大气二氧化碳（CO₂）在千年尺度寒冷时期（又称冰阶期）的变化并不是单一的，而是呈现增加、保持不变，甚至降低等多个变化趋势。大量研究认为，大气CO₂变化主要受控于南大洋通风（即大气和海洋内部之间气体成分的交换）对深海存储碳量的调节。一个广为接受的观点认为，南半球西风增强或向极地的摆动可以提升南大洋对深海的通风状况，促进深海碳向大气的释放，从而导致冰阶期大气CO₂的增加。然而，南大洋通风的变化无法解释诸多冰阶期大气中CO₂没有上升的现象。通过影响大西洋经向翻转环流（AMOC；一种将暖水在浅海北送和冷水在深海南送的洋流系统）的强度，北大西洋也可对深海的通风状态起着至关重要的作用。但是，两极如何交互作用及其如何调控冰阶期的深海碳储存和大气CO₂仍然是一个尚未破解的国际科学难题。

　　针对这一国际难题，崂山实验室于际民研究员领衔的国际研究团队利用底栖有孔虫壳体的硼/钙指标重建了反映海水酸度的碳酸根离子浓度，限定了过去15万年以来深海碳储存的演化历史。该研究结合深海酸度数据和冰心CO₂记录，揭示两极海域之间的交互作用通过多种模式来调节大洋深海通风状况。这些模式可以解译千年时间尺度上深海碳储存和大气CO₂的不同类型的演化历史。

　　对于千年时间尺度研究，一个艰巨的任务是获取具有可靠年代学的详细海洋重建数据，以便对海洋和冰心记录进行可靠比较分析。为此，该国际团队通过多次访问欧洲环境地球科学研究与教学中心（CEREGE）的岩心库，选定了位于北大西洋的伊比利亚海域的一个沉积物岩心进行系统研究。该研究所获得的高分辨率记录显示，在冰阶时期深海碳储存与大气CO₂变化呈现多模态演化方式。其中一个模态（图1a）发生在大气CO₂大幅上升的冰阶期（如冰期终结期），其间的深海碳储存显著降低。由于冰阶期AMOC很可能减弱，深海碳储库的降低可归结为南大洋通风增加。因此，该研究的新数据有力地支持了南大洋过程对千年时间尺度大气CO₂的调控作用。此外，由于该研究所测量的岩心样品来自41 N北大西洋，所获数据所反映的南大洋通风作用异常强大，导致相当大体积的深海水丢失碳。

　　另一种模态则发生在大气CO₂仅略微增加甚至下降的冰阶期，其间深海碳含量保持高位（图1b）。在这些冰阶期，南大洋上升、温度和海冰范围的变化可能导致深海碳释放。因此，该研究推测在这些冰阶期间观察到的高深海碳含量是由于AMOC弱化促进了有机碳在海洋内部的积累所导致。这一现象可有效地提升海洋的生物泵效率，从而降低大气CO₂。这是一个被广泛接受的用来解释长周期（如4万年及更长时间尺度）大气CO₂变化机制，但在千年尺度CO₂的波动中很大程度上被忽视。该研究所提出的“双极控制”观点可圆满解释过去15万年以来大气CO₂在冷期时所呈现的各种类型变化，因此在探讨千年大气CO₂调控机制时，应考虑两极海域对深海通风状态的影响，而不仅仅考虑南大洋的影响。

　　图1 冰阶时期深海碳储存与大气CO₂变化模态

　　自工业革命以来两个半球的高纬度海洋已经吸收了大量人为排放的CO₂。为了更好的预测未来大气CO₂变化及其相关的全球变暖和海洋酸化效应，模型需要准确模拟各种碳循环调控过程，包括北大西洋和南大洋之间的交互作用。该研究所发表的酸度记录涵盖了一个完整冰期旋回里的各种类型的冰阶，可以被模型用来评估在不同气候条件下两极地区对深海通风状态影响的相对重要性，对未来碳循环及其气候耦合具有重要科学和现实意义。

　　上述研究成果于2023年10月26日以Article的形式在线发表在Nature Geoscience上（Yu J M, Anderson R F, Jin Z D, Ji X, Thornalley D J R, Wu L, Thouveny N, Cai Y, Tan L, Zhang F, Menviel L, Tian J, Xie X, Rohling E J, McManus J F. Millennial atmospheric CO₂ changes linked to ocean ventilation modes over past 150,000 years. Nature Geoscience, 2023, doi: 10.1038/s41561-023-01297-x）。崂山实验室于际民研究员为第一/通讯作者，中国科学院地球环境研究所金章东、谭亮成和张飞为共同作者。这项工作得到了国家自然科学基金委员会和澳大利亚研究理事会的经费支持，由来自崂山实验室、澳大利亚国立大学、哥伦比亚大学、中国科学院、伦敦大学学院、欧洲环境地球科学研究与教学中心、新南威尔士大学、同济大学、西安交通大学等单位的科学家组成的国际团队合作完成。