珊瑚骨骼生長(zhǎng)與地球化學(xué)組成

康慧凌, 陳雪霏, 鄧文峰, 韋剛健

珊瑚骨骼生長(zhǎng)與地球化學(xué)組成

康慧凌1, 2, 3, 4, 陳雪霏1, 2, 3*, 鄧文峰1, 2, 3, 韋剛健1, 2, 3

(1. 中國(guó)科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所, 同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510640; 2. 中國(guó)科學(xué)院深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心, 廣東 廣州 510640; 3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州), 廣東 廣州 511458; 4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

造礁珊瑚對(duì)環(huán)境變化極為敏感, 在氣候變化與人類活動(dòng)的多重脅迫下, 全球珊瑚礁在近幾十年急劇退化。然而, 也正是這種環(huán)境敏感性使得珊瑚具有記錄海水物理化學(xué)條件變化的能力, 成為研究海洋氣候環(huán)境變化的重要載體。珊瑚骨骼中的Sr/Ca、Li/Mg、B/Ca、Ba/Ca、δ18O以及δ11B等地球化學(xué)指標(biāo), 被廣泛應(yīng)用于重建海水溫度、降雨、pH值、陸源輸入以及上升流等環(huán)境信息。但需要注意的是, 珊瑚骨骼的地球化學(xué)組成受控于環(huán)境變化的同時(shí), 也受到珊瑚及共生蟲黃藻的生命過(guò)程即所謂的“生命效應(yīng)”的影響。因此, 厘清“生命效應(yīng)”對(duì)珊瑚骨骼地球化學(xué)組成和環(huán)境記錄重建的影響, 對(duì)于準(zhǔn)確重建海洋氣候環(huán)境變化至關(guān)重要。本文系統(tǒng)回顧了近三十年來(lái)常用的珊瑚地球化學(xué)指標(biāo), 對(duì)其原理及存在的“生命效應(yīng)”進(jìn)行總結(jié), 并歸納了團(tuán)塊狀造礁珊瑚的生長(zhǎng)模式、骨骼三維結(jié)構(gòu)與微結(jié)構(gòu)特征, 及其同珊瑚地球化學(xué)替代指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)。結(jié)合對(duì)珊瑚生長(zhǎng)與“生命效應(yīng)”的理解,以及對(duì)珊瑚微區(qū)地球化學(xué)信號(hào)的解讀, 本文進(jìn)一步闡述了珊瑚生長(zhǎng)對(duì)地球化學(xué)信號(hào)的影響。

造礁珊瑚; 地球化學(xué)指標(biāo); 生命效應(yīng); 珊瑚生長(zhǎng); 骨骼微結(jié)構(gòu)

0 引 言

海洋中奇?zhèn)ス妍惖拇笮蜕锝ㄔ臁汉鹘? 為近25%的海洋生物提供了棲息之地, 擁有豐富的生物多樣性和極高的生產(chǎn)力, 被譽(yù)為“藍(lán)色沙漠中的綠洲”。珊瑚礁還能夠抵御海浪對(duì)近岸的侵蝕, 有天然的防浪護(hù)岸功能, 并在漁業(yè)、旅游業(yè)、醫(yī)藥等方面具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值(余克服, 2018), 是寶貴的海洋資源。然而, 珊瑚對(duì)環(huán)境變化十分敏感。在氣候變化和人類活動(dòng)的多重脅迫下, 珊瑚礁的生存承受著巨大的威脅和挑戰(zhàn)(IPCC, 2021)。海水溫度升高會(huì)迫使珊瑚驅(qū)趕與其共生的蟲黃藻, 失去五彩繽紛的顏色和主要的能量來(lái)源, 造成珊瑚白化的現(xiàn)象; 海水pH值下降可能導(dǎo)致珊瑚的鈣化能力減弱, 從而無(wú)法維持珊瑚礁的持續(xù)生長(zhǎng)(Glynn, 1993; Hoegh- Guldberg, 1999; Hughes et al., 2017; Kubota et al., 2017)。因此, 近幾十年來(lái)全球珊瑚礁都經(jīng)歷著嚴(yán)重的退化, 大規(guī)模珊瑚白化事件發(fā)生的頻率不斷增加, 許多海域造礁珊瑚的覆蓋率和鈣化速率均在持續(xù)下降(Hughes and Tanner, 2000; De’ath et al., 2009, 2012; Cantin et al., 2010; Chen et al., 2021)。但是, 也正是珊瑚對(duì)環(huán)境的高度敏感性, 賦予了它記錄海洋環(huán)境變化的能力, 使之成為與陸地上樹輪、冰芯、黃土等同樣重要的古氣候研究載體, 為我們打開了認(rèn)識(shí)海洋環(huán)境演變的時(shí)空之門(Gagan et al., 2000)。

造礁珊瑚是珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)最主要的生物建造者。它能夠高效快速地利用海水中的Ca2+與溶解無(wú)機(jī)碳(dissolved inorganic carbon, DIC: HCO? 3、CO2? 3與CO2), 迅速沉淀形成文石質(zhì)的碳酸鈣(CaCO3)骨骼, 即珊瑚礁的主要成分。在珊瑚鈣化時(shí), 海水中的一些其他元素(如Sr、Mg、Ba、B、Pb、Mn、Cu、Zn等)與CaCO3發(fā)生共沉淀, 從而進(jìn)入到礦物晶格中。雖然這些元素僅以微量的成分存在于珊瑚骨骼中(被稱為珊瑚骨骼中的微量元素; minor elements, Me), 但是它們與Ca的比值(Me/Ca), 或者其同位素組成(如δ11B), 均對(duì)海水環(huán)境變化十分敏感, 是珊瑚古氣候研究中重要的環(huán)境替代指標(biāo)。自20世紀(jì)70年代以來(lái), 基于珊瑚骨骼的地球化學(xué)替代指標(biāo)得到了廣泛關(guān)注, 例如: Sr/Ca、Mg/Ca、Li/Mg、B/Ca、U/Ca、Ba/Ca、δ18O和δ11B等。這些替代指標(biāo)可用于反演珊瑚生長(zhǎng)時(shí)的海水溫度、鹽度、陸源輸入、上升流以及海水pH值等的變化情況(Lea et al., 1989; Beck et al., 1992; Hemming and Hanson, 1992; Hemming et al., 1998; McCulloch et al., 2003; Pelejero et al., 2005; Cahyarini et al., 2008; Gagan et al., 2012; D’Olivo et al., 2018; Chen et al., 2020)。除了記錄環(huán)境信息之外, 珊瑚骨骼也能直觀地提供其自身的鈣化生長(zhǎng)歷史, 例如珊瑚骨骼的密度、線性生長(zhǎng)率以及鈣化速率的變化情況(Barnes and Lough, 1993)。這些從珊瑚巖心獲取的鈣化生長(zhǎng)歷史, 是疊加海洋環(huán)境短期和長(zhǎng)期變化的綜合結(jié)果, 能夠最真實(shí)地反映珊瑚自身對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng), 因此可以幫助我們更準(zhǔn)確、全面地認(rèn)識(shí)造礁珊瑚在氣候變化脅迫下的自我調(diào)節(jié)和適應(yīng)能力, 以及珊瑚與環(huán)境的協(xié)同演變機(jī)制。而在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)時(shí), 珊瑚骨骼中的地球化學(xué)記錄可以作為非常重要的橋梁, 因?yàn)樗軌蛱峁┠壳八狈Φ暮Ｋ疁囟群退岫鹊拳h(huán)境信息的長(zhǎng)期演變記錄, 幫助我們更精準(zhǔn)地解析海洋升溫和酸化對(duì)造礁珊瑚的影響。

但需要注意的是, 珊瑚的地球化學(xué)替代指標(biāo)除了受環(huán)境因素控制外, 也受到珊瑚及其共生蟲黃藻生物活動(dòng)的影響(Cohen et al., 2002; Cohen and Gaetani, 2011; Gaetani et al., 2011; Trotter et al., 2011)。因此利用這些替代指標(biāo)重建的環(huán)境記錄可能呈現(xiàn)出超過(guò)正常海水環(huán)境波動(dòng)的變化幅度, 并且相同環(huán)境下的不同珊瑚樣品所重建的環(huán)境記錄也可能存在一定差異。這些現(xiàn)象可能是生物個(gè)體本身所導(dǎo)致, 因此常被歸因?yàn)椤吧?yīng)”(Gaetani and Cohen, 2006; Cohen and Gaetani, 2011; Trotter et al., 2011; Sadler et al., 2014), 干擾我們對(duì)珊瑚重建記錄的解讀。具體來(lái)說(shuō), 導(dǎo)致“生命效應(yīng)”的生物過(guò)程包括(但不限于): 珊瑚的鈣化速率、新陳代謝活動(dòng)、生物體內(nèi)各種離子的被動(dòng)和主動(dòng)運(yùn)輸(圖1a、b)以及骨骼結(jié)構(gòu)等。這些生命過(guò)程對(duì)不同地球化學(xué)替代指標(biāo)的影響也存在差異(McConnaughey, 1989; Cohen et al., 2002; Reynaud et al., 2007; Trotter et al., 2011; Kuffner et al., 2012; McCulloch et al., 2012, 2017; Reed et al., 2021)。通常, 珊瑚的鈣化速率越快, 沉淀過(guò)程中δ18O的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)越顯著, Me/Ca的瑞利分餾程度越強(qiáng), 從而使得快速鈣化形成的骨骼δ18O值偏低, Sr/Ca與Ba/Ca值(分配系數(shù)D>1,DMe/Ca=(Me/Ca)文石/ (Me/Ca)海水)偏低, 而Mg/Ca值偏高(D<1)(圖1c) (McConnaughey, 1989; Reynaud et al., 2007; Kuffner et al., 2012)。此外, 珊瑚CaCO3骨骼的沉淀并非直接發(fā)生在海水中, 而是在現(xiàn)有骨骼與上覆珊瑚蟲細(xì)胞之間的半封閉環(huán)境(鈣化流體, calcifying fluid, cf)中, 海水成分可以通過(guò)主動(dòng)或被動(dòng)運(yùn)輸進(jìn)入該位置, 并且鈣化流體組成也受到珊瑚自身及共生藻類新陳代謝活動(dòng)的影響, 從而與海水有系統(tǒng)性差別(Trotter et al., 2011; McCulloch et al., 2012), 這也是影響珊瑚骨骼與無(wú)機(jī)文石地球化學(xué)組成差異的關(guān)鍵因素。此外, 珊瑚骨骼存在特殊的微結(jié)構(gòu), 不同結(jié)構(gòu)單元的地球化學(xué)組成具有顯著差異, 其對(duì)海水環(huán)境的敏感度或者響應(yīng)也有明顯差別。常規(guī)來(lái)說(shuō), 珊瑚古氣候重建時(shí)需要選取巖心切片樣品的最大生長(zhǎng)軸進(jìn)行取樣和地球化學(xué)分析, 因此骨骼宏觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及巖心打鉆的隨機(jī)性都可能會(huì)限制取樣路徑的質(zhì)量, 從而影響地球化學(xué)記錄的可靠性(Reed et al., 2021)。而珊瑚骨骼微結(jié)構(gòu)的地球化學(xué)組成, 涉及這一時(shí)間尺度上不同區(qū)域或結(jié)構(gòu)單元在沉淀時(shí)間與環(huán)境上的差別, 從而也受到鈣化速率與生命新陳代謝等因素的影響。

(a) 被動(dòng)運(yùn)輸(海水?dāng)U散): Ca2+、Mg2+、Sr2+、Li+、Ba2+、U2+、B(OH)? 4、CO2? 3、HCO? 3、CO2、B(OH)3; (b) 主動(dòng)運(yùn)輸: 使鈣化流體Ca2+、Sr2+、pH、總堿度(TA)、DIC、CO2? 3、飽和度(Ω)上升; (c) 鈣化過(guò)程中的瑞利分餾: 使骨骼Sr、Ba等(KD>1)下降, Mg、Li、U等(KD<1)上升。

為了更好地理解珊瑚生長(zhǎng)與地球化學(xué)替代指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián), 本文總結(jié)了大型塊狀珊瑚(常用于珊瑚古氣候研究)的生長(zhǎng)模式與骨骼結(jié)構(gòu), 系統(tǒng)性回顧了常用的珊瑚地球化學(xué)指標(biāo), 探討了“生命效應(yīng)”的具體機(jī)制及其對(duì)地球化學(xué)替代指標(biāo)的影響, 并歸納總結(jié)了前人對(duì)珊瑚微區(qū)的地球化學(xué)研究(不限于大型塊狀珊瑚), 從珊瑚地球化學(xué)取樣的角度提出指導(dǎo)建議, 有助于更準(zhǔn)確地提取和理解賦存于珊瑚骨骼的氣候環(huán)境變化信息。

1 珊瑚生長(zhǎng)的宏觀與微觀特征

1.1 珊瑚骨骼的宏觀結(jié)構(gòu)及其對(duì)地球化學(xué)取樣的影響

珊瑚骨骼生長(zhǎng)具有周期性, 它如同樹輪可作為“古生物時(shí)鐘”, 這也是其能夠記錄古環(huán)境變化的關(guān)鍵(Hudson et al., 1976)。大型造礁珊瑚(如濱珊瑚)骨骼的年密度帶是其生長(zhǎng)年周期性的直接證據(jù)(圖2a、c)。在野外進(jìn)行巖心取樣后, 切割得到平整的珊瑚薄板, 再對(duì)珊瑚薄板進(jìn)行X射線(或γ射線)照射, 可獲得明亮條帶(高密度)與暗條帶(低密度)相間的圖像(以X光負(fù)片為例), 它們體現(xiàn)了不同季節(jié)所形成骨骼的密度差異。雖然高、低密度條帶和季節(jié)的對(duì)應(yīng)關(guān)系在不同海域并不統(tǒng)一, 冬季高密度條帶模式與夏季高密度條帶模式均有報(bào)道(Lough and Barnes, 1997; Mitsuguchi et al., 2003; Kayanne et al., 2006; Sazzad et al., 2010; Al-Rousan, 2012), 但無(wú)須置疑的是, 相鄰的一條高密度帶和一條低密度帶代表珊瑚骨骼一年的生長(zhǎng)量。然而并非任意珊瑚薄板樣品都能呈現(xiàn)出清晰的年密度帶, 這取決于珊瑚巖心的取樣方向以及珊瑚骨骼的三維結(jié)構(gòu)。一個(gè)珊瑚蟲單獨(dú)形成的骨骼被稱為珊瑚單體(corallite), 大量珊瑚單體從中心向外呈輻射狀排列堆積形成珊瑚礁。在生長(zhǎng)初期, 珊瑚的表面可以維持相對(duì)平坦的狀態(tài), 直到約50～80 mm高, 其表面開始變得不平或形成凸起; 從平行生長(zhǎng)方向的剖面看, 每一個(gè)凸起內(nèi)珊瑚單體排列成扇形, 被稱為珊瑚扇(corallites fans); 相鄰?fù)蛊鹬g則會(huì)形成低槽(Darke and Barnes, 1993; Lough and Barnes, 1997; Zhang and Yu, 2008)。Darke and Barnes (1993)論述了珊瑚礁體生長(zhǎng)的具體過(guò)程, 并提供了有助于理解珊瑚礁體生長(zhǎng)的解析圖。在珊瑚扇向上與向外生長(zhǎng)過(guò)程中, 凸起的頂部比側(cè)面具有更多的空隙, 容許新的珊瑚蟲嵌入, 舊珊瑚蟲形成的珊瑚單體逐漸位于凸起之間的低槽, 進(jìn)而被擠壓; 相應(yīng)地, 低槽處的珊瑚單體形狀小且不規(guī)則, 體壁也較薄。

(a)、(c) 具有清晰年密度條帶的西沙濱珊瑚樣品; (b)、(d) 年密度條帶內(nèi)不可見細(xì)條紋與可見細(xì)條紋的情況; (e)、(f)、(g) 掃描電鏡下不同空間尺度的珊瑚骨骼表面形貌; (g) 可見鈣化中心。

在團(tuán)塊狀珊瑚的不同位置、沿不同方向進(jìn)行巖心鉆取, 獲得珊瑚薄板的X射線圖像、生長(zhǎng)參數(shù)以及地球化學(xué)分析結(jié)果可能不一致。當(dāng)鉆取巖心的方向與珊瑚生長(zhǎng)方向垂直或具有很大的角度時(shí), 珊瑚薄板的X射線圖像可能幾乎沒(méi)有年密度條帶, 這類樣品不適宜獲取生長(zhǎng)參數(shù)與地球化學(xué)指標(biāo)的時(shí)間序列。當(dāng)巖心方向與珊瑚生長(zhǎng)方向一致或夾角很小時(shí), 樣品會(huì)呈現(xiàn)出足夠清晰的年密度條帶; 若巖心恰好經(jīng)過(guò)最大生長(zhǎng)軸, 這是最理想的樣品, 若年密度條帶趨于平行, 垂直年密度帶進(jìn)行取樣, 測(cè)得的Sr/Ca、Ba/Ca、δ18O以及δ11B等地球化學(xué)記錄也能夠反映環(huán)境信息(Reed et al., 2021)。當(dāng)巖心與珊瑚生長(zhǎng)方向一致, 但經(jīng)過(guò)了珊瑚凸起之間的低槽, 樣品雖然具有清晰的年密度帶, 但沿此路徑獲得的地球化學(xué)數(shù)據(jù), 可能受到珊瑚生長(zhǎng)過(guò)程的擾動(dòng)而畸變, 不能真實(shí)地記錄海水環(huán)境的變化(Reed et al., 2021)。相比于同時(shí)期理想的骨骼取樣路徑, 珊瑚生長(zhǎng)低槽的骨骼密度偏低, Sr/Ca與Ba/Ca值偏高, Mg/Ca值偏低(Alibert and Kinsley, 2008; Reed et al., 2021)。究其原因, 可能是由于珊瑚在形成骨骼生長(zhǎng)低槽時(shí)的沉淀速率慢, 瑞利分餾弱, 使得骨骼中Sr/Ca、Ba/Ca值偏高(D>1), Mg/Ca值偏低(D<1)(Gaetani and Cohen, 2006; Cohen and Gaetani, 2011; Reed et al., 2021)。選擇理想的樣品以及取樣路徑, 是開展珊瑚地球化學(xué)研究的基本前提。

1.2 珊瑚骨骼微結(jié)構(gòu)

在一些珊瑚骨骼X射線圖像中, 年密度條帶內(nèi)還存在若干清晰的細(xì)條紋(圖2d), 體現(xiàn)了珊瑚生長(zhǎng)的月周期; 但是, 由于X光片是具有一定厚度的三維珊瑚骨骼薄片中許多層骨骼結(jié)構(gòu)的二維體現(xiàn), 并非所有的珊瑚X光片都具有細(xì)條紋(圖2b、d), 并且細(xì)條紋的數(shù)量也很難統(tǒng)一; 細(xì)密度條帶與X射線(或γ射線)在同一平面以及生長(zhǎng)速率相對(duì)快的珊瑚薄片, 其X射線圖像具有更清晰的細(xì)條紋(Buddemeier, 1974)。在更短的時(shí)間尺度月、周乃至日上, 珊瑚骨骼的生長(zhǎng)似乎非常復(fù)雜, 為這一尺度上的地球化學(xué)取樣帶來(lái)難度。因此, 有必要了解微觀尺度下珊瑚骨骼的結(jié)構(gòu)特征以及形成機(jī)制。

Cuif and Dauphin (2005)提出的造礁石珊瑚骨骼生長(zhǎng)兩階段模型認(rèn)為珊瑚細(xì)胞外胚層在第一階段快速分泌文石以及有機(jī)質(zhì), 形成微結(jié)構(gòu)的基本架構(gòu), 這一部分被稱為鈣化中心(centers of calcification, COCs)、快速積聚層(rapid accretion deposits, RADs)或早期礦化帶(early mineralization zones, EMZs), 其延伸方向通常與珊瑚垂向生長(zhǎng)軸的方向平行; 第二階段為骨骼的側(cè)向加厚過(guò)程, 即纖維狀文石晶體以垂直或半垂直于早期礦化帶延伸方向的角度,圍繞早期礦化帶區(qū)域生長(zhǎng), 這一部分被稱為增厚層(thickening deposits, TDs)或增厚纖維(thickening fibers)(Cuif et al., 1999; Cuif and Dauphin, 2005; Nothdurft and Webb, 2007)。微米尺度上“EMZs”和“fibers”兩階段礦化的循環(huán)進(jìn)行, 使得珊瑚骨架得以形成與增厚(Nothdurft and Webb, 2007)。珊瑚骨骼的基本結(jié)構(gòu)有: 珊瑚杯(calice)、體壁(wall; theca)、隔壁(septum, 復(fù)數(shù)septa)、底板(basal plate)、鱗板(dissepiment)、軸柱(columella)以及表面小刺(spine)等(圖3; Nothdurft and Webb, 2007; Xie and Wei, 2008; Zhang and Yu, 2008; Ye et al., 2013; Geng et al., 2017)。珊瑚外胚層最先形成底板, 再?gòu)牡装暹吘壪蛏涎由煨纬审w壁, 底板與體壁圍繞形成珊瑚杯; 珊瑚杯內(nèi)部的垂直分隔板被稱為隔壁; 橫向分隔板為鱗板, 是珊瑚細(xì)胞組織隨骨骼垂向生長(zhǎng)而抬升形成的; 隔壁在單個(gè)珊瑚杯中心聚合而成的縱向骨骼為軸柱; 鱗板與隔壁之間的空腔被稱為隔間腔(inter-septal space)(Nothdurft and Webb, 2007; Xie and Wei, 2008; Zhang and Yu, 2008; Ye et al., 2013; Geng et al., 2017)。珊瑚骨骼年密度帶內(nèi)的細(xì)條紋可能指示了生長(zhǎng)的月周期, 這與鱗板有所關(guān)聯(lián)(Barnes and Lough, 1993; DeCarlo and Cohen, 2017)。目前的研究主要認(rèn)為鱗板的形成與珊瑚組織層每月的向上抬升有關(guān), 對(duì)于濱珊瑚而言, 最新形成的鱗板總是位于珊瑚外胚層的底部, 月亮的盈缺可能是新生鱗板形成的誘因(DeCarlo and Cohen, 2017)。這并非沒(méi)有根據(jù), 珊瑚的大規(guī)模產(chǎn)卵也是發(fā)生在滿月后的幾個(gè)夜晚, 可能與月亮對(duì)黃昏光線“藍(lán)移”現(xiàn)象的影響有關(guān): 黃昏時(shí)分, 太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣層的路徑長(zhǎng)度增加, 臭氧層越來(lái)越多地吸收長(zhǎng)波長(zhǎng)的光, 使得天光逐漸藍(lán)移(紅光、綠光、藍(lán)光的波長(zhǎng)逐漸變短); 而月光比直射陽(yáng)光的波長(zhǎng)更長(zhǎng), 因而能夠影響黃昏的藍(lán)移現(xiàn)象, 其影響程度在滿月前后變化非常迅速, 因?yàn)槿章鋾r(shí)的月亮在月相漸圓時(shí)位于地平線以上, 而在月相漸虧時(shí)低于地平線, 并且也有研究表明珊瑚對(duì)光譜的藍(lán)色區(qū)域異常敏感(Gorbunov and Falkowski, 2002; Sweeney et al., 2011; Kaniewska et al., 2015)。濱珊瑚組織層的向上抬升遵循月相周期(太陰月或朔望月, 完全看不到月亮的一天被稱為“朔日”, 滿月那天為“望日”), 珊瑚細(xì)胞組織的厚度在望日前一兩天達(dá)到峰值, 在望日后的一兩天驟降20%, 可能是因?yàn)闈M月誘發(fā)組織細(xì)胞底部向上抬升, 形成新的鱗板(Rotmann and Thomas, 2012; DeCarlo and Cohen, 2017)。因此, 鱗板間距可用于代表珊瑚骨骼的月生長(zhǎng)率, 這有助于建立珊瑚的高分辨率年代模型, 并且對(duì)于年密度帶不清晰的珊瑚, 也具有很重要的參考意義(DeCarlo and Cohen, 2017)。珊瑚骨骼年密度條帶的形成, 也可能與鱗板間距具有一定的關(guān)聯(lián), 窄(寬)的鱗板間距, 常對(duì)應(yīng)著高(低)的骨骼密度(DeCarlo and Cohen, 2017)。此外, 近年來(lái)受到關(guān)注的珊瑚骨骼中異常的高密度“壓力帶”(high-density “stress band”), 可能與異常低的鱗板間距有關(guān), 或者對(duì)應(yīng)著鱗板數(shù)量的減少, 通常反映了環(huán)境熱壓力對(duì)珊瑚骨骼線性生長(zhǎng)的擾動(dòng)(Barkley and Cohen, 2016; Mallela et al., 2016; DeCarlo and Cohen, 2017)。

圖3 珊瑚蟲和珊瑚單體的基本結(jié)構(gòu)(據(jù)Tsuyoshi et al., 2006)

2 珊瑚地球化學(xué)替代指標(biāo)

2.1 溫度地球化學(xué)指標(biāo)

與Ca同一主族的Sr元素, 其離子半徑與Ca2+接近, 常會(huì)按比例替代Ca2+進(jìn)入到珊瑚CaCO3骨骼中, 因此其與Ca的比值(Sr/Ca), 受控于海水的Sr/Ca值以及其在文石與海水之間的分配系數(shù)。Sr與Ca在海洋中的滯留時(shí)間均高于106年, 這使得海水Sr/Ca值在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是恒定的, 而Sr/Ca的分配系數(shù)主要受溫度控制(Gaetani and Cohen, 2006)。因此, 珊瑚骨骼中的Sr/Ca值與溫度存在線性負(fù)相關(guān), 被廣泛應(yīng)用于熱帶海洋古溫度的重建(Gagan et al., 2000; DeLong et al., 2013; Zinke et al., 2014)。

O同位素也是地球化學(xué)經(jīng)典的溫度替代指標(biāo)(Allison and Finch, 2010; Gagan et al., 2012)。雖然同位素溫度計(jì)的基本前提是平衡分餾, 而珊瑚骨骼的δ18O并未與周圍海水的δ18O達(dá)到平衡, 明顯虧損18O, 但Weber and Woodhead (1972)通過(guò)對(duì)44個(gè)珊瑚種屬的研究, 建立了珊瑚骨骼δ18O與海水溫度之間的溫度方程, 肯定了兩者之間良好的線性關(guān)系, 開拓了δ18O溫度計(jì)在珊瑚古氣候重建的應(yīng)用。除了與溫度相關(guān), 珊瑚δ18O也與周圍海水的δ18O有關(guān), 從而受到蒸發(fā)、降水、徑流輸入以及冰川循環(huán)等過(guò)程的影響(Gagan, 1998; Gagan et al., 2000; Guilderson et al., 2001)。因此, 結(jié)合Sr/Ca值重建而得的溫度, 將溫度對(duì)骨骼δ18O的貢獻(xiàn)扣除, 得到的剩余δ18O(residual δ18O, 定義為Δδ18O), 可作為海水δ18O的替代指標(biāo), 常應(yīng)用于降水、表層海水鹽度(sea surface sanity, SSS)以及陸源輸入的重建(Gagan, 1998; Gagan et al., 2000; Deng et al., 2009)。

在早期研究中, Mg/Ca值也被用作溫度替代指標(biāo)(Mitsuguchi et al., 1996; Fallon et al., 2003; Reynaud et al., 2007; Wei et al., 2009)。與Sr/Ca值不同, 珊瑚骨骼中的Mg/Ca值與溫度正相關(guān), 是瑞利分餾導(dǎo)致(Gaetani and Cohen, 2006; Cohen and Gaetani, 2011)。海水對(duì)鈣化流體的更新補(bǔ)充是分批次、不連續(xù)的, 在每一批次鈣化流體的骨骼沉淀過(guò)程中, 元素在骨骼與流體之間的分配遵循瑞利過(guò)程: 隨著文石的沉淀, 殘余流體越來(lái)越富集Mg(DMg/Ca≈0.001), 因此更晚期沉淀的文石中Mg/Ca值相對(duì)高(Cohen and Gaetani, 2011)。沉淀速率越快, 瑞利分餾越強(qiáng), 并且升溫促進(jìn)文石沉淀, 因此珊瑚骨骼的Mg/Ca值與溫度正相關(guān)(Cohen and Gaetani, 2011)?；谶@一解釋, 我們似乎可以認(rèn)為對(duì)于Mg/Ca值而言, 溫度通過(guò)作用分配系數(shù)而對(duì)Mg進(jìn)入骨骼這一過(guò)程產(chǎn)生的影響較為微弱, 這可能是因?yàn)镈Mg/Ca太小。此外, 珊瑚骨骼中Mg的進(jìn)入受到較強(qiáng)的生理控制, 并且其在珊瑚碳酸鈣晶體中的賦存形態(tài)也存在爭(zhēng)議(Mitsuguchi et al., 2003; Meibom et al., 2004)。因此, 在更清楚地了解Mg在文石骨骼中的賦存狀態(tài)和機(jī)制之前, 需要謹(jǐn)慎應(yīng)用Mg/Ca值重建古溫度?；贛g/Ca溫度計(jì)的缺陷, 近年有學(xué)者提出新型的Li/Mg溫度計(jì)(Montagna et al., 2014)。由于Li+和Mg2+具有相似的離子半徑和分配系數(shù), 二者進(jìn)入文石晶體的方式基本是類似的, 它們?cè)诠趋乐械姆植家部赡苁艿较嘟咏纳砼c物理化學(xué)控制。因此, 珊瑚骨骼的Li/Mg值能夠一定程度地去除瑞利分餾與生理控制的效應(yīng), 從而更準(zhǔn)確地反映溫度變化(Hathorne et al., 2013; Montagna et al., 2014; Fowell et al., 2016; Marchitto et al., 2018)。根據(jù)不同類型的珊瑚(熱帶淺水珊瑚和深海珊瑚) Li/Mg值和海水溫度, 目前已建立了一條Li/Mg-SST(sea surface temperature)的普適方程(Cuny-Guirriec et al., 2019), 但這一方程的應(yīng)用性仍需要進(jìn)一步的評(píng)估。

鑒于Sr/Ca值在珊瑚骨骼與海水之間的分配也同樣受到瑞利分餾的控制, 近年也有學(xué)者提出利用U/Ca值來(lái)扣除由于鈣化結(jié)晶所導(dǎo)致的瑞利分餾的影響, 因而將Sr/Ca與U/Ca值結(jié)合作為一種新的溫度計(jì), 即珊瑚Sr-U溫度計(jì), 來(lái)提高溫度重建的可靠性(DeCarlo et al., 2016; Ross et al., 2019)。溫度與Sr/Ca值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系是毋庸置疑的, 因?yàn)闊o(wú)論是通過(guò)影響分配系數(shù)還是瑞利分餾(DSr/Ca≈1.2), 升溫都使得骨骼Sr/Ca值減小(Cohen and Gaetani, 2011)。一直以來(lái), 雖然珊瑚骨骼的Sr/Ca值能夠可靠地反映溫度的變化趨勢(shì), 但對(duì)絕對(duì)溫度的重建還需要謹(jǐn)慎斟酌, 因?yàn)椴粌H珊瑚骨骼與無(wú)機(jī)文石之間具有Sr/Ca值對(duì)溫度敏感度的系統(tǒng)差異, 不同珊瑚個(gè)體的Sr/Ca-溫度方程也存在些微差異(Cohen et al., 2002; Corrège, 2006; Cohen and Gaetani, 2011; Gaetani et al., 2011)。沉淀速率作為瑞利分餾效應(yīng)的直接因素, 是引起珊瑚Sr/Ca溫度計(jì)“生命效應(yīng)”的重要緣由。鈣化流體中CO2? 3的變化能夠很大程度地反映沉淀速率的變化, 因此, 將[CO2? 3]cf考慮在內(nèi), 有助于絕對(duì)溫度的重建。DeCarlo et al. (2015)通過(guò)無(wú)機(jī)文石沉淀實(shí)驗(yàn)認(rèn)為文石中的U/Ca值隨著[CO2? 3]上升而下降, 而與pH值、溫度無(wú)關(guān), 因此前人報(bào)道的珊瑚U/Ca值與溫度、pH值等變量的關(guān)系, 可能是這些因素對(duì)[CO2? 3]影響的間接體現(xiàn)。聯(lián)用Sr/Ca與U/Ca值建立的珊瑚Sr-U溫度計(jì), 不僅在一定程度上削弱了“生命效應(yīng)”, 也能夠更加準(zhǔn)確地獲得年際與年代際尺度上的絕對(duì)溫度, 但需要注意的是, 這一指標(biāo)更適合用于年分辨率以上的溫度重建(DeCarlo et al., 2016; Ross et al., 2019)。

2.2 硼同位素體系–鈣化流體碳酸系統(tǒng)組成

Hemming and Hanson (1992)研究發(fā)現(xiàn)珊瑚骨骼中的δ11B與海水硼酸根離子B(OH)? 4的δ11B基本一致, 認(rèn)為海水中的B主要以B(OH)? 4這一賦存狀態(tài)進(jìn)入了珊瑚骨骼, 從而δ11Bcoral可以代表海水中的δ11Bborate; 并且, 海水中B的兩種形態(tài)B(OH)? 4和B(OH)3的存在比例受pH值控制, 因此, 利用δ11Bcoral可以重建海水pH(pHsw)值。近年的關(guān)于B在碳酸鈣中賦存狀態(tài)的譜學(xué)研究和第一性原理計(jì)算均支持珊瑚骨骼中的B主要以B(OH)? 4存在(Mavromatis et al., 2015; Balan et al., 2016)。但進(jìn)入珊瑚骨骼中的B(OH)? 4的同位素組成會(huì)受到鈣化流體pH(pHcf)值的影響, 因此δ11Bcoral所反映的主要是pHcf值的信息。由于珊瑚自身的生理調(diào)控, pHcf值相比于pHsw值具有系統(tǒng)性的上調(diào)(ΔpH = pHcf– pHsw), 并且ΔpH值在不同種珊瑚之間也存在系統(tǒng)性差異, 前人針對(duì)不同種屬珊瑚, 分別建立了pHcf值與pHsw值的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換公式, 從而可重建pHsw值的歷史記錄(Trotter et al., 2011; McCulloch et al., 2012)。值得一提的是, 目前尚未有系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估同種珊瑚(不同亞種或個(gè)體之間)ΔpH值的差異性, 并且pHcf值也并非線性地隨著pHsw值而變化(Wall et al., 2016); 因此對(duì)于根據(jù)δ11Bcoral值重建得到的pHsw值歷史記錄, 雖然其演變的長(zhǎng)期趨勢(shì)與速率是可靠的, 但其絕對(duì)值與真實(shí)的pHsw值之間可能存在一定程度的偏差。根據(jù)實(shí)測(cè)pHsw值對(duì)δ11Bcoral-pHsw進(jìn)行校正, 有助于提高重建pHsw值歷史記錄絕對(duì)值的可靠性。目前存在的器測(cè)pHsw值記錄十分稀少且時(shí)間跨度短(約40 a), 僅局限于太平洋與大西洋的幾個(gè)站點(diǎn)(Hawaii Ocean Time-series, HOT; Bermuda Atlantic Time-series Study, BATS; European Station near the Canary Island, ESTOC; Carbon Retention in a Colored Ocean, CARIACO)(Bates et al., 2014), 現(xiàn)有的關(guān)于δ11Bcoral-pHsw長(zhǎng)期記錄的研究更多地關(guān)注其演變趨勢(shì)與變化(Pelejero et al., 2005; Wei et al., 2009; Shinjo et al., 2013; Liu et al., 2014; D’Olivo et al., 2015, 2019; Goodkin et al., 2015; Wei et al., 2015; Kubota et al., 2017; Fowell et al., 2018; Wu et al., 2018; Chen et al., 2019;; Kang et al., 2021)。但珊瑚骨骼δ11B值是目前重建海洋pH值歷史記錄的主要研究手段, 特別是年際–年代際–百年–千年的記錄, 因此仍需要進(jìn)一步的研究來(lái)提高這一方法的準(zhǔn)確性和精度。

鈣化流體中pH值與DIC的上升, 使得其中的文石飽和度(?ar)顯著提高(可達(dá)15～25, 海水?ar為3～4), 這也是珊瑚鈣化速率明顯高于海水化學(xué)條件下無(wú)機(jī)碳酸鹽沉淀速率的主要原因(McCulloch et al., 2017)。早期的研究認(rèn)為[Ca2+]cf基本恒定, 并在此基礎(chǔ)上結(jié)合δ11B與B/Ca值計(jì)算得到鈣化流體的?ar。然而近年來(lái)的研究通過(guò)拉曼光譜這一技術(shù), 可直接估測(cè)珊瑚骨骼形成時(shí)鈣化流體的?ar, 進(jìn)而反算得到[Ca2+]cf, 結(jié)果表明[Ca2+]cf并不穩(wěn)定, 其變化可能與鈣化流體的碳酸系統(tǒng)組成有關(guān)(DeCarlo et al., 2017, 2018; Ross et al., 2018)。珊瑚自身對(duì)內(nèi)部鈣化流體pH值、DIC以及[Ca2+]的生理調(diào)控是復(fù)雜且靈活的, 反映了其對(duì)周圍海洋環(huán)境變化的敏感性與適應(yīng)潛力, 而這一性質(zhì)存在種間乃至個(gè)體差異, 因此也對(duì)珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)在未來(lái)的種群結(jié)構(gòu)與生物多樣性有深遠(yuǎn)影響(Fabricius et al., 2011; McCulloch et al., 2012)。

2.3 Ba/Ca、Mn/Ca、Y/Ca與REEs指示陸源輸入與區(qū)域過(guò)程

珊瑚骨骼的Ba/Ca值常用于反映海洋環(huán)境中的陸源輸入或海洋上升流(Wolgemuth and Broecker, 1970; Lea et al., 1989; McCulloch et al., 2003)。由于具有相近的離子半徑, Ba也可以替代Ca的方式進(jìn)入文石晶體中(DBa/Ca≈2.3)。與Sr、Mg等元素類似, Ba進(jìn)入珊瑚骨骼的過(guò)程也會(huì)受到溫度、沉淀速率以及瑞利分餾效應(yīng)的影響, 但由于海水中的Ba含量不是穩(wěn)定的, 特別是在近岸或者上升流發(fā)育的區(qū)域, 洋流或河流輸入會(huì)引起遠(yuǎn)大于其他因素的海水Ba含量的劇烈變化, 因此珊瑚骨骼Ba/Ca值主要記錄周圍海水環(huán)境的Ba/Ca值變化(鄧文峰, 2007; Cohen and Gaetani, 2011)。河流以懸浮物或表面絡(luò)合物的形式攜帶大量的Ba, 并在入海河口處遇到高鹽度海水時(shí), 由于高離子強(qiáng)度的水環(huán)境, 而發(fā)生Ba的解吸附, 使得近岸海域的Ba/Ca值升高, 并被珊瑚、有孔蟲等鈣質(zhì)生物記錄下來(lái)(McCulloch et al., 2003; Brenner et al., 2017; Chen et al., 2020)。此外, Ba作為海洋中的營(yíng)養(yǎng)鹽型痕量金屬元素, 其垂向分布呈現(xiàn)出深層水極大值型。表層海水的生物活動(dòng)活躍, 因此Ba常以BaSO4的形式沉積或被結(jié)合到碳酸鹽中, 從而含量較低; 當(dāng)生物死亡后, 部分生源物質(zhì)通過(guò)顆粒沉降輸送到深層水, 發(fā)生再礦化而釋放出Ba, 使得深層水的Ba含量高(Wolgemuth and Broecker, 1970; Lea et al., 1989; Millero, 2013)。因此, 珊瑚骨骼的Ba/Ca值也能夠指示海水上升流。

Mn、Y以及稀土元素(REEs)在入海河口表現(xiàn)出與Ba類似的解吸附過(guò)程, 因此珊瑚骨骼中的Mn/Ca、Y/Ca值以及REEs也能夠指示陸源輸入(Sholkovitz, 1993; Fallon et al., 2002; Chen et al., 2015; Lewis et al., 2018)。而除了陸源輸入外, 其他一些因素也會(huì)對(duì)這些指標(biāo)產(chǎn)生影響。對(duì)于Mn/Ca值而言, 區(qū)域性的氣候事件(如熱帶氣旋和降雨等)、初級(jí)生產(chǎn)力、上升流以及突發(fā)性事件(如火山噴發(fā)、人類活動(dòng)污染等)都可能是珊瑚骨骼中Mn/Ca值的控制因素(Shen and Sanford, 1990; Shen et al., 1991; Grove et al., 2013; 陳雪霏, 2017; Lewis et al., 2018)。近岸環(huán)境高濃度溶解與顆粒態(tài)REEs的來(lái)源很可能是陸地風(fēng)化的表層土, 因此珊瑚骨骼中的REEs對(duì)于大陸風(fēng)化作用也具有一定的指示意義(Sholkovitz et al., 1999; Fallon et al., 2002)。

3 珊瑚骨骼微結(jié)構(gòu)的地球化學(xué)特征

分析儀器、分析技術(shù)與取樣工具的進(jìn)步, 促進(jìn)了微區(qū)研究的發(fā)展(Rollion-Bard et al., 2003; Juillet- Leclerc et al., 2009; Allison and Finch, 2010; Zou et al., 2018, 2021; Chalk et al., 2021)。相比于毫米尺度, 微米尺度上的珊瑚骨骼元素與同位素組成更不均一(Rollion-Bard et al., 2003; Meibom et al., 2004; Juillet-Leclerc et al., 2009)。Rollion-Bard et al. (2003)對(duì)約2 cm長(zhǎng)的濱珊瑚骨骼樣品進(jìn)行了微米尺度的δ18O測(cè)定, 發(fā)現(xiàn)其變化幅度高達(dá)10‰; Allison and Finch (2010)在20～30 d生長(zhǎng)時(shí)期的珊瑚骨骼上觀察到, 微米分辨率上濱珊瑚骨骼的δ18O值變化高于2‰, 并且認(rèn)為該現(xiàn)象并非由海水溫度變化引起的, 因?yàn)棣?8O與Sr/Ca值并不相關(guān)。Rollion-Bard et al. (2003)發(fā)現(xiàn)珊瑚骨骼微區(qū)的δ18O與δ11B有關(guān), 認(rèn)為pHcf值主導(dǎo)鈣化流體中的H2CO3、HCO? 3以及CO2? 3的相對(duì)比例(三者的δ18O值不一致), 并控制CO2通過(guò)水合作用與羥基化作用生成HCO? 3的比例, 從而導(dǎo)致珊瑚骨骼的δ18O值不均一(Johnson, 1982)。微米尺度上珊瑚骨骼不同區(qū)域δ11B值的差異, 或者說(shuō)pHcf值的不同, 很可能來(lái)自共生蟲黃藻晝夜光合作用的差異, 這一因素同時(shí)也通過(guò)影響鈣化率而引起δ18O動(dòng)力學(xué)效應(yīng), 這兩種作用過(guò)程均屬于珊瑚的“生命效應(yīng)” (Rollion-Bard et al., 2003)。

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn), 珊瑚骨骼“EMZs”與“fibers”之間具有系統(tǒng)性的元素與同位素組成差異, 其原因可能是沉淀時(shí)間、沉淀環(huán)境以及結(jié)晶方式等的差異(McConnaughey, 2003; Rollion-Bard et al., 2003; Meibom et al., 2004; Juillet-Leclerc et al., 2009)?！癊MZs”的δ18O值相對(duì)低, 較為均一, 而“fibers”的δ18O值比“EMZs”高, 且變化范圍高達(dá)5‰(Juillet-Leclerc et al., 2009)。珊瑚骨骼“EMZs”與“fibers”之間的δ18O值差異, 可能歸因于二者迥異的沉淀過(guò)程。雖然目前關(guān)于“EMZs”與“fibers”形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍存在爭(zhēng)議和不確定性, 但普遍認(rèn)為珊瑚外胚層在第一階段迅速形成“EMZs”,對(duì)應(yīng)著最初的“瞬時(shí)沉淀”, 這時(shí)碳酸鈣的18O與母液最不平衡, 因此具有最低的δ18O值并且相對(duì)均一; “EMZs”形成后, “fibers”逐漸沉淀從而對(duì)骨骼框架進(jìn)行增厚, 期間CO2的水合反應(yīng)與羥基化反應(yīng)逐漸趨于平衡, 使得“fibers”的δ18O值高于“EMZs”, 且變化范圍大(McConnaughey, 2003; Rollion-Bard et al., 2003; Juillet-Leclerc et al., 2009)。此外, Meibom et al. (2004)發(fā)現(xiàn), Sr含量從“fibers”到“EMZs”逐漸增高, 而“EMZs”的Mg含量比“fibers”至少高一個(gè)數(shù)量級(jí), 并且Mg含量在“fibers”區(qū)域呈現(xiàn)出與骨骼微結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的層狀分布。Mg進(jìn)入珊瑚骨骼的方式以及賦存形態(tài)還不十分明確, 被籠統(tǒng)地認(rèn)為受到強(qiáng)烈的生理控制, 并且Mg與S都被觀察到在“fibers”呈層狀分布, Mg由此被認(rèn)為與富S有機(jī)物共同影響著礦物晶型結(jié)構(gòu)(Meibom et al., 2004, 2008; Reynaud et al., 2007)。珊瑚骨骼“EMZs”與“fibers”中Sr/Ca值的差異, 可能與二者的形成時(shí)間不同有關(guān)。“EMZs”的Sr/Ca值與無(wú)機(jī)成因文石以及非光合作用珊瑚的Sr/Ca值類似(本文中提及的主要是與蟲黃藻共生的珊瑚), 并且“EMZs”與無(wú)機(jī)成因文石的Sr/Ca-溫度校準(zhǔn)線的斜率接近, 而“fibers”的Sr/Ca值更低, 并且Sr/Ca-溫度校準(zhǔn)線斜率絕對(duì)值也更高, 說(shuō)明對(duì)于與蟲黃藻共生的珊瑚而言, 其骨骼的“EMZs”主要形成于夜晚(生物活動(dòng)影響較小), 而“fibers”在白天形成(Cohen et al., 2001; Cohen and McConnaughey, 2003)。白天溫度更高, 形成的骨骼Sr/Ca值偏低, 這是毋庸置疑的; 光合作用可促進(jìn)鈣化速率, 從而通過(guò)瑞利分餾引起Sr/Ca值下降, 并且這一過(guò)程與溫度相關(guān), 使得Sr/Ca-溫度校準(zhǔn)線的斜率絕對(duì)值更大。此外, Ca2+-ATPase酶在白天光照下被激活, 主動(dòng)運(yùn)輸Ca2+, 使得骨骼中Sr/Ca值下降,也可能是引起“EMZs”與“fibers”之間Sr/Ca值差異的原因(Ferrier-Pages et al., 2002; Cohen and McConnaughey, 2003)。基于珊瑚骨骼的“EMZs”與“fibers”分別形成于夜晚與白天這一推論, 白天蟲黃藻光合作用引起的pHcf值與鈣化率升高, 顯然也不同程度地影響著骨骼中的元素與同位素組成。因此, 在白天形成的“fibers”, 其地球化學(xué)組成更容易受到“生命效應(yīng)”的影響。相較之, 在夜晚形成的“EMZs”似乎能更準(zhǔn)確反映周圍海水環(huán)境的變化, 這對(duì)于珊瑚地球化學(xué)的高分辨率取樣具有重要的指導(dǎo)意義: 從“EMZs”區(qū)域取樣能夠一定程度地減弱“生命效應(yīng)”的影響(Tsuyoshi et al., 2006; Sadler et al., 2014)。

珊瑚骨骼的體壁、隔壁以及軸柱等不同的結(jié)構(gòu)之間, 也存在元素與同位素的差異。Juillet-Leclerc et al. (2009)除了對(duì)鹿角珊瑚骨骼的“EMZs”與“fibers”進(jìn)行δ18O的對(duì)比, 還測(cè)定了體壁與隔壁的δ18O值, 發(fā)現(xiàn)體壁的δ18O值大部分處于“EMZs”的δ18O值范圍, 因此認(rèn)為體壁主要由“EMZs”組成, 而隔壁則由相當(dāng)?shù)摹癊MZs”與“fibers”構(gòu)成。類似地, Giry et al. (2010)發(fā)現(xiàn)體壁要比隔壁與軸柱更虧損18O、Sr與13C, 并考慮到體壁更高的密度, 認(rèn)為這是鈣化速率快慢所導(dǎo)致的元素與同位素差異。然而, Chalk et al. (2021)利用LA-MC-ICP-MS對(duì)珊瑚骨骼薄片進(jìn)行元素與同位素的二維面掃描測(cè)試成像, 發(fā)現(xiàn)體壁的δ11B值總體要比軸柱的δ11B值更高, 這與前人提出的“體壁主要由‘EMZs’組成”, 以及“‘EMZs’主要在夜晚形成”等觀點(diǎn)不能相洽。Chalk et al. (2021)并沒(méi)有局限于體壁是否主要由“EMZs”組成, 而是根據(jù)測(cè)得的體壁更高的δ11B與B/Ca值, 表明了體壁形成時(shí)更高的pHcf值與[CO2? 3]cf, 這恰恰是體壁相比于軸柱更高的密度所需的沉淀?xiàng)l件。鑒于不同研究的觀察結(jié)果還不能相洽, 這可能是由于取樣測(cè)樣方式、測(cè)定的空間分辨率與范圍以及珊瑚種屬不一致所導(dǎo)致, 也說(shuō)明當(dāng)前對(duì)珊瑚生長(zhǎng)以及骨骼微區(qū)地球化學(xué)的研究還十分有限, 缺乏準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。對(duì)于骨骼微結(jié)構(gòu)的體壁、隔壁以及軸柱等結(jié)構(gòu)是否與“EMZs”、“fibers”具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 我們目前還不能下定論, 需要更進(jìn)一步的研究。并且, 骨骼不同結(jié)構(gòu)的元素與同位素組成差異, 說(shuō)明其沉淀?xiàng)l件存在差異, 這可能涉及珊瑚對(duì)不同鈣化位置的調(diào)控機(jī)制, 例如體壁與軸柱對(duì)應(yīng)的不同pHcf值、[CO2? 3]cf與Ωcf。以此延伸思考, 在當(dāng)今海洋酸化的背景下, 珊瑚骨骼體壁與軸柱所對(duì)應(yīng)的鈣化流體性質(zhì)如何變化, 將會(huì)影響珊瑚骨骼的微結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)方式甚至骨骼密度, 這也是值得進(jìn)一步研究探討的問(wèn)題(Chalk et al., 2021)?？偠灾? 關(guān)于珊瑚骨骼生長(zhǎng)以及微區(qū)地球化學(xué)特征的研究還任重道遠(yuǎn), 并且這與珊瑚晝夜節(jié)律有很重要的關(guān)系, 可能是認(rèn)識(shí)珊瑚對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 將有助于進(jìn)一步解析珊瑚鈣化機(jī)制及其對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

珊瑚骨骼中的地球化學(xué)信號(hào)記錄了大量的環(huán)境信息, 但需要注意的是, 它同時(shí)也受到珊瑚生命過(guò)程的影響。本文總結(jié)了宏觀與微觀尺度上大型塊狀造礁珊瑚的生長(zhǎng)模式與骨骼結(jié)構(gòu), 并對(duì)常用珊瑚地球化學(xué)指標(biāo)的原理及“生命效應(yīng)”進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述, 歸納了珊瑚骨骼微區(qū)上的元素與同位素特征。期待能為后續(xù)珊瑚地球化學(xué)研究的取樣與分析提供一定的指導(dǎo), 有助于更準(zhǔn)確地提取珊瑚骨骼中所記錄的環(huán)境信息, 更好地認(rèn)識(shí)年際–年代際–百年時(shí)間尺度上氣候環(huán)境的演變規(guī)律, 并且也能更準(zhǔn)確地分析氣候環(huán)境變化對(duì)珊瑚礁的影響和理解珊瑚與環(huán)境的協(xié)同演變機(jī)制。

致謝:本論文受中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所青促會(huì)小組特邀撰稿, 以期總結(jié)近十年來(lái)珊瑚地球化學(xué)的研究進(jìn)展, 同時(shí)慶祝中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)成立十周年。中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所陳天然研究員和另一位匿名審稿專家對(duì)本文提出了寶貴的修改意見, 提升了文章質(zhì)量, 在此表示衷心感謝！

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Coral skeletogenesis and its influence on skeletal geochemistry

KANG Huiling1, 2, 3, 4, CHEN Xuefei1, 2, 3*, DENG Wenfeng1, 2, 3, WEI Gangjian1, 2, 3

(1. State Key Laboratory of Isotope Geochemistry, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2. CAS Center for Excellence in Deep Earth Science, Guangzhou 510640,Guangdong, China; 3. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, Guangdong, China; 4.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Coral reefs have degraded rapidly due to climate change and anthropogenic activities. The vulnerability and sensitivity of corals to environmental changes make them unique archives for climate variability. The geochemical proxies, such as Sr/Ca, Li/Mg, B/Ca, Ba/Ca, δ18O, and δ11B, in coral skeletons are widely used to reconstruct paleo-environment changes, such as temperature, precipitation, pH, terrestrial input, and upwelling; however, geochemical signals within coral skeletons are also affected by biological processes, that is, the “vital effects”. Therefore, understanding the underlying mechanisms of these “vital effects” and the associated impacts on geochemical proxies is crucial for accurateenvironmental reconstruction. In this study, we systematically reviewed coral-based geochemical proxies and the related “vital effects”. Furthermore, in combination with the skeletogenesis andgeochemical analyses, we summarized the influence of coral growth on skeletal geochemistry.

scleractinian coral; geochemical proxy; vital effect; coral growth; skeletal microstructure

P735; P597

A

0379-1726(2022)04-0389-15

10.19700/j.0379-1726.2022.04.002

2021-10-28;

2022-03-28

中國(guó)科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)(XDB40010300)、南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)人才團(tuán)隊(duì)引進(jìn)重大專項(xiàng)(GML2019ZD0308)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41803017)、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金(2019A1515010892)、“涂光熾優(yōu)秀青年學(xué)者”項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目(2020352)聯(lián)合資助。

康慧凌(1996–), 女, 博士研究生, 地球化學(xué)專業(yè)。E-mail: kanghuiling@gig.ac.cn

陳雪霏(1989–), 女, 副研究員, 主要從事珊瑚地球化學(xué)和古氣候研究。E-mail: chenxf@gig.ac.cn