过去300万年是稳定的。

该研究通过分析南极Allan Hills蓝冰区浅层冰芯，在方法学上实现了重要突破，首次将大气温室气体的直接测量扩展至晚上新世，发现同期全球温度下降超过2.5°C，但温室气体浓度变化较小，从而挑战了CO₂驱动长期气候变化的传统观点。同时，研究揭示全球碳循环在过去300万年内保持了极高的源-汇平衡（<1%）。这些为理解地球气候系统演化历史及调控机制提供了关键证据，也为评估人类活动干预下的未来气候变化提出了预警。然而，该研究的定量结果仍需谨慎解读。Allan Hills冰芯存在地层不连续性和气候保存偏差等问题，最深处样品可能代表多个冰期旋回的加权平均值而非特定时刻的大气组成，这种平滑效应会抹平极端值。更重要的是，该冰芯所记录的晚上新世平均CO₂水平（约250 ppm）与经过多个独立实验室和钻孔站位交叉验证的硼同位素重建（350–400 ppm）结果存在显著的系统性偏差，论文未充分解释这一分歧，相关结论仍有待未来更多数据的检验与约束。

主要参考文献

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Shackleton S, Hishamunda V, Yan Y, et al. Global ocean heat content over the past 3 million years[J]. Nature, 2026, 651(8106): 653-657.

（撰稿：安文玲，谭宁/环境演变与碳循环学科中心）