2018, Vol. 42
文章信息
- 郭景腾, 李铁刚, 熊志方, 仇晓华, 秦秉斌, 常凤鸣. 2018.
- GUO Jing-teng, LI Tie-gang, XIONG Zhi-fang, QIU Xiao-hua, QIN Bing-bin, CHANG Feng-ming. 2018.
- MIS 6期以来西菲律宾海表层营养物质水平演化及其控制因素:浮游有孔虫Globigerinoides ruber的Cd/Ca证据
- The variations and controls of surface ocean nutrient concentration in the West Philippine Sea since MIS 6:evidence from Cd/Ca in planktonic foraminifera Globigerinoides ruber
- 海洋科学, 42(9): 81-87
- Marine Sciences, 42(9): 81-87.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20180319002
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文章历史
- 收稿日期：2018-03-19
- 修回日期：2018-04-05
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 国家海洋局第一海洋研究所, 山东 青岛 266061;
4. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室, 山东 青岛 266237;
5. 山东省第一地质矿产勘查院, 山东 济南 250014
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China;
4. Laboratory for Marine Geology and Environment, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China;
5. No.1 Institute of Geology and Mineral Resources of Shandong Province, Jinan 250014, China
南极冰芯[1-2]和格陵兰冰芯[3-4]的研究记录表明, 晚第四纪气候变化与大气pCO2息息相关, 而海洋生物泵作用在控制大气CO2含量上发挥关键性作用[5-7], 因此, 关于海洋表层初级生产力演变的研究是古海洋学研究重点[8-10]。为了重建海水古生产力演变, 诸如颗石藻相对丰度[11]、底栖有孔虫堆积速率[12], 底栖有孔虫属种组合[13]以及浮游有孔虫碳同位素[14-15]等古生产力指标应运而生。由于海洋生产力受营养物质水平的强烈影响, 浮游有孔虫n(Cd)/n(Ca)[n(Cd)和n(Ca)分别指示Cd元素和Ca元素的物质的量]等古海洋学指标则可以揭示表层海水营养物质水平或营养物质利用效率[16-17], 为生物泵的运行提供了新的见解, 也为海水在不同时间尺度上的物理循环变化提供了理论依据[18], 因此浮游有孔虫n(Cd)/n(Ca)作为一种重建古营养物质浓度的指标, 近年来得到更多的关注[19, 20]。
有孔虫壳体n(Cd)/n(Ca)应用古海洋学始于20世纪80年代[21]。早期的研究主要集中于底栖有孔虫n(Cd)/n(Ca)揭示过去深层水环流模式[22-23]。在此期间, 室内培养实验探究了浮游有孔虫对海水中Cd的吸收[24]。基于表层海水颗粒形成过程中Cd相对于P以恒定分馏系数(αCd/p=2)的优先吸收, 以及n(Cd)/n(P)和P分布的垂向和纬向相关性, 有孔虫壳体n(Cd)/n(Ca)可作为海水营养物质浓度的替代性指标[16-17]。而浮游有孔虫n(Cd)/n(Ca)又被证明与海水中PO43–的分布一致[25], 并用于探究表层海水营养物质水平的重建[16, 19]。
作为地球气候的热引擎以及地球水文循环的水汽来源, 热带西太平洋在调节全球气候中发挥重要作用[26]。晚更新世以来低纬生物泵作用的研究也表明, 该区域生物生产力在调节大气pCO2上具有关键作用[7]。为了揭示热带西太平洋生物泵作用演变以及影响生物泵作用的模式或可能机制, 已有学者利用有孔虫δ18O和δ13C、n(Mg)/n(Ca)、颗石藻相对丰度以及底栖有孔虫丰度等古海洋学指标对该区域进行了古生产力以及上层水体结构演变的相关研究[5, 10-11, 27]。然而, 这些研究成果较少涉及浮游有孔虫n(Cd)/n(Ca)指标对于古营养物质浓度的指示。为给生物泵作用机制提供新思路以及给营养物质循环提供新证据, 本研究选取了西菲律宾海MD06-3052孔, 测定了该孔浮游有孔虫G. ruber的n(Cd)/n(Ca), 通过该指标对于古营养物质浓度的指示, 进而探究了MIS 6期以来该区域表层营养物质水平演化。研究结合n(Cd)/n(Ca)与陆源物质输入、海水结构以及海洋初级生产力等重建结果[5, 27-28], 从营养物质来源(陆源物质输入、次表层营养物质上涌和成层化)和利用(初级生产力)两方面, 探究影响MIS 6期以来西菲律宾海表层营养物质水平演化的控制因素。
1 材料与方法西菲律宾海MD06-3052岩芯(14°48.6042′N, 123°29.3983′E, 柱长19.48 m, 水深732 m), 是由法国极地研究所“Marion Dufresne”科考船于2006年执行中法国际合作航次IMAGES155航次时使用Calypso活塞式取样器在西菲律宾海吕宋岛外比科尔陆架上取得。该站位位于西太暖池北部边缘、北赤道流向南北分支附近(图 1)。
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| 图 1 西菲律宾海MD06-3052孔站位 Fig. 1 Location of Core MD06-3052 in the West Philippine Sea 注: Ph05-5[5]代表的是对比站位; 底图由在线制图软件ODV(Ocean Data View, http://www.odv.awi.de)完成 Core Ph05-5[5] shown for discussion; Map provided by the online software ODV (Ocean Date View, http://www.odv.awi.de) |
研究以8 cm为间隔选取MD06-3052孔中230个样品进行浮游有孔虫G. ruber的n(Cd)/n(Ca)分析。前期样品的选择和有孔虫挑选在中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室中进行, 后期样品的清洗和测试在同济大学海洋地质国家重点实验室中完成。每个样品取10 g原样, 50℃下烘干, 清水浸泡1~2 d后, 将样品过63 μm铜筛, 样品烘干后用于有孔虫挑选。为了降低有孔虫生长速率或个体发育对壳体地球化学的影响[29-30], 在显微镜下挑选时, 浮游有孔虫G. ruber的壳体粒径限定为250~300 μm。根据测试需求, 每组浮游有孔虫样品20~40枚(0.3~ 0.6 mg)。
有孔虫壳体清洗参考“Cd清洗方法”, 具有还原步骤[29, 31]。利用玻璃板压开有孔虫壳体房室后, 甲醇清洗去黏土、联氨溶液清洗去除金属氧化物、氢氧化钠清除有机质, 显微镜下剔除杂质。然后将壳体碎片样品转移至新离心管并用超纯水清洗, 最后过弱酸淋滤后以备上机测试, 上机测试前, 使用0.15 mol/L的硝酸充分溶解样品。测试仪器为VG-X7型电杆耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)。测试过程中, 每3个样品插入1个标准样品以检验测试结果的可靠性。基于125个标准样品的重复测量, 结果显示n(Cd)/n(Ca)的测试精度(2σ)为1.88%。此外, 为了监测样品的清洗效率, 本研究还探究了浮游有孔虫G. ruber的n(Mn)/n(Ca)[32]。由图 2所示, 浮游有孔虫G. ruber n(Cd)/n(Ca)与n(Mn)/n(Ca)未呈现明显的相关性(相关系数R=0.3), 表明外界污染对本次测试结果的影响可忽略不计。
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| 图 2 MD06-3052孔浮游有孔虫G. ruber n(Cd)/n(Ca)与n(Mn)/n(Ca)的对比 Fig. 2 Correlation between n(Cd)/n(Ca) and n(Mn)/n(Ca) of G. ruber shell after cleaning in Core MD06-3052 |
西菲律宾海MD06-3052孔的年龄模型根据Qiu等[33]研究成果, 该孔底部年龄为155 ka, 平均沉积速率为12.5 cm/ka, 其所测该孔浮游有孔虫G. ruber氧同位素(δ18O)曲线具有明显的冰期-间冰期变化趋势(图 3a)。MD06-3052孔MIS 6期以来浮游有孔虫G. ruber n(Cd)/n(Ca)波动范围在0~0.043 μmol/mol、变化趋势明显(图 3b)。n(Cd)/n(Ca)在MIS 2期、MIS 5e期以及MIS 6晚期均呈现高值, MIS 6/5冰消期呈现明显低值, MIS 4期出现最小值。与氧同位素曲线相似, n(Cd)/n(Ca)曲线在MIS 6期也呈现上升趋势, 但n(Cd)/n(Ca)在MIS 6晚期呈现明显高值。与氧同位素曲线在MIS 6/5冰消期下降趋势不同的是, n(Cd)/n(Ca)曲线在该时期出现谷值。MIS 5e期至MIS 4期, 浮游有孔虫G. ruber的氧同位素曲线与n(Cd)/n(Ca)曲线呈现明显相反的趋势, 且在MIS 5e期和MIS 4期均出现极值。随后, 在MIS 3期, 氧同位素曲线与n(Cd)/n(Ca)曲线呈现先上升后下降的同步趋势, 但氧同位素曲线的变化趋势相对n(Cd)/n(Ca)曲线更明显。尽管在MIS 2期两者均呈现峰值, 但在全新世两者又呈现出相反的变化趋势。
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| 图 3 MD06-3052孔浮游有孔虫G. ruber n(Cd)/n(Ca)变化与研究区营养物质来源和利用状况替代性指标变化对比 Fig. 3 Comparison between G. ruber n(Cd)/n(Ca) from core MD06-3052 and the proxies on nutrient contribution and utilization in the study area a. MD06-3052孔浮游有孔虫G. ruber δ18O[33]; b. n(Cd)/n(Ca), 离散点指示异常数据点; c, d.分别为MD06-3052孔沉积物MAR和ω(Ti)/ω(Ca), 两者的指示区域陆源物质输入量[28]; e, f.分别为Ph05-5孔的DOT和初级生产力[5]; MIS为深海氧同位素阶段; 灰色条带部分表示冷期 a. G. ruber δ18O data in Core MD06-3052[33]; b. n(Cd)/n(Ca), abnormal data set were shown as discrete points; c and d. are MAR and ω(Ti)/ω(Ca) of sediment in core MD06-3052, respectively, indicating inputs of the regional terrigenous materials[28]; e and f. are DOT primary productivity from core Ph05-5, respectively[5]; MIS means marine isotope stages; Grey bars indicate cold periods |
大气pCO2在晚第四纪具有明显的冰期间冰期变化[2], 其变化趋势受到包括生物泵作用在内的很多因素影响[5-6, 19, 34]。古营养物质浓度重建可为探究生物泵作用和营养物质循环提供新证据。浮游有孔虫壳体n(Cd)/n(Ca)可以用来重建过去表层海水营养物质水平, 具体来说, 浮游有孔虫n(Cd)/n(Ca)越高(或越低), 即表明该时期表层海水营养物质浓度越高(或越低)[16-17, 35]。另外, 表层海水营养物质浓度的演化可能会受到诸如陆源物质输入[36-37]、海水结构[5](次表层海水上涌或海水成层化)以及初级生产力[11, 27]等因素影响。
Sr-Nd同位素数据表明, MIS 6期以来MD06- 3052孔所在区域陆源物质的主要来源为吕宋岛(≈68%~ 100%), 亚洲风尘贡献较少(≈0%~32%)[28], 这与第四纪中晚期吕宋岛是西菲律宾海的重要物源区结论一致[38-39]。因此, MD06-3052孔沉积物陆源物质堆积速率(MAR)和ω(Ti)/ω(Ca)[ω(Ti)和ω(Ca)分别指示的是Ti元素和生物成因的Ca元素所占的质量分数]的高值表明MIS 6期以及MIS 2—3期研究区吕宋岛来源的河流陆源物质输入增多(图 3c和d)[28], 即表示该时期研究区陆源营养物质输入增高。
研究区温跃层深度(DOT)在MIS 6晚期相对于中期变深且达到稳定(图 3e), 表明MIS 6晚期研究区上层水体混合作用减弱, 次表层营养物质上涌相对MIS 6中期受到阻碍, 该时期研究区初级生产力也逐渐降低(图 3f)。由此推断, MIS 6晚期研究区浮游有孔虫G. ruber n(Cd)/n(Ca)呈现明显峰值可能是由吕宋岛来源的陆源物质输入导致。
研究区DOT在MIS 3早期比较稳定, 而在MIS 3晚期则明显变浅(图 3e), 即表明MIS 3晚期研究区上层水体混合作用较强, 次表层营养物质可上涌至表层。与此同时, 研究区初级生产力在MIS 3期逐渐升高, 并在MIS 3晚期达到最高值(图 3f), 即表明营养物质利用在MIS 3晚期也达到最大。对比浮游有孔虫G. ruber n(Cd)/n(Ca)在MIS 3期呈现先升高后降低的趋势(图 3b)以及该时期营养物质的来源和利用信息可知, MIS 3早期研究区浮游有孔虫G. ruber n(Cd)/n(Ca)的升高主要由陆源物质输入引起(MAR相对高值, DOT和初级生产力变化不明显), 而在MIS 3晚期, 尽管陆源物质输入量大[MAR和ω(Ti)/ω(Ca)均呈现高值]、次表层营养物质上涌(DOT变浅), 但初级生产力对于营养物质的利用量大于前两者营养物质输入量之和, 最终导致研究区浮游有孔虫G. ruber n(Cd)/n(Ca)在MIS 3晚期呈现逐渐降低的趋势。
MIS 2期, 研究区DOT再次变深(图 3e), 表明该时期次表层营养物质的输入较少, 而初级生产力的消耗趋于平缓(图 3f), 因此, MIS 2期研究区浮游有孔虫G. ruber n(Cd)/n(Ca)的高值则主要由陆源物质引起。
在末二次冰消期(MIS 6/5)期间, 海平面升高迅速[40], 导致研究区大陆架埋没, 陆源物质在陆架堆积, 陆坡地区(研究区)MAR出现低值(图 3c)。ω(Ti)/ω(Ca)出现明显下降趋势(图 3d), 反映的吕宋岛源区陆源物质输入量突然降低, 但此时研究区DOT仍然稳定在MIS 6晚期水平, 表明次表层营养物质上涌受到阻碍。因此形成研究区营养物质来源短期不足局面, 浮游有孔虫G. ruber n(Cd)/n(Ca)在MIS 6/5冰消期呈现低值(图 3b)。
而在MIS 5e期间, 尽管研究区ω(Ti)/ω(Ca)变化不大, 但MAR却呈现高值(图 3c), 即研究区陆源物质输入在该时期可能增多。同时研究区DOT到达了MIS 6期以来的最深处(图 3e), 即表明该时期上层水体混合作用最弱, 成层化作用增强, 阻止了次表层海水营养物质的上涌。研究区初级生产力在MIS 5e期也出现MIS 6期以来的最低值(图f), 表明该时期营养物质的利用量也达到了最低。因此, 由陆源物质输入增多导致的营养物来源量增多, 而营养物利用量却达到最低, 导致了MIS 5e期研究区浮游有孔虫G. ruber n(Cd)/n(Ca)出现高值。
此外, MIS 4—5d期, 研究区浮游有孔虫G. ruber n(Cd)/n(Ca)呈现下降的趋势, 并在MIS 4期出现最低值(图 3b)。相较而言, 研究区MAR和ω(Ti)/ω(Ca)在MIS 4—5d期均呈现稳定低值(图 3c和d), 即该时期吕宋岛源区的陆源物质输入较低。而研究区的DOT同样也呈现稳定深度, 其水深与MIS 6晚期近乎持平(图 3e)。虽相对于MIS 5e期已经变浅, 但仍深于MIS 3晚期和MIS 6中期, 即表明研究区在MIS 4—5d期相对于MIS 5e期上层水体混合作用增强, 次表层营养物质虽有上涌但仍受到阻碍。然而, 研究区初级生产力在MIS 4—5d期则逐渐升高(图 3f), 即营养物质利用量升高。由此推断, MIS 4—5d期研究区浮游有孔虫G. ruber n(Cd)/n(Ca)的逐渐下降主要受初级生产力对于营养物质的消耗所控制。
4 结论西菲律宾海MD06-3052孔浮游有孔虫G. ruber的n(Cd)/n(Ca)与陆源物质输入状况、海水结构以及初级生产力等重建结果对比, 揭示了MIS 6期以来不同时期影响西菲律宾海表层营养物质水平演化的主导因素。研究显示, 不同时期浮游有孔虫G. ruber n(Cd)/n(Ca)所反应的受控因素不同, 为了获得更为准确的研究结果, 需要从营养物质来源(陆源物质输入、次表层上涌和层化)和利用(初级生产力)两方面因素对其加以考虑。
除MIS 3晚期外, MIS 6期和MIS 2—3期研究区浮游有孔虫G. ruber n(Cd)/n(Ca)的升高主要由陆源物质引起, 而在MIS 3晚期, 初级生产力对于营养物质的利用量大于陆源物质和次表层营养物质对于营养物质的输入量, 最终导致n(Cd)/n(Ca)在该时期呈现逐渐降低的趋势。
MIS 6/5冰消期, 研究区营养物质来源不足, 致使浮游有孔虫G. ruber n(Cd)/n(Ca)在该时期呈现低值。而在MIS 5e期, 研究区陆源物质输入增多, 使研究区浮游有孔虫G. ruber n(Cd)/n(Ca)又呈现高值。此外, MIS 4—5d期研究区浮游有孔虫G. ruber n(Cd)/n(Ca)的逐渐下降主要受初级生产力对于营养物质的消耗所控制。
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