原创：崔莹 8月5日
大家对最近几年的台风和飓风可能仍然记忆犹新，如2016年的海马、2017年的天鸽、2018年的山竹以及2019年的利奇马，这些大风暴造成了极大的人员伤亡和财产损失，引起了人们对气候变化的关注。为什么会出现这些极具破坏性的气候呢？
CO2虽然无色无味，在大气里含量仅排名第四（前三名是N2、O2、和Ar），却是“臭名昭著”的温室气体。CO2之所以成为温室效应气体是因其三个不对称的原子结构（O-C-O；图1），这一结构导致CO2吸收大量15微米波长的红外光(infrared)低频能谱(low frequency energy；图2)。为什么吸收15微米波的长波红外光使CO2成为温室气体呢？因为地球表层的热能来自于太阳辐射(solar radiation)，即电磁波能以光速从太阳传播到地球表面。而地表作为近似黑体(blackbody)，可将吸收的能量重新释放回宇宙空间，在这一过程中，CO2将地表释放的长波辐射热量（15微米红外光波长）吸收，使热量保存在地表，从而产生温室效应。实际上从自然角度来讲，CO2是人类的朋友，如果大气中CO2不存在，地表平均温度将会是零下17摄氏度，人类根本无法居住。适当的CO2令地球成为了宜居的星球，有利于人类和其它生物的演化，但近两百年来通过化石燃料的燃烧等导致的CO2排放，使大气CO2浓度以前所未有的速度持续增加，这是非常令人担忧的，因为即使二叠-三叠纪的生物灭绝事件和古新世-始新世极热事件时期的碳排放速度跟目前人类的碳排放速度比起来也是不值一提的(Cui et al., 2011, 2013)。
图1. 二氧化碳分子的弯曲模式（图片引自Kump et al.,2004, The Earth System, 3rd Edition）
今天（2020年8月5日）的大气CO2浓度是416ppm。那么大气CO2浓度在地球历史上是怎样变化的呢？它与全球地表温度之间的关系是怎样的呢？这些都是与人类未来发展息息相关的重要问题，因为全球变暖幅度超过2摄氏度所带来的后果将是灾难性的(IPCC, 2013)，如冰川消融、海平面上升、极端降水与干旱、热带风暴、生物灭绝等，而导致这些恶果的罪魁祸首都是“我本善良“的CO2。为了更好地预测CO2对未来气候变化造成的影响，地质学家和古气候学家对百万年前大气CO2浓度变化进行了重建。
过去4.2亿年的CO2记录主要来自以下几种代用指标：古地壤中的碳酸钙结核、保存良好的植物气孔密度、硼同位素、海洋微体生物化石中的碳同位素以及气候变化模型。近年来，通过在实验室固定CO2浓度条件下，培养C3植物（占自然界植物90%以上）及对其碳同位素的观测，Schubert and Jahren (2012)发现了植物碳同位素分馏与环境中CO2浓度呈正相关性，这一关系可用数学公式表达出来（图3）。碳同位素分馏与CO2浓度的正相关性是受光呼吸作用的影响(photorespiration)，且在C3植物中广泛存在(Cui et al., 2016; Schubert and Jahren, 2018)。因此如果知道地质历史时期C3植物的碳同位素分馏，就可依据上述公式计算出当时大气CO2的浓度及其不确定性。这些信息对更好地预测未来具有至关重要的作用。与其它代用指标相比，基于C3植物CO2浓度代用指标有几个显著优势：1)陆地有机碳在地质记录中广泛存在；2)可以进行高分辨率CO2重建；3)有较好的准确性；4)有理解较深的理论基础支持。它的潜力在于可以对过去四亿年的C3植物存在历史进行高分辨率CO2重建。
图2. 太阳辐射垂直通过大气层被吸收的百分含量与气体波长的关系。100%吸收表示没有任何辐射通过大气层。>13微米波长的接近100%辐射吸收是来自CO2和H2O（图片引自Kump et al., 2004,The Earth System, 第三版）
图3. 植物生长实验测量出的大气CO2分压（pCO2）对C3植物组织的碳同位素分馏所产生的影响。数据按不同植物组织类型和植物种展示。（A）萝卜（R. sativus）；（B）拟南芥（A. thaliana）。实验中所有植物种的碳同位素分馏（Δδ13C）曲线可以用双曲函数表达出来，即在低pCO2范围（< 1000 ppm），pCO2升高会导致Δδ13C快速增加。而在高pCO2范围（> 1000 ppm），pCO2升高会导致Δδ13C缓慢增加（引自Schubert and Jahren, 2012）。
现代大气CO2浓度比过去80万年冰芯直接记录的CO2浓度值都要高，但是将冰芯记录与更久远的CO2浓度进行对比却很困难，这是因为能应用于较长地质时期的CO2代用指标很少。由上可知，C3植物的碳同位素分馏强度直接受大气CO2的影响，其机制受光合作用中的生物化学光呼吸作用控制：CO2浓度越高，光呼吸作用强度越弱。利用这一原理，如果已知地质历史中任一时期的碳同位素分馏相对现代碳同位素分馏的变化，就可以利用碳同位素分馏–CO2变化的关系来计算当时大气CO2浓度。这一方法可以利用于整个四亿年的陆地C3植物光合作用历史。
晚新生代2300万年对应的时代是新近纪（包括中新世和上新世）和第四纪（更新世和全新世），期间凉爽的气候和南极冰川的形成与早新生代的温室无冰气候形成了鲜明的对比。利用基于C3植物碳同位素分馏的CO2浓度代用指标（图4），我们重建了晚新生代2300万年以来的CO2浓度（Cui et al., 2020）。研究发现晚新世代大气CO2浓度在230到350ppm之间波动（图5; 68%置信区间在170与540ppm之间），在早中新世和中中新世时期达到过去2300万年的最高浓度，在中更新世时期的浓度（~400 pm）也可能低于2019年平均CO2浓度412ppm。
图4. 晚新生代大气CO2重建（23-0百万年前）（Cui et al., 2020）。（A）统计的植物全有机质及脂类；（B）碳同位素相对现代的变化；（C）利用正文中公式三所计算的CO2记录。
为证明研究结果的可信性，我们将重建的CO2浓度与其它几个常用的CO2代用指标以及冰芯记录进行了对比（图5, 6）。从图5中可以看出利用C3植物重建整个第四纪CO2浓度与冰芯记录十分吻合，因此使用这一代用指标可以较准确地重建古大气CO2浓度（图5）。从图6中可以看出，基于烯酮和植物气孔的CO2重建比其它指标的重建浓度要高一些，但由于不确定性较大，几个代用指标有相互重合之处。基于古土壤的CO2记录与C3植物的记录并没有显示任何有规律的差别。除C3植物指标和植物气孔指标之外，其它几个指标因为分辨率较低，无法判断过去2300万年CO2变化的趋势。
图5. 利用C3植物重建整个第四纪CO2浓度与冰芯记录十分吻合，表示这一代用指标可以较准确地重建古大气CO2浓度（Cui et al., 2020）。
政府间气候变化专门委员会（IPCC, 2013）曾引用中中新世和上新世作为人类气候变化的参照物，但是这两个时间段所对应CO2浓度增加及增大幅度却很难确定。比如气孔和古土壤重建的CO2浓度存在显著矛盾，气孔指标显示CO2浓度高于工业革命前，而古土壤却显示非常低的CO2浓度值。硼同位素作为被研究较多和公认相对可靠的指标，重建的中中新世的大气CO2浓度值在200到600ppm之间。晚中新世因为缺少高分辨率的CO2数据，建立CO2变化与全球变冷的关系也存在很大不确定性。而我们新计算的C3植物代用指标具有高分辨率的优势，可以清楚地看到从中中新世和上新世，存在一个长时间尺度CO2浓度的降低。同时，我们的新记录还揭示了变暖时与IPCC预测的早上新世的CO2浓度增加吻合，这一变化在其它指标上却没有看到。
综上所述，大气CO2浓度对全球气候变化起到重要作用，不论时间尺度的长短。多项研究表明现代大气CO2浓度的快速增加是地质历史上前所未有的。过去2300万年的大气CO2浓度很有可能比现代浓度还要低，但哪怕在更新世的冰川扩张时期，CO2浓度都没有高于170ppm。植物的重组和原始人类生态系统的出现可能不是由大尺度CO2波动所推动的，也许是小范围的波动就促使了这些重要的生态变化。
图6. 过去2300万年来自不同代用指标与C3代用指标重建的大气CO2浓度对比图，包括钙质微体生物产生的烯酮碳同位素、硼同位素、古土壤碳同位素以及植物叶片气孔密度这四个代用指标。绿线及阴影代表各代用指标的loess fit及68%置信区间（Cui et al., 2020）。
本次研究的重要意义在于，现代的412ppmCO2浓度超过中新世以来地球所经历的最高值，进一步强调了现代对地球大气长期稳定CO2浓度的扰动，因为现代碳释放的速率比过去2300万年前受自然因素控制的碳释放速率都要快得多。
此外，本次研究有几个创新点：1) 该研究是目前对2300万年前最高分辨率的CO2浓度的重建；2) 该研究利用保存完好的富含C3植物碎屑的沉积物，有较好的年龄控制；3) 该研究利用新开发的CO2代用指标并对重建的CO2浓度进行了蒙特卡罗误差分析。
本文作者系美国Montclair State University助理教授。本文属作者认识，相关问题交流可通过邮箱cuiy@montclair.edu与本人联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。
参考文献
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Cui, Y., Kump, L.R., Ridgwell, A., 2013. Initial assessment on the carbon emission rate and climatic consequences during the end-Permian mass extinction. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 387, 176-184.
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Kump, L.R., Kasting, J.F., Crane, R.G., 2004. The Earth System. Pearson Prentice Hall Upper Saddle River, NJ.
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Schubert, B.A., Jahren, A.H., 2012. The effect of atmospheric CO2 concentration on carbon isotope fractionation in C3 land plants. Geochimica et Cosmochimica Acta 96, 29-43.
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