磷是遺傳物質(zhì)核酸、能量?jì)Υ嫖镔|(zhì)三磷酸腺苷和細胞膜等的重要組成部分，對生命活動(dòng)不可或缺。磷還是海洋初級生產(chǎn)力的制約性營(yíng)養元素，決定了海洋生物圈的大小。生態(tài)系統中，磷的關(guān)鍵來(lái)源是陸地化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中磷酸鹽的溶解（簡(jiǎn)稱(chēng)磷風(fēng)化）。因此，磷風(fēng)化和環(huán)境因子的關(guān)系對于定量描述全球C-P-O循環(huán)至關(guān)重要。
基于現代土壤中磷含量的分析結果，研究者普遍認為氣候對磷風(fēng)化有顯著(zhù)影響。多種溫度與磷風(fēng)化之間的定量關(guān)系已被應用于全球模型中，以理解地球歷史上耦合的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程。例如，阿倫尼烏斯方程常被用來(lái)描述溫度對磷風(fēng)化的影響。然而，基于實(shí)證數據的氣候與磷風(fēng)化之間的定量關(guān)系仍然缺乏。
針對這一科學(xué)問(wèn)題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所郭利成副研究員、趙明宇特聘研究員、熊尚發(fā)研究員、楊石嶺研究員、崔靜怡博士、王永達博士、姜磊研究員、徐志方研究員、蔡春芳研究員，聯(lián)合國內外多家研究機構，集成了14322個(gè)全球表土的環(huán)境因子和主量元素（用以計算化學(xué)蝕變指數CIA）數據，評估了氣候和非氣候要素對化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中磷釋放的影響，并建立了溫度和磷風(fēng)化（P2O5/TiO2摩爾比）的定量關(guān)系。在此基礎上，研究人員將這一定量關(guān)系整合至考慮了溫度和陸地面積緯向分布的數值模型中，得到了全新的磷風(fēng)化通量與全球溫度的關(guān)系。
數據集成結果揭示，溫度調控著(zhù)全球尺度土壤磷的遷移，當溫度超過(guò)12℃或者CIA>80時(shí)，土壤磷含量顯著(zhù)下降（圖1）。研究人員進(jìn)一步對土壤磷含量顯著(zhù)下降的可能機制進(jìn)行探索，發(fā)現土壤pH和粘土礦物組成是影響土壤磷遷移的關(guān)鍵因素（圖2）。高溫條件下的低土壤pH有利于磷灰石礦物溶解、磷酸根從伊利石等粘土礦物表面解吸和Al、Fe、Ca磷酸鹽的溶解。在高溫和強風(fēng)化的情形下，由于高嶺石含量增加，伊利石含量降低，粘土礦物對磷酸根的總吸附能力顯著(zhù)減弱，這促進(jìn)了土壤磷的丟失。
圖1 全球表土P2O5/TiO2、溫度和CIA的關(guān)系
圖2 A全球表土pH隨CIA的變化，B pH對磷灰石溶解速率的影響，C表土粘土礦物組成隨CIA的變化，D不同粘土礦物的磷酸根吸附能力
在新的溫度和磷風(fēng)化定量關(guān)系基礎上，考慮溫度和陸地面積的緯向分布，研究人員基于數值模型構建了全新的磷風(fēng)化與全球溫度的關(guān)系（圖3A）。新的模型結果揭示了現代全球磷風(fēng)化對溫度的非線(xiàn)性響應過(guò)程，尤其是20–23℃區間，磷風(fēng)化通量加速增加（圖3B）。研究人員還進(jìn)一步計算了顯生宙大洋缺氧事件期間全球磷風(fēng)化的變化（圖3C）。增溫引發(fā)全球磷風(fēng)化通量的增加會(huì )導致海洋生產(chǎn)力升高，水體氧氣快速消耗，有機碳在海洋沉積物中大量埋藏，進(jìn)而引發(fā)全球降溫。新的模型結果支持了磷風(fēng)化增強是大洋缺氧事件的一個(gè)重要驅動(dòng)機制，也是全球增溫的一個(gè)負反饋因素。
圖3 磷風(fēng)化與全球溫度的關(guān)系，PT為二疊紀–三疊紀大滅絕事件，TOAE為托阿爾階海洋缺氧事件，OAE1a為阿普特階海洋缺氧事件，OAE2為賽諾曼階–土倫階海洋缺氧事件，PETM為古新世–始新世極熱事件
該研究利用全球表土數據集，建立了溫度和磷風(fēng)化的定量關(guān)系，并基于數值模型構建了全新的磷風(fēng)化通量與全球平均溫度的關(guān)系。研究結果有助于認識顯生宙海洋缺氧事件的成因，對探索極熱事件的終結機制也有重要意義。此外，從增溫引發(fā)全球磷風(fēng)化加速的結論可以進(jìn)一步推測，未來(lái)人類(lèi)碳排放造成的增溫很可能會(huì )導致全球土壤磷的快速流失，這將危及全球農業(yè)生產(chǎn)和海洋生態(tài)系統。
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Science Advances（郭利成*，熊尚發(fā)*，Benjamin J. W. Mills，Terry Isson，楊石嶺，崔靜怡，王永達，姜磊，徐志方，蔡春芳，鄧義楠，魏廣祎，趙明宇*. Acceleration of phosphorus weathering under warm climates [J]. Science Advances, 2024, 10(28): eadm7773. DOI: 10.1126/sciadv.adm7773）。該研究受?chē)抑攸c(diǎn)研發(fā)計劃項目（2022YFF0800800）、中國科學(xué)院戰略性先導項目（XDB0710000）、國家自然科學(xué)基金項目（42007282，42077409）和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所自主部署項目（IGGCAS-201905）聯(lián)合資助。
