磷（P）是重要的生命元素，也是限制地质历史时期海洋初级生产力的终极元素，解析其在不同地史阶段的循环过程对于理解地球表生系统演化具有重要意义。近年来，受益于新型示踪技术的研发和应用，我们得以理出地球P循环演化的总体脉络：相比现代海洋，前寒武纪海洋P库更小、P的循环效率更低；在新元古代末期海洋P循环模式发生了“根本性转变”，逐渐过渡为现代海洋磷循环。然而，对于地球P循环的长期演化模式，还有大量细节有待揭示。
文章综述了不同时空尺度下的P循环过程（图1），包括：（1）全球尺度下，周期漫长的构造控制的岩石圈P循环；（2）中等时间尺度下，主要受控于岩石圈表层风化作用，为生物圈提供基础物质的P循环；（3）区域特征显著、运转迅速的生物P循环。在地质历史时期，这三个时空尺度上P循环的演变模式不同，对海洋环境、生物演化的影响也有明显差异。
图1 不同时空尺度下的P循环过程，包括构造-岩石圈、海洋、及生物P循环
板块构造运动、海洋氧化还原状态和生物效应是控制地球P循环长周期演化的三个主要因素。全球尺度下的多圈层间P循环作用受控于板块构造运动（图2a）。经地表或海底风化作用释放的P进入沉积物后，随俯冲作用进入软流圈，之后经由岩浆作用重返地表经受风化。这一全球尺度、长周期的P循环作用，在地球板块构造运动开启后，便有条不紊地进行。通过岩浆与造山运动，持续影响着地表的风化强度以及可风化岩石内的P含量。而海水中P的循环过程，则受海水化学环境和生物群落的共同影响（图2b，c）。一般来说，在含氧水体中，P会通过数种途径被捕获至沉积物中，而在缺氧环境下，沉积物中有一定比例的P可向外扩散，因而有利于P的释放。微生物活动则通过有机P的同化和再矿化作用，加速了海洋P循环过程，并增加了其在不同区域内的复杂性。因此，纵观整个地球历史过程，海洋化学状态以及生物系统的演变，也时刻影响着海水P循环。
图2 板块构造运动、海水化学环境、生物控制下的P循环
（a）地壳俯冲与地幔上涌主导的岩石圈P循环过程；（b）氧化还原边界附近的碳氟磷灰石沉淀和溶解作用；（c）生态系统内的P循环过程
总结前人研究成果，本文提出了地球P循环的五阶段演化模式（图3）：第1阶段（>2.4 Ga），构造作用控制下的岩石圈P循环，在此阶段内，全球板块运动的开启与演化，控制了地球内、外圈层P循环的开启与演化；第2阶段（~2.4 Ga至635 Ma），主要受控于海水化学环境、生物作用较弱的低效磷循环，这一阶段由于复杂生物与生态系统尚未大规模出现，简单的原核生物为主的生物活动主要发生在近岸浅水地区，因此该时期氧化与缺氧水体分布的波动，是控制P循环的主要因素；第3阶段（~635 Ma至380 Ma）为过渡阶段。在这一阶段地球表生系统发生了重大转变，包括大气、海洋的逐渐氧化，初级生产者的革新与植物登陆，以及动物圈内的多个演化事件，使得地球P循环从前寒武纪模式（阶段2）逐渐转变为显生宙模式（阶段4）；第4阶段（~380 Ma至近现代）为生物活动活跃的高效P循环。其是一个动态、生物作用主导、区域性特征明显的P循环模式。生物有机P循环速率远超P在水圈与岩石圈内的交换（图1），这极大加强了P循环的效率，也加快了P从水体进入沉积物中的速率；第5阶段（人类世），主要受控于人类活动的P循环过程，矿山开采、畜牧业、以及农业的发展加强了人类向自然的索取，却没有能力将P归还给大地与海洋，导致了自然界P循环的失衡，因此也有学者称现代P循环为“断裂的循环”。
图3 地球P循环的五阶段演化
（a）第1阶段（>2.4 Ga），构造作用控制下的岩石圈P循环，生物与海洋化学环境仅对其有微弱影响；（b）第2阶段（~2.4 Ga至635 Ma），低效率生物磷循环，主要发生在沿海地区，受外部风化物质输入的控制；（c）第3阶段（~635 Ma至380 Ma），过渡阶段，从前寒武纪模式（阶段2）逐渐转变为显生宙模式（阶段4）；（d）第4阶段（~380 Ma至近现代），高效的生物P循环模式，为一个复杂的、动态的、微生物介导的循环过程；（e）第5阶段（人类世），在人类活动影响下的P循环过程
本文综述表明前人所提出的埃迪卡拉纪海洋P循环模式的重组，可能仅仅代表着转变的开始，从元古代（阶段2）的低效模式逐渐过渡为显生宙（阶段4）的高效率模式，这一过渡时期可能持续了250 Myr（阶段3）。另外，新元古代晚期以来，生物与生态环境系统演化所导致的高效P循环的发展，可能是海相沉积型P矿床出现频率和总量骤增的关键性因素。
文章信息：
Jiao, L.X., Dodd, M.S., Algeo, T.J., Li, C., 2023. A Five-stage Evolution of Earth’s Phosphorus Cycle. Acta Geologica Sinica (English Edition), 97(5): 1306-1317.
