Nature：南極冰芯揭示過去300萬年來的溫室氣體水平

近百年來，人類活動引起的碳排放導致全球平均溫度不斷升高，全球變暖已成為全人類面臨的重要挑戰。然而，從地質歷史尺度上來看，我們正處于新生代以來地表溫度最低的時期。因此，溫室氣體對不同尺度氣候演化的驅動機制，一直是古氣候研究的前沿科學問題，也是理解當前氣候變化的關鍵。在此背景下，地質歷史上兩個關鍵的氣候轉型期，成為研究這一問題的理想窗口：上新世（Pliocene）-更新世（Pleistocene）轉型期（PPT，約 2.6 Ma）：北半球大陸冰蓋擴張的時期；中更新世轉型期（MPT；1.2–0.8 Ma）：氣候從振幅較小的 4 萬年冰期循環向振幅較大的 10 萬年循環轉變。這兩個時期，溫室氣體濃度究竟是多少？它們是如何影響地球從溫暖的上新世向冰河時代過渡的？要回答這些問題，需要借助于具有高分辨率、定年準確、且準確保存溫室氣體含量的記錄。

冰芯作為古氣候記錄的三大載體（深海沉積、黃土、冰芯）之一，在全球變化研究中占有重要地位。南極冰蓋因氣溫低、受污染程度小、冰層厚度厚等特點，儲存著保真度高、時間序列長的氣候環境信息。歐洲科學家曾在南極 Dome C 鉆取了覆蓋 80萬年以來的冰芯，并建立了目前最長的連續的大氣成分記錄，展現了晚更新世以來完整的冰期-間冰期循環。此后，科學家們致力于在南極建立更長的、能覆蓋過去幾百萬年的冰芯記錄。理論上，最老的冰應該在冰蓋的最深處，但現實中，由于地球內部地熱的加熱，南極冰蓋最底部的老冰往往會因為底部融化而消失。而在藍冰區（積雪經長期重壓，空氣排出而變得極度致密的冰層區。致密結構能吸收光譜中的紅橙長波光，僅讓藍色短波光穿透并散射，使其呈現深藍色），冰流、冰下地形和強勁的下降風，會將冰川深處的冰推向冰蓋表面，反而能保存更古老的冰。

最近，美國俄勒岡州立大學Julia Marks-Peterson教授及其同事在Nature上發表了他們的最新研究成果。他們從位于橫貫南極山脈西側維多利亞地的阿蘭丘陵（Allan Hills）藍冰區鉆取淺層冰芯（ALHIC1901冰芯，100-200 米），利用40Aratm同位素定年法，獲得了3.1-0.5 Ma時期不連續的溫室氣體“快照”記錄，重建了過去300萬年來大氣溫室氣體濃度的變化歷史（圖1-圖2）。結果發現，CH? 濃度在整個PPT期間保持穩定（約500 ppb），而CO? 濃度從2.9 Ma到1.2 Ma期間僅下降約20 ppm，此后在MPT期間保持穩定（±10 ppm）。來自同一支冰芯的溫度記錄顯示，自上新世以來，東南極洲降溫約 3.5℃，同期全球平均海洋溫度下降約 2.5℃。這說明，PPT和MPT期間的長期降溫過程中，CO?和 CH?對直接輻射強迫變化的貢獻很小，而海洋環流、冰蓋覆蓋或植被產生的反照率、古地理學等因素可能發揮了關鍵作用。

圖1 ALHIC1901 冰芯的溫室氣體數據。a. 阿蘭丘陵（Allan Hills）及冰芯鉆探點的位置；b. ALHIC1901 樣本的深度與年齡對照圖。c. ALHIC1901 部分樣品（n = 31）測量所得 CO2濃度與 δ13C值；d. 研究中年齡在 40 萬至 80 萬年之間樣品的CO2和CH4濃度與南極Dome C冰芯（EDC）的CO2和CH4濃度值的對比

圖2 ALHIC1901 冰芯的三百萬年古氣候記錄。a-c.冰芯中的CO2（a）和CH4（b）濃度、EDC冰芯包裹氣體中的δ18Oatm（大氣氧同位素）記錄（c），其中，紅色和藍色數值均來自該研究中的ALHIC1901，灰色的連續數值來自Dome C冰芯；d. 底棲有孔蟲δ18O記錄以及來自阿蘭丘陵（Allan Hills）冰芯的δ18Oice（冰同位素）數值

全球長期的自然CO?排放源約為 0.12–0.22?Gt?C?yr?1，而該研究顯示更新世期間大氣 CO?僅下降了約 20 ppm（< 840 Gt?C?），這表明 CO? 的源與匯在此期間的平衡精度達到了1‰ 以內。也就是說，在數百萬年的時間尺度上，全球碳循環在地球內部排放的 CO?與作為有機物和碳酸鹽礦物長期埋存的碳之間達成了平衡。造成這種平衡的原因可能在于：“CO? 調溫器”對 CO?排放源減少以及大陸風化增加的響應；“CO? 調溫器”的作用微弱，而且CO? 的源與匯在過去300萬年是穩定的。

該研究通過分析南極Allan Hills藍冰區淺層冰芯，在方法學上實現了重要突破，首次將大氣溫室氣體的直接測量擴展至晚上新世，發現同期全球溫度下降超過2.5°C，但溫室氣體濃度變化較小，從而挑戰了CO?驅動長期氣候變化的傳統觀點。同時，研究揭示全球碳循環在過去300萬年內保持了極高的源-匯平衡（<1%）。這些為理解地球氣候系統演化歷史及調控機制提供了關鍵證據，也為評估人類活動干預下的未來氣候變化提出了預警。然而，該研究的定量結果仍需謹慎解讀。Allan Hills冰芯存在地層不連續性和氣候保存偏差等問題，最深處樣品可能代表多個冰期旋回的加權平均值而非特定時刻的大氣組成，這種平滑效應會抹平極端值。更重要的是，該冰芯所記錄的晚上新世平均CO?水平（約250 ppm）與經過多個獨立實驗室和鉆孔站位交叉驗證的硼同位素重建（350–400 ppm）結果存在顯著的系統性偏差，論文未充分解釋這一分歧，相關結論仍有待未來更多數據的檢驗與約束。

主要參考文獻

Zachos J, Pagani M, Sloan L, et al. Trends, rhythms, and aberrations in global climate 65 Ma to present[J]. science, 2001, 292(5517): 686-693.

Lüthi D, Le Floch M, Bereiter B, et al. High-resolution carbon dioxide concentration record 650,000–800,000 years before present[J]. Nature, 2008, 453(7193): 379-382.

Shackleton S, Hishamunda V, Davidge L, et al. Miocene and Pliocene ice and air from the Allan Hills blue ice area, East Antarctica[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2025, 122(44): e2502681122.

Marks-Peterson J, Shackleton S, Higgins J, et al. Broadly stable atmospheric CO2 and CH4 levels over the past 3 million years[J]. Nature, 2026, 651(8106): 647-652.（DOI: 10.1038/s41586-025-10032-y）

Shackleton S, Hishamunda V, Yan Y, et al. Global ocean heat content over the past 3 million years[J]. Nature, 2026, 651(8106): 653-657.

（撰稿：安文玲，譚寧/環境演變與碳循環學科中心）