近日，成都理工大学李超教授团队与国内外学者合作在国际顶级期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上发表了题为“古生代大灭绝和气候变化期间反复出现的海洋磷脉冲”（Recurring marine phosphorus spikes during major Palaeozoic mass extinctions and climate change）的研究成果。

　　该研究创新性地应用李超教授团队自主研发的“碳酸盐结合态磷酸盐”（Carbonate-Associated Phosphate, CAP）地球化学指标，首次系统重建了显生宙两次重大生物集群灭绝事件——晚奥陶世大灭绝（Late Ordovician Mass Extinction, LOME, ~445 Ma）与晚泥盆世大灭绝（Late Devonian Mass Extinction,LDME,~372 Ma）——期间全球海洋磷浓度的变化历史。研究发现，在这两次大灭绝的关键时期，全球不同海域的CAP记录均呈现出短暂、同步的显著升高，证实了“磷脉冲”是导致古生代早期生物大规模灭绝和气候变冷的关键驱动因素，同时也首次精细揭示了磷作为控制地质历史时期海洋生产力的首要营养元素与早期地球环境和生态系统之间的复杂关系。

　　实证验证：破解磷驱动假说的关键科学难题

　　长期以来，科学界认为磷等营养元素输入增加是驱动海洋生产力激增、引发海洋缺氧并最终导致生物灭绝和气候变冷的关键扰动因素。然而，这一假说的核心环节——地质历史时期海水磷浓度是否确实发生了可观测的全球性剧烈波动——因缺乏可靠的地球化学指标而难以验证。

　　本研究采用的CAP技术能够有效分离并定量碳酸盐矿物形成时从海水中捕获的磷酸盐，为重建古海水磷水平提供了新方法。研究团队对来自加拿大、爱沙尼亚、中国、美国、澳大利亚等全球各地七个剖面的样品进行了系统CAP分析。结果表明，CAP的峰值在时间上与生物地层学定义的灭绝层位高度吻合，并且与独立的地球化学记录（如指示生产力变化的碳同位素正偏、指示海洋缺氧扩大的铀同位素负偏等）同步变化（图1）。

　　图1 奥陶纪末与泥盆纪大灭绝事件期间研究剖面的生物地球化学数据。a.奥陶纪末全球古地理重建及研究点位分布，b.加拿大魁北克省安蒂科斯蒂岛Pointe Laframboise剖面，c.加拿大魁北克省安蒂科斯蒂岛Ellis 湾西侧剖面，d.华南Wukemuchang剖面，e.爱沙尼亚Viki 钻孔岩芯，f.泥盆纪末全球古地理重建及研究点位分布，g.西澳大利亚Horse Spring钻孔岩芯，h.华南Yangdi剖面，i.内华达州 Devils Gate剖面。LOME 1和LOME 2分别对应奥陶纪末生物大灭绝事件的两幕；LKW和UKW分别对应泥盆纪末生物大灭绝事件的两幕。地球化学数据涵盖本研究测定的碳酸盐结合态磷酸根（CAP）、碳氧同位素，以及文献报道的氧、铀同位素等指标；其中原位CAP 数据以箱线图呈现，全岩CAP 数据以蓝色点呈现，误差棒代表10%测量不确定度，黑色LOESS 平滑曲线及灰色阴影分别反映数据趋势与95%置信区间，直观印证了两次灭绝事件期间全球同步的磷脉冲与生物危机、海洋缺氧、气候变冷等的时间耦合关系。

　　模型模拟：揭示磷脉冲的环境放大效应

　　为定量评估磷浓度变化对地球系统的影响，研究团队结合生物地球化学模型（SCION模型）进行了模拟分析（图2）。当在模型中输入与CAP数据匹配的磷通量增强信号时，模型成功重现了一系列观测到的环境变化：海洋初级生产力迅速升高（与观测到的碳同位素正偏记录一致），水体耗氧加剧导致缺氧范围扩大（与铀同位素负偏地质记录相符），伴随有机碳埋藏增加，大气CO₂浓度下降，驱动全球地表温度降低（与氧同位素估算的降温幅度相符）。

　　图2 生物地球化学模型与代用数据对比结果。子图a-f 与g-l 分别对应奥陶纪末与泥盆纪末生物大灭绝事件。a与 g：磷脉冲模型输入量；b与 h：海洋磷浓度及碳酸盐结合态磷酸根（CAP）数据（作为海水磷浓度的代用指标）；c与 i：海水溶解无机碳（DIC）的碳同位素组成及碳酸盐碳同位素数据（作为海水 DIC 组成的代用指标）；d与 j：海洋缺氧程度及碳酸盐中铀同位素组成（作为海水缺氧程度的代用指标）；e与 k：大气氧浓度；f与 l：模型模拟的全球温度及基于碳酸盐/ 磷酸盐氧同位素组成的观测温度。黑线代表指标数据的趋势线。LOME 1和LOME 2分别对应奥陶纪末生物大灭绝事件的两幕；LKW和UKW分别对应泥盆纪末生物大灭绝事件的两幕。本图展示了 SCION 模型对奥陶纪末与泥盆纪末灭绝事件的模拟结果，叠加了实际地质观测数据，直观呈现磷输入、海洋磷浓度、碳同位素、海洋缺氧程度、大气氧含量及全球温度的变化趋势，清晰印证了磷脉冲驱动海洋缺氧、气候变冷并引发生物灭绝的核心机制。

　　机制剖析：深化磷循环作用机制的认识

　　研究提供的定量CAP记录进一步深化了对磷在古生代大灭绝事件不同灭绝阶段作用机制的理解：

　　在晚奥陶世，第一次灭绝脉冲发生时海洋磷水平相对较低，表明冰川作用与海平面变化是该阶段的主要环境压力。而第二次灭绝脉冲则与显著的CAP脉冲及广泛缺氧同步，明确了磷驱动的富营养化-缺氧机制在此阶段的关键作用。

　　在晚泥盆世，两次主要灭绝脉冲均出现在总体磷水平上升的背景下，但随后的磷含量激增并未引发额外的灭绝效应，表明磷供应的增加及其维持的缺氧环境，在泥盆纪生物大灭绝后更侧重于长期抑制生态系统的恢复，例如导致“法门期珊瑚礁空白期”现象的出现。

　　“这项研究首次为磷驱动大灭绝的经典假说提供了直接、定量的地球化学证据，完善了关键证据链”论文共同第一和共同通讯作者、成都理工大学李超教授表示：“CAP数据使我们能够定量重建大灭绝期间海洋磷浓度的真实变化，并将其与生物响应和环境变化精确关联，极大地深化了我们对于环境与生命协同演化机制的理解。”

　　“我们的研究表明，相对短期的磷输入扰动，通过地球系统的生物地球化学反馈，可以被放大为全球性的环境剧变，”论文共同第一和共同通讯作者、西澳大学Matthew Dodd博士补充道，“这加深了我们对地球系统在极端环境压力下运行机制的理解。”

　　总体而言，该项研究通过创新的地球化学手段与模型模拟相结合，为古生代两次大灭绝事件中的“磷驱动假说”提供了系统的实证支持，不仅深化了人类对远古生物危机成因的认识，也为深入理解全球元素生物地球化学循环与环境和生命系统之间的复杂耦合机制提供了窗口。

　　论文信息：

Dodd, M.S., Li, C., Zhang, Z., et al. Recurring marine phosphorus spikes during major palaeozoic mass extinctions and climate change. Nature Communications (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70701-y

　　该成果由成都理工大学李超教授与西澳大学Matthew Dodd博士共同担任第一作者和通讯作者，来自中国、澳大利亚、加拿大、美国、爱沙尼亚、英国等国的15位学者参与研究。

作者：杨春霞 张凤琼