近日，环境科学与工程学院刘飏副教授，联合英国利兹大学Simon Poulton教授、Fred Bowyer、熊怡俊博士，中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎教授、韩美玲博士，河海大学何天辰教授和中国地质大学（北京）张金川、唐玄教授，在《Geology》发表题为“Marine redox and nutrient dynamics linked to the Cambrian radiation of animals”的最新研究成果，揭示了寒武纪早期海洋的磷循环过程及其与寒武纪生命大爆发的潜在联系。该研究受国家自然科学基金、英国自然环境研究委员会联合资助。

寒武纪早期（约538.8–514 Ma）见证了早期动物的突然出现和迅速多样化，称为“寒武纪生命大爆发”（Knoll and Carroll, 1999; Erwin et al., 2011; Wood et al., 2019）。寒武纪大爆发的触发因素包括内在的生态革新（Erwin et al., 2011）和外在的环境变革（特别是氧气水平）（Smith and Harper, 2013; Knoll and Carroll, 1999; Lenton et al., 2014）。近年来，海洋氧化与这一生命演化事件的关联被大量研究，海洋脉冲式氧化与生物多样性之间的潜在联系已被记录在早寒武世西伯利亚（He et al., 2019; Zhuravlev et al., 2022）和华南地区（Chen et al., 2015; Li et al., 2017）。

生物限制性营养元素磷（P）和氮（N）的可用性也可能对环境宜居性变迁起到重要控制作用，P通常被认为是地质时间尺度上初级生产力的终极限制营养元素（Tyrrell，1999）。这些营养物质控制着区域氧气的产生和消耗程度，以及初级生产力的规模（Brocks等人，2017）。氧化还原条件也控制着P的再循环，并通过反馈作用调控区域海洋氧化还原状态（Schobben et al., 2020; Bowyer et al., 2023）。然而，尽管海洋P循环对环境演化和动物进化有着重要作用，但寒武纪早期海洋P循环的研究非常有限。本研究选取了寒武纪华南地区陆架边缘和斜坡环境的两个钻孔岩心开展了细致的地球化学研究。

研究发现寒武纪第二阶晚期水体广泛发育的硫化环境导致了强烈的P再循环（图1），两个钻孔的样品均呈现出高的Corg/Porg 和Corg/Preac值（图2）。在早成岩期沉积物中的P被释放并有效的返回水体，供给了海洋初级生产力的勃发，从而增强了浅海的氧气生产。随着海洋氧气浓度的上升和含氧陆架面积的扩张，陆架和斜坡环境中P的再生显著降低。特别是在氧化的陆架环境中，从沉积物中释放的P以形成自生P矿物的形式被封存在沉积物中，无法有效的被循环返回到水体中。陆架环境中P在沉积物中的滞留，以及上升流P供应的减少，共同造就了寒武纪第三阶海洋的贫营养条件。在贫营养条件下，降低的初级生产力会减少水柱中的耗氧量，使含氧陆架保持稳定，并为生物的多样化提供栖息地（图3）。

图1 全球铁组分数据汇编以及海洋氧化还原状态模式

图2 陆架和斜坡环境的磷循环重建

图3 寒武纪早期海洋磷循环模式

《Geology》杂志由美国地质学会主办，为Nature Index期刊，连续18年蝉联Web of Science地学影响力第一学术杂志。

论文信息：

Yang Liu, Fred T. Bowyer, Maoyan Zhu, Yijun Xiong, Tianchen He, Meiling Han, Xuan Tang, Jinchuan Zhang, Simon W. Poulton; Marine redox and nutrient dynamics linked to the Cambrian radiation of animals. Geology 2024; 52 (9): 729–734. doi: https://doi.org/10.1130/G52220.1