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海洋生产力反映了海水表层浮游生物利用光合作用生产有机质的能力。海洋生产力的变化伴随着全球生物地化循环网的改变，尤其通过改变全球碳循环进而影响着地球生命史三十亿年来地球化学性质变化和生命的演化。海洋浮游生物在海洋表层（真光层）利用光和作用摄取无机的二氧化碳并转化为有机质，随着沉积沉降过程有机质被保存在海底沉积物中的过程构成所谓的“生物泵”。海洋生产力通过这种“生物泵”的形式影响大气中的温室气体CO2的含量进而影响全球气候的变化;海洋生产力还通过“生物泵”参与并成为全球碳循环中重要的组成部分，完成无机碳到有机碳的物质转化以及光能到化学能的能量的储存。海洋生产力生成的有机质从真光层输出，经过沉降沉积、埋藏演化等物理化学变化最终经过漫长的地史时期，形成化石能源。因此研究古海洋生产力对古气候的变化和现代能源评价方面都具有重要的意义。在本文中，我们将通过对上新世(Pliocene)以及古新世-始新世极热事件(PETM)这两个重要地史时期海洋生产力变化的评估，来揭示古海洋生产同地球气候、环境变迁的相互作用。
现代东赤道太平洋(EEP)普遍表现为低温上升流控制生产力的状况，海洋表层温度(SST)受富含营养元素的上升流强度影响，SST与生产力表现为轻度耦合。自上新世以来的500万年(5Ma)地球经历了从热时期到全球变冷的过程，并且伴随着北半球冰期的加强以及大西洋-太平洋地质构造的变迁。我们通过海洋重晶石的堆积速率对东赤道太平洋地区(EEP)上新世以来生产力的研究发现，海洋输出生产力在该时段内出现明显波动，早上新世(4.5Ma到3Ma)表现为高输出生产力(平均约为(50gCm-2yr-1)，更新世以来输出生产力不断降低，从～3Ma平均60gCm-2yr-1降低到～1Ma的20gCm-2yr-1，最近1Ma以来又呈现不断增强的趋势。该记录表明在长时间尺度（大于100，000年）上输出生产力同SST的非耦合作用，尤其在最近的3.5Ma以来海洋SST持续降低并未伴随输出生产力的增加。该结果显示，长时间尺度上输出生产力受控于上升流源中营养元素和温度。在巴拿马海道关闭之前，该地区海洋表现为锋系控制，生产力随着冰期-间冰期的变化很小，但沉积速率在该时期显著增强。从早上新世至北半球冰期加强(4.5-3Ma)，高生产力和高海洋表层温度(SST)显示了温跃层与上升流强度并不相关，上升流源的温度和营养元素含量控制了该时段输出生产力的波动。3Ma以来，伴随北半球冰期的加强，SST与生产力都处于一个逐渐降低的过程，这表明在该段时期内，海洋表层温度降低的同时，营养元素含量也出现亏损，该趋势在1Ma左右发生变化，SST持续降低的同时，生产力却显著提高，该时期生产力同SST的耦合表征了信风驱动冷上升流的强度。
而在轨道时间尺度(Orbitaltimescale)，呈现冰期高生产力间冰期及暖期输出生产力降低的波动趋势，输出生产力的波动范围较大(从10到100gCm-2yr-1)。该结果也显示冰期信风强度驱使上升流增加。上升流在提高海洋输出生产力固碳作用的同时也将富含CO2的底层水带入海洋表层。频谱分析结果表明新生产同底栖有孔虫氧同位素在轨道时间内存在相关性。本研究的结果显示该区域短时间尺度上输出生产力的控制因素同长时间尺度的机理不同。
发生在古新世(Paleocene)和始新世(Eocene)界限附近的极热事件(PETM，～55.9Ma)是地球历史上一次显著的环境和气候突变事件。全球气温升高4-5℃并导致包括生物灭绝在内的一系列环境变化。而风化作用对随后气温迅速回落起了重要的作用。最近的研究则表明，生物泵效率的增加促使大气中更多的无机碳被泵入深海储存进而减少温室气体的含量，该过程对PETM气温迅速回落起了更为显著的作用。本研究中，我们采取了包括太平洋，大西洋以及南大洋不同海洋类型（近岸，高维，低纬，开阔大洋以及高生产力赤道地区）的大洋钻孔样品，重建PETM时期古海洋生产力进而考察古海洋生产力对PETM事件的作用及响应。重晶石堆积速率（表示输出生产力）在PETM事件初期呈现两个明显的增强阶段，并在约49，000年后回落到PETM事件前的状态。在CIE(CarbonIsotopeExcursion)初始时期，大气中二氧化碳含量的增加对海洋表层生物生产力提供了足够的无机养料，而该时期的高温同样对生产力起两方面的作用:不同与现代海洋上升流，PETM时期由于底层水同样高温，因此PETM时期的高温不会导致海水分层的加剧，而高温对生物呼吸作用的促进作用使得底层营养元素供给的增加;同时高温也会促使喜温微生物的繁殖，通过改变生物生态系统的结果进而影响输出生产力。在第一个输出生产力繁盛后～20，000to30，000年，输出生产力在CIE(CarbonIsotopeExcursion)最小时期附近也降低到最低。随之出现了第二次输出生产力的繁盛时期，该时段输出生产力的增强可能源于高温作用下陆源侵蚀作用加强，全球性大洋营养元素的增加，而其他同位素、元素研究也支持该结论。PETM时期全球性输出生产力的波动表征了输出生产力对大气无机碳泵入深海的作用，初步计算约有每年39-60Gt碳以输出生产力的形式储存于海洋深层，这约为现代海洋的6-9倍。该结果也切合碳同位素模型的结论。
该论文利用重晶石的堆积速率重建古海洋生产力。通过选取地史时期两个重要的气候环境变化阶段古海洋生产力的研究，表明:上新世以来古海洋生产力在长时间尺度和轨道时间尺度上受控于不同的机理，而古海洋输出生产力也对环境气候的变化有反馈和响应作用。PETM极热事件时期，全球性的古海洋生产增加主导了该时期气温的迅速回落。