近日，南方科技大学海洋科学与工程系姚炜琪副教授团队在古新世-始新世极热事件海洋鱼类生产力研究中取得进展，研究成果以“Coupled increases in pelagic fish productivity and export productivity during the Paleocene-Eocene Thermal Maximum”为题，发表于国际高水平期刊Nature Communications。

海洋生产力是全球碳循环的重要组成部分，也直接影响鱼类等海洋生物的生存和渔业资源。现代观测表明，过去几十年全球开放大洋生产力总体呈下降趋势，这通常与全球变暖导致的海洋分层增强、上升流减弱以及营养盐供应受限有关。海洋生产力衰退，正在成为全球变暖影响海洋生态系统的重要信号。然而，现代观测记录的时间尺度具有局限性，这种短期下降趋势能否代表更长时间尺度上的海洋响应，仍缺乏地质记录约束。

约5600万年前的古新世-始新世极热事件（PETM）是新生代最著名的全球快速变暖事件之一。大量轻碳在这一时期快速进入海气系统，引发全球气温显著升高，并持续了数万年至十万年尺度。因此，科学家们希望从这一远古暖期寻找答案：气候持续变暖背景下，海洋生态系统在更长时间尺度上究竟会如何响应？

为回答这一问题，研究团队选择了一类特殊的化石——鱼石，重建PETM时期的鱼类生产力演变。鱼石是保存在海洋沉积物中的鱼类微体化石，主要包括鱼牙等微小硬组织。由于鱼类牙齿在生长和更替过程中会不断脱落并沉降至海底，因此鱼牙累积速率可以用来反映过去鱼类生产力的变化。

图1.研究站点分布图

研究人员通过分析全球多个远洋沉积岩芯（图1），发现PETM期间多个海域的鱼牙累积速率提高了一个数量级，其中东赤道太平洋、北太平洋和北大西洋的响应尤为显著（图2）。与此同时，鱼牙的大小和类型并未发生显著变化，说明鱼类群落的基本组成总体保持稳定，未出现大规模的群落替代或短暂的“异常鱼群”。这表明，PETM期间鱼牙累积速率增加，远洋鱼类生产力提升。

研究团队认为，鱼类生产力提升的原因，可能与海洋输出生产力密切相关。海洋表层浮游植物通过光合作用固定二氧化碳，形成的部分有机碳通过颗粒沉降等过程输出至海洋内部，为更高营养级生物提供重要能量。为了检验二者的联系，研究团队利用海洋重晶石累积速率，重建PETM时期的输出生产力演变。研究发现，全球多个海域的输出生产力与鱼类生产力均在PETM期间出现1–2次明显峰值（图2），整体变化趋势以及时空格局高度一致。综合全球数据进一步发现，二者之间存在显著正相关关系。这一结果表明，PETM期间增强的海洋碳输出，很可能增加了中等营养级远洋鱼类的食物供给，从而支撑了鱼类生产力的提高。

图2.PETM时期海洋鱼牙累积速率（IAR）和输出生产力（Pnew）的变化

根据现代海洋观测结果，海洋上层水体升温通常会增强分层，使深层富含营养盐的海水更难进入表层，这正是全球变暖导致部分低纬海域生产力下降的重要原因之一。那么，为什么PETM期间海洋生产力不降反升？

为进一步揭示其中的机制，研究团队利用地球系统模型cGENIE，模拟了大气pCO2增加、陆地磷风化输入以及海洋内部磷再循环等过程对输出生产力的影响（图3）。在大气pCO2翻倍的条件下，当陆地磷风化输入增强至基准值1–1.9倍时，全球平均颗粒有机碳输出通量由0.7增加至1.2–1.6mol m⁻2 yr⁻1，与BAR重建的约2–3倍增幅在量级上基本一致（图3b，e）。相比之下，由于海洋分层限制了深层营养盐向表层的输送，磷的再循环增强并未带来额外的生产力提升（图3c，f）。模拟结果表明，在持续增温的长时间尺度上，陆地风化增强带来的外源磷输入是维持甚至提升海洋生产力的重要因素。

图3.cGENIE模拟PETM期间海洋输出生产力变化及其控制机制

上述研究表明，全球变暖对海洋生产力的影响高度依赖时间尺度。在十年至百年的短时间尺度上，人类活动导致的快速升温能够迅速增强海洋分层，而大陆风化、营养元素再分配等过程尚未充分响应，海洋生产力因此受到抑制；而在千年甚至更长的时间尺度上，全球持续变暖加强大陆风化和营养盐输入，逐渐抵消甚至超过海洋分层增强带来的限制作用，使海洋生产力逐渐恢复甚至增加。这意味着，根据现代海洋观测到的海洋生产力下降趋势，未必代表更长时间尺度上的最终状态。

南方科技大学海洋科学与工程系博士生周秀雯为论文第一作者，姚炜琪副教授为通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。研究团队成员包括南科大海洋科学与工程系博士生张睿灵、加拿大Saskatchewan大学助理教授Man-Yin Tsang和北京大学李明松研究员。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金和高校本科教学质量与教学改革工程项目等支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-77863-9

供稿：海洋科学与工程系

通讯员：颜莎

编辑：任奕霏