全新世开始于大约11500年前，是地球最近的一次间冰期。该时期的一个重要特征是大气二氧化碳(CO₂)浓度的上升趋势。在全新世早期，CO₂浓度约为260 ppmv (百万分之一)。在全新世中晚期(约6000年至1000年前)，CO₂浓度上升了20 ppmv，相当于约1500亿吨的CO₂释放到大气中。对于工业革命之前的几千年中大气CO₂浓度上升的原因，学术界一直存在争议。有一种假说认为南大洋(图1)翻转流的增强，可能导致海洋碳释放到大气中。然而全新世深海环流，特别是南大洋环流的演变仍缺乏可靠的约束。

       为了解决这一难题，该研究开展了高纬深海珊瑚的高精度铀系核素与碳14分析。这些深海珊瑚样品位于南美洲和南极洲之间的德雷克海峡以及冰岛南部的雷基亚内斯海脊，水深可达1900米，记录了南极绕极深水和北大西洋深水的化学演变。由于深海珊瑚中的微量铀-238会逐渐衰变为铀-234，进而衰变为钍-230，通过测量这些核素之间的比例，可以精确地限定珊瑚的生长年代。根据珊瑚的生长年代可以校正珊瑚骨骼中碳14衰变的量，因而可以重建珊瑚生长时周围海水溶解无机碳的碳14浓度。这些信息有助于理解海洋通风速率的历史变化，即表层海(富碳14，来自海表海气交换)与深海(贫碳14)之间的混合速率。

图2 全新世大气CO₂含量上升与深海环流的解耦。a. 大气CO₂含量；b. 基于有孔虫B/Ca重建的大西洋深水碳酸根含量；c. 基于深海珊瑚重建的南大洋表层N同位素演变；d. 北大西洋沉积物Pa/Th比值，指示北大西洋深水翻转速率；e. 深海珊瑚记录的水体通风年龄，红色代表北大西洋深水；绿色和粉色代表不同站位的南大洋绕极深水和中层水。

       研究表明(图2)，碳14数据指示南极绕极深水和北大西洋深水的通风速率在误差范围内保持相对稳定。因此，在千年尺度上，极地海洋表层水与深水之间的混合并没有发生显著变化。这进一步说明表层海与深海作用的关键区域，即北大西洋和南大洋环流并没有驱动全新世大气CO₂浓度的上升。文章进一步提出全新世海洋和陆地中营养和碳的再分配可能对碳循环变化起主导作用。该研究为深入理解海洋与地球气候系统之间的复杂相互作用提供了新的约束。未来研究需进一步探索全新世生物地球化学循环与物理海洋环流解耦的机制。同时，全面理解海洋和陆地有机碳汇的自然和人为变化也是研究全新世及未来大气碳收支演变的重要环节。

       南京大学地球科学与工程学院陈天宇教授为论文的第一作者和通讯作者，合作单位包括布里斯托大学、中科院南京地质古生物研究所、圣安德鲁斯大学、中科院青藏高原研究所、剑桥大学。该研究工作得到了包括中国科学院战略先导科技专项基金、国家自然科学基金、中央高校基本业务费在内的国内外多项科学基金的大力支持。

       文章链接：Tianyu Chen*, Laura F. Robinson, Tao Li, Andrea Burke, Xu Zhang, Joseph A. Stewart, Nicky J. White, Timothy D.J. Knowles, 2023. Radiocarbon evidence for the stability of polar ocean overturning during the Holocene. Nature Geoscience, https://www.nature.com/articles/s41561-023-01214-2