瓜达卢皮安-洛平期边界地区的氮循环动态与古生产力

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Dynamics of the nitrogen cycle and paleoproductivity across the Guadalupian-Lopingian Boundary

　　陈秋萍|曹汉生|陈发金|胡胜|李世琪|黄超|王在云|黄汉丽|陈春青|曾玉达
中国广东省湛江市广东海洋大学海洋与气象学院海岸海洋变化与灾害预测实验室，邮编524088

**摘要**
瓜达卢皮安-洛平期边界标志着二叠纪生物和环境的关键转折点。然而，这一时期古初级生产力的演化模式和控制机制仍不够明确，尤其是氮循环扰动与初级生产力之间的共同演化动态。为了研究这一问题，我们对位于中国华南地块广西凤山的补充辅助标准剖面中的碳和氮同位素以及生物硅（BSi）含量进行了高分辨率分析。研究结果表明，在晚瓜达卢皮安期，δ13Ccarb与δ13Corg之间存在显著脱钩，同时Δ13C值下降了约26.0‰。鉴于这一时期普遍存在的缺氧环境，这种模式可能反映了低分馏碳固定途径（如无氧光自养作用）的相对贡献增加。与此同时，δ15N值显著上升，最高达到+7.3‰，表明由于缺氧水体的扩张导致反硝化作用增强，从而减少了硝酸盐库并抑制了初级生产力。在早洛平期，Δ13C回升至约28.5‰，C/N比也有所增加。这些变化可能反映了初级生产者群落的重组，从以微生物过程为主转变为以藻类和其他浮游生物为主。δ15N值降至约+2.5‰，同时BSi、总有机碳（TOC）和总氮（TN）含量显著增加。这些观察结果共同表明，在日益氧化的条件下，反硝化作用减弱而硝酸盐吸收增强，这可能促进了生产力的初步恢复。本研究系统地阐明了氮循环在调节晚瓜达卢皮安期大灭绝期间古初级生产力中的关键作用，为理解重大地质危机期间的生物-环境共同演化机制提供了新的实证证据。

**引言**
瓜达卢皮安-洛平期边界（GLB）是地球演化史上的一个关键时期，与全球古气候重组、古海洋氧化还原状态和化学条件的重大变化以及古地理格局的显著变化密切相关（Arefifard和Payne，2020；Chen和Xu，2019；Shen等，2020）。这一时期发生了多次时间上集中的地质扰动，其中最著名的是晚瓜达卢皮期大灭绝（EGME），这是一场对海洋和陆地生态系统产生深远影响的全球性生物危机（Groves和Wang，2013；Rampino和Shen，2019）。EGME最初是通过华南地区广泛分布的底栖有孔虫化石记录被发现的（Jin等，1994）。其年代约为2.60–2.59亿年前（Wignall等，2009a），发生在二叠纪末大灭绝之前约760万年（Bond等，2010a；Jin等，1994；Stanley和Yang，1994）。EGME被认为是显生宙最严重的生物多样性危机之一，一些研究将其视为第六次大灭绝（Rampino和Shen，2019）。这次灭绝导致了许多生物类的急剧衰退，包括 Fusulinid 有孔虫（Jin等，1994；Stanley和Yang，1994）、珊瑚、苔藓虫、钙质藻类、腕足动物和巨型双壳类动物（Jin等，1995；Wang和Sugiyama，2000；Weidlich，2002；Lai等，2008；Wignall等，2009a；Isozaki和Aljinovic，2009），以及陆地四足动物的减少（Bond等，2010a；Wilf和Johnson，2004；Day等，2015）（图1）。

EGME被归因于多种因素的综合作用，包括峨眉山大火山省的喷发（ELIP）、大规模海洋退缩（Isozaki等，2007）、广泛海洋缺氧环境的形成（Bond等，2015）以及缺氧水的上升（Saitoh等，2014；Zhang等，2022）。这些地质过程深刻改变了海洋的氧化还原状态、营养物质的可利用性和生物地球化学结构（Chen等，2011；Zhang等，2021；Sun等，2022），为理解快速环境扰动如何影响全球生物多样性和初级生产力提供了重要背景。作为能量流动和生物地球化学循环的关键组成部分，初级生产力受到环境因素的复杂调控，包括营养物质供应、氧化还原状态和气候强迫。

多种地球化学指标已被用于重建古生产力，包括总有机碳（TOC）、钡埋藏通量、主要和微量元素浓度（Onoue等，2021；Liao等，2019）以及碳同位素（Kump，1986；Vance等，2019）。然而，这些指标往往存在非唯一解释，并受特定沉积环境的影响。例如，P/Al比值对沉积过程中的氧化还原状态变化非常敏感（Delaney，1998；Tribovillard等，2006）。尽管TOC可以反映有机物的埋藏通量，但它并不能直接记录表层海洋中的营养物质循环动态。在还原性水柱中，重晶石（BaSO4）的溶解可能导致钡的大量流失，从而影响其作为古生产力指标的可靠性（Dymond等，1992）。此外，沉积有机碳的同位素组成（δ13Corg）可能受到多种因素的影响，包括水团分层变化、甲烷渗漏和火山输入。因此，需要采用综合多指标方法来更准确地重建这一关键时期的环境和生物演化过程。

氮（N）作为生物体的关键限制性营养物质，具有从-3到+5的多种价态。其地球化学行为对水生系统的氧化还原状态非常敏感，并在不同价态之间的氧化还原转化过程中表现出明显的同位素分馏（Canfield等，2010；Stüeken等，2016）。氮是海洋生态系统中的主要限制性营养物质，在维持初级生产力方面起着基础性作用（Moore等，2013）。海洋氮循环主要由生物介导的氮物种转化过程驱动，包括氮固定、硝化、反硝化、厌氧铵氧化（anammox）以及有机氮的矿化和吸收（Gruber，2008）。这些过程共同调节了无机氮的生物可利用性，从而影响浮游植物的生长和海洋碳循环的效率（Stüeken等，2016）。在海洋混合层中，生物可利用氮的主要来源包括通过固氮蓝细菌生物固定氮产生的铵（NH4+）以及通过硝化作用生成的硝酸盐（NO3?）。相反，反硝化和anammox是通过将生物可利用氮转化为氮气来去除固定氮的主要途径。大陆边缘沉积物的氮同位素组成（δ15N）主要反映了表层初级生产者的同位素特征，从而提供了局部到区域尺度上氮生物地球化学循环的见解（Fawcett等，2011）。大量研究表明，沉积岩的氮同位素组成是重建古海洋氮循环的可靠指标（Canfield，2001），并与古氧化还原状态密切相关（Robinson等，2012）。因此，δ15N是重建古初级生产力的重要指标。尽管已有大量研究关注二叠纪-三叠纪大灭绝期间的氮同位素（Luo等，2011；Saitoh等，2014；Wu等，2022；Du等，2023；Schoepfer等，2025），但对GLB期间氮循环动态的系统理解仍然有限。加强对这一时期碳和氮循环共同演化的研究将加深我们对古海洋环境反馈和微生物生态系统对大规模环境扰动响应的理解。

华南地块保存了一个相对连续的海洋碳酸盐岩序列，记录了GLB期间碳和氮同位素的明确变化，为重建这一过渡时期的古环境变化提供了宝贵的档案。本研究重点关注广西的凤山剖面，该剖面暴露了一个连续的、层理分明的碳酸盐岩平台序列，非常适合进行高分辨率的地层对比。通过系统分析地球化学指标（包括碳和氮同位素及生物硅（BSi）并结合已发布的全球环境和生物扰动数据集，本研究重建了EGME前后浅水碳酸盐岩平台的古生产力演变。此外，它阐明了氮循环在灭绝后海洋生态系统恢复中的作用及其与同期环境变化的耦合关系。这些发现为理解重大灭绝事件后生命与环境的共同演化提供了新的实证证据，并为评估全球环境变化背景下的现代生物多样性危机提供了有价值的地质类比。

**地质背景**
在瓜达卢皮安时期，华南克拉通位于古特提斯洋的东缘，形成了一个广阔的热带浅海碳酸盐岩平台（Wang和Jin，2000；Rees等，2002）（图2A）。在这一时期，华南大部分地区积累了富含多样化石组合的海洋碳酸盐岩序列。到了晚瓜达卢皮安期，形成了几个深水盆地，周围环绕着浅海平台（Qiu等，2023）。

**方法**
从凤山剖面的瓜达卢皮安-洛平期边界采集了60个岩石样本进行了系统的地球化学分析。所有测量均在广东海洋大学海岸带变化与灾害预测实验室进行。分析参数包括δ13Ccarb、δ18Ocarb、δ13Corg和δ15N，以及TOC、TN和BSi含量。

**结果**
在凤山剖面中，δ13Ccarb的范围为0.3‰至2.7‰，平均值为1.8‰，而δ13Corg则在-27.2‰至-24.3‰之间变化。在瓜达卢皮安序列的中下部（61米以下），δ13Ccarb值相对稳定。在瓜达卢皮安期顶部（61–62米），δ13Ccarb值出现明显下降，从1.8‰降至0.3‰。在瓜达卢皮安-洛平期边界，δ13Ccarb呈现正向偏移，达到最大值...

**成岩作用改变的评估**
成岩作用可以改变沉积岩的原始元素和同位素组成。为了评估凤山剖面数据的可靠性，我们使用了标准的地球化学筛选指标，包括C/N比、TOC和TN含量，以评估δ13Ccarb、δ13Corg和δ15N特征的潜在改变。δ18Ocarb被广泛认为是地质研究中评估成岩作用变化的关键指标。碳酸盐矿物的δ18Ocarb组成主要反映了...

**结论**
来自华南地块凤山剖面（靠近瓜达卢皮安-洛平期边界）的多种指标（包括δ13Ccarb、δ13Corg、Δ13C、δ15N和BSi）共同揭示了这一时期碳-氮循环扰动与海洋初级生产力变化之间的内在联系。在晚瓜达卢皮安期，δ13Ccarb与δ13Corg之间出现了显著脱钩。结合低Δ13C值和缺氧甚至缺氧环境，这表明...

**作者贡献声明**
陈秋萍：撰写——审稿与编辑、方法论、研究；
曹汉生：撰写——初稿、正式分析、数据管理；
陈发金：监督、方法论、概念化；
胡胜：监督、研究、概念化；
李世琪：撰写——审稿与编辑；
黄超：监督；
王在云：监督、方法论、概念化；
黄汉丽：撰写——审稿与编辑；
陈春青：方法论；
曾玉达：撰写——审稿与编辑。

**未引用参考文献**
Algeo等，2008
Altabet，2006
Canfield，2001a
Codispoti和Christensen，1985
Erwin，2015
Hartke等，2021
Heath等，2021
Huang等，2022
Kametaka等，2005
Kast等，2019
Kump和Garrels，1986
Meyer，2014
Mi?urcová，2011
Rampino和Shen，2021
Wang等，2018
Wei等，2019
Wignall等，2009b

**利益冲突声明**
作者声明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**
我们感谢中国广东省自然科学基金（2025A1515012009）和湛江市科技专项项目（2024B01069）的支持。