摘要 摘要 根據(jù)南海北部( s c s - n ) 、南海中部( s c s c ) 、呂宋岸外( s c s - n e 2 ) 及越 南岸外( s c s s w i ) 時(shí)間系列的捕獲器資料，對“南海沉降顆粒物的生物地球化 學(xué)過程及其古環(huán)境意義 這一命題作了初步探索。主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：( 1 ) 南海顆粒通量和“生物泵結(jié)構(gòu)的控制因素；( 2 ) 現(xiàn)代過程對部分地球化學(xué)古環(huán) 境參數(shù)的改造。所取得的主要結(jié)果分以下三大部分。 ( 1 ) 在陸架以外的深海區(qū)，南海顆粒物年平均通量在1 0 0m gm - 2d 1 左右， 其空間變化從大到小依此為s c s s w i s c s - n e 2 s c s - n s c s c 。在季節(jié)變化上， 顆粒通量受季風(fēng)控制比較明顯，高值主要出現(xiàn)在冬季或夏季；在年際變化上，e 1 n i f i o 暖事可以使通量減小2 0 。顆粒通量除了在少數(shù)時(shí)段上下變化比較一致外， 大多數(shù)時(shí)侯上下變化并不一致，并經(jīng)常出現(xiàn)下層通量反而比上層高的情況，這主 要是由于水平流引起的顆粒物側(cè)向運(yùn)動比較頻繁造成。沉降顆粒主要以生源物質(zhì) 為主，生源物質(zhì)巖屑的比值依此為s c s c s c s - n e 2 s c s n s c s s w i 。在南海 中部，生源物質(zhì)一般在8 0 以上。生源顆粒中，鈣質(zhì)生物和硅質(zhì)生物大致相當(dāng)， 表明在南海“碳酸鹽泵 和“硅質(zhì)泵 具有同等重要的地位?！吧锉谩苯M成結(jié)構(gòu) 的時(shí)空變化并沒有明顯的季節(jié)性變化，但上升流區(qū)比非上升流區(qū)可能更有利于硅 質(zhì)生物的生長。在e 1n i f l o 影響年，碳酸鈣蛋白石比值有明顯的升高，表明暖事 件可以抑制硅質(zhì)生物的生長。南海作為典型的熱帶寡營養(yǎng)海，季風(fēng)一上升流一營 養(yǎng)鹽供應(yīng)和限制風(fēng)塵物質(zhì)的觸發(fā)一生物地球化學(xué)響應(yīng)是一個(gè)比較典型的顆粒通 量和“生物泵一結(jié)構(gòu)控制過程，值得進(jìn)一步研究。 ( 2 ) 南海初級生產(chǎn)力中僅有i - 2 進(jìn)入深海水柱。而在深海沉積物中積累的 有機(jī)碳僅占0 2 6 以下，顆粒有機(jī)物通量改變主要發(fā)生在表層到1 0 0 0 m 以及底層 海水與沉積物界面之間，而在中下水層( 1 0 0 0 m - 3 7 5 0 m ) 變化較小。南?！吧锉?效率大約是同為季風(fēng)影響區(qū)的西阿拉伯海的l 3 ，沉積有機(jī)碳的保存效率低一個(gè) 數(shù)量級，這可能與南海初級生產(chǎn)力與前者相比要低，同時(shí)南海深層水的更新速率 較快( 底部不容易形成低氧環(huán)境) 有關(guān)。由于南海初級生產(chǎn)力較低，顆粒有機(jī)物 通量隨水深減小的關(guān)系式( m a r t i n 曲線) 可能會因?yàn)轭w粒沉降速率、生物泵組成 結(jié)構(gòu)、顆粒物側(cè)向運(yùn)動等因素而失效。在顆粒物沉降到沉積物過程中，有機(jī)質(zhì)的 選擇性降解可能會影響有機(jī)地球化學(xué)的一些整體指標(biāo)( 如有機(jī)碳、氮同位素) 示 蹤的有效性。從顆粒物到沉積物，碳酸鈣、蛋白石通量損失7 2 9 5 ，其變化主要 發(fā)生于深層捕獲器與沉降物之間。另外，無論南海中部還是北部，水柱巖源物質(zhì) 摘要 通量反而小于全新世的沉積物積累率，表明南海海洋底部霧狀層在重力流、等深 流作用下引起的沉積物異地搬運(yùn)是比較常見的。這種異地搬運(yùn)作用對于古環(huán)境信 號( 如有機(jī)碳古生產(chǎn)力指標(biāo)) 在沉積物中的保存可能會有一定影響。 ( 3 ) 通過考察表層沉積有機(jī)碳、綠素、生物硅與上層海洋上升流、生產(chǎn)力 等的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，沉積有機(jī)碳含量高值與三個(gè)傳統(tǒng)意義上的上升流區(qū)有比較好的對 應(yīng)，表明其是比較好的古生產(chǎn)力指標(biāo)，但對于寡營養(yǎng)、低生產(chǎn)力，而且碳酸鹽溶 解作用、陸地稀釋作用影響明顯的南海，綠素、生物硅并不是好的古生產(chǎn)力指標(biāo)。 但這也不排除在某些海域( 如水深不大、沉積速率高且穩(wěn)定、有機(jī)質(zhì)保存較好) 利用通一鉆孔的相關(guān)參數(shù)反映古生產(chǎn)力的可能性。沉降顆粒物中的u k 3 7 信號與表 層衛(wèi)星估算的s s t 在大多數(shù)時(shí)段不一致，在同一時(shí)段，上、下層位間也有很大的 不同，這主要是由于顆粒物質(zhì)的側(cè)向運(yùn)動所引起；此外，顆石藻的生長季節(jié)、層 位( 水深) 的不一致也能引起上述不一致：沉降過程中u k 3 7 指數(shù)并沒有引起明顯 的改變，表明南海降解過程對u k 3 7 溫度估算影響較?。弘m然沉降顆粒物的u k 3 7 溫度信號與實(shí)測或遙感s s t 不一致，但表層沉積物u k 3 7 的分析結(jié)果再次證實(shí)了 u k 3 7 溫度與上層多年平均的實(shí)測溫度有較好的相關(guān)性，這表明沉積物( 代表幾十 一幾百年) 實(shí)際上對短時(shí)間和空間尺度的差異進(jìn)行了“平滑，也就是說，局部 的差異并不與全局的趨勢相矛盾。在南海顆粒物沉降過程中，c n 比呈增大趨勢， 這主要是由于早期降解過程中由于有機(jī)質(zhì)的選擇性降解作用所致；沉積碳同位素 分布表明，陸源有機(jī)碳的輸入( 6 1 3 輕值) 主要出現(xiàn)在海盆周邊的海域，尤其是 珠江1 ：3 、巽他陸架、湄公河1 3 及南海東北部，而在海盆的中央，沉積有機(jī)質(zhì)6 c 較重，表明有機(jī)質(zhì)主要是海洋自身來源：顆粒物中的有機(jī)質(zhì)6 1 3 c “異?？赡苁?由于人類活動引起的p c 0 2 升高引起。南海沉降顆粒6 1 5 n 大約在1 4 3 2 之間變 化，比其次表層中層的源水北太平洋中層水( n p r w ) 低2 左右，這很可能 是由于浮游植物對7 5 m 層上下營養(yǎng)鹽的不完全利用所致；沉降顆粒6 1 n 比沉積物 的結(jié)果要低2 左右，這是由有機(jī)質(zhì)的選擇性降解作用引起；表層沉積物6 1 ，n 在 巽他陸架和湄公河口也有比較低的值，這與現(xiàn)代海洋這些地區(qū)常常發(fā)育上升流一 致，表沉積物6 1 5 n 低值很可能可以作為南海上升流的一個(gè)指標(biāo)。 關(guān)鍵詞：沉降顆粒，生物泵，古環(huán)境參數(shù)，垂向變化，南海 h a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h et o p i co f b i o g e o c h e m i c a lp r o c e s so fp a r t i c l es e t t l e m e n ti nt h e s o u t hc h i n as e aa n di t ss i g n i f i c a n c ef o rp a l e o e n v i r o n m e n ts t u d i e s w a sd i s c u s s e d b a s e do nr e s u l t sf r o mt i m e - s e r i e ss e d i m e n tt r a pe x p e r i m e n t si nt h en o r t h e r ns o u t h c h i n as e a ( s c s - n ) ，c e n t r a ls o u t hc h i n as e a ( s c s c ) ，s o u t h w e s ts o u t hc h i n as e a ( s c s s wi ) a n dn o r t h e a s ts o u t hc h i n as e a ( s c s j 巳2 ) ，w h i c hw e r ec a r r i e do u ti o i n t l y b e t w e e nt h es e c o n di n s t i t u t eo fo c e a n o g r a p h y , s o aa n dt h eu n i v e r s i t yo fh a m b u r g ， g e r m a n y t w os c i e n t i f i cq u e s t i o n sa r ef o c u s e d ：( 1 ) f a c t o r sc o n t r o l l i n gt h ec o m p o s i t i o n o f “b i o l o g i c a lp u m p ”i nt h es c s ；a n d ( 2 ) h o wm o d e r np r o c e s s e sa f f e c tg e o c h e m i c a l p a l e o p r o x i e si nt h es c s 1 1 圮r e s u l t si n c l u d et h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： ( 1 ) 1 1 塢a n n u a lt o t a lf l u xw a sa b o u t10 0m gm 吖d - 1i nt h ed c e ps c s ，t h es p a t i a l v a r i a t i o no r d e ro ft h et c i t a lf l u xw a sd i s t i n g u i s h e da ss c s s w i s c s - n e 2 s c s - n s c s - c h i g h e rf l u x e sa p p e a r e di nw i n t e ro rs u m m e r , s u g g e s t i n gt h ep a r t i c l e f l u xi nt h es c si sc o n t r o l l e db ym o n s o o n s w h i l et h eeln i 矗0e v e n tc o u l dr e d u c ef l u x t oa b o u t2 0 t h e r ew a sd e c o u p l i n go fp a r t i c l ef l u xb e t w e e nu p p e ra n dd e e pt r a p s ，a n d f u r t h e rm o r e ，s o m et i m e sd c e pt r a pc o l l e c t e dm o r ef l u xt h a ns h a l l o w e rt r a p sd u r i n gt h e s a m ep e r i o d ss u g g e s t i n gt h a ta d v e c f i o nw a st h em a i nr e a s o nf o rt h i sp h e n o m e n o n b i o g e n i cm a t e r i a lo c c u p i e dt h em a i np a r to fb u l kp a r t i c l e sc o l l e c t e d ，u pt o8 0 ，a n d t h er a t i oo fb i o g e n i cm a t t e r l i t h o g e n i cm a t t e rs h o w ss u c ha no r d e r ：s c s c s c s - n e 2 s c s - n s c s s w1 c a r b o n a t ep a r t i c l e sw a se q u i v a l e n tt oo p a li nt h eb i o g e n i c m a t t e rw h i c hm e a n st h a t c a r b o n a t ep u m p a n d s i l i c ap u m p a r ee q u a l l yi m p o r t a n ti n t h et o t a l “b i o l o g i c a lp u m p i nt h es c s t h e r ew a sn os i g n i f i c a n ts e a s o n a lv a r i a t i o n si n t h e b i o l o g i c a lp u m p s t r u c t u r e a l t h o u g hu p w e l l i n ga r e aw a sp r e d o m i n a t e db y “s i l i c a p u m p ”c o m p a r e dw i t hn o n - u p w e l l i n ga r e a s ，t h e “s i l i c ap u m p c o u l db es u p p r e s s e di n w a r m e reln i f i oy e a r s a si na no l i g o t r o p h i cm a r g i n a ls e a , t h es e q u e n c eo fm o n s o o n u p w e l l i n g n u t r i e n ts u p p l y ( 1 i m i t a t i o n ) - d u s tt r i g g e r - b i o g e o c h e r n i c a lr e s p o n s ei st h e t y p i c a l b i o l o g i c a lp u m p ”p r o c e s s w h i c hw a sw o r t hf u r t h e rs t u d i e si nt h ef u t u r e ( 2 ) o n l ya b o u t1 2 o fp r i m a r yp r o d u c t i o n ( p p ) s a n ki n t ot h ed e e ps c s ，a n dl e s s t h a n0 2 6 o fp pc o u l du l t i m a t e l yb ep r e s e r v e d 雛s e d i m e n t s r e m i n e r a l i z a t i o na n d d i s s o l u t i o no fb i o g e n i cm a t t e ra sw e l la sc o m p o s i t i o n a la l t e r a t i o n so fo r g a n i cm a t t e r m i x t u r e sa p p e a rt oh a v et a k e np l a c em a i n l yi nt h eu p p e rl a y e ro fw a t e rc o l u m na n da t s e d i m e n t w a t e ri n t e r f a c e s ，r a t h e rt h a ni nm i d - w a t e r sb e t w e e n10 0 0 m 3 7 5 0 m d u et o l o w e rp pa n df a s t e rt u r n o v e rr a t ei nd e e pw a t e r s ，t h eb i o l o g i c a lp u m pe f f i c i e n c yi nt h e s c sw a sa b o u t1 3o ft h a ti nt h ea r a b i a ns e a 1 r i 圮m a r t i nc u r v eo fp o cf l u xw i t l l d e p t hw o u l db en u l lb e c , a u s co fl o wp pa n da d v e c t i o no fp a r t i c u l a t em a t t e r s e l e c t i v e d e c o m p o s i t i o no fo r g a n i cm a t t e rd u r i n gs e t t l i n ga n ds e d i m e n t a t i o no fp a r t i c l e sw o u l d a b s t r a c t a f f e c tr e l i a b i l i t yo fs o m eb u l kp a l e o - p r o x i e ss u c h 鵲6 ”c 0 f ga n d6 1 1 ks e d i m e n t a c c u m u l a t i o nr a t eo fl i t h o g e n i cm a t t e rw a sh i g h e rt h a nw a t e rc o l u m nl i t h o g e n i cf u x s u g g e s t i n gt h a tn e a rb o t t o mt r a n s p o r t a t i o ns u c h 鵲n e p h e o i dw a sq u i t ef r e q u e n ti nt h e s c s ，a n dt h i sp h e n o m e n o nm a ya f f e c ts e d i m e n to r g a n i cc a r b o na c c u m u l a t i o nt ob e u s e da sa p a l e o - p r o d u c t i o np r o x y ( p a l e o p p ) ( 3 ) c o m p a r i s o n sb e t w e e ns e d i m e n t a r yo r g a n i cc a r b o n ，c h l o r i n ea n do p a l ，a n dt h e u p w e l l i n ga r e aa n du p p e rl a y e rp pi n d i c a t et h a to r g a n i cc a r b o ni sag o o dp a l e o p p ，b u t c h l o r i n ea n do p a la r en o tb e c a u s es e d i m e n t a r yb i o g e n i cc o m p o n e n ti ss t r o n g l ya f f e c t e d b yc a r b o n a t ed i s s o l u t i o na n dl i t h o g e n i cd i l u t i o ni nt h i so l i g o t r o p h i c 1 0 wp pm a r g i n a l s e a e x c e p t i o n sm a yb ef o u n di na r e a sw i t har e l a t i v es h a l l o ww a t e rd e p t h ，s t a b l e s e d i m e n t a t i o nr a t ea n dg o o do r g a n i cm a t e rp r e s e r v a t i o n , w h e r ec h l o r i n ea n do p a lc o u l d a l s ob eu s e da sg o o dp a l e o p pp r o x i e s i nm o s tc a s e s ，s e as u r f a c et e m p e r a t u r e ( s s t ) m e a s u r e db yu k 3 7i ns e t t l i n gp a r t i c u l a t em a t t e rd i f f e r sf r o mt h eu p p e rl a y e rr e m o t e s e n s i n gd a t a , a n dt h e r ew a sa l s od e c o u p l i n go fp a r t i c u l a t em a t t e ru 、7s i g n a l sb e t w e e n u p p e ra n dd e e pt r a p sd u r i n gt h es a m ep e r i o d s ，a l la t t r i b u t a b l et ot h ea d v e c f i o no f p a r t i c l e s o nt h eo t h e rh a n d , t h ev a r i a t i o no fc o c c o l i t hb l o o ms e a s o na sw e l la st h e i r l i v i n gd e p t hf l u c t u a t i o ni nt h ee u p h o t i cl a y e rc o u l dh a v ea l s oa c c o u n t e df o rt h i s p h e n o m e n o n t h e r ew a sn os i g n i f i c a n tc h a n g eo fu k 3 7i n d e xd u r i n gp a r t i c l es e t t l i n gi n t h ew a t e rc o l u m n a l t h o u g hu 匕7t e m p e r a t u r ed e r i v e df r o ms e t t l i n gp a r t i c l e sd i s a g r e e s w i t hr e m o t es e n s i n gs s t ag o o dc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h es e d i m e n tu 、7t e m p e r a t u r e a n dt h ea n n u a la v e r a g et e m p e r a t u r ef r o mt h eu p p e rl a y e r ( 3 0 m ) i nt h es c sc o n f i r m s t h ee m p i r i c a ll i n e a rc u r v eo fu 、7a n ds s t ，a n ds u g g e s t st h a tal o n gt e r ms e d i m e n t r e c o r d ( d e c a d a lt om i l l e n n i a l ) m a ys m o o t ht h es h o r tt e r mf l u c t u a t i o n so fe n v i r o n m e n t s i g n a l s n l ei n c r e a s i n go fc nr a t i of r o mw a t e rc o l u m np a r t i c l e st os e d i m e n tc a nb e a t t r i b u t e dt os e l e c t i v ed e c o m p o s i t i o n 1 1 磚d i s t r i b u t i o no f6 c 咖i ns u r f a c es e d i m e n t s ， w h i c hi n d i c a t e sm o r eo r g a n i cm a t t e ri nt h es h a l l o wa r e at h a ni nt h ed e e ps e ab a s i n , w a s a f f e c t e db yt e r r i g e n o u si n p u t ，e s p e c i a l l yi na r e a sn e a rt h ep e a r lr i v e re s t u a r y , n o r t h - e a s tc o r n e ro ft h es c s t h em e k o n gr i v e rd e l t aa n ds u n d as h e l f n l e a b n o r m a l l yl i g h t6 c 啷i nt h e s ea r e a sl i k e l yr e s u l t e df r o mr a p i d l yi n c r e a s i n gp c 0 2d u e t or e c e n th u m a na c t i v i t i e s ，w h i l et h el o w6 1 n 魄c o m p a r e dw i t ht h en i t r a t er e c o r di n t h en o r t hp a c i f i ci n t e r m e d i a t ew r a t e l w a sd u et oi n c o m p l e t en i t r a t eu t i l i z a t i o na t a r o u n d7 5 mw a t e rd e p t hi nt h es c sw i t hs e l e c t i v ed e g r a d a t i o na c c o u n t e df o r2 o 6 1 i n c r e a s e ml o w6 n 啷c o n t e n tr e c o r d e df r o ms o m eu p w e l l i n g a r e a ss u g g e s t s i tc a nb eu s e d 嬲ag o o di n d i c a t o ro fu p w e l l i n gi nt h es c s k e y w o r d s ：s e t t l i n gp a r t i c u l a t em a t t e r , b i o l o g i c a lp u m pc o m p o s i t i o n , p a l e o - p r o x i e s w a t e rc o l u m nv e r t i c a lc h a n g e ，s o u t hc h i n as e a n 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解同濟(jì)大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意如下各項(xiàng)內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版 本；學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、 掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供 本學(xué)位論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有 關(guān)部門或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以贏利為目的的前 提下，學(xué)校可以適當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部內(nèi)容用于學(xué)術(shù)活動。 學(xué)位論文作者簽名： 年月 日 經(jīng)指導(dǎo)教師同意，本學(xué)位論文屬于保密，在年解密后適用 本授權(quán)書。 指導(dǎo)教師簽名：學(xué)位論文作者簽名： 年 月日年月 日 同濟(jì)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，進(jìn)行 研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文 的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的 作品的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集 體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任 由本人承擔(dān)。 簽名： 年月日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 大洋碳循環(huán)和“生物泵” 人類活動使溫室氣體c 0 2 升高是導(dǎo)致全球氣候變暖的重要原因，這是眾所周 知的。但地質(zhì)歷史上碳循環(huán)的變化在全球氣候演變中的驅(qū)動作用直到最近才被人 關(guān)注( s h a c k l e t o n , 2 0 0 0 ；汪品先，2 0 0 2 ) 。地球氣候變遷是和生物地球化學(xué)過程的 改變交織在一起。如冰期一間冰期的轉(zhuǎn)變以及疊加在其上的快速突變事件，都是 通過海洋三維空間的洋流改組和地球內(nèi)部的生物地球化學(xué)過程演變來實(shí)現(xiàn)的：由 于海冰形成過程而變重的兩極表層海水帶著大氣c 0 2 ，從極地下沉至洋底，然后 由高緯流向各個(gè)大洋，之后，經(jīng)過曲折的途徑最終以上升流等形式返回表層：同 時(shí)，表層海水又在風(fēng)的驅(qū)動下由低緯海域流向極地，人們形象地把這一過程稱為 “大洋傳送帶”。這種大洋“血液循環(huán)系統(tǒng) 在承擔(dān)高低緯度之間能量傳輸與循 環(huán)的同時(shí)，也在很大程度上決定著以碳為核心的海洋生物地球化學(xué)過程。疊加在 這全球性的對流格局之上的種種區(qū)域性和短周期現(xiàn)象( 如厄爾尼諾) ，也影響著 全大洋碳的收支平衡?，F(xiàn)在，越來越多的證據(jù)表明，海洋碳循環(huán)對軌道驅(qū)動的響 應(yīng)及反饋，是理解第四紀(jì)氣候旋回機(jī)理一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)( w a n ge ta 1 ，2 0 0 4 ) 。 海洋碳循環(huán)主要受兩個(gè)過程所控制：一是“生物泵 ，主要控制著包括有機(jī) 碳在內(nèi)的生源顆粒的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化、溶解( 降解) 和向深海的輸出；二是“物理泵 ， 主要是指由于深層水形成而引起的c 0 2 向下輸運(yùn)以及由于上升流引起的c 0 2 向上 溢出( 排氣作用) 。海洋碳的源匯過程主要是這兩個(gè)過程的凈效應(yīng)。2 0 0 3 年結(jié)束 的j g o f s 計(jì)劃的一個(gè)重要成就是初步揭示了全球海洋對大氣c 0 2 而言哪些海域 是“呼”( 碳源) ，哪些海域是“吸 ( 碳匯) 。在正常的年份，大氣c 0 2 的主要匯區(qū) 在北大西洋和兩極地區(qū)，因?yàn)槟抢镌谏顚踊虻讓铀纬蓵r(shí)，不僅可以通過“物理 泵 過程把大氣c 0 2 “泵 入海底，而且由于生產(chǎn)力較高，“生物泵一過程也比 較明顯；而在赤道太平洋，盡管上升流也帶來營養(yǎng)鹽。但由于缺鐵使“生物泵” 得到遏制，而強(qiáng)烈的上升流帶來的富含c 0 2 的水在突然增高的溫度下釋放c 0 2 ， 從而使赤道太平洋成為大氣c 0 2 的主要源區(qū)( 圖1 1 ；t a k a h a s h ie ta 1 ，2 0 0 2 ) 。 第1 章引言 n e lf l u x ( m o i e e c 0 7 mo y 曲r j - 圈卜l 全球海洋每年c 的凈通量( 紅色表示源，紫色表示，t a k a l l a s h ie t a l _ 2 0 0 2 ) 但地球系統(tǒng)的微小擾動均可能使海洋對大氣c 0 2 的正?！昂簟薄ⅰ拔碑a(chǎn)生干 擾。如e n s o 循環(huán)就可以改變這種狀況，在e 1 n i i t o 年，由于暖水東移減弱的 風(fēng)場和減少的上升流可以使赤道太平洋表層水向大氣釋放的c 0 2 減少5 0 ( j g o f s - i g b p ，2 0 0 1 ) 。不僅如此，e n s o 循環(huán)也可以改變熱帶地區(qū)的表層環(huán)流 系統(tǒng)和陸地向海洋的淡水和營養(yǎng)物質(zhì)輸入，從而改變海洋生物地球化學(xué)過程驅(qū)動 的“生物泵”過程( i t t e k k o t 2 0 0 4 ) 。 海洋“生物泵”過程是理解海洋碳循環(huán)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而光合作用則是生 物泵過程的起點(diǎn)。光合作用主要把溶解無機(jī)碳和氮、磷、硅等營養(yǎng)鹽等按照一定 的比例( r e d f i e l d 髓缸1 9 6 3 ) 轉(zhuǎn)化成浮游植物，由此形成魄級群落和向下沉降的 生源顆粒物質(zhì)。全球約有一半的生產(chǎn)力發(fā)生在海洋，海洋中的光臺生物被稱作“無 形的森林”。如果投有光合作用，大氣c 0 2 濃度將會超過1 0 0 0 p p m ：如果海洋生 物泵過程得以充分運(yùn)作，大氣c 0 2 水平可以降到1 l o p p m ( h o u g h t o n ，2 0 0 1 ： f a i k o w s 2 0 0 2 ) 。光合作用主要的控制因素是光、營養(yǎng)物質(zhì)和溫度等環(huán)境參數(shù)。 對于熱帶海洋麗言，光和溫度一般不會成為生物生長的限制性因襲，因此t “生 物泵”過程主要取決于上層營養(yǎng)鹽動力學(xué)過程( k a r l 2 0 0 2 ；w ue ta 1 2 0 0 0 ) 。抉 言之，營養(yǎng)鹽的存量、補(bǔ)充、組成比例及其制約關(guān)系在很大程度上控制了海洋初 第l 章引言 級生產(chǎn)力及生物群落的發(fā)展，進(jìn)而影響海洋上層“生物泵 所輸送的碳和其他生 源物質(zhì)的生物地球化學(xué)通量。 目前，了解海洋“生物泵 過程最有力的武器是沉積物捕獲器。剛剛結(jié)束的 j g o f s 計(jì)劃的觀測表明，沉降顆粒通量呈現(xiàn)強(qiáng)烈的季節(jié)和年際變化，每年通量往 往集中于某幾個(gè)月，主要由突發(fā)性的事件控制( j g o f s - i g b p ，2 0 0 1 ) 。其中一個(gè) 典型例子是季風(fēng)對北印度洋“生物泵”強(qiáng)度的調(diào)控作用，季風(fēng)盛行期顆粒通量的增 加主要是因?yàn)閺?qiáng)風(fēng)把深層的營養(yǎng)鹽輸送到表層和同期由于季風(fēng)引起的河流淡水 輸入的增加引起的( n a i re ta l 。，1 9 8 9 ；i t t e k k o te ta 1 ，1 9 9 1 ) 。b u e s s e l e re ta 1 ( 2 0 0 t ) 利用2 3 葉h 尸3 8 u 不平衡法測量了阿拉伯海顆粒物的清除過程，發(fā)現(xiàn)在季風(fēng)盛行期 上層水體2 3 4 1 1 1 很低，而在季風(fēng)間期2 3 8 u 相對較高，表明季風(fēng)使向下的顆粒通量 增加。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，上升流帶來的豐富的營養(yǎng)鹽不僅使得浮游生物的生產(chǎn) 力提高，而且生物群落也由原來以較小的生物為主，變成了個(gè)體較大的浮游生物， 這種生物群落向大“顆粒 的轉(zhuǎn)換，提高了生物泵傳遞效率，從而有較高的顆粒 物質(zhì)通量和“生物泵 輸出效率。除季風(fēng)外，e n s o 事件也會引起某些海區(qū)生物 泵過程的改變。在e 1n i f i o 年，由于西太的暖水東移，在減弱赤道太平洋表層水 向大氣少釋放的c 0 2 的同時(shí)，也減弱了赤道東太平洋和美洲沿岸的上升流系統(tǒng)， 從而使得“生物泵 的作用減弱( j g o f s i g b p ，2 0 0 1 ) 。i t t e k k o t ( 2 0 0 4 ) 通過對 南爪哇上升流區(qū)時(shí)間系列沉積物捕獲器及現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，在l an i f i a e 1n i f l 6 的轉(zhuǎn) 換過程中，該上升流系統(tǒng)的c 0 2 源匯過程發(fā)生改變，由l an i f i a 時(shí)的“匯 變成 e 1n i f l o 時(shí)的“源 ，這種“源 、“匯一的轉(zhuǎn)換與赤道東太平洋正好相反。其原因 是：該上升流系統(tǒng)和淡水輸入有關(guān)，在l an i f i a 時(shí)河流淡水輸入形成層化，減弱 了上升流的強(qiáng)度，從而阻止深層水中的c 0 2 向上的釋放，而河流帶來的營養(yǎng)鹽可 以增加有機(jī)碳的通量，這樣使得該系統(tǒng)成為一個(gè)大氣c 0 2 的凈匯。而e 1n i f i o 時(shí)， 由于干旱，河流淡水減少，陸地營養(yǎng)鹽輸入降低，但上升流加強(qiáng)( 少的淡水不足 以蓋住上涌的冷水) ，帶來的副含c 0 2 的水上涌后的排氣作用增加，使該系統(tǒng)成 為一個(gè)凈源。這類上升流系統(tǒng)在北印度洋沿海也有發(fā)育，因此，其e n s o 循環(huán)中 碳通量具有全球意義( i t t e k k o t ，2 0 0 4 ) 。 海洋對大氣c 0 2 的調(diào)節(jié)作用不僅取決于“生物泵 的強(qiáng)度，而且還與生物泵 的結(jié)構(gòu)有關(guān)。硅藻的骨骼是蛋白石，只會吸收碳向深海輸送；而顆石藻的骨骼是 方解石，除了形成有機(jī)質(zhì)外，在形成c a c 0 3 時(shí)還會放出c 0 2 。因而，在海洋真光 層長硅質(zhì)生物和鈣質(zhì)生物其對上層海洋碳對大氣c 0 2 的效應(yīng)是不一樣的。最近有 3 第1 章引言 人提出，熱帶風(fēng)化作用通過對海洋硅的輸入和硅藻顆石藻比例的控制，可能對冰 期一間冰期旋回產(chǎn)生重要影響( h a r r i s o n ，2 0 0 0 ；汪品先等，2 0 0 3 ) 古海洋學(xué)主要通過分析沉積巖芯中代表不同時(shí)期的沉積記錄信息來追溯氣 候與環(huán)境的演變。其中絕大部分信息來自海洋沉積物中的生源組分( 包括有機(jī)質(zhì) 及其各類有機(jī)化合物、鈣質(zhì)生物殼體、硅質(zhì)生物殼體等) 。生源顆粒主要由海洋 上層海洋生態(tài)過程的產(chǎn)物經(jīng)過水柱沉降而來，記錄了上層海洋的許多環(huán)境信息。 盡管底棲生物也是沉積物生源組分的重要組成部分，但其在很大程度上受控于海 洋上層的生產(chǎn)力，因此，也與上層海洋過程息息相關(guān)。 古 海 洋 環(huán) 境 瞢 代 捂 標(biāo) 古鈞理環(huán)境參數(shù) 溫度、鹽度、躍層 上升流、上層海水結(jié)構(gòu)等 古海水化學(xué)參數(shù)t 營養(yǎng)鹽、溶解氧、p c 0 2 氧化還原條件等 古生態(tài)參數(shù)； 生產(chǎn)力，種群結(jié)構(gòu)等 科學(xué)假說 與 過程模擬 生現(xiàn) 物代 地海 球洋 化生 學(xué)態(tài) 的學(xué) 知和 識 圖1 2 海洋古生物地球化學(xué)研究示意圖 示意圖說明：從研究手段上講，與現(xiàn)場過程研究與直接測量不同，海洋古環(huán)境研究主要通過地質(zhì)記錄的 信息提取與解譯來首先了解地質(zhì)時(shí)期某一時(shí)間片段的”狀態(tài)”，然后根據(jù)現(xiàn)代過程的知識對不同“狀態(tài)”之問 的變化作出過程推測和機(jī)制分析，然后再用冰芯、黃土、珊瑚等的獨(dú)立記錄和進(jìn)一步的現(xiàn)代過程研究檢驗(yàn)科 學(xué)假說因此，在這過程中，古環(huán)境替代指標(biāo)的研究是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而對過去的生物地球化學(xué)循環(huán)的了解則 依賴對現(xiàn)代過程的理解，即所謂的“將今論古” 由氣候變化驅(qū)動的“生物泵 過程不僅影響著全球溫室氣體的收支，而且也 決定著利用沉積記錄中的生源物質(zhì)追溯吉環(huán)境演變的可靠性與分辨率。“物理強(qiáng) 迫一營養(yǎng)鹽動力學(xué)一生物群落響應(yīng)一生物地球化學(xué)通量地質(zhì)記錄 是一個(gè)環(huán)環(huán) 相扣的過程，但對這些環(huán)節(jié)之間的相互聯(lián)系至今我們的認(rèn)識還非常有限。目前， 海洋古環(huán)境研究正從原來以反演海洋環(huán)境的物理參數(shù)( 古溫度、溫躍層深度、鹽 度等) 為主，向著揭示高分辨率的古生物地球化學(xué)循環(huán)演變的奧秘迸發(fā)，但其中 4 第1 章引言 的一個(gè)很大的不足是缺乏對海洋現(xiàn)代過程和古環(huán)境替代指標(biāo)可靠性及其影響因 素的了解( 如圖1 - 2 所示) 。本文試圖通過南海長時(shí)間系列的捕獲器資料，對“南 ?，F(xiàn)代過程與古環(huán)境記錄 這一命題作一初步探索。 1 2 論文探索的科學(xué)問題 1 2 1 南海顆粒通量和“生物泵 結(jié)構(gòu)的控制因素 現(xiàn)代氣候研究和t o g a 等大型國際合作調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，熱帶海洋在e 1n i i f o 和季風(fēng)形成中具有十分重要的作用。而現(xiàn)代海洋生物地球化學(xué)過程與古環(huán)境研究 也表明，熱帶海區(qū)的碳循環(huán)在全球碳循環(huán)與全球氣候變遷中具有舉足輕重的地 位。南海屬熱帶海區(qū)，是世界上最大的邊緣海之一。由于其周邊與外界交換的水 道除東北部的巴士海峽較深( 約2 6 0 0 米) 外都很淺，使之成為典型的半封閉邊 緣海。南海地處東亞季風(fēng)區(qū)，上層環(huán)流分別受東北和西南季風(fēng)控制。隨季節(jié)轉(zhuǎn)換 的風(fēng)系、黑潮的作用，使得半封閉的南海發(fā)育氣旋渦( 上升流) 或反氣旋渦( 下 降流) 。由于南海營養(yǎng)躍層比相鄰的西菲律賓海來得淺，上升流對上層營養(yǎng)鹽的 補(bǔ)充很可能是控制“生物泵 的關(guān)鍵因素。半封閉型邊緣海的地理特征及受季風(fēng) 控制的海洋環(huán)境，為探索海洋生物地球化學(xué)通量對季風(fēng)的響應(yīng)提供了良好條件。 南海古環(huán)境研究成果已舉世矚目，近年來，在南海海氣相互作用、海洋環(huán)流 和中尺度渦、碳的海氣通量、營養(yǎng)鹽和生物生產(chǎn)力等方面也有很好的工作，但作 為連接物理強(qiáng)迫一古環(huán)境記錄橋梁的海洋現(xiàn)代生物地球化學(xué)過程研究卻相對薄 弱，基礎(chǔ)資料尚十分缺乏。目前，南海和阿拉伯海已分別成為研究東亞和南亞季 風(fēng)的重點(diǎn)海域( w a n g e t a l ，2 0 0 3 ) 。但與北印度洋相比，東亞季風(fēng)的海洋現(xiàn)代過 程研究，尤其是長時(shí)間系列的沉降顆粒研究非常缺乏( w a n g e ta 1 ，2 0 0 5 ) 。本文 的目的之一是利用中德合作布放于南海中部、北部和呂宋島岸外、越南岸外韻沉 積物捕獲器的有關(guān)資料，研究南海顆粒通量的組成、來源、季節(jié)變化，揭示南海 “生物泵一組成結(jié)構(gòu)、輸送效率和調(diào)控因素，為理解南海“季風(fēng)強(qiáng)迫營養(yǎng)鹽動 力學(xué)生態(tài)和生物地球化學(xué)響應(yīng)一顆粒通量和沉積碳埋葳 這一科學(xué)主線提供科 學(xué)依據(jù)，也為評估地球化學(xué)古環(huán)境替代指標(biāo)的可靠性打下基礎(chǔ)。 5 第1 章引言 1 2 2 現(xiàn)代過程對地球化學(xué)古環(huán)境參數(shù)的影響 近二十年來沉積物捕獲器的工作已經(jīng)表明，氣候與環(huán)境變化的信號確實(shí)可以 通過海洋上層的生態(tài)和生物地球化學(xué)過程傳遞至海洋沉降顆粒物。但同時(shí)也發(fā) 現(xiàn)，對于古海洋研究的主要材料一海洋中的生源顆粒來說，只有很少一部分最終 保存于沉積物中。在全球絕大部分海域，真光層初級生產(chǎn)力中只有不到1 的有機(jī) 質(zhì)最終保存于深海沉積物，而生源物質(zhì)中的其它兩類物質(zhì)一生物硅和碳酸鈣也在 到達(dá)深海之前大部分被分解和溶解。另外，由于水柱水平海流的影響，海洋上層 的顆粒物質(zhì)在到達(dá)海底時(shí)可以在水平方向上漂移很長的距離。因此，沉積記錄中 的部分無機(jī)和同位素地球化學(xué)信號以及絕大部分有機(jī)地球化學(xué)古環(huán)境信息，是經(jīng) 過沉降、水平運(yùn)移和各種復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程改造了的信號，因而是不完整 的，有些甚至是歪曲的。許多古海洋替代指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)公式正是來自實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)、 現(xiàn)場調(diào)查等現(xiàn)代過程研究，但由于公式得出的時(shí)間、地點(diǎn)和環(huán)境條件并不與應(yīng)用 該公式時(shí)的情形完全相同，因此，實(shí)際工作中有時(shí)會產(chǎn)生問題。目前，這個(gè)問題 已引起越來越多的關(guān)注。2 0 0 3 年5 月在華盛頓召開的j g o f s 科學(xué)總結(jié)大會上，顆粒 物質(zhì)的來源、在水柱中的變化及歸宿及上層海洋生物過程與底部沉積記錄的關(guān)系 成為會議的主題之一。正在醞釀中的g e o s e c s ( g e o t r a c e s ) 把“c o n t r o lo f p r o x i e si nt h ew a t e rc o l u m na n dh o w a r ct h ep r o x i e sr e c o r d e d ”列為主要的科學(xué)主題 之一。 正如利用衛(wèi)星遙感資料反演地表信息需要做“大氣校正 一樣，利用沉積記 錄中的地球化學(xué)信息來追溯高分辨率的海洋生物地球化學(xué)演變也應(yīng)做類似的“水 柱校正力和“沉積界面校正 。本文的第二個(gè)目的是利用南海沉積物捕獲器中地 球化學(xué)替代指標(biāo)與上層海洋的關(guān)系及其垂向變化( 水柱顆粒物、沉積物)