中中新世（~12 Ma）以来，全球温度逐渐降低，至2.6 Ma北半球大规模冰盖形成。在此之前的上新世温暖期，北极地区曾有过数次短暂的冰盖发育事件。理论上讲，冰盖一旦形成，会增加反照率，导致进一步变冷，这种正反馈机制使得气候系统迅速进入冰期。然而，上新世的冰盖发育都昙花一现，气候系统未进入大规模冰盖发育的冰期，其原因一直有很大争议。

针对以上科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所杨石岭研究员等系统采集了24个全新世黄土剖面的碳酸钙结核样品（图1a），建立了黄土钙结核团簇同位素（∆₄₇）温度计（图1b、图1c），厘定了古土壤呼吸CO₂浓度。据此重建了7.2 Ma以来温度和大气CO₂浓度演化历史。

图1 中国北方黄土研究点分布（a）、全新世钙结核∆₄₇温度（T∆₄₇；黑线）与现代年均温（灰线）分布（b）、T∆₄₇温度与现代年均温相关性（c）

温度重建结果显示（图2），晚中新世以来黄土高原呈现出波动式变冷的特征，与热带海洋尤其是西太暖池温度变化一致，表明东亚季风系统是西太暖池与东亚地区水热交换的重要纽带。大气CO₂浓度重建结果显示（图2），7.24–4.3 Ma和2.6–0 Ma期间大气CO₂浓度整体在150–325 ppmv间波动；4.3–2.6 Ma期间大气CO₂浓度阶段式上升至500 ppmv以上。

值得注意的是，4.3–2.6 Ma期间大气CO₂浓度阶段式上升与全球海平面和深海底栖有孔虫δ¹³C值阶段式下降相对应（图3），具体表现为：4.3–4.0 Ma、3.7–3.3 Ma、3.1–2.6 Ma海平面下降，大气CO₂浓度增加，有孔虫δ¹³C值降低；相反，4.0–3.7 Ma和3.3–3.1 Ma海平面小幅回升，大气CO₂浓度保持稳定或略微降低，有孔虫δ¹³C值相对保持稳定。

上述结果揭示了晚中新世以来全球变冷的负反馈机制：全球变冷导致北半球冰盖发育，海平面下降，大陆架暴露，陆架上保存的大量有机质（富含¹²C）被氧化，从而释放出大量CO₂，使得海洋碳同位素负偏，气候回暖，海平面小幅回升；当释放的CO₂被消耗完后，气候继续变冷，海平面进一步下降，开始下一个循环，直至陆架上的有机碳储量下降到不足以维持高CO₂浓度和温暖气候，冰盖才得以大规模发育，从而终结了上新世温暖期，正式开启了第四纪冰河时代。

图2 灵台黄土-红粘土序列重建的年均温（a）和大气CO₂浓度（b；蓝色曲线为冰芯CO₂记录），热带海表温度（Herbert et al., 2016）（c）以及西太暖池海表温度（Zhang et al., 2014）（d）

图3 上新世全球海平面变化（Miller et al., 2020）（a）、重建大气CO₂浓度（b）、底栖有孔虫碳同位素记录（Westerhold et al., 2020）（c）以及灵台重建年均温（红线）和北半球高纬海表温度（Herbert et al., 2016；蓝线）（d）

研究成果发表于国际学术期刊Global and Planetary Change（杨石岭^*，王永达，黄晓芳，孙敏敏，汉景泰，王旭，陈祚伶，张师豪，姜文英，唐自华，顾兆炎，熊尚发，丁仲礼. Pliocene CO₂ rise due to sea-level fall as a mechanism for the delayed ice age [J]. Global and Planetary Change, 2024, 236: 104431. DOI: 10.1016/j.gloplacha.2024.104431.）。该研究受国家重点研发计划项目（2022YFF0800800）、国家自然学科基金（42107472，41725010）和中国科学院地质与地球物理研究所自主部署项目（IGGCAS-201905）联合资助。