磷是遗传物质核酸、能量储存物质三磷酸腺苷和细胞膜等的重要组成部分，对生命活动不可或缺。磷还是海洋初级生产力的制约性营养元素，决定了海洋生物圈的大小。生态系统中，磷的关键来源是陆地化学风化过程中磷酸盐的溶解（简称磷风化）。因此，磷风化和环境因子的关系对于定量描述全球C-P-O循环至关重要。
基于现代土壤中磷含量的分析结果，研究者普遍认为气候对磷风化有显著影响。多种温度与磷风化之间的定量关系已被应用于全球模型中，以理解地球历史上耦合的生物地球化学循环过程。例如，阿伦尼乌斯方程常被用来描述温度对磷风化的影响。然而，基于实证数据的气候与磷风化之间的定量关系仍然缺乏。
针对这一科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所郭利成副研究员、赵明宇特聘研究员、熊尚发研究员、杨石岭研究员、崔静怡博士、王永达博士、姜磊研究员、徐志方研究员、蔡春芳研究员，联合国内外多家研究机构，集成了14322个全球表土的环境因子和主量元素（用以计算化学蚀变指数CIA）数据，评估了气候和非气候要素对化学风化过程中磷释放的影响，并建立了温度和磷风化（P2O5/TiO2摩尔比）的定量关系。在此基础上，研究人员将这一定量关系整合至考虑了温度和陆地面积纬向分布的数值模型中，得到了全新的磷风化通量与全球温度的关系。
数据集成结果揭示，温度调控着全球尺度土壤磷的迁移，当温度超过12℃或者CIA>80时，土壤磷含量显著下降（图1）。研究人员进一步对土壤磷含量显著下降的可能机制进行探索，发现土壤pH和粘土矿物组成是影响土壤磷迁移的关键因素（图2）。高温条件下的低土壤pH有利于磷灰石矿物溶解、磷酸根从伊利石等粘土矿物表面解吸和Al、Fe、Ca磷酸盐的溶解。在高温和强风化的情形下，由于高岭石含量增加，伊利石含量降低，粘土矿物对磷酸根的总吸附能力显著减弱，这促进了土壤磷的丢失。
图1 全球表土P2O5/TiO2、温度和CIA的关系
图2 A全球表土pH随CIA的变化，B pH对磷灰石溶解速率的影响，C表土粘土矿物组成随CIA的变化，D不同粘土矿物的磷酸根吸附能力
在新的温度和磷风化定量关系基础上，考虑温度和陆地面积的纬向分布，研究人员基于数值模型构建了全新的磷风化与全球温度的关系（图3A）。新的模型结果揭示了现代全球磷风化对温度的非线性响应过程，尤其是20–23℃区间，磷风化通量加速增加（图3B）。研究人员还进一步计算了显生宙大洋缺氧事件期间全球磷风化的变化（图3C）。增温引发全球磷风化通量的增加会导致海洋生产力升高，水体氧气快速消耗，有机碳在海洋沉积物中大量埋藏，进而引发全球降温。新的模型结果支持了磷风化增强是大洋缺氧事件的一个重要驱动机制，也是全球增温的一个负反馈因素。
图3 磷风化与全球温度的关系，PT为二叠纪–三叠纪大灭绝事件，TOAE为托阿尔阶海洋缺氧事件，OAE1a为阿普特阶海洋缺氧事件，OAE2为赛诺曼阶–土伦阶海洋缺氧事件，PETM为古新世–始新世极热事件
该研究利用全球表土数据集，建立了温度和磷风化的定量关系，并基于数值模型构建了全新的磷风化通量与全球平均温度的关系。研究结果有助于认识显生宙海洋缺氧事件的成因，对探索极热事件的终结机制也有重要意义。此外，从增温引发全球磷风化加速的结论可以进一步推测，未来人类碳排放造成的增温很可能会导致全球土壤磷的快速流失，这将危及全球农业生产和海洋生态系统。
研究成果发表于国际学术期刊Science Advances（郭利成*，熊尚发*，Benjamin J. W. Mills，Terry Isson，杨石岭，崔静怡，王永达，姜磊，徐志方，蔡春芳，邓义楠，魏广祎，赵明宇*. Acceleration of phosphorus weathering under warm climates [J]. Science Advances, 2024, 10(28): eadm7773. DOI: 10.1126/sciadv.adm7773）。该研究受国家重点研发计划项目（2022YFF0800800）、中国科学院战略性先导项目（XDB0710000）、国家自然科学基金项目（42007282，42077409）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。
