近日，成都理工大学李超教授团队联合国内外多家科研单位，在国际权威期刊《自然・通讯》（Nature Communications）发表题为“Reversed marine phosphorus gradient in the Ediacaran Ocean”（《埃迪卡拉纪海洋反向磷梯度》）的研究成果。该研究依托华南扬子台地多个不同水深剖面地质记录，发现了埃迪卡拉纪海洋存在一套与现代海洋完全相反的磷空间分布格局，为认识全球埃迪卡拉纪海洋磷循环提供了新证据，也为理解早期动物起源与海洋氧化的耦合关系提供了全新认识。Matthew S.Dodd博士为论文第一作者，李超教授为论文第二作者兼唯一通讯作者。

　　埃迪卡拉纪：生命与环境协同演化的关键时代

　　埃迪卡拉纪（635–539Ma）处于地球隐生宙（即“前寒武纪”）即将结束、寒武纪生命大爆发到来之前的关键转折期。这一时期地球系统发生了一系列重大变革：早期动物开始出现并发生宏体生物辐射，全球海洋经历大规模氧化，同时海洋磷供给水平显著升高。磷是地质历史时期海洋初级生产力首要的限制性营养元素，其时空格局直接调控海洋生产力及海洋氧化还原状态，深刻影响着复杂生命起源与辐射进程。

　　长期以来，学术界围绕埃迪卡拉纪“磷―氧―生命”的内在耦合关系存在激烈争论：究竟是“磷增加驱动海洋氧化”还是“海洋氧化促进磷增加”。由于缺乏古海水磷浓度的直接定量重建方法，且缺少来自不同古水深剖面的空间序列数据，难以厘清磷、海洋氧化与复杂生物演化之间的耦合关系。

　　CAP指标解码古海洋“档案”：发现埃迪卡拉纪反向磷梯度

　　本研究选取华南埃迪卡拉纪扬子台地7条古地层剖面，研究剖面由浅至深依次为黄粮、凉红、司上、九龙湾、四都坪、秀山、凤滩。这些剖面完整覆盖了从内陆棚（近岸浅水陆棚）到远洋斜坡和深水盆地不同古水深环境，记录了著名的埃迪卡拉纪陡山沱组Shuram碳同位素负偏移事件（Shuram Excursion，国内也称DOUNCE事件）。该事件被认为是一次重要的古海洋氧化事件，与埃迪卡拉复杂宏体生物群辐射密切相关，是探究埃迪卡拉纪海洋元素循环的理想研究对象。

　　团队运用自主研发的碳酸盐结合态磷酸盐（carbonate-associated phosphate，简称CAP）指标，开展了高分辨率古海水磷含量重建工作。数据显示，埃迪卡拉纪海洋存在与现代海洋截然相反的磷梯度特征：浅水陆棚海域磷的浓度偏高，而深水大洋磷浓度偏低（图1a）。相比之下，现代海洋中，表层海洋生物产生的有机质颗粒不断向深海沉降，在分解过程中会将磷释放到深层水体，表现为深层海水磷浓度高于表层；而埃迪卡拉纪海洋呈现“浅水富磷、深水贫磷”的反向分布格局。这一反向磷梯度关系在Shuram海洋氧化事件期间变得不够显著（图1b），这符合团队2023年发表Nature论文指出的Shuram海洋氧化导致古海洋中等水深溶解有机碳库氧化和相应磷的释放现象。此外，研究还发现，埃迪卡拉纪海洋这一反向磷梯度与当时沉积的碳酸盐碳同位素组成（δ¹³Ccarb）呈现正相关关系，而这与现代海洋也完全相反（图1c）。

　　为确认样品CAP记录是否受后期地质成岩改造过程干扰，研究团队开展了系统的成岩作用评估，结合岩石学观察，以及锶、锰/锶比值、氧同位素、总有机碳、稀土元素等多项地球化学指标开展交叉验证，排除了区域性成岩改造、盆地水体局限等主要干扰因素。综合各类证据表明，研究获得的CAP空间梯度基本保存了原始海水的磷信号，能够反映全球海洋磷的空间分布特征。

　　图1 华南埃迪卡拉纪扬子台地不同古水深梯度下碳酸盐结合态磷酸盐（CAP）与碳酸盐碳同位素（δ¹³Ccarb）数据。a为Shuram事件之前的 CAP数据；b为Shuram事件期间的 CAP数据；c为Shuram事件之前CAP/（Ca+Mg）的交叉散点图。数据显示埃迪卡拉纪碳酸盐CAP与碳酸盐碳同位素呈正相关，和现代大洋Redfield机制控制的负相关特征完全不同。EC=埃迪卡拉纪方解石；ED=埃迪卡拉纪白云石；MC=现代方解石。

　　模型解析形成机制：氧化剂受限抑制深水有机磷再循环，造成反向磷梯度

　　通过多箱生物地球化学模型模拟分析，研究团队发现：埃迪卡拉纪深水海洋氧化剂（如氧气、硫酸盐等）供给不足，水体有机磷再循环受到抑制可能是造成深海磷亏损的主导机制（图2a-b），而前人提出的古海洋铁矿物对磷的清除过程虽可能存在，但单靠这一过程不足以解释观测到的磷梯度。

　　进一步，研究还揭示了埃迪卡拉纪海洋反向磷梯度与碳同位素特殊耦合关系的可能机制。研究指出在氧化剂匮乏的埃迪卡拉纪深海，有机质降解以产甲烷作用为主。同位素极度偏负的甲烷向海洋表层扩散并被氧化，令深海溶解无机碳库贫¹³C，造成δ¹³Ccarb整体负偏；与此同时，深海有机磷再循环受阻，磷酸盐含量偏低。由此形成“深海低磷—碳同位素偏负、浅海高磷—碳同位素偏正”的空间特征，在碳酸盐记录中表现为CAP与δ¹³Ccarb正相关，出现与现代大洋的负相关模式相反的现象。这一认识体现出深海产甲烷过程对埃迪卡拉纪海洋碳循环的重要调控作用，记录了前寒武纪独特的海洋生物地球化学模式。

　　图2 模型模拟结果：氧化剂受限磷循环与无氧化剂受限磷循环随陆架磷输入增加对地球海—气系统化学组成的影响。a海水溶解磷浓度变化（单位：微摩尔/升），分别代表近岸区（品红色）、远岸区（绿色）与深海区（蓝色）；箭头指示箱式模型模拟的深海磷浓度升高至超过近岸、远岸海洋的临界点。b近岸区（品红色）、远岸区（绿色）、深海区（蓝色）的沉积物磷埋藏通量变化（单位：摩尔磷/年）。c近岸区海底缺氧面积占比变化；d远岸区海底缺氧面积占比变化。e大气氧气水平变化（PAL=现代大气氧气水平）；虚线、实线分别代表启用、不启用氧化剂受限磷循环的模型运算结果。f相对于现代深海溶解氧水平的深海溶解氧含量变化；实线与虚线为1000组蒙特卡洛集合模拟的中位数，模拟中背景强迫参数做随机变动（详见论文“方法”部分）。

　　模型提供重要认识：陆源磷输入增加驱动古海洋全域氧化，创造了复杂生命演化“摇篮”

　　模型结果进一步揭示了早期复杂生命的生存环境奥秘。构造活动加剧陆地风化，大量陆源磷输入海洋陆架地区，造成陆架区表层海水生产力升高、底层海水广泛缺氧，有机碳磷埋藏增加和大气氧水平持续升高（图2b,c,e；图3b对比图3a）；相比之下，远海-远洋由于磷供给不足，初级生产力受到限制，有机质对底水氧气消耗较弱，大气氧的持续增加导致远海-远洋水体由表层向下逐步氧化，形成了相对富氧的“深海摇篮”环境（图2d,f；图3b对比图3a）。与此同时，近岸极浅水域，一方面陆源等氧化剂输入增强，另一方面高磷环境驱动海洋生产力提升，光合作用释放大量氧气，理论上也可能形成近岸局部的“氧化绿洲”（图3b对比图3a）。这两类富氧环境的扩张（即海洋氧化）共同为早期动物等复杂生命的生存和演化提供了关键栖息地，这很好地解释了为何除了极浅水域已知早期动物栖息地外，埃迪卡拉纪阿瓦隆生物群（Avalon biota）等早期动物还“奇怪地”出现在了深水斜坡环境中。研究推测，早期海洋这种独特的磷梯度格局及其对早期海洋氧化和复杂生命演化的控制一直持续到晚古生代深部海洋磷水平达到现代水平之后，才完全消失。

　　图3 基于生物地球化学模型模拟结果提出的埃迪卡拉纪海洋磷—碳—氧循环概念模型（以扬子地台为例）。a为Shuram事件之前，即海洋未出现氧化事件阶段：海洋陆架磷输入量较低；b为Shuram事件/大洋氧化事件期间：海洋陆架磷输入量较高。

　　研究意义：构建早期海洋营养盐动力学—海洋氧化—生命演化新框架

　　该成果进一步拓展了CAP指标在重建古海洋营养盐空间格局上的应用，构建起了早期海洋营养盐动力学、海洋氧化和早期生命革新之间耦合新框架。这一框架的建立深化了人类对埃迪卡拉纪及早期地球系统演化的理解，为解读前寒武纪生命—环境协同演化提供了全新视角。

　　本研究得到国家自然科学基金（项目编号：42130208、42425002）、国家重点研发计划（项目编号：2022YFF0800100）、福雷斯特研究奖学金（Forrest Research Fellowship），以及德国联邦教育与研究部（BMBF，项目编号 03G0185A）联合资助。

作者：张凤琼