MIS 5 期以來南極威德爾海生產(chǎn)力演化及其古海洋意義

王彤，胡藝豪，賈奇，郭景騰，唐正，熊志方,2，李鐵剛,2

1. 自然資源部第一海洋研究所，海洋地質(zhì)與成礦作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266061

2. 嶗山實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266237

工業(yè)革命以來，化石燃料的燃燒導(dǎo)致大氣二氧化碳分壓（pCO2）的急劇升高，引起了人類社會(huì)對(duì)全球氣候變暖的擔(dān)憂。海洋是地球表生系統(tǒng)最為重要的碳儲(chǔ)庫(kù)之一，也是最大的活躍碳庫(kù)，從而調(diào)節(jié)著大氣pCO2的變化[1]。南大洋吸收了工業(yè)革命以來人為排放CO2的40%，是全球重要的碳匯海區(qū)[2]。古氣候?qū)W研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，軌道和千年尺度上大氣pCO2的演化與南極溫度、南大洋深部流通狀況和表層生產(chǎn)力記錄密切相關(guān)。這些結(jié)果表明，南大洋在調(diào)節(jié)海洋碳循環(huán)和全球氣候演化中扮演著至關(guān)重要的角色[3]。

海洋浮游植物通過光合作用吸收CO2，將其轉(zhuǎn)化為顆粒有機(jī)碳，其向深層水輸出的過程中，一部分經(jīng)有機(jī)質(zhì)礦化生成“呼吸CO2（Respired CO2）”，封存在海洋深部，另一部分直接沉降到海底埋藏，從而降低了大氣pCO2。南大洋深部水體富含大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與CO2，其上涌到表層時(shí)，會(huì)刺激浮游植物生長(zhǎng)，并向大氣中釋放CO2。當(dāng)通風(fēng)作用直接排放的CO2的量大于生物泵吸收的CO2的量時(shí)，南大洋就會(huì)成為碳源，增加大氣pCO2，反之，它會(huì)成為碳匯，使大氣pCO2降低[4-7]，這表明提高生產(chǎn)力可能會(huì)增加南大洋封存CO2的潛力。Jaccard 等發(fā)現(xiàn)南大洋存在兩種不同的生產(chǎn)力模式（即冰期南大洋南極帶生產(chǎn)力降低而亞南極帶生產(chǎn)力增加，間冰期則相反），從而提出一個(gè)假說解釋冰期-間冰期旋回中大氣pCO2演化[7]。該假說認(rèn)為，冰期廣泛增加的風(fēng)塵通量帶來的鐵施肥使得亞南極海域生產(chǎn)力增長(zhǎng)，從而促進(jìn)了冰期大氣pCO2的降低；南極帶內(nèi)生產(chǎn)力的降低則可能反映了風(fēng)驅(qū)上升流與冬季垂直混合的減弱，從而也導(dǎo)致了冰期大氣pCO2的降低。間冰期，則正好相反。該假說成立的關(guān)鍵是確證南大洋南極帶與亞南極帶“鏡像”的生產(chǎn)力演化模式，并揭示其控制機(jī)理。

威德爾海作為全球大洋深層水的主要源區(qū)之一，在鏈接大氣、海洋表層與海洋深部之間的碳循環(huán)中扮演著重要的角色。表層海水對(duì)CO2的吸收主要發(fā)生在春夏季浮游植物勃發(fā)時(shí)期[8]，深秋和冬季由于混合層加深與高CO2含量的繞極深層水上涌，導(dǎo)致表層海洋向大氣釋放CO2；隨后，冬季海冰的覆蓋導(dǎo)致表層海洋無(wú)法進(jìn)一步向大氣中釋放CO2[9]，這使得威德爾海存在碳收支的季節(jié)性不平衡。工業(yè)革命以前，威德爾海因季節(jié)性的碳收支不平衡，成為大氣CO2的源[10]。工業(yè)革命以后，大氣CO2濃度的迅速升高導(dǎo)致這種不平衡方向被改變，該海區(qū)成為碳匯[11]；且這些被吸收的碳一部分隨著南極底層水（AABW）被輸送至全球深海封存，另一部分跟隨著中層水向北傳導(dǎo)至低緯海洋，影響著低緯海洋的氣候環(huán)境[12]?？傊L(zhǎng)時(shí)間尺度上，威德爾海能有效緩沖大氣pCO2的上升。因此，重建地史時(shí)期威德爾海生產(chǎn)力的演化、探討環(huán)境要素變化對(duì)生產(chǎn)力的影響，有助于更好地理解南大洋在過去大氣pCO2演化中的作用，并預(yù)測(cè)南大洋在全球氣候變暖背景下作出的響應(yīng)。

1 區(qū)域水文概況

研究區(qū)位于南大洋最大邊緣海威德爾海西北部（圖1a），該海區(qū)沉積物以等深流沉積與半遠(yuǎn)洋沉積為主[13-14]。威德爾海是AABW 的重要發(fā)源地之一[15]，影響全球深海大部分區(qū)域的水文狀況，從而調(diào)控全球氣候[16]。威德爾環(huán)流是由風(fēng)驅(qū)動(dòng)的順時(shí)針方向流動(dòng)的沿岸流，其在自東向西流動(dòng)的過程中因南極半島的阻礙而轉(zhuǎn)向北上，最終匯入德雷克海峽東部的南極繞極流（ACC）（圖1b）。繞極深層水（CDW）流經(jīng)南大西洋時(shí)在極鋒附近發(fā)生上涌，一部分在艾克曼層北移成為南極中層水（AAIW）和亞南極模態(tài)水（SAMW）流向低緯海區(qū)[17]，另一部分在威德爾海東部邊界區(qū)侵入威德爾環(huán)流，并在流向威德爾海西南部海域時(shí)抬升，作為改良的暖深層水；其在隨威德爾環(huán)流運(yùn)移過程中侵入陸架，與陸架水混合，相互作用形成AABW，并沿陸坡流動(dòng)，隨深部環(huán)流向北輸出（圖1b）[18]。

圖1 南極威德爾海站位分布、洋流與水團(tuán)與硅酸鹽含量a. 生產(chǎn)力模式對(duì)比中所涉及站位, b. 巖芯D5-12 位置及洋流分布，c. 硅酸鹽濃度垂向剖面（39°W 附近）。圖a 和b 中紅色五角星標(biāo)示巖芯采樣位置，圖b 中紅色線示意圖c 的經(jīng)向截面位置。圖1a 采用Mercator 投影方式。Fig.1 Map of the Antarctic Weddell Sea showing core location, ocean circulation and water masses, and dissolved-silicate concentrations a: the sites involved in the comparison of productivity models; b: location of Site D5-12 and ocean circulation; c: silicate concentration section along 39° W.The red stars indicate the sampling location, red dotted line indicates the location of the section of silicate concentrations shown in Fig.1c. Figure 1a is based on the Mercator projection.

磷酸鹽和硝酸鹽濃度在威德爾海的垂向分布十分相似，這主要?dú)w因于它們受控于相似的環(huán)流與生物地球化學(xué)過程[19]。磷酸鹽和硝酸鹽在表層水體中由于初級(jí)生產(chǎn)者的利用，其濃度呈現(xiàn)極小值；在表層水體下方由于有機(jī)質(zhì)再礦化和富營(yíng)養(yǎng)物的CDW 侵入，其濃度表現(xiàn)為極大值。與磷酸鹽和硝酸鹽相同，硅酸鹽濃度也在表層水體中出現(xiàn)了極小值；不同的是，由于硅質(zhì)浮游植物生物硅的溶解比有機(jī)質(zhì)的礦化更難，硅酸鹽濃度極大值出現(xiàn)的深度更深（圖1c）。溶解氧含量的水深分布模式與上述營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相反，表層海洋中氧氣的海-氣交換以及植物的光合作用使得表層水體中溶解氧含量最大，隨著深部有機(jī)物的再礦化，溶解氧含量出現(xiàn)極小值[19]。

2 材料與方法

沉積物巖芯ANT34/D5-12（以下簡(jiǎn)稱D5-12）是2018 年中國(guó)第34 次南極科考航次“向陽(yáng)紅01”科考船采集的重力柱狀巖芯。D5-12 孔位于威德爾海西北部，水深2 556 m，巖芯全長(zhǎng)456 cm。該孔沉積物層理清晰，未見明顯沉積間斷，自上而下顏色變深，局部出現(xiàn)黑色紋層，整體可分為兩段。巖芯上部0～265 cm 沉積物主要為含有孔蟲粉砂質(zhì)黏土，所含有孔蟲優(yōu)勢(shì)種為浮游有孔蟲Neogloboquadrina pachyderma(sinistral)。根據(jù)沉積物巖性差異可將其分為6 層，0～55 cm 為灰色含有孔蟲粉砂質(zhì)黏土，顏色分布均勻；55～86 cm 為淺灰色含有孔蟲粉砂質(zhì)黏土，顏色分布不均勻；86～120 cm 為灰黑色含有孔蟲黏土質(zhì)粉砂，自上而下顏色逐漸加深；120～258 cm 為灰黃色含粉砂質(zhì)黏土，該層有孔蟲含量相對(duì)較少，且隨著深度增加逐漸減少，并出現(xiàn)豐富的冰筏碎屑；258～265 cm 為灰黑色夾黑色條帶的粉砂質(zhì)黏土，不見有孔蟲但有大量冰筏碎屑出現(xiàn)。巖芯下部265～456 cm 沉積物主要為灰黃色黏土，顏色均勻，含較多放射蟲及少量海綿骨針（圖2a）。

圖2 南極威德爾海D5-12 孔年齡模式圖a. D5-12 孔巖芯巖性柱，b. D5-12 孔MS（磁化率）-深度變化曲線，c. EDML 冰芯nssCa2+（非海鹽鈣）通量曲線[28]， d. D5-12 孔MS 與EDML 冰芯nssCa2+通量曲線對(duì)比，e. D5-12 孔線性沉積速率。圖b 和c 中的紅點(diǎn)代表年齡控制點(diǎn)，圖e 中的水平虛線示意平均線性沉積速率。Fig.2 The age model of Core D5-12 in the Antarctic Weddell Sea a: Lithologic column of Core D5-12, b: MS-depth curve of Core D5-12, c: EDML nssCa2+ flux[28], d: comparison of nssCa2+ flux of EDML ice cores and MS of Core D5-12, e: linear sedimentation rate of Core D5-12. The red dots in Figures b and c represent age control points, the horizontal dashed line in Figure e indicates the mean linear sedimentation rate.

D5-12 孔在自然資源部第一海洋研究所對(duì)半剖分后，半管隨即按 1 cm 步長(zhǎng)進(jìn)行物理參數(shù)的掃描，獲得磁化率等數(shù)據(jù)。另一半管以1 cm 間隔分樣，共獲得456 個(gè)樣品。進(jìn)一步，以2 cm 間距取樣進(jìn)行生物硅（BSi）含量測(cè)試，共取樣品228 個(gè)。BSi 的分析采用濕堿消解法[20]，在中國(guó)海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。BSi 具體分析測(cè)試方法為：凍干樣品研磨至200 目以下，準(zhǔn)確稱取約130～140 mg 樣品粉末，置于50 mL 離心管中。將5 mL 10%過氧化氫溶液加入離心管中，震蕩并靜置30 min以除去有機(jī)質(zhì)；再在離心管中加入5 mL 1∶9 鹽酸，震蕩反應(yīng)30 min 以去除碳酸鹽。隨后，加入40 mL去離子水并以3 000 rpm 離心10 min，濾出上清液，并重復(fù)該過程3 次后將樣品烘干。在烘干后的樣品中加入40 mL 2 mol/L 的Na2CO3溶液，充分混合后放入85 ℃ 恒溫水浴箱中提取生物硅。每小時(shí)從水浴箱中取出樣品離心15 min，取125 μL 上清液加入鉬酸銨溶液，配置還原劑使其顯色。每次取樣后用力搖晃試管使固體重新懸浮后，繼續(xù)水浴加熱提取，共提取6 次；該過程快速完成，以減少可溶硅在固體表面的不可逆損失。通過鉬酸鹽藍(lán)光分光光度法測(cè)量分步提取物中的溶解硅，并根據(jù)硅的質(zhì)量百分比隨時(shí)間變化得出線性回歸方程，其截距為沉積物中BSi 的含量。沉積物中生物硅（即生源蛋白石）含量按公式（Opal%= 2.4×BSi%）計(jì)算[21]。實(shí)驗(yàn)室該分析的長(zhǎng)期精度（RSD）優(yōu)于±3%。

3 結(jié)果

3.1 年代模式

沉積物準(zhǔn)確定年是重建古環(huán)境的基礎(chǔ)。目前，在南大洋高緯海域，對(duì)于年代小于40～50 ka 的地層，廣泛采用生物殼體或有機(jī)質(zhì)的AMS14C 實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定年，以獲取沉積物的年代框架。對(duì)于年代大于40～50 ka 的地層進(jìn)行定年時(shí)，常使用有孔蟲氧同位素與全球大洋底棲有孔蟲氧同位素?cái)M合記錄LR04 曲線對(duì)比[22]，并輔以AMS14C 測(cè)年來聯(lián)合確定深海沉積物的年代框架，這種情況需要確保有孔蟲殼體保存情況良好并且有孔蟲沉積記錄連續(xù)。在無(wú)法滿足上述前提的情況下，也可使用其他特征記錄指標(biāo)（如磁化率和Ba/Ti 等）與典型氣候曲線對(duì)比，并結(jié)合AMS14C 數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)深海沉積物的年代框架確定[23]。巖芯D5-12 取樣位置雖位于碳酸鹽補(bǔ)償深度以上，有孔蟲殼體保存完整，但我們未發(fā)表的其他數(shù)據(jù)表明， 該孔中浮游有孔蟲殼體N.pachyderma(sinistral)的δ18O 信號(hào)受局部海水溫度與冰雪融水信號(hào)影響強(qiáng)烈，因而“擦拭”了δ18O 記錄中的全球冰量演化信息，導(dǎo)致其無(wú)法與LR04 曲線進(jìn)行對(duì)比定年。沉積物中有機(jī)質(zhì)的AMS14C 絕對(duì)定年方法使用時(shí)，要求樣品有機(jī)質(zhì)含量高且來源單一，低含量的有機(jī)碳可能反映礦化程度嚴(yán)重，產(chǎn)生虛假年齡。D5-12 孔未發(fā)表的有機(jī)質(zhì)AMS14C 測(cè)年結(jié)果顯示，年代多次出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，因而無(wú)法應(yīng)用于該孔的年代模式確定。因此，本研究采用該孔沉積物中磁化率與南極冰芯風(fēng)塵通量參數(shù)記錄對(duì)比的方式，獲得該站位年代模式。

南極冰芯的風(fēng)塵通量記錄保存了南半球過去的大氣環(huán)流信息[24]。因此，南極冰芯的風(fēng)塵顆粒濃度以及nssCa2+通量常被用于示蹤大氣環(huán)流[25]。冰期時(shí)，赤道和兩極之間經(jīng)向溫度梯度更高，導(dǎo)致大氣環(huán)流加強(qiáng)；間冰期則相反[4]。因此，風(fēng)塵通量參數(shù)可以用于進(jìn)行遠(yuǎn)距離年代地層對(duì)比，且在冰期-間冰期的時(shí)間尺度上不存在超前或者滯后，從而作為一種用于年代地層對(duì)比的類似于LR04 的有效標(biāo)準(zhǔn)曲線[26]。前人研究表明，南大洋深海沉積物中的磁化率主要來自于風(fēng)塵搬運(yùn)的磁性物質(zhì)，風(fēng)塵輸入加強(qiáng)對(duì)應(yīng)于磁化率升高，減弱對(duì)應(yīng)于磁化率降低[27]。冰芯中nssCa2+通量是大氣風(fēng)塵輸送強(qiáng)度的可靠指標(biāo)[28-29]，因此，南大洋沉積物中磁化率與冰芯中nssCa2+對(duì)比的方法已廣泛應(yīng)用于巖芯年齡模式的確定[23]。研究區(qū)威德爾海與南極EDML 冰芯站位的風(fēng)塵沉積都主要來源于南美的巴塔哥尼亞地區(qū)[30-31]；因此，本文將D5-12 孔沉積物磁化率（圖2b）和南極EDML冰芯nssCa2+通量（圖2c）進(jìn)行對(duì)比，選取曲線中的峰值或曲線形態(tài)的拐點(diǎn)作為年齡控制點(diǎn)，建立該孔的年代框架；在此基礎(chǔ)上，采用線性內(nèi)插的方法計(jì)算線性沉積速率。結(jié)果表明，D5-12 孔MS 記錄與EDML冰芯nssCa2+通量曲線對(duì)比良好，該孔底界年齡約為110 ka（圖2d），平均沉積速率為5.7 cm/ka（圖2e）。D5-12 孔年代模式表明該孔頂部缺失14 ka 以來的沉積物，我們推測(cè)可能的原因有二。其一， 這段時(shí)期（主要為全新世）研究區(qū)沉積速率較低，導(dǎo)致沉積層較薄，其在重力取樣過程中由于較強(qiáng)的洋流作用流失了。其二，該孔附近的ODP113 航次的695、696 和967 站研究表明研究區(qū)在全新世存在沉積間斷，普遍缺失沉積物[32]。

3.2 生源蛋白石

長(zhǎng)期趨勢(shì)上，D5-12 孔生源蛋白石含量在110～71 ka 較高，且表現(xiàn)為降低趨勢(shì)，其值從9.11%減少到4.27%，平均值為3.21%；在71～14.3 ka 較低，且變化較為平穩(wěn)，其值在0.28%～3.08%之間波動(dòng)，平均值為1.35%。冰期-間冰期尺度上，生源蛋白石含量記錄與氣候旋回表現(xiàn)出明顯的一致性，呈現(xiàn)出冰期（冷期）較低，間冰期（暖期）較高的特征，即在MIS 3 和5 期間較高，在MIS 2 和4 期較低（圖3a）。

圖3 南極威德爾海D5-12 孔生源蛋白石（Opal）、Ti、Opal/Ti 演化曲線a. 蛋白石含量，b. Ti 含量，c. 蛋白石/Ti 比值。Fig.3 The biogenic opal, titanium, and Opal/Ti records of Core D5-12 a: Biogenic opal contents, b: titanium contents, c: opal/Ti ratios.

利用巖芯中生源蛋白石含量指示生產(chǎn)力的前提是剔除其他主要組分對(duì)生物硅的稀釋作用，具體措施是使用巖屑元素含量對(duì)生源蛋白石含量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[33]。Al、Ti 等元素在陸地風(fēng)化過程中地球化學(xué)行為保守，且在海水中含量極低，因此海洋沉積物中Al 和Ti 通常被認(rèn)為主要來源于陸源碎屑物質(zhì)，可用作扣除稀釋作用的標(biāo)準(zhǔn)化措施[31,34]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，生源蛋白石可以通過“捕獲”的方式將Al 富集在沉積物中，因此這種“過剩鋁”反映的是生產(chǎn)力而非巖屑通量的變化[35-36]。鑒于此，選用陸源來源更穩(wěn)定且受生物地球化學(xué)行為擾動(dòng)較小的Ti 來對(duì)生源蛋白石含量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化（圖3b 和c）。如圖3c 所示，經(jīng)過Ti 標(biāo)準(zhǔn)化的蛋白石含量與初始的蛋白石含量變化趨勢(shì)完全相同，因此排除了稀釋效應(yīng)的影響。另外，深部氧化還原環(huán)境可能會(huì)對(duì)生產(chǎn)力替代指標(biāo)的保存產(chǎn)生影響，但生源蛋白石的保存與沉積物的氧化還原狀態(tài)無(wú)關(guān)，其主要受控于深部水體硅酸的飽和程度[37]。盡管目前沒有研究區(qū)MIS 5 期以來深部硅酸飽和程度（或濃度）的古海洋記錄，但南大洋高的生源蛋白石埋藏效率對(duì)應(yīng)于表層海水中較高的生源蛋白石雨率（rain rate），表明了沉積物中保存的生源蛋白石含量反映了其生產(chǎn)而非溶解信息[38]。綜上所述，認(rèn)為該孔生源蛋白石含量可靠地記錄了研究區(qū)的生產(chǎn)力信息。

4 討論

4.1 南極威德爾海生產(chǎn)力演化模式

最近的研究顯示，南大洋南極帶通過成層化（表現(xiàn)為低生產(chǎn)力）封存深部“呼吸CO2”，可以解釋0.8 Ma 以來冰期大氣pCO2降幅的前半部分（約40～50 mg/L）；而亞南極帶通過風(fēng)塵鐵刺激的高生產(chǎn)力吸收大氣CO2，則可解釋后半部分[7,39]。這個(gè)大氣pCO2演化驅(qū)動(dòng)機(jī)制假說表明，不依賴于其他大洋，南大洋自身就能引起完全的大氣pCO2冰期旋回。測(cè)試該假說合理性的前提就是要驗(yàn)證南大洋冰期南極帶生產(chǎn)力低而亞南極帶生產(chǎn)力高的演化模式。位于南大洋南極帶內(nèi)的D5-12 孔110 ka 以來生產(chǎn)力呈現(xiàn)出冰期低、間冰期高的演化模式（圖4a），因此支持該假說。南極帶這種生產(chǎn)力冰期旋回模式同樣出現(xiàn)在其他巖芯或海域。例如，斯科舍海U1537 站的蛋白石含量記錄[40]和威德爾海PS1768-8 孔的過剩Ba 通量記錄[41]表明，暖期（MIS 5 和3 期）時(shí)生產(chǎn)力處于較高水平，但在冷期（MIS 4 和2 期），生產(chǎn)力處于較低水平（圖4b 和c）。羅斯海RS15-GC40 和RS15-GC41 孔的蛋白石含量[42]也表現(xiàn)出這種冷期低、暖期高的生產(chǎn)力演化模式（圖4d和e）。這些結(jié)果初步確證，南大洋南極帶生產(chǎn)力呈現(xiàn)冰期低間冰期高的旋回模式。南極帶這種生產(chǎn)力的演化模式很可能由南大洋西風(fēng)帶、海冰演化引起的營(yíng)養(yǎng)物可利用性（Availability）變化所致（詳述見第4.2 節(jié)）。

圖4 南大洋南極帶與亞南極帶生產(chǎn)力冰期-間冰期旋回模式對(duì)比a. D5-12 孔生源蛋白石含量，b. U1537 站蛋白石含量[40]，c. PS1768-8 孔過剩Ba 通量[41]，d. RS15-GC41 孔蛋白石含量[42]，e. RS15-GC40 孔蛋白石含量[42]，f. PS2082-1 孔過剩Ba 通量[41]，g. MD02-2588 孔蛋白石含量[45]，h. PS97/093-2 孔蛋白石含量[44]，i. DCR-1PC 孔蛋白石通量[46]。Fig.4 Comparison in productivity between the Antarctic zones and subantarctic zones in the Southern Ocean in glacial-interglacial cycles a: Opal contents of Core D5-12, b: opal contents of Core U1537[40], c: Baexcess flux of Core PS1768-8[41], d: opal contents of Core RS15-GC41[42], e: opal contents of Core RS15-GC40[42], f: Baexcess flux of Core PS2082-1[41], g: opal contents of Core MD02-2588[45], h: opal contents of Core PS97/093-2[44], i: opal flux of Core DCR-1PC[46] .

前人研究指出，南大洋不同海區(qū)對(duì)氣候變化的反應(yīng)可能是不同的[43]，存在明顯的生物地球化學(xué)分隔（Biogeochemical divide），使得南極帶與亞南極帶對(duì)氣候產(chǎn)生不同的響應(yīng)方式[17]，這也體現(xiàn)在生產(chǎn)力演化模式上。東南太平洋德雷克海峽西入口處PS97/093-2 孔[44]和東南大西洋MD02-2588 孔[45]的蛋白石含量記錄表明，亞南極帶冷期（MIS 4 和2 期）生產(chǎn)力明顯高于暖期（MIS 5 和1 期）（圖4g 和h）。南大洋宇航員海DCR-1PC 孔的蛋白石通量記錄[46]和威德爾海PS2082-1 孔的過剩Ba 通量記錄[38]也表現(xiàn)出亞南極帶內(nèi)冷期高、暖期低的生產(chǎn)力演化特征，這種現(xiàn)象在PS2082-1 孔尤為明顯（圖4f 和i）。亞南極帶這種生產(chǎn)力冰期高間冰期低的旋回模式主要受控于西風(fēng)帶強(qiáng)弱引起的風(fēng)塵鐵施肥效應(yīng)變化所致[7,45,47]。綜上所述，現(xiàn)存生產(chǎn)力的古海洋學(xué)記錄表明，南大洋南極帶和亞南極帶生產(chǎn)力演化模式在冰期-間冰期尺度上呈“鏡像”關(guān)系。

4.2 南極威德爾海生產(chǎn)力演化的影響因素

總體來看，海洋生物生產(chǎn)力最直接的內(nèi)部影響因素就是硅酸鹽、硝酸鹽、磷酸鹽等營(yíng)養(yǎng)物以及鐵等營(yíng)養(yǎng)物限制因子的可利用性。對(duì)于南大洋而言，西風(fēng)帶控制的深部流通狀況變化、海冰導(dǎo)致的光照時(shí)間和水體層化強(qiáng)度變化、風(fēng)塵輸入引起的鐵施肥效應(yīng)變化都能影響營(yíng)養(yǎng)物的來源與利用[48-52]，從而是生產(chǎn)力演化的外部控制因子。因此，本節(jié)通過MIS 5 期以來風(fēng)塵、西風(fēng)帶和海冰演化記錄與威德爾海生產(chǎn)力記錄的對(duì)比，試圖查明南大洋南極帶生產(chǎn)力演化的控制機(jī)理。

4.2.1 風(fēng)塵（鐵）的影響

Gran 最先提出，鐵是限制海洋浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力的重要因子之一[53]。Martin 等發(fā)現(xiàn)冰芯中CO2濃度演化和風(fēng)塵鐵記錄呈負(fù)相關(guān)，并由此提出了鐵假說。一些研究認(rèn)為冰期風(fēng)塵通量的增加帶來了額外的鐵，從而解除了鐵限制，提高了生物泵效率[49,54]。因此，假若南大洋的生產(chǎn)力演化模式受控于風(fēng)塵鐵，其應(yīng)與風(fēng)塵鐵的供應(yīng)模式相同，表現(xiàn)為在風(fēng)塵鐵輸入較高的冰期，生產(chǎn)力較高；在風(fēng)塵鐵輸入較低的間冰期，生產(chǎn)力較低。

威德爾海與東南極冰蓋的風(fēng)塵沉積主要來源于南美洲巴塔哥尼亞地區(qū)[30-31]，且來自該源區(qū)的風(fēng)塵在輸運(yùn)的過程中會(huì)途經(jīng)斯科舍海域。因此，我們選取位于威德爾海另一站位ODP 1090[55]和斯科舍海U1537 站[40]的鐵質(zhì)量堆積速率（MAR）記錄來代表影響威德爾海的風(fēng)塵輸入強(qiáng)度（圖5b 和c）。D5-12 孔蛋白石含量記錄總體上與ODP 1090 和U1537站的鐵質(zhì)量堆積速率記錄呈反相位的關(guān)系：即冷期（MIS 4 和2 期）風(fēng)塵鐵輸入增強(qiáng)對(duì)應(yīng)生產(chǎn)力低，暖期（MIS 5 和3 期）則相反。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系與前人推斷的南極帶冰期風(fēng)塵通量高但生產(chǎn)力低，間冰期風(fēng)塵通量低但生產(chǎn)力高的認(rèn)識(shí)相一致[27]。從長(zhǎng)期趨勢(shì)看，MIS 5 期以來D5-12 孔生源蛋白石含量呈減小趨勢(shì)，而鐵MAR 呈增加趨勢(shì)；因此，兩者的長(zhǎng)期演化趨勢(shì)也不滿足南大洋生產(chǎn)力和風(fēng)塵鐵的同相位演化規(guī)律。這些結(jié)果表明，風(fēng)塵及其鐵的輸入不是MIS 5 期以來威德爾海生產(chǎn)力演化的主控因素。另外，我們注意到，在考慮定年誤差的情況下，生產(chǎn)力在MIS 5 期內(nèi)86 ka、97 ka 和102 ka 表現(xiàn)的峰值與風(fēng)塵鐵輸入通量可能有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種在千年尺度上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，已經(jīng)超出了本文聚焦討論軌道尺度上生產(chǎn)力演化及其機(jī)制的范圍，因而將其另文討論。

圖5 D5-12 孔生源蛋白石含量記錄與其他相關(guān)海洋-環(huán)境記錄綜合對(duì)比a. D5-12 孔生源蛋白石含量，b. ODP 1090 站Fe 質(zhì)量堆積速率[55]，c. U1537 站Fe 質(zhì)量堆積速率[40]，d. 德雷克海峽可分選粉砂和細(xì)砂組分平均粒徑[57]，e. 南極EDC 冰芯氘過剩[63]，f. 底棲有孔蟲Δδ13C[64]，g. 南大洋大西洋扇面海冰強(qiáng)度演化曲線[52]，h. 南極冰芯大氣pCO2 演化曲線[65]。圖f 中底棲有孔蟲Δδ13C 為南大洋大西洋扇區(qū)ODP 1089 站和ODP 1088 站底棲有孔蟲δ13C 之間的差值[64]。圖g 中紫色曲線表示均值，紫色陰影表示四分位誤差范圍。Fig.5 Overall comparison in opal content between Core D5-12 and other relevant ocean-environment records a: Opal contents of Core D5-12, b: Fe mass accumulation rates (MAR) of ODP Site 1090[55], c: Fe MAR of Site U1537[40], d: the mean grain size of sortable silt plus fine sand fractions in the central Drake Passage as the proxy of ACC flow speed[57], e: Antarctic EDC ice core dln anomaly[63], f: benthic Δδ13C records[64].The benthic Δδ13C is the difference between the benthic δ13C from Site ODP 1089 and ODP 1088 in the Atlantic sector of the Southern Ocean[64]; g: stack of sea ice evolution in the Atlantic Southern Ocean [52], the purple curve marks the mean values and purple shading marks the interquartile ranges; h: compilation of the atmospheric pCO2 records in Antarctic ice cores[65]. In Figure f, the benthic Δδ13C is the difference between the benthic δ13C from Site ODP 1089 and ODP 1088 in the Atlantic sector of the Southern Ocean[64]；In Figure g, the purple curve marks the mean values and purple shading marks the interquartile ranges.

4.2.2 西風(fēng)帶的影響

Trull 等認(rèn)為南極帶的生產(chǎn)力主要受控于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而不是營(yíng)養(yǎng)物限制因子鐵的濃度，而西風(fēng)帶可以通過兩種方式來影響南大洋深部流通狀況[48,56]，進(jìn)而影響深部營(yíng)養(yǎng)物向表層的輸送。首先，西風(fēng)帶可以通過控制南極帶海冰的幅度來影響南大洋深部流通狀況[56]。冰期時(shí)，西風(fēng)帶向赤道方向移動(dòng)，導(dǎo)致南極帶海冰擴(kuò)張，從而減弱了深部流通狀況；間冰期時(shí)則相反。其次，西風(fēng)帶可以通過強(qiáng)迫ACC 來影響南大洋深部流通狀況[57]。冰期時(shí)，西方帶向北移動(dòng)，一方面導(dǎo)致ACC 北移遠(yuǎn)離南極帶，從而使南極帶深部流通狀況減弱，另一方面，北移的西風(fēng)帶也導(dǎo)致ACC 流速減弱，水體流動(dòng)性變?nèi)?，從而?dǎo)致深部流通性減弱；間冰期則相反[58]?？傊黠L(fēng)帶不論是以何種方式影響南大洋深部流通狀況，都表現(xiàn)為：冰期西風(fēng)帶北移，南極帶深部流通狀況減弱，不利于深部營(yíng)養(yǎng)物上涌，導(dǎo)致生產(chǎn)力降低；間冰期，則導(dǎo)致生產(chǎn)力提高。

冰期旋回中，西風(fēng)帶南北移動(dòng)、ACC 強(qiáng)度、深部流通狀況和威德爾海生產(chǎn)力確實(shí)表現(xiàn)為上述的協(xié)變規(guī)律（圖5a 和d-f）。具體表現(xiàn)為：MIS 4 和2 等冷期西風(fēng)帶的向北移動(dòng)、ACC 強(qiáng)度的減弱和深部流通狀況的減弱對(duì)應(yīng)威德爾海生產(chǎn)力的降低；MIS 5 和3 期等暖期則相反。長(zhǎng)期趨勢(shì)上，MIS 5 期以來西風(fēng)帶總體北移，ACC 逐漸減弱，深部流通狀況逐漸減弱；同時(shí)，威德爾海生產(chǎn)力總體降低。西風(fēng)帶移動(dòng)和威德爾海生產(chǎn)力的長(zhǎng)期演化趨勢(shì)也符合西風(fēng)帶對(duì)生產(chǎn)力的影響機(jī)理。因此，MIS 5 期以來西風(fēng)帶的經(jīng)向移動(dòng)對(duì)威德爾海的生產(chǎn)力演化產(chǎn)生重要影響。

4.2.3 海冰的影響

威德爾海是南極海冰最為發(fā)育的邊緣海，其東部海域海冰受季節(jié)主導(dǎo)，秋冬季迅速生長(zhǎng)并受風(fēng)力強(qiáng)迫隨表層水運(yùn)動(dòng)，西部海域海冰受前一年海冰影響，是南大洋最厚海冰區(qū)之一[59-60]。海冰系統(tǒng)對(duì)海洋生產(chǎn)力的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。其一，海冰通過對(duì)調(diào)控光照條件影響著浮游植物生長(zhǎng)條件[61]：溫暖時(shí)期，海冰強(qiáng)度減弱、覆蓋范圍減小、持續(xù)時(shí)間縮短，使得光照增強(qiáng)，浮游植物的生產(chǎn)季節(jié)變長(zhǎng)，促進(jìn)生產(chǎn)力的提高；寒冷時(shí)期，則降低生產(chǎn)力。其二，海冰通過調(diào)節(jié)水體層化影響著浮游植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物濃度[62]：寒冷時(shí)期，增加的海冰使近表層海水密度梯度增大，水體分層增加，阻礙了富含營(yíng)養(yǎng)物的深層水上涌，導(dǎo)致表層水體營(yíng)養(yǎng)鹽匱乏而生產(chǎn)力降低；溫暖時(shí)期，則生產(chǎn)力增加?？傊１鶑?qiáng)度增大導(dǎo)致生產(chǎn)力降低；海冰強(qiáng)度減少導(dǎo)致生產(chǎn)力升高。

盡管MIS 5 期以來，南大洋不同海域海冰的量級(jí)、持續(xù)時(shí)間與變化幅度存在差異，但在冰期-間冰期尺度上表現(xiàn)為MIS 5 和3 期海冰強(qiáng)度低，MIS 4 和2 期海冰強(qiáng)度高；在長(zhǎng)期趨勢(shì)上表現(xiàn)為MIS 5 期以來海冰強(qiáng)度總體升高[52]。很顯然，MIS 5 期以來海冰強(qiáng)度的演化過程與趨勢(shì)明顯與威德爾海生產(chǎn)力記錄一致，滿足上述海冰影響生產(chǎn)力的機(jī)制。例如，MIS 5 和3 期低的海冰強(qiáng)度導(dǎo)致威德爾海高的生產(chǎn)力；MIS 5 期以來逐漸增加的海冰強(qiáng)度導(dǎo)致威德爾海總體降低的生產(chǎn)力。這些在不同時(shí)間尺度上海冰與生產(chǎn)力演化記錄的耦合關(guān)系表明，海冰強(qiáng)度也對(duì)MIS 5 期以來威德爾海生產(chǎn)力有重要影響。

4.3 南極威德爾海生產(chǎn)力與大氣pCO2 演化的關(guān)聯(lián)

深部流通狀況和表層生產(chǎn)力是控制海洋封存與釋放CO2的兩大因素，其最終鏈接到大氣pCO2的變化[50,62]。深部流通狀況減弱時(shí)，有利于“呼吸CO2”在海洋深部封存，導(dǎo)致大氣pCO2的降低；深部流通狀況加強(qiáng)時(shí)，海洋深部“呼吸CO2”最終釋放到大氣中，導(dǎo)致pCO2的升高。生產(chǎn)力提高時(shí)，一方面有利于更多的有機(jī)碳埋藏到海底，另一方面能有更多的有機(jī)碳礦化成更多的“呼吸CO2”封存在海洋深部，最終都導(dǎo)致大氣pCO2的降低；生產(chǎn)力降低時(shí)，則導(dǎo)致大氣pCO2的升高[50,62,66]。對(duì)于冰期旋回中的南大 洋，Jaccard 等和Martínez-García 等提出假說，認(rèn)為冰期南大洋南極帶流通狀況減弱（即成層化加強(qiáng)）對(duì)“呼吸CO2”的封存導(dǎo)致了大氣pCO2降幅的一半（約40～50 mg/L）；冰期南大洋亞南極生產(chǎn)力加強(qiáng)對(duì)大氣CO2的吸收能導(dǎo)致了大氣pCO2降幅的另一半（約40～50 mg/L）[7,39,65]。在4.1 和4.2 節(jié)中，我們從威德爾海生產(chǎn)力的演化模式及影響因素視角，對(duì)該假說進(jìn)行了驗(yàn)證。在本節(jié)中，從生產(chǎn)力與大氣pCO2演化的關(guān)聯(lián)視角，進(jìn)一步對(duì)該假說進(jìn)行驗(yàn)證。

依據(jù)上述討論，MIS 5 和3 期等暖期，威德爾海生產(chǎn)力升高對(duì)應(yīng)于大氣pCO2升高；MIS 4 和2 期等冷期，威德爾海生產(chǎn)力降低對(duì)應(yīng)大氣pCO2降低（圖5a 和h）。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系表明，威德爾海不可能通過生產(chǎn)力來控制大氣pCO2的冰期旋回變化。我們注意到，威德爾海生產(chǎn)力演化實(shí)際上反映了南極帶深部流通狀況信息（詳見第4.2 節(jié)）。冷期（MIS 4 和2 期）時(shí)，降低的生產(chǎn)力指示減弱的深部流通狀況，對(duì)應(yīng)降低的pCO2；暖期（MIS 5 和3 期）時(shí)，提高的生產(chǎn)力指示加強(qiáng)的深部流通狀況，對(duì)應(yīng)升高的pCO2。很顯然，威德爾海處于南極帶的研究區(qū)很可能通過深部流通狀況的演化對(duì)大氣pCO2冰期旋回產(chǎn)生貢獻(xiàn)。進(jìn)一步，我們注意到MIS 5 期以來威德爾?？傮w降低的生產(chǎn)力指示總體減弱的深部流通狀況，正好與逐漸降低的大氣pCO2對(duì)應(yīng)（圖5a 和h），這表明深部流通狀況的減弱加強(qiáng)了“呼吸CO2”在深層水體中的封存，從而導(dǎo)致大氣pCO2降低。這也從長(zhǎng)期趨勢(shì)上驗(yàn)證了南極帶通過深部流通狀況影響大氣pCO2演化（圖6）。綜上所述，威德爾海生產(chǎn)力記錄及其與大氣pCO2等相關(guān)古環(huán)境參數(shù)的對(duì)比，從冰期旋回和長(zhǎng)期趨勢(shì)兩種時(shí)間尺度上驗(yàn)證了 上 述Jaccard 等 和Martínez-García 等 有 關(guān) 大 氣pCO2演化機(jī)制[7,39,65]的合理性。

圖6 威德爾海生產(chǎn)力-深部流通狀況-大氣pCO2 耦合關(guān)系模式圖圖中箭頭的粗細(xì)指示相應(yīng)指標(biāo)的強(qiáng)弱。Fig.6 Schematic presentation of the coupling relationship between productivity, deep convection and pCO2-atm of the Weddell Sea The thickness of arrows in the figure indicates proportionally the strength of the corresponding indicators.

5 結(jié)論

（1）冰期-間冰期尺度上，MIS 5 期以來威德爾海生產(chǎn)力呈明顯的冰期旋回，表現(xiàn)為暖期（MIS 5 和3 期）生產(chǎn)力高，冷期（MIS 4 和2 期）生產(chǎn)力低。長(zhǎng)期趨勢(shì)上，MIS 5 期以來威德爾海生產(chǎn)力總體上呈降低趨勢(shì)。

（2）西風(fēng)帶的經(jīng)向移動(dòng)和海冰張縮主要通過影響深部流通狀況，進(jìn)而控制深部營(yíng)養(yǎng)物進(jìn)入表層的可利用性，最終驅(qū)動(dòng)MIS 5 期以來威德爾海生產(chǎn)力的冰期旋回和長(zhǎng)期趨勢(shì)。風(fēng)塵（鐵）似乎對(duì)威德爾海生產(chǎn)力演化沒有明顯影響。

（3）MIS 5 期以來大氣pCO2的冰期旋回和長(zhǎng)期趨勢(shì)變化與威德爾海生產(chǎn)力的耦合關(guān)系很可能受到南極帶深部流通狀況的調(diào)控，這與南大洋南極帶驅(qū)動(dòng)大氣pCO2演化的機(jī)制假說相吻合。