在地球漫长的历史长河中，二叠纪末大灭绝（End-Permian Mass Extinction，EPME）无疑是一场极其惨烈的灾难，发生在约 2.519 亿年前。它让全球生物多样性遭受重创，海洋和陆地生态系统陷入漫长而艰难的恢复期。此后，地球仿佛陷入了 “动荡期”，出现了一系列异常现象，像持续的高温天气、反复出现的海洋缺氧情况，以及碳循环的剧烈振荡。这些现象通过地球化学同位素的代理记录被清晰地展现出来。
科学家们一直试图解开这些现象背后的谜团，即这些振荡的根本机制究竟是什么。之前的研究提出了一些解释，比如西伯利亚地盾火山喷发，向大气 - 海洋系统中注入了大量轻碳，同时全球有机物埋藏量减少，这些因素被认为与二叠纪末的碳同位素（δ13Ccarb）偏移以及大气中CO2水平升高有关。也有人认为，多次大规模火山活动是导致早三叠世碳循环振荡的原因。
然而，这些解释都存在一些漏洞。年龄模型对西伯利亚地盾的研究显示，其活跃期相对较短，无法为早三叠世反复出现的δ13Ccarb偏移提供足够的轻碳来源。而且，汞异常作为指示大火成岩省（LIP）火山活动的可靠指标，在早三叠世除了二叠纪 - 三叠纪过渡时期外，并没有被记录到，这意味着 LIP 火山活动在早三叠世其他时期可能并未发生。
为了深入探究这一复杂问题，中国地质大学（武汉）的研究人员联合英国埃克塞特大学、南京大学等机构的科研团队，开展了一项极具意义的研究。他们通过建立和运用生物地球化学模型，深入分析了磷（P）、碳（A）和氧（O）的耦合生物地球化学循环，来揭示二叠纪末大灭绝后地球系统的变化规律。
在研究过程中，研究人员用到了多个关键技术方法。他们收集了大量地质历史时期的地球化学数据，包括 7491 个δ13Ccarb数据、468 个δ238Ucarb数据和 616 个δ18Oapatite数据。年龄模型则基于牙形石生物地层学和碳同位素地层学框架构建。同时，研究人员使用了扩展的 EPOC（excitable phosphorus oxygen carbon model）模型，该模型添加了双汇铀循环模块，能够预测δ238Ucarb值的变化，以此来模拟地球系统在不同条件下的演变。
结果与讨论
导致系统不稳定的关键过程
研究发现，西伯利亚地盾的侵入和 EPME 通过三个关键过程使地球系统变得不稳定。首先，火山活动释放的气体增加了大气 - 海洋中的pCO2水平，加剧了全球变暖，进而增强了硅酸盐、碳酸盐和氧化风化作用，使得海洋中磷的输入量增加，导致早三叠世海洋磷酸盐（PO4）浓度升高。其次，陆地生态系统的崩溃减少了陆地磷和有机碳的埋藏，降低了大气 - 海洋中的氧气（O2）水平，使耦合的P−O−A循环对海洋有机碳（Corg）埋藏通量的变化更加敏感。最后，EPME 后，海洋底层水的氧气供需平衡被打破。磷风化通量和海洋磷浓度上升，而温室效应降低了表层水的氧气溶解度，还可能增加了有机物的再矿化，这些都加剧了氧气需求。同时，陆地Corg埋藏的减少和氧化风化作用的增强又减少了氧气供应。此外，早三叠世真核海洋浮游植物数量明显下降，而蓝藻等微生物大量繁殖。较小细胞的浮游植物由于表面积与体积比更大，在营养吸收方面更高效，这进一步增加了底层水的氧气需求，促使海洋底层水向缺氧状态转变，增强了缺氧 - 磷埋藏反馈，最终使系统变得不稳定。
动力学分析揭示不稳定行为的来源
研究人员运用 EPOC 模型，通过改变营养吸收效率参数（ku）来模拟海洋底层氧化还原条件的变化。当海洋埋葬通量分布在氧化还原条件异质的环境中（ku在 0.1 - 1.0 之间变化）时，全球整合的缺氧反馈相对较弱，系统处于稳定状态。而当海洋埋葬通量分布在更均质的氧化还原条件下（ku在 0.7 - 1.0 之间变化），缺氧反馈变强，系统变得不稳定，会出现磷 - 碳自持振荡（极限环振荡）。在这种理想情况下，振荡周期约为 3.2 百万年，可分为四个阶段：第一阶段，海洋处于氧化状态，磷循环效率低，大气CO2增强了磷风化作用，使磷储量增加，同时氧气含量下降，最终触发底层水部分缺氧；第二阶段，磷和缺氧情况迅速增加，海洋有机碳埋藏增多，CO2含量下降，氧气含量缓慢上升；第三阶段，大气CO2、温度和磷风化作用下降，导致磷储量减少，而氧气仍在上升，部分底层水恢复有氧条件；第四阶段，海洋迅速氧化，磷迅速下降，有机碳埋藏减少，CO2含量上升，氧气含量稳定后又开始缓慢下降。
将模型应用于灭绝后的时期
研究人员进一步扩展 EPOC 模型，加入铀循环，并将其初始化为代表二叠纪末的稳定状态。通过调整构造（U）和植被（V）强迫等参数，模拟不同的场景。当海洋底层氧化还原条件的均质性在二叠纪 - 三叠纪过渡期间保持稳定时（控制模型运行，S=0.1±0.1），增强的隆起和植被丧失导致氧化风化通量增加，系统达到新的稳定状态，出现早三叠世的温室效应、约 1.5 百万年的δ13Ccarb负偏移和一次海洋缺氧事件，但无法捕捉到 252 - 244 Ma 的地球化学数据振荡。而当改变强迫S使系统不稳定（处理模型运行，S在 252 - 248 Ma 增加到0.4±0.1）时，模型能够捕捉到振荡。模型预测的δ13Ccarb与实际观测到的剧烈周期性振荡相符，还能模拟出温度振荡和海洋氧化还原状态的振荡，与δ238Ucarb的变化大致匹配。虽然模型没有模拟出最早的δ238Ucarb负偏移，但加入短期强迫的扩展模型运行在不稳定系统中成功再现了早三叠世的偏移和振荡，这进一步支持了系统稳定性是早三叠世振荡主要驱动因素的假设。
研究结论表明，二叠纪末大灭绝后观察到的周期性振荡（δ13Ccarb、δ238Ucarb和δ18Oapatite）并非由不同来源的轻碳输入引发，而是由于磷、碳和氧耦合生物地球化学循环的不稳定。海洋中营养吸收效率的增加以及相关的海洋底层氧化还原条件均质化，是导致系统不稳定的关键因素。这一发现揭示了地球系统演变的新机制，对于理解地质历史时期的生态和环境变化具有重要意义。它让我们认识到，EPME 对地球系统稳定性的影响可能远超之前的认知，为后续研究地球系统在重大地质事件后的演变提供了新的思路和理论基础。同时，研究也指出了当前模型存在的一些局限性，如海洋区域结构简化、未考虑古地理因素以及生物泵对生物地球化学循环的影响等，为未来的研究指明了方向。
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