第四紀(jì)黑潮源區(qū)沉積物的源-匯過(guò)程、主要控制因素及其碳循環(huán)效應(yīng)*

徐兆凱 張騫月 常鳳鳴

第四紀(jì)黑潮源區(qū)沉積物的源-匯過(guò)程、主要控制因素及其碳循環(huán)效應(yīng)*

徐兆凱1, 2, 3, 4張騫月1, 5①常鳳鳴1, 2, 3

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過(guò)程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室 青島 266061; 3. 中國(guó)科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心 青島 266071; 4. 中國(guó)科學(xué)院第四紀(jì)科學(xué)與全球變化卓越創(chuàng)新中心 西安 710061; 5. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

本文系統(tǒng)性地總結(jié)了第四紀(jì)黑潮源區(qū)沉積物的源-匯過(guò)程、主要控制因素及其碳循環(huán)效應(yīng)方面的最新研究進(jìn)展?；诓煌瑢W(xué)科的綜合性指標(biāo)研究結(jié)果一致表明: 黑潮源區(qū)的碎屑沉積物主要來(lái)源于附近的呂宋島和大陸架及遠(yuǎn)端的亞洲東部沙漠。在軌道、千年和百年等不同時(shí)間尺度上兩者對(duì)研究區(qū)的物質(zhì)輸入主要與海平面高度和東亞季風(fēng)強(qiáng)度相關(guān), 并最終受控于高、低緯過(guò)程的雙重驅(qū)動(dòng)。而人類活動(dòng)對(duì)黑潮源區(qū)的影響則出現(xiàn)于距今2100 a。上述陸源物質(zhì)對(duì)研究區(qū)的輸入過(guò)程與古海洋生物生產(chǎn)力、海底有機(jī)碳埋藏通量和大氣二氧化碳濃度間也有著良好的協(xié)變性, 表明黑潮源區(qū)的沉積物源-匯過(guò)程對(duì)全球碳循環(huán)起著重要的調(diào)節(jié)作用。上述研究工作可以為更好地預(yù)測(cè)未來(lái)氣候環(huán)境的變化趨勢(shì)提供關(guān)鍵低緯度海區(qū)的區(qū)域性資料和理論支持。

黑潮源區(qū); 碳循環(huán); 源-匯過(guò)程; 控制因素; 第四紀(jì)

深入了解與人類活動(dòng)密切相關(guān)的、第四紀(jì)氣候環(huán)境自然演變的規(guī)律和成因機(jī)制, 是更好地認(rèn)識(shí)全球變暖和預(yù)測(cè)未來(lái)氣候環(huán)境變化趨勢(shì)的先決條件。米蘭科維奇理論是20世紀(jì)氣候演變研究的最大突破, 認(rèn)為北半球高緯度地區(qū)(65°N)的夏季太陽(yáng)輻射量變化是驅(qū)動(dòng)第四紀(jì)冰期-間冰期旋回的主要因素, 但上述單一敏感區(qū)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)機(jī)制難以圓滿解釋現(xiàn)有的古氣候環(huán)境演化記錄, 如“10萬(wàn)年難題”和“40萬(wàn)年難題”等(Imbrie, 1993; 丁仲禮, 2006)。因此, 科學(xué)家們普遍認(rèn)為需要重新評(píng)估低緯度地區(qū)關(guān)鍵氣候環(huán)境過(guò)程(如厄爾尼諾-南方濤動(dòng)和東亞季風(fēng))在全球變化中的重要性, 并形成了氣候演變的軌道-熱帶雙重驅(qū)動(dòng)假說(shuō), 其核心就是上述低緯過(guò)程在全球氣候系統(tǒng)中也起著非常重要的調(diào)控作用(Wang, 2006)。熱帶太平洋尤其是西太平洋暖池是典型的低緯度海區(qū)以及全球海洋和氣候系統(tǒng)的重要組成部分, 更是大氣的主要熱量和水分來(lái)源, 且具有厄爾尼諾-南方濤動(dòng)等特殊的氣候環(huán)境現(xiàn)象, 在調(diào)節(jié)全球變化方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用(Beaufort, 2001; Murray, 2012; Xiong, 2013)。黑潮源區(qū)位于菲律賓以東、西太平洋暖池北部邊緣, 受典型的東亞季風(fēng)氣候控制(Liu, 2009)。因此, 黑潮源區(qū)是研究厄爾尼諾-南方濤動(dòng)和東亞季風(fēng)演化過(guò)程及其古海洋學(xué)效應(yīng)的理想靶區(qū)(Beaufort, 2001, 2003; Wan, 2012; Wang, 2013), 進(jìn)而為全球氣候變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制等國(guó)際前沿科學(xué)問(wèn)題的探討提供了理想的天然實(shí)驗(yàn)室(Li, 2010; Xu, 2012)。

風(fēng)塵物質(zhì)可為海洋表層(尤其是開(kāi)闊大洋地區(qū))帶來(lái)豐富的營(yíng)養(yǎng)元素(如鐵和硅), 從而提高浮游生物的生產(chǎn)力并促進(jìn)大氣中溫室氣體二氧化碳向海洋深部的輸送(Martin, 1990), 這已經(jīng)得到了現(xiàn)代時(shí)間尺度上赤道太平洋鐵施肥實(shí)驗(yàn)及東菲律賓海沉積物捕獲器記錄的有效證實(shí)(Coale, 1996; Li, 2004)。而在地質(zhì)歷史時(shí)期, 南大洋地區(qū)風(fēng)塵物質(zhì)輸入通量和生物生產(chǎn)力的波動(dòng)則可以解釋第四紀(jì)冰期-間冰期旋回過(guò)程中大氣二氧化碳濃度波動(dòng)幅度的三分之一到二分之一(Martínez-Garcia, 2011)。此外, 陸表的物理侵蝕和化學(xué)風(fēng)化作用對(duì)海洋沉積物組成、大氣二氧化碳濃度和全球氣候變化等也有著非常重要的影響。例如, 陸地化學(xué)風(fēng)化作用可以消耗大量的大氣二氧化碳, 且該過(guò)程主要發(fā)生在低緯度地區(qū)(Hartmann, 2009)。末次盛冰期時(shí), 海平面的明顯下降(~120m)所引起的、大陸架的出露面積約為現(xiàn)今陸地總面積的7%, 且其中約一半(48%)的新陸地也出現(xiàn)在低緯度地區(qū)(Ludwig, 1999)。因此, 末次盛冰期時(shí)大陸化學(xué)風(fēng)化速率的增加而引起的巨量大氣二氧化碳消耗可能是此時(shí)二氧化碳低濃度的重要誘因之一(Ludwig, 1999; Munhoven, 2002)。黑潮源區(qū)的陸源沉積物主要來(lái)自于周邊菲律賓群島火山物質(zhì)的風(fēng)化剝蝕產(chǎn)物及遠(yuǎn)端亞洲內(nèi)陸的風(fēng)塵物質(zhì)輸入(秦蘊(yùn)珊等, 1995; 石學(xué)法等, 1995b; Liu, 2009; Wan, 2012; Xu, 2012), 而包括菲律賓群島在內(nèi)的熱帶火山島弧又是當(dāng)下化學(xué)風(fēng)化作用最為強(qiáng)烈的區(qū)域之一(Hartmann, 2009)。因此, 黑潮源區(qū)還是研究亞洲內(nèi)陸風(fēng)塵物質(zhì)輸入、熱帶火山島弧化學(xué)風(fēng)化作用及其海表生物生產(chǎn)力和海底有機(jī)碳埋藏效應(yīng)等地球系統(tǒng)科學(xué)當(dāng)前所關(guān)注熱點(diǎn)和難點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題的理想靶區(qū)(Xu, 2020)。

自20世紀(jì)60年代開(kāi)始, 黑潮源區(qū)的重要地質(zhì)、氣候和環(huán)境意義就引起了全球科學(xué)家們的高度關(guān)注, 迄今已開(kāi)展了一系列的調(diào)查研究工作, 并取得了豐碩的研究成果(Wan, 2012; Jiang, 2013; Xu, 2015; Yu, 2016; Xiong, 2018)。本文將重點(diǎn)圍繞黑潮源區(qū)海底沉積物的源-匯過(guò)程、主要控制因素及其碳循環(huán)效應(yīng)等方面, 來(lái)簡(jiǎn)要總結(jié)它們?cè)诘谒募o(jì)時(shí)間跨度范圍內(nèi)的主要研究進(jìn)展, 并初步展望其未來(lái)需要重點(diǎn)關(guān)注的研究方向。

1 陸源碎屑沉積物的來(lái)源

對(duì)于黑潮源區(qū)海底陸源碎屑沉積物的來(lái)源, 前人已經(jīng)通過(guò)多年來(lái)對(duì)其粒度、黏土礦物、元素地球化學(xué)和同位素地球化學(xué)組成等方面的系統(tǒng)分析, 基于與其潛在源區(qū)相關(guān)指標(biāo)間的細(xì)致對(duì)比, 并結(jié)合對(duì)現(xiàn)代沉積物的相關(guān)研究工作, 得出了其中的陸源物質(zhì)主要來(lái)自于附近島嶼(如呂宋島)的火山物質(zhì)和亞洲內(nèi)陸的風(fēng)塵物質(zhì)的初步結(jié)論(Wan, 2012; Jiang, 2013; Xu, 2013, 2015)。

早在20世紀(jì), 科學(xué)家們就基于西菲律賓海表層和柱狀沉積物的粒度、礦物及Rb-Sr同位素組成特征等方面的研究, 初步證實(shí)了亞洲風(fēng)塵物質(zhì)對(duì)該區(qū)域陸源沉積物組成的潛在貢獻(xiàn) (Kolla, 1980; 石學(xué)法等, 1994, 1995a; 秦蘊(yùn)珊等, 1995; Asahara, 1999)。但這些早期研究中所用到的沉積物巖芯往往缺乏有效年代地層的約束, 故無(wú)法在時(shí)間序列基礎(chǔ)上進(jìn)行較為有效的解譯。

近年來(lái), 科學(xué)家們對(duì)該地區(qū)海底沉積物中陸源碎屑組分的潛在物源端元組成及各端元的具體貢獻(xiàn)大小的研究工作逐漸增多。例如, 在半定量分析層面上, 西菲律賓海本哈姆高原上MD06-3050孔(圖1)近100萬(wàn)年以來(lái)所形成沉積物中的黏土礦物主要由蒙脫石(平均~65%)和伊利石(平均~25%)組成, 此外還包含少量的高嶺石(平均~5%)和綠泥石(平均~5%); 其中伊利石的結(jié)晶度良好, 而蒙脫石的結(jié)晶度中等; 據(jù)此與潛在源區(qū)黏土礦物組成特征間的系統(tǒng)對(duì)比, 排除了中國(guó)東海陸架、長(zhǎng)江和臺(tái)灣島物質(zhì)對(duì)西菲律賓海黏土礦物輸入的可能性, 并認(rèn)為蒙脫石主要來(lái)源于附近的、呂宋島火山巖的化學(xué)風(fēng)化作用產(chǎn)物, 而伊利石則來(lái)自于遙遠(yuǎn)的、亞洲內(nèi)陸干旱-半干旱地區(qū)的風(fēng)塵物質(zhì)(Wan, 2012)。同一巖芯中陸源碎屑組分的粒度組成特征則顯示: 三個(gè)主要的粒級(jí)范圍14—22 μm、2.4—4.6 μm和36—50 μm分別源自于亞洲內(nèi)陸的風(fēng)塵物質(zhì)、呂宋島河流所攜帶的細(xì)粒沉積物以及火山物質(zhì)和呂宋島河流帶來(lái)的粗顆粒物質(zhì)(于兆杰等, 2012)。與MD06-3050孔同處本哈姆高原的MD06-3047孔70萬(wàn)年以來(lái)所形成沉積物中的黏土礦物組合也有著相似的特征(Xu, 2012), 此外, 針對(duì)后者沉積物的常量元素和稀土元素組成特征研究結(jié)果也再次表明: 其中的陸源沉積物主要受附近火山巖和遠(yuǎn)端亞洲大陸風(fēng)塵物質(zhì)輸入的控制, 而海洋生物沉積和熱液活動(dòng)的影響較小(Xu, 2013, 2014)。

在定量分析層面上, 西菲律賓海柱狀沉積物的Sr-Nd同位素組成特征表明: 它們的87Sr/86Sr(0.70452—0.70723)和εNd(-5.3—+2.4)變化范圍指示著呂宋島火山巖與亞洲大陸風(fēng)塵物質(zhì)的兩端元混合, 其中后者的貢獻(xiàn)比例為10%—50%(Jiang, 2013)。而基于MD06-3047孔沉積物中稀土元素、黏土礦物及Sr-Nd同位素這三種不同指標(biāo), Xu等(2015)綜合性地提取了70萬(wàn)年以來(lái)黑潮源區(qū)的高時(shí)間分辨率陸源碎屑物質(zhì)輸入和沉積記錄, 由此得出的陸源風(fēng)塵物質(zhì)的定量貢獻(xiàn)比例范圍基本一致, 分別為16%—48%、18%—50%和15%—50%。而MD06-3052孔15.6萬(wàn)年以來(lái)所形成的陸源碎屑沉積物中亞洲風(fēng)塵物質(zhì)的貢獻(xiàn)比例明顯偏低, 為0%—32%; 呂宋島的貢獻(xiàn)值則可以達(dá)到68%—100%。這與該巖芯的地理位置更靠近于呂宋島、進(jìn)而可以接收到更多來(lái)自于該島的火山物質(zhì)輸入的實(shí)際情況相吻合(Xu, 2018a)。

圖1 黑潮源區(qū)示意圖及本文提到的站位分布圖 (修改自Xu et al, 2020)

注: 圖中英文字符和數(shù)字表示站位名稱

但對(duì)于黑潮源區(qū)陸源碎屑沉積物中亞洲大陸風(fēng)塵物質(zhì)的具體源區(qū), 近年來(lái)仍存在著較大的爭(zhēng)議(Seo, 2014; Xu, 2016)。研究區(qū)的大多數(shù)研究工作均認(rèn)為上述亞洲風(fēng)塵物質(zhì)的具體源區(qū)應(yīng)該是亞洲東部沙漠; 僅Seo等(2014)認(rèn)為亞洲中部沙漠才是菲律賓海沉積物中風(fēng)塵組分的主要來(lái)源, 其主要依據(jù)為菲律賓海中部PC631孔60萬(wàn)年以來(lái)所形成沉積物中黏土礦物的組成特征。但黏土礦物組成的半定量分析結(jié)果其本身誤差相對(duì)較大, 況且Seo等(2014)所研究的樣品數(shù)量也很少(僅17個(gè)樣品), 特別是其基于黏土礦物組成和Sr-Nd同位素組成得出的物源結(jié)論明顯相反。因此, Xu等(2016)基于對(duì)菲律賓海大量巖芯沉積物中陸源碎屑組分黏土礦物和Sr-Nd同位素組成的系統(tǒng)總結(jié)分析結(jié)果進(jìn)一步證實(shí): 研究區(qū)的風(fēng)塵物質(zhì)組成更接近于呂宋島火山物質(zhì)和亞洲東部沙漠風(fēng)塵物質(zhì)的混合曲線, 表明該風(fēng)塵組分應(yīng)該主要來(lái)源于亞洲東部沙漠而非亞洲中部沙漠。

上述地質(zhì)歷史時(shí)期黑潮源區(qū)的陸源碎屑沉積物來(lái)源結(jié)論也得到了該地區(qū)現(xiàn)代沉積物源-匯過(guò)程研究的有效證實(shí)。2015年內(nèi)收集到的、黑潮源區(qū)T1站位(圖1)的海底陸源碎屑沉積物主要來(lái)自于附近的呂宋島(45.5%—66.2%)和遠(yuǎn)端的亞洲東部沙漠(33.8%—54.5%)(Xu, 2018b)。此外, 于2014—2015年在T1站位及其附近位置所收集到的風(fēng)塵顆粒的微量元素組成(Zr、Th和Sc)特征也顯示該區(qū)域的現(xiàn)代風(fēng)塵物質(zhì)主要來(lái)自亞洲東部的鄂爾多斯沙漠(>80%), 而亞洲中部的塔克拉瑪干沙漠和巴丹吉林沙漠的貢獻(xiàn)有限(<20%)(Wang, 2020)。

2 陸源碎屑沉積物輸入的主要控制因素

基于上述研究工作可知: 第四紀(jì)階段黑潮源區(qū)海底的陸源碎屑沉積物主要來(lái)自于呂宋島和亞洲東部沙漠。其中, 呂宋島地處亞熱帶東亞季風(fēng)氣候控制區(qū), 主要受季節(jié)性降水影響, 每年約85%—90%的降水發(fā)生在5—10月之間的夏季風(fēng)盛行季節(jié), 因此, 呂宋島來(lái)源碎屑物質(zhì)對(duì)黑潮源區(qū)的輸入很可能主要受控于該島嶼的夏季風(fēng)降水量以及基巖物理侵蝕和化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)度的變化(Liu, 2009)。此外, 呂宋島附近的陸架相對(duì)菲律賓其他島嶼寬廣, 因此海平面波動(dòng)也可能影響到黑潮源區(qū)海底陸源沉積物中呂宋島來(lái)源火山物質(zhì)的輸入(Xu, 2020)。而對(duì)于黑潮源區(qū)陸源碎屑沉積物中亞洲沙漠風(fēng)塵物質(zhì)的具體輸運(yùn)機(jī)制, 則存在著一定的爭(zhēng)議(Seo, 2014; Xu, 2016)。Seo等(2014)認(rèn)為, 中緯度地區(qū)盛行的西風(fēng)可以將亞洲中部沙漠的風(fēng)塵物質(zhì)搬運(yùn)到太平洋中部地區(qū), 進(jìn)而在東北信風(fēng)的影響下抵達(dá)菲律賓海中部。但Dai等(2011)的研究工作則發(fā)現(xiàn)東亞冬季風(fēng)才是現(xiàn)代西太平洋花粉傳播的最主要?jiǎng)恿?。同? Jiang等(2013)對(duì)西菲律賓海本哈姆高原(ph05-5)和西菲律賓海盆(ph02)兩個(gè)站位2006年春季氣團(tuán)移動(dòng)軌跡的反演結(jié)果顯示, 亞洲內(nèi)陸風(fēng)塵在東亞冬季風(fēng)的攜帶下自西北向東南運(yùn)移, 在到達(dá)西太平洋后轉(zhuǎn)為西南向進(jìn)而沉降到了研究區(qū)中。近期, Xu等(2016)對(duì)菲律賓海大量巖芯中陸源碎屑沉積物黏土礦物和Sr-Nd同位素組成的分析結(jié)果也表明其主要攜帶動(dòng)力為東亞冬季風(fēng)而非西風(fēng)。因此, 黑潮源區(qū)亞洲風(fēng)塵物質(zhì)的輸運(yùn)機(jī)制主要是東亞冬季風(fēng), 西風(fēng)的影響較小。下面以時(shí)間分辨率自低到高的順序進(jìn)行具體闡述。

在軌道時(shí)間尺度上, 黑潮源區(qū)海底陸源沉積物中不同物源端元貢獻(xiàn)大小的演化過(guò)程主要受控于東亞季風(fēng)強(qiáng)度。例如, MD06-3050孔100萬(wàn)年以來(lái)所形成的陸源沉積物中伊利石/蒙脫石的比值可以有效地反演亞洲東部沙漠風(fēng)塵物質(zhì)輸入強(qiáng)度的變化, 該值表現(xiàn)出冰期時(shí)偏高而間冰期時(shí)偏低的明顯特征, 并與指示東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度的權(quán)威指標(biāo)——黃土高原石英平均粒徑的變化一致(Sun, 2006), 進(jìn)而彰顯出第四紀(jì)階段西菲律賓海風(fēng)塵物質(zhì)輸入與東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度間的正相關(guān)性(Wan, 2012)。對(duì)該巖芯粒度和不同粒級(jí)組分堆積速率的分析結(jié)果則表明: 14—22 μm粒級(jí)組分的堆積速率也是追蹤亞洲風(fēng)塵物質(zhì)輸入強(qiáng)度的可靠指標(biāo), 且其變化與黃土高原石英平均粒徑值的波動(dòng)同樣具有一致性, 從而再次證明了100萬(wàn)年以來(lái)黑潮源區(qū)的風(fēng)塵物質(zhì)輸入變化對(duì)東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度的依賴性(于兆杰等, 2012)。對(duì)MD06-3047孔70萬(wàn)年以來(lái)所形成黏土礦物的含量和結(jié)晶度變化的研究則發(fā)現(xiàn): 伊利石含量和蒙脫石含量及后者的結(jié)晶度均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的冰期-間冰期旋回特征, 且受東亞季風(fēng)演化的控制, 冰期時(shí)東亞冬季風(fēng)較強(qiáng)且風(fēng)塵成因伊利石的含量較高, 而間冰期時(shí)東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度增加, 與之相對(duì)應(yīng)的是來(lái)自于呂宋島火山巖化學(xué)風(fēng)化產(chǎn)物——蒙脫石的較高含量和較差結(jié)晶度(Xu, 2012)?；谠搸r芯稀土元素的二端元混合模型分析結(jié)果也表明, 軌道時(shí)間尺度上研究區(qū)風(fēng)塵物質(zhì)的定量貢獻(xiàn)大小同樣主要受控于東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度的變化(Xu, 2014)。此外, 包括上述研究工作在內(nèi)的、低緯度地區(qū)的亞洲風(fēng)塵物質(zhì)輸入過(guò)程與高緯度地區(qū)的風(fēng)塵記錄之間具有良好的相關(guān)性。如Winckler等(2008)曾報(bào)道過(guò)赤道太平洋和南極洲這兩個(gè)高、低緯地區(qū)約50萬(wàn)年以來(lái)冰期-間冰期旋回中風(fēng)塵物質(zhì)輸入通量的同步變化。又如在熱帶西太平洋的黑潮源區(qū)(Xu, 2015)和極地南太平洋的風(fēng)塵物質(zhì)貢獻(xiàn)變化(Lamy, 2014)在過(guò)去70萬(wàn)年來(lái)的冰期-間冰期交替中也表現(xiàn)出很明顯的協(xié)變特征, 這可能意味著它們對(duì)第四紀(jì)全球性氣候變化的普遍性響應(yīng), 而非主要受控于區(qū)域性因素(Xu, 2015)。研究區(qū)上述古氣候環(huán)境反演指標(biāo)的頻譜分析結(jié)果則進(jìn)一步揭示了東亞季風(fēng)強(qiáng)度演化的具體周期: 偏心率(10萬(wàn)年)、斜率(4.1萬(wàn)年)和歲差(2.3萬(wàn)年)等(Wan, 2012; Xu, 2012)。其中, 伊利石的含量和結(jié)晶度指標(biāo)均指示著東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度的10萬(wàn)年變化周期, 表明軌道偏心率是驅(qū)動(dòng)該季風(fēng)變化的最重要因素。而蒙脫石結(jié)晶度的剖面變化則表現(xiàn)出明顯的10萬(wàn)年、2.3萬(wàn)年和3萬(wàn)年周期, 推測(cè)70萬(wàn)年以來(lái)研究區(qū)東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度的變化除了受控于低緯度地區(qū)的太陽(yáng)輻射量外, 還受到了厄爾尼諾-南方濤動(dòng)活動(dòng)的影響(Xu, 2012)。這可能指示著第四紀(jì)階段高、低緯地區(qū)間通過(guò)東亞季風(fēng)等途徑所建立的緊密聯(lián)系。在更長(zhǎng)的時(shí)間跨度上, MD06-3050巖芯236萬(wàn)年以來(lái)的高時(shí)間分辨率黏土礦物記錄也表明: 蒙脫石/(伊利石+綠泥石)比值的波動(dòng)可以很好地指示呂宋島東亞夏季風(fēng)降水強(qiáng)度的變化, 并再次證實(shí)了厄爾尼諾-南方濤動(dòng)活動(dòng)對(duì)東亞夏季風(fēng)降水強(qiáng)度的重要調(diào)節(jié)作用(Yu, 2016)。

在相對(duì)靠近呂宋島的西菲律賓海大陸坡上, 陸源沉積物的堆積速率相對(duì)黑潮源區(qū)的深海區(qū)域偏高, 因而可以記錄到更高時(shí)間分辨率的(如軌道-亞軌道-千年-百年時(shí)間尺度等)的沉積物源-匯過(guò)程及其主要控制因素變化。例如, MD06-3052巖芯15.6萬(wàn)年以來(lái)所形成陸源碎屑沉積物的堆積速率、Sr-Nd同位素以及常、微量元素的高時(shí)間分辨率多指標(biāo)綜合記錄顯示: 在距今13—15.6萬(wàn)年和1.4—4萬(wàn)年這兩個(gè)冰期階段, 伴隨著海平面的明顯下降, 呂宋島周邊、西菲律賓海的大陸架廣泛出露, 由此引起了出露陸架上松散硅酸鹽沉積物的強(qiáng)物理侵蝕和化學(xué)風(fēng)化作用及其產(chǎn)物的大量入海, 因而, 海平面波動(dòng)是控制15.6萬(wàn)年以來(lái)軌道-亞軌道時(shí)間尺度上西菲律賓海大陸坡上陸源碎屑沉積物輸入的主要因素(Xu, 2018a)。而Jiang等(2016)也在MD06-3052孔附近的Ph05-5巖芯記錄中發(fā)現(xiàn)了類似的陸源碎屑沉積物輸入特征及其成因機(jī)制。在更短的千年-百年時(shí)間尺度上, 西菲律賓海大陸坡上MD06-3054和MD06-3052巖芯沉積物的黏土礦物和地球化學(xué)記錄則揭示了更為復(fù)雜的黑潮源區(qū)沉積物源-匯過(guò)程及其潛在控制機(jī)理。具體來(lái)講, 2.7萬(wàn)年以來(lái)呂宋島的物理侵蝕和化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)度在末次盛冰期、海因里希1冷事件和新仙女木冷事件期間明顯增強(qiáng), 然而熱帶輻合帶位置、厄爾尼諾-南方濤動(dòng)活動(dòng)、太陽(yáng)輻射量和東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度等均不是末次冰期以來(lái)研究區(qū)陸地風(fēng)化剝蝕作用的關(guān)鍵控制因素, 上述變化應(yīng)主要受控于海平面高度的變化; 而到了全新世晚期, 尤其是距今2100年以來(lái), 人類活動(dòng)則成為了控制研究區(qū)內(nèi)呂宋島來(lái)源碎屑沉積物輸入的主要因素(Xu, 2019)。

在更短的現(xiàn)代時(shí)間尺度上, 黑潮源區(qū)T1站位的沉積物捕獲器樣品Sr-Nd同位素組成特征分析結(jié)果揭示出: 呂宋島來(lái)源碎屑物質(zhì)和亞洲東部沙漠來(lái)源風(fēng)塵顆粒的堆積速率均具有明顯的季節(jié)性變化特征, 而引起上述變化的主要控制因素則分別是東亞夏季風(fēng)降水和東亞冬季風(fēng)的強(qiáng)度(Xu, 2018b)。隨后, 對(duì)2015年春、冬季采集到的、黑潮源區(qū)現(xiàn)代風(fēng)塵顆粒物后向軌跡分析結(jié)果也表明: 研究區(qū)的現(xiàn)代風(fēng)塵物質(zhì)系由東亞冬季風(fēng)從亞洲東部沙漠搬運(yùn)而來(lái), 從而再次證實(shí)了東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度對(duì)黑潮源區(qū)風(fēng)塵物質(zhì)輸入的主要控制作用(Wang, 2020)。綜上可見(jiàn), 第四紀(jì)不同時(shí)間尺度上黑潮源區(qū)海底的陸源碎屑沉積物的輸入過(guò)程主要受控于東亞季風(fēng)強(qiáng)度和海平面高度, 同時(shí), 人類活動(dòng)在距今2100a以來(lái)也有一定的影響(Wan, 2012; Yu, 2016; Xu, 2018a, b, 2019)。

3 陸源物質(zhì)輸入的碳循環(huán)效應(yīng)

第四紀(jì)階段冰期-間冰期旋回過(guò)程中大氣里溫室氣體二氧化碳濃度的波動(dòng)范圍高達(dá)80×10-6以上(Lüthi, 2008), 而這其中深海的作用非常之大(Jacobel, 2017)。西太平洋暖池海域?qū)θ虻奶佳h(huán)更是有著很重要的調(diào)控作用, 科學(xué)家們籍此也提出了多種不同的科學(xué)假說(shuō)。具體到本次研究區(qū), 末次盛冰期時(shí)東亞冬季風(fēng)的盛行、亞洲東部沙漠風(fēng)塵物質(zhì)輸入的增強(qiáng)、硅藻席的大量形成和海底有機(jī)碳埋藏通量的增加, 致使東菲律賓海的表層海水比其上覆大氣的二氧化碳分壓低了~18×10-6, 即此時(shí)的黑潮源區(qū)成為了大氣中二氧化碳的匯(Xiong, 2013)。類似的現(xiàn)象也發(fā)現(xiàn)于西菲律賓海和馬里亞納海溝地區(qū)(Xu, 2015; Luo, 2018a, b), 這都對(duì)此時(shí)大氣二氧化碳濃度的降低做出了積極貢獻(xiàn)(Lüthi, 2008)。此外, 第四紀(jì)冰期低海平面時(shí)期呂宋島周邊出露大陸架上松散硅酸鹽沉積物的強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化作用還可以直接消耗大氣二氧化碳, 從而也對(duì)全球碳循環(huán)起著重要的調(diào)節(jié)作用(Xu, 2018a)。

3.1 熱帶陸架的出露和化學(xué)風(fēng)化作用

硅酸鹽的化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中會(huì)釋放出大量的Ca、Mg、K和Na等元素, 進(jìn)而形成碳酸鹽物質(zhì)并最終沉降到海洋中, 上述過(guò)程會(huì)直接消耗大氣中的溫室氣體二氧化碳, 從而影響全球的碳循環(huán)和氣候變化(Pallister, 1992; France-Lanord, 1997)。熱帶地區(qū)(尤其是熱帶火山島弧)的硅酸鹽化學(xué)風(fēng)化速率相對(duì)更快, 因而對(duì)大氣二氧化碳消耗的貢獻(xiàn)往往更大(Hartmann, 2009; Schopka, 2011)。據(jù)Hartmann等(2009)推測(cè), 全球~9%的強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化區(qū)域(主要分布在熱帶大陸)可以解釋當(dāng)下全球由硅酸鹽化學(xué)風(fēng)化所消耗的二氧化碳總量的~50%。具體到黑潮源區(qū)周邊的熱帶火山島弧, 據(jù)Schopka等(2011)估計(jì), 目前呂宋島火山巖化學(xué)風(fēng)化作用對(duì)大氣二氧化碳的消耗效率比熱帶玄武巖的最高值可能還要高2—3倍; 僅占全球陸地面積~1%的熱帶火山島弧地區(qū)的化學(xué)風(fēng)化作用, 就能消耗全球每年通過(guò)硅酸鹽化學(xué)風(fēng)化過(guò)程所消耗的大氣二氧化碳總量的~10%。如上所述, 第四紀(jì)冰期階段全球海平面的明顯降低, 引起了熱帶火山島弧周邊大陸架的廣泛出露, 進(jìn)而可能通過(guò)出露陸架上松散硅酸鹽的強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化作用消耗了大量的大氣二氧化碳(Schopka, 2011; Xu, 2018a)。

例如, 西菲律賓海大陸坡上MD06-3052巖芯15.6萬(wàn)年以來(lái)的高時(shí)間分辨率多指標(biāo)綜合性分析結(jié)果表明: 第四紀(jì)冰期階段所研究沉積物中記錄到的強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化作用與此時(shí)大氣二氧化碳濃度的低值之間存在著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 進(jìn)而說(shuō)明當(dāng)時(shí)的低海平面所引起的呂宋島周邊大陸架的廣泛出露及其上松散硅酸鹽的強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化作用可能對(duì)冰期時(shí)大氣二氧化碳濃度的降低具有顯著的貢獻(xiàn)(Xu, 2018a)。進(jìn)一步的定量估算結(jié)果顯示: 冰期低海平面時(shí)包括呂宋島在內(nèi)的熱帶火山島弧硅酸鹽的強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化作用對(duì)此時(shí)大氣二氧化碳濃度總降低量(~80×10-6; Lüthi, 2008)的貢獻(xiàn)比例為~8%—10%, 具體來(lái)講, 根據(jù)巖芯最頂部沉積物數(shù)據(jù)推測(cè)得出的現(xiàn)代呂宋島地區(qū)硅酸鹽化學(xué)風(fēng)化作用對(duì)大氣二氧化碳的消耗量高達(dá)1.01×1010mol/a, 這與Schopka等(2011)根據(jù)現(xiàn)代河流數(shù)據(jù)對(duì)該島嶼的估算結(jié)果(1.72×1010mol/a)相當(dāng); 特別是在第四紀(jì)的冰期低海平面時(shí)期, 熱帶火山島弧周邊大陸架上出露的松散沉積物的風(fēng)化過(guò)程相對(duì)于島弧基巖的化學(xué)風(fēng)化可以更高效地消耗二氧化碳, 此時(shí)研究區(qū)硅酸鹽化學(xué)風(fēng)化作用消耗大氣二氧化碳的效率高達(dá)~1.25 mol/kg, 明顯高于同時(shí)期、同緯度的南海周邊陸架地區(qū)(Wan, 2017; Xu, 2018a)。此外, 研究區(qū)附近的南海地區(qū)的研究結(jié)果也表明: 第四紀(jì)冰期低海平面時(shí)期出露的熱帶大陸架上松散硅酸鹽沉積物的強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化作用可以貢獻(xiàn)此時(shí)大氣二氧化碳濃度總降低量的~9%(Wan, 2017), 這也與Xu等(2018a)的估計(jì)結(jié)果相當(dāng)。由此可見(jiàn), 第四紀(jì)冰期低海平面階段大陸架的廣泛出露、出露陸架上松散硅酸鹽沉積物的強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化作用及由此引起的、對(duì)大氣二氧化碳濃度降低的顯著貢獻(xiàn), 很可能是熱帶地區(qū)的普遍現(xiàn)象(Wan, 2017; Xu, 2018a)。

值得關(guān)注的是, 在第四紀(jì)的冰期低海平面時(shí)期, 呂宋島周邊大陸架的廣泛出露及其上松散硅酸鹽沉積物的強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化作用既可以直接消耗大量的大氣二氧化碳, 同時(shí)也能為所研究海區(qū)帶來(lái)大量的陸源碎屑、營(yíng)養(yǎng)和有機(jī)物質(zhì)(圖2)。該時(shí)期MD06-3052和MD06-3054巖芯記錄到的陸源硅質(zhì)沉積物堆積速率、Ti/Cabiologic和TOC/TN的增加以及Mg/Al、K/Al和海表鹽度的降低, 指示著此時(shí)充沛的大陸徑流對(duì)研究區(qū)的明顯影響, 即其能將大量的陸源碎屑、營(yíng)養(yǎng)及有機(jī)物質(zhì)帶入海洋, 進(jìn)而刺激了海表生物生產(chǎn)力, 并將大量的陸源和海洋來(lái)源有機(jī)碳埋藏到海底中, 從而促進(jìn)了該時(shí)期大氣二氧化碳濃度的急劇降低(Xiong, 2018; Xu, 2018a, 2020)。

圖2 低海平面(a)和高海平面(b)時(shí)期黑潮源區(qū)陸源物質(zhì)輸入的碳循環(huán)效應(yīng)示意圖(修改自Xu et al, 2020)

3.2 亞洲風(fēng)塵物質(zhì)的輸入

風(fēng)塵物質(zhì)的輸運(yùn)和沉降可以影響海洋生物地球化學(xué)過(guò)程(Martin, 1990)或大氣物質(zhì)組成(Jickells, 2005), 進(jìn)而在全球的氣候環(huán)境變化中發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用。據(jù)估計(jì)每年約有5億噸風(fēng)塵顆粒被排放到海洋中(Shao, 2011), 其中鐵和硅等營(yíng)養(yǎng)元素的存在對(duì)海洋生物生產(chǎn)力和海洋-大氣間二氧化碳的交換至關(guān)重要(Shao, 2011; Murray, 2012; Xiong, 2013; Lamy, 2014; Martínez-García, 2014)。據(jù)Menviel等(2012)推測(cè), 第四紀(jì)冰期低海平面階段風(fēng)塵物質(zhì)中所攜帶的有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物供給的增加可能引發(fā)了大氣二氧化碳濃度~10×10-6的波動(dòng)。近幾年的研究工作也表明: 黑潮源區(qū)所接收的、遠(yuǎn)距離搬運(yùn)而來(lái)的亞洲風(fēng)塵物質(zhì)輸入對(duì)此處的海洋生物生產(chǎn)力變化有著非常重要的貢獻(xiàn), 進(jìn)而能夠影響到大氣二氧化碳濃度、全球碳循環(huán)和氣候環(huán)境變化(Jiang, 2019; Xu, 2020)。

最初, “鐵假說(shuō)”是基于南大洋地區(qū)的高營(yíng)養(yǎng)鹽低葉綠素特征而提出的(Martin, 1990)。風(fēng)塵物質(zhì)是遠(yuǎn)離陸地的開(kāi)闊大洋地區(qū)中鐵等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要來(lái)源, 進(jìn)而可能會(huì)影響到鐵輸入受限地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和碳循環(huán)(Winckler, 2008; Murray, 2012; Xiong, 2013)。盡管黑潮源區(qū)并非典型的高營(yíng)養(yǎng)鹽低葉綠素海區(qū), 但這里的大部分海區(qū)同樣也是貧營(yíng)養(yǎng)的, 即其生態(tài)系統(tǒng)也可能受到了鐵供應(yīng)的顯著影響(Kondo, 2007)。例如, 當(dāng)前該地區(qū)的浮游植物生長(zhǎng)已被證實(shí)的確受到了鐵供應(yīng)的限制(Coale, 1996; Li, 2004; Kondo, 2007)。開(kāi)闊大洋的鐵來(lái)源主要是大陸邊緣沉積物孔隙水?dāng)U散、風(fēng)塵溶解和熱液噴流三種方式(陳天宇等, 2019)。研究區(qū)周邊島嶼河流和大陸架釋放的鐵主要沉積在附近的西菲律賓海大陸坡地區(qū), 很難輸出到大洋(Xiong, 2018; Xu, 2020)。此外, 研究區(qū)沉積物受熱液活動(dòng)影響較小(Xu, 2013), 南大洋的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入也有限(Xiong, 2015)。因此西菲律賓海的深海盆地和海底高原的鐵應(yīng)主要來(lái)自于風(fēng)塵物質(zhì)輸入(Xu, 2015, 2020)。海洋生物生產(chǎn)力是軌道時(shí)間尺度上大氣二氧化碳濃度的最重要調(diào)控因素之一(Beaufort, 2001; Martínez-Garcia, 2011), 而陸源輸入和厄爾尼諾-南方濤動(dòng)相關(guān)的溫躍層動(dòng)力學(xué)是解釋第四紀(jì)西太平洋暖池海域生產(chǎn)力變化的兩個(gè)可能過(guò)程(Xu, 2015; Winckler, 2016; Xiong, 2018; Chen, 2019)。第四紀(jì)冰期階段黑潮源區(qū)亞洲風(fēng)塵物質(zhì)及其所攜帶營(yíng)養(yǎng)元素輸入通量的增強(qiáng)可能刺激了古海洋生物生產(chǎn)力的提升(Zhang, 2007; Xiong, 2013)。例如, 基于55萬(wàn)年以來(lái)熱帶西太平洋古海洋生物生產(chǎn)力和北太平洋風(fēng)塵物質(zhì)輸入量的間接對(duì)比, Zhang等(2007)認(rèn)為亞洲風(fēng)塵物質(zhì)的輸入可能是控制該地區(qū)古生產(chǎn)力變化的最重要因素。Murray等(2012)的研究工作也證實(shí)了過(guò)去100萬(wàn)年內(nèi), 特別是其中18萬(wàn)年之前的冰期階段, 熱帶太平洋中部的沉積物中蛋白石含量這一硅質(zhì)生物生產(chǎn)力指標(biāo)與鐵輸入之間的密切關(guān)系。對(duì)于本次研究區(qū), 70萬(wàn)年以來(lái)冰期階段西菲律賓海中亞洲東部沙漠風(fēng)塵物質(zhì)對(duì)研究區(qū)輸入量的增加也直接對(duì)應(yīng)著此時(shí)海洋生物生產(chǎn)力的提高(Xu, 2012; Tang, 2013)。Xiong等(2013)則論證了末次盛冰期時(shí)亞洲風(fēng)塵物質(zhì)輸入量的增加對(duì)東菲律賓海生物生產(chǎn)力提高的重要貢獻(xiàn)。而MD06-3047和MD06-3052巖芯中溫躍層深度變化與有機(jī)碳含量, 上升流強(qiáng)度變化與生物硅、有機(jī)碳含量之間相關(guān)性弱, 表明第四紀(jì)冰期溫躍層動(dòng)力學(xué)對(duì)該區(qū)域海洋生物生產(chǎn)力沒(méi)有顯著影響(Xu, 2015, 2020)。因此, 第四紀(jì)冰期階段黑潮源區(qū)風(fēng)塵物質(zhì)輸入量的增加引起了海洋生物生產(chǎn)力的提升, 很可能會(huì)在一定程度上降低了大氣中二氧化碳濃度(Li, 2010; Xiong, 2013)。

上述推論已經(jīng)得到了近年來(lái)對(duì)第四紀(jì)階段黑潮源區(qū)亞洲風(fēng)塵物質(zhì)輸入、海洋生物生產(chǎn)力和大氣二氧化碳濃度變化方面綜合性研究成果的初步證實(shí), 從而進(jìn)一步明確了風(fēng)塵物質(zhì)輸入對(duì)研究區(qū)古生產(chǎn)力和碳循環(huán)的潛在價(jià)值(Xu, 2015)。在西菲律賓海, MD06-3047巖芯的高時(shí)間分辨率多指標(biāo)分析結(jié)果顯示: 70萬(wàn)年以來(lái)亞洲風(fēng)塵物質(zhì)輸入、可溶性鐵含量、海洋生物生產(chǎn)力以及大氣二氧化碳濃度的變化間具有良好的同步性, 冰期時(shí)亞洲風(fēng)塵物質(zhì)的輸入量、海表可溶性鐵的含量、古生產(chǎn)力的水平及海底有機(jī)碳的埋藏量較高而大氣二氧化碳的濃度較低, 而間冰期時(shí)則表現(xiàn)出相反的變化特征, 這都說(shuō)明了第四紀(jì)冰期階段研究區(qū)增強(qiáng)的亞洲含鐵風(fēng)塵物質(zhì)輸入對(duì)黑潮源區(qū)海洋生物生產(chǎn)力、海底有機(jī)碳保存和大氣二氧化碳濃度降低的積極貢獻(xiàn)(Xu, 2015)。對(duì)于東菲律賓海, 末次盛冰期增強(qiáng)的亞洲內(nèi)陸風(fēng)塵輸入為研究區(qū)帶來(lái)了大量的硅和鐵等營(yíng)養(yǎng)元素, 進(jìn)而刺激了海表生物生產(chǎn)力, 并將大量的生物生產(chǎn)力成因有機(jī)碳帶入到海底埋藏下來(lái), 從而降低了大氣二氧化碳濃度(Xiong, 2013; 李鐵剛等, 2015); 而Jiang等(2019)也發(fā)表了第四紀(jì)冷期階段該地區(qū)亞洲風(fēng)塵物質(zhì)輸入和生物鋇含量這一有效的海洋生物生產(chǎn)力指示劑之間的良好相關(guān)性。

最近, Xu等(2020)系統(tǒng)收集和整理了黑潮源區(qū)緯向分布的MD06-3052、MD06-3047和WPD-03巖芯沉積物的高時(shí)間分辨率多指標(biāo)數(shù)據(jù)集, 綜合性地闡述和證明了包括呂宋島火山物質(zhì)和亞洲風(fēng)塵物質(zhì)在內(nèi)的陸源物質(zhì)輸入是第四紀(jì)階段黑潮源區(qū)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(如硅和鐵)和有機(jī)質(zhì)供應(yīng)以及海洋生物生產(chǎn)力的最重要控制因素。具體來(lái)講, 在大陸坡等相對(duì)較淺海區(qū), 陸源物質(zhì)主要來(lái)源于附近的呂宋島和大陸架, 而在深水盆地等相對(duì)較深區(qū)域, 亞洲風(fēng)塵物質(zhì)輸入則是最主要的陸源物質(zhì)來(lái)源。總體而言, 在第四紀(jì)冰期低海平面階段, 黑潮源區(qū)周邊的呂宋島和出露陸架上的硅酸鹽風(fēng)化剝蝕產(chǎn)物以及亞洲風(fēng)塵物質(zhì)(包含碎屑物質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)質(zhì))的大量輸入、海表生物生產(chǎn)力的提升、上升流強(qiáng)度的減弱、海底還原性沉積環(huán)境的形成、海底有機(jī)碳的大量埋藏和大氣中二氧化碳濃度降低之間的耦合, 使該地區(qū)成為了全球碳循環(huán)中的一個(gè)重要匯(圖2)(Xu, 2020)。

4 總結(jié)與展望

綜上所述, 近年來(lái)對(duì)第四紀(jì)不同時(shí)間尺度上黑潮源區(qū)海底沉積物的源-匯過(guò)程、主要控制因素及其碳循環(huán)效應(yīng)等方面的研究已經(jīng)取得了一系列非常重要的階段性成果和認(rèn)識(shí): 該地區(qū)的陸源碎屑沉積物主要來(lái)自周邊的呂宋島和大陸架以及遠(yuǎn)端的亞洲東部沙漠, 它們的貢獻(xiàn)大小主要受控于海平面高度和東亞季風(fēng)強(qiáng)度; 此外, 人類活動(dòng)在距今2100a以來(lái)也有一定的影響。具體來(lái)講, 呂宋島及其周邊陸架上硅酸鹽化學(xué)風(fēng)化作用的主要控制因素是東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度以及海平面高度, 而東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度則制約著亞洲內(nèi)陸風(fēng)塵物質(zhì)的輸入。在第四紀(jì)冰期低海平面時(shí)期, 黑潮源區(qū)周邊的化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)度和亞洲風(fēng)塵物質(zhì)輸入量的增強(qiáng)均可以提高該海區(qū)的海洋生物生產(chǎn)力, 并對(duì)海底的碳埋藏和大氣二氧化碳濃度的降低有著重要的調(diào)控作用。

盡管對(duì)黑潮源區(qū)巖芯沉積物的多指標(biāo)綜合性研究工作已經(jīng)初步揭示了第四紀(jì)陸源物質(zhì)輸入對(duì)該地區(qū)海洋生物生產(chǎn)力、全球碳循環(huán)和全球氣候環(huán)境變化的潛在影響, 但上述推論仍未得到更長(zhǎng)時(shí)間跨度和更廣地域范圍上沉積記錄的有效證實(shí)。因此, 接下來(lái)亟需補(bǔ)充進(jìn)行相關(guān)的研究工作, 如基于國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃等地球科學(xué)史上持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、影響最深的國(guó)際合作計(jì)劃來(lái)獲取研究區(qū)內(nèi)的高質(zhì)量長(zhǎng)沉積物巖芯以便開(kāi)展更長(zhǎng)時(shí)間跨度的研究工作。此外, 在空間范圍上, 未來(lái)也需要在其他的熱帶海域開(kāi)展更多的對(duì)比性研究工作, 從而避免一孔之見(jiàn), 進(jìn)而深入揭示整個(gè)熱帶海區(qū)的陸源物質(zhì)輸入過(guò)程、主要成因機(jī)制及其古氣候環(huán)境效應(yīng)。同時(shí), 未來(lái)還應(yīng)該對(duì)研究區(qū)鐵和硅等營(yíng)養(yǎng)元素的來(lái)源進(jìn)行定量化識(shí)別, 并對(duì)風(fēng)塵物質(zhì)從陸到海的遷移和沉積過(guò)程進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè), 將對(duì)黑潮源區(qū)風(fēng)塵物質(zhì)的定量源- 匯過(guò)程及其與大洋生物地球化學(xué)過(guò)程和氣候變化之間的耦合關(guān)系有更清晰的認(rèn)識(shí)。此外, 目前關(guān)于高、低緯地區(qū)之間耦合關(guān)系的研究相對(duì)較少, 以后應(yīng)側(cè)重研究區(qū)和高緯度地區(qū)間的系統(tǒng)性對(duì)比研究, 通過(guò)數(shù)值模擬和指標(biāo)記錄相結(jié)合的方法, 為不同時(shí)間尺度上高、低緯之間的相互作用評(píng)估提供可靠證據(jù), 這也將進(jìn)一步明確低緯度地區(qū)在全球氣候變化中的作用。

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SEDIMENTARY SOURCE-SINK PROCESSES, DOMINANT CONTROLLING FACTORS, AND THEIR CARBON CYCLE IN THE KUROSHIO SOURCE REGION IN THE QUATERNARY

XU Zhao-Kai1, 2, 3, 4, ZHANG Qian-Yue1, 5, CHANG Feng-Ming1, 2, 3

(1. Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2.Laboratory for Marine Geology and Environment,Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao266061, China; 3. Center for Ocean Mega-Science,Chinese Academy of Sciences,Qingdao266071,China; 4. CAS Center for Excellence in Quaternary Science and Global Change, Xi'an710061,China; 5. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049,China)

In this paper, the status quo of the sedimentary source-sink processes, dominant controlling factors, and their carbon cycle significance in the Kuroshio source region during the Quaternary were systematically reviewed. The results derived from comprehensive indicators of different disciplines consistently show that the main sources of the terrestrial detritus include nearby Luzon and continental shelf, as well as remote eastern Asian deserts. Their contributions to the studied area are dominantly correlated with sea level height and intensity of the East Asian monsoon on orbital, millennial, and centennial timescales, and ultimately controlled by the dual drives of both high- and low-latitude processes. In addition, the significant impact of human activity on the Kuroshio source region has occurred since 2.1 ka. Furthermore, there are also good correlations between the abovementioned processes associated with terrestrial inputs into the studied area, paleoproductivity, organic carbon burial in the sea, and atmospheric carbon dioxide concentration, indicating the significance of sedimentary source-sink processes in the Kuroshio source region for modulating the global carbon cycle. The abovementioned research work can provide regional data and theoretical support at low-latitudes for better predicting the climatic and environmental change trend in the future.

Kuroshio source region; carbon cycle; source-sink processes; controlling factor; Quaternary

* 中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類), XDB42000000號(hào); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目, 41676038號(hào), 41876034號(hào)。徐兆凱, 博士, 研究員, E-mail: zhaokaixu@qdio.ac.cn

張騫月, 碩士研究生, E-mail: zhangqianyue19@mails.ucas.ac.cn

2020-06-29,

2020-08-24

P736

10.11693/hyhz20200600184