氮同位素证据揭示了埃迪卡拉纪-寒武纪过渡期间海洋硝酸盐库的动态变化

《Precambrian Research》：Nitrogen isotope evidence for marine nitrate reservoir dynamics during the Ediacaran–Cambrian transition

海洋氮循环与生物演化关系研究揭示埃迪卡拉-寒武纪转折期南华盆地δ15N同位素特征显示晚期埃迪卡拉世以硝化作用为主（δ15N+4.4‰～+5.2‰），早寒武世转为固氮主导（δ15N-2.9‰～+4.0‰），反映海洋硝酸盐库重构对生态系统的影响。

　　

刘晨|赵坤|叶凯云|李松卓|张博林|郎向国

中国成都理工大学油气水库地质与开发国家重点实验室及沉积地质研究所，成都610059

摘要

埃迪卡拉纪-寒武纪过渡期是早期生命与海洋环境共同演化的一个关键时期。先前的研究表明，氮的生物地球化学循环在这一生物演替过程中发挥了重要作用。特别是，海洋硝酸盐库的规模直接影响海洋中必需营养物质的可用性，从而调节初级生产力和生态系统演化。然而，尽管这一时期有大量的氮同位素数据，对其解释仍存在显著分歧。因此，我们对海洋硝酸盐库的规模及其对氮循环和生物可利用性的制约机制的理解仍然有限。本研究利用来自中国南部深水斜坡地区的钻芯（ZK609）和露头剖面（Longbizui）的高精度碳和氮同位素数据，结合南华盆地不同沉积环境中已发表的碳和氮同位素记录，重建了埃迪卡拉纪-寒武纪过渡期间海洋硝酸盐库的变化，并评估了其与氮循环和生物事件之间的关系。研究结果表明，晚埃迪卡拉纪时期的氮同位素值相对较高（δ¹⁵N范围为+4.4‰至+5.2‰），而早寒武纪时期的氮同位素值较低（δ¹⁵N范围为?2.9‰至+4.0‰），这表明晚埃迪卡拉纪时期表层水体中以反硝化作用为主；早寒武纪时期则氮固定作用更为显著。这种同位素变化表明硝酸盐库通过反硝化作用被消耗，导致生物固定的氮成为主要营养来源。δ¹⁵N数据的区域相关性证实了这一转变在中国南部广泛存在。我们提出，海洋氮循环从晚埃迪卡拉纪的反硝化作用主导系统演变为早寒武纪的氮固定作用主导系统。这一转变反映了硝酸盐库先是被反硝化作用消耗，随后通过增强氮固定作用和氧化还原条件的变化得到补充和空间扩展。这代表了海洋硝酸盐储量的重要重建，这种重组可能导致了埃迪卡拉纪生物群的衰退，同时也为寒武纪生命的辐射提供了关键的营养来源。

引言

埃迪卡拉纪-寒武纪过渡期是地球演化史上的一个关键时期，不仅标志着宏观生物群落的更替（包括埃迪卡拉型生物群的衰退和寒武纪动物门类的出现），还伴随着全球碳循环的剧烈波动（例如，寒武纪早期的负碳同位素异常）（Laflamme等人，2013年；Zhu等人，2007年）以及海洋氧化还原结构的重大变化（Fan等人，2018年；Jiang等人，2022年；Li等人，2020年；Wood等人，2015年）。尽管新元古代晚期发生了显著的大气和海洋氧化作用（Och和Shields-Zhou，2012年；Wang等人，2025年），即新元古代氧化事件（NOE），表现为从缺氧到富氧条件的逐渐转变，但越来越多的证据表明，埃迪卡拉纪-寒武纪过渡期的海洋仍存在局部氧化差异，不同水深和盆地之间的氧化还原状态存在显著差异（Canfield等人，2008年；Chen等人，2019年；Li等人，2020年）。在这种背景下，氮等必需营养元素的生物地球化学循环及其对初级生产力和生态系统结构的制约作用成为理解E-C过渡期间环境和生命共同演化的重要因素（Wei等人，2023年）。

氮是生命必需的营养元素，在海洋生物地球化学循环中起着关键作用，这些循环与环境的氧化还原条件密切相关。硝酸盐是氮的主要氧化可利用形式，是生物合成和微生物代谢的关键营养物质，决定了海洋氮储量的大小和生物可利用性（Robinson等人，2012年；Sigman等人，2009年）。因此，硝酸盐库的演化不仅是海洋氧化还原状态的重要指标，也可能直接影响宏观生物的演化轨迹。虽然已经使用对氧化还原敏感的元素（如U、V和Mo）和铁的形态（Algeo和Tribovillard，2009年；Chang等人，2019年；Li等人，2020年）对这一时期的古海洋氧化还原条件进行了广泛重建，但这些代理指标通常只能反映局部沉积环境或金属循环过程，不足以直接限制氮循环动态或硝酸盐的生物可利用性。

目前，埃迪卡拉纪-寒武纪过渡期间氮循环的演化仍是一个争论的话题。在中国南部的南华盆地，已有研究记录了这一时期氮同位素值（δ¹⁵N）的显著波动（Chen等人，2019年；Wang等人，2015年）。例如，晚埃迪卡拉纪的δ¹⁵N值与现代海洋相似（约为+4‰至+5‰），这被解释为反硝化作用主导的稳定氮循环的证据，表明浅水环境中的氧化条件较好，硝酸盐可能较为丰富（Chen等人，2019年）。相比之下，从晚埃迪卡拉纪到寒武纪第三阶段的δ¹⁵N值较为适中（平均为+2.2 ± 1.3‰），这被解释为能够支持海洋初级生产力的稳定硝酸盐库（Xiang等人，2018年）。然而，这些解释主要基于孤立剖面或相依赖的比较，缺乏连续深水沉积记录与区域地球化学数据的系统整合。因此，氮循环的盆地尺度动态及其与生物事件的潜在因果关系仍不甚明确。

为了更深入地了解这一关键过渡期间海洋氮循环的状态及其与生物演化的关系，本研究提供了来自中国南部连续深水沉积序列（钻芯ZK609和露头剖面Longbizui）的高精度碳（δ¹³C）和氮（δ¹⁵N）同位素数据。通过将这些新数据与南华盆地不同沉积环境中已发表的δ¹³C和δ¹⁵N记录相结合，我们重建了埃迪卡拉纪-寒武纪过渡期间海洋氮循环的时间变化。这项工作为理解这一关键时期海洋环境和生命的共同演化提供了重要的地球化学证据和新视角。

地质背景

扬子地块和卡西亚地块在约8.3亿年前沿江南缝合带合并，形成了中国南部地块（Charvet，2013年）。随后，大约在8.2亿年前，该地块进入了裂谷阶段。南华盆地的主要裂谷期发生在7.8亿至7.5亿年前，期间伴有频繁的火山活动（Jiang等人，2011年；Wang和Li，2003年），之后裂谷活动逐渐减弱。在埃迪卡拉纪-寒武纪期间，中国南部地块从裂谷阶段过渡到...

分析方法

共收集了162个样品，其中88个来自Longbizui剖面，74个来自钻芯ZK609。每个样品分为两部分：一部分用于制作薄片，另一部分用于地球化学分析。去除风化表面后，选择无成岩作用或热液脉的新鲜部分，并使用破碎机将其粉碎至200目。将粉碎后的样品干燥，然后每克干燥样品用10毫升3N HCl处理，并进行手动搅拌...

Longbizui剖面

Longbizui剖面的δ¹⁵N值范围为?2.4‰至+3.3‰，平均值为+1.3 ± 0.4‰（n = 59）。在Liuchapo组中，δ¹⁵N值范围为?1‰至+3.3‰，平均值为+1.7 ± 0.2‰（n = 51）。除一个明显偏低的值（?40.3‰）外，δ¹³C_org值范围为?36.2‰至?25.3‰，平均值为?33.3 ± 0.4‰（n = 88）。在28米至35米深度范围内，δ¹³C_org值表现出较大的变异性，涵盖了该剖面观察到的最小值和最大值。

原始同位素信号的保存

在地质历史中，成岩作用和变质作用可能会影响沉积岩中氮的原始同位素组成（Ader等人，2016年；Freudenthal等人，2001年；Haendel等人，1986年；Lehmann等人，2002年；Stüeken等人，2016年）。早期有机物的成岩再矿化可能会改变原始的δ¹⁵N（Freudenthal等人，2001年；Lehmann等人，2002年；Macko等人，1994年）。研究剖面中TOC与C/N比率之间的弱相关性表明...

结论

来自中国南部深水斜坡相钻芯（ZK609）和露头剖面（Longbizui）的高分辨率碳和氮同位素记录，结合区域数据，揭示了埃迪卡拉纪-寒武纪（E-C）过渡期间海洋氮循环的关键变化：晚埃迪卡拉纪时期的δ¹⁵N值较高（ZK609中为+4.4‰至+5.2‰，Longbizui中为+0.3‰至+3.3‰），与现代以反硝化作用为主的海洋环境相似（+3‰至+5‰）...

CRediT作者贡献声明

刘晨：撰写——初稿，研究。赵坤：撰写——审阅与编辑。叶凯云：可视化，研究。李松卓：可视化，研究。张博林：正式分析，数据管理。郎向国：研究，资金获取，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢编辑Nicola McLoughlin和两位匿名审稿人在同行评审过程中的宝贵贡献，这显著提高了手稿的质量。本研究得到了中华人民共和国科学技术部的国家重点研发计划（项目编号：2021YFA0718100）和四川省科技计划（项目编号：2024NSFTD0004）的支持。