大气中的二氧化碳（CO₂）浓度变化是驱动地球气候演变的主要因素之一。当CO₂浓度翻倍时，全球平均温度会上升多少？这个被称为"气候敏感性"的参数，是预测未来气候变化的关键指标。然而，在不同的气候状态下——比如寒冷的冰期和温暖的间冰期——地球的气候敏感性是否会发生变化？这一直是气候科学领域的重要疑问。

黄土高原里的"纳米录音机"

    南京大学地球科学与工程学院达佳伟博士、中国科学院广州地化所张一歌研究员和南京大学季峻峰教授领导的研究团队，将目光投向了中国黄土高原。这里连续沉积的黄土-古土壤序列，为重建古气候提供了得天独厚的条件。

    团队在富县和赵家川两个剖面采集了涵盖258万年至80万年前的黄土样品。他们的"秘密武器"是土壤中小于2微米的粘土颗粒，这些颗粒主要由"纳米针状纤维方解石"（NFC）组成——一种在土壤形成过程中自生的碳酸盐矿物。这些纳米方解石就像是古代大气的记录者，它们的碳同位素组成受到当时土壤中CO₂的浓度影响，进而可以推算出大气CO₂水平。

冰期CO₂的长期下降

    通过分析这些微小的"气候档案"，研究团队重建了更新世冰期的CO₂变化历史。结果显示，在过去200万年中，冰期的大气CO₂浓度经历了持续而显著的下降——从早期的约300ppm逐步降至后期的不足200ppm。这一发现与南极冰芯以及蓝冰的记录相吻合，为理解更新世长期气候演变提供了新证据。研究表明，冰期CO₂的逐步下降是驱动全球长期降温和冰期-间冰期旋回放大的重要因素。

图1 | 更新世气候与大气CO₂变化历史。 该图展示了过去260万年来地球气候和大气CO₂浓度的演变历程。上图显示了海洋底栖生物氧同位素记录，反映了全球冰量和深海温度的变化。中图为南极冰芯CO₂记录（过去80万年）和更早期的蓝冰CO₂测量结果。下图是本研究基于黄土古土壤重建的冰期CO₂浓度，清晰显示了从早期约300ppm到后期不足200ppm的长期下降趋势。

意外发现：气候敏感性的"恒定性"

    基于重建的CO₂记录和全球温度变化数据，研究团队计算了冰期和间冰期的气候敏感性。令人意外的是，尽管地球在冰期和间冰期处于截然不同的气候状态，但气候敏感性基本保持一致。

    研究结果显示，在考虑了冰盖反照率等慢反馈过程后，冰期和间冰期的平衡气候敏感性分别为3.3K和3.7K，差异并不显著。这一发现表明，地球气候系统对CO₂变化的响应在不同气候状态下具有相当的稳定性。

图2 | 冰期与间冰期的气候敏感性对比。 该图通过散点图和概率密度分布，对比分析了冰期（蓝色）和间冰期（橙色）的气候敏感性。上方三个散点图分别显示了全球平均温度变化与不同辐射强迫因子的关系，包括单纯CO₂强迫、CO₂与冰盖联合强迫等。下方的概率密度图显示，在考虑了各种慢反馈过程后，冰期和间冰期的气候敏感性分布高度重叠，中位数分别为0.9和1.0 K·W⁻²·m⁻¹，表明两者之间没有显著差异。

对未来气候预测的启示

    这项研究为当前气候模型提供了重要的古气候学验证。研究结果表明，即使在不同的气候状态下，地球的气候敏感性也保持相对稳定，这增强了人们对现有气候模型预测能力的信心。研究得出的气候敏感性数值（3.3-3.7K）与IPCC评估报告中基于现代观测和模型的估计值（2.6-4K）高度一致，为理解和预测未来气候变化提供了重要的古气候学约束。

科学意义与展望

    这项研究不仅建立了覆盖更新世早期的连续冰期CO₂记录，更重要的是揭示了气候敏感性的"状态无关性"。这一发现对于理解地球气候系统的长期行为、验证气候模型的可靠性，以及改善未来气候变化预测都具有意义。同时，研究中进一步完善了古土壤CO₂重建新方法，也为古气候学研究提供了技术支撑，有望在更广泛的时空尺度上应用。

论文信息： Da, J., Zhang, Y.G., Liu, X., Breecker, D.O., Li., G.K., Chen, T. and Ji, J.. No apparent state-dependency of equilibrium climate sensitivity between the Pleistocene glacial and interglacial climate states. Nat Commun 16, 6608 (2025).

研究团队： 南京大学地球科学与工程学院达佳伟博士（第一作者）、中国科学院广州地化所张一歌研究员（共同通讯作者）、南京大学季峻峰教授（共同通讯作者）等。该项研究得到国家自然科学基金重点项目（42030503）资助。