70 萬年以來西太平洋暖池區(qū)硅質生產力記錄及其氣候效應

唐正，熊志方,2，賈奇，秦秉斌，李鐵剛,2

1. 自然資源部海洋地質與成礦作用重點實驗室，青島 266061

2. 嶗山實驗室海洋地質過程與功能實驗室，青島 266237

西太平洋暖池（WPWP）是全球海洋和氣候系統(tǒng)的重要組分，也是大氣圈熱量和水汽的主要來源，因此可以驅動諸如厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）的全球尺度氣候事件。而西太平洋暖池的生產力水平被認為在調節(jié)第四紀全球大氣CO2分壓的變化上發(fā)揮著重要作用[1-3]。之前的研究認為，風塵和陸源有機質輸入是WPWP 冰期-間冰期旋回尺度生物地球化學循環(huán)的首要控制因素[4-5]。也有研究發(fā)現(xiàn)，南大洋中層水（AAIW）可以將深層上涌的高營養(yǎng)水體通過“大洋隧道”過程水平傳輸至熱帶太平洋上層水體[6-7]，從而影響其冰期旋回中的硅質生產力變化。然而冰期旋回中WPWP 生產力的控制因素及其主次，目前依然存在爭議。

初級生產者（硅藻）對溶解態(tài)硅酸（H4SiO4）的消耗是有效碳封存的首要先決條件[8]。硅藻生活在透光層，并利用硅酸合成生源蛋白石。生源蛋白石指示的生產力不僅受限于溶解態(tài)硅酸的供應[9-10]，鐵的供應也可以限制單獨硅藻細胞的物理狀態(tài)和生產速率[11]。WPWP 沉積物中生源蛋白石的含量，不僅可以記錄該海區(qū)的生產力水平和碳封存狀態(tài)，也能記錄陸源有機質、南源水體和風塵鐵輸入對WPWP的影響。本文對取自西菲律賓海的MD06-3047 站柱狀沉積物開展了生源蛋白石含量分析，探討了700 ka以來WPWP 的硅質生產力變化及其控制因素。

1 區(qū)域地質背景

西菲律賓海是西太平洋最大的邊緣洋盆。沿著西太平洋的菲律賓沿岸，北赤道流（NEC）在15°N分流為向北的黑潮和向南的棉蘭老流（MC）[12-14]。NEC 分叉點南北移動的年際變化，受ENSO 過程的強烈影響，在厄爾尼諾發(fā)生的年份分叉點位置位于最北端[14]。來自南大洋的AAIW 可以通過南赤道流（SEC）和新幾內亞沿岸潛流進入到赤道中層水（EqPIW），并成為該水體的主要來源[7,15]。東亞夏季風和冬季風控制了研究區(qū)的氣候，導致了呂宋火山巖和亞洲風塵向該地區(qū)的陸源輸入。另外，研究區(qū)的表層海水溫度（SST）幾乎是全球最高，其季節(jié)變化最小，且年均SST 基本大于28°C[16]。研究區(qū)因較低的表層海水營養(yǎng)鹽濃度，整體上呈現(xiàn)出較低的初級生產力（葉綠素a 濃度 0.04～0.07 mg/m3），而較厚的混合層也限制了富含營養(yǎng)物質的深層水體上涌[17-18]。

2 材料與方法

2.1 樣品來源

重力柱狀巖芯 MD06-3047，總長度890 cm，由中-法合作航次MARCO POLO 2/IMAGES XIV 于2006 年在西菲律賓洋盆的本哈姆海臺（17°00.44'N、124°47.93'E，水深約2 510 m，圖1）獲取。該巖芯樣品主要由黃褐色粉砂質黏土組成，未見明顯生物擾動。巖芯位置位于呂宋島以東240 km，該海區(qū)主要受亞熱帶東亞季風氣候影響[19]。

圖1 MD06-3047 巖芯站位信息圖其中，NEC：北赤道流，KC：黑潮，MC：棉蘭老流，WPS：西菲律賓海，EAWM：東亞冬季風，EASM：東亞夏季風。Fig.1 Location of core MD06-3047NEC: North Equatorial Current, KC: Kuroshio Current, MC: Mindanao Current, WPS: western Philippine Sea, EAWM: East Asian winter monsoon, EASM:East Asian summer monsoon.

2.2 分析方法

將巖芯按照2 cm 間隔分為445 個樣品用于分析測試。樣品在50°C 下被烘干，接著用5%的H2O2進行處理，然后用63 μm 孔徑的篩子在去離子水下進行沖洗，以獲取有孔蟲殼體樣品。每個樣品挑選粒徑大于150 μm 的浮游和底棲有孔蟲殼體共計300 個起進行屬種鑒定和計數(shù)，并進行了底棲有孔蟲表生種Cibicidoides wuellerstorfi有孔蟲穩(wěn)定氧同位素測試和溫躍層深度（DOT）的函數(shù)轉換分析[3]。

生源蛋白石含量采用濕堿消解法測定[20]，該方法的平均誤差為0.2%～1.0%，在自然資源部海洋地質與成礦作用重點實驗室由鉬酸藍分光光度計進行測試。具體分析測試方法為：凍干樣品研磨至200 目以下，準確稱取約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 以除去有機質；再在離心管中加入 5 mL 1∶9 鹽酸，震蕩反應 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。通過鉬酸鹽藍光分光光度法分步測量提取物中的溶解硅，并根據(jù)硅的質量百分比隨時間變化得出線性回歸方程，其截距為沉積物中生源硅的含量。沉積物中的生源蛋白石含量按公式（Opal%= 2.4×BSi%）計算。

3 結果與討論

3.1 年齡框架重建

MD06-3047 巖芯的年齡框架通過將該巖芯底棲有孔蟲表生種C. wuellerstorfi的δ18O 曲線[3]和LR04 δ18O 標準曲線[21]進行圖形比對來獲得，并且考慮了浮游有孔蟲Globigerinoides ruber(pink)的末現(xiàn)面。G. ruber(pink)的末現(xiàn)面出現(xiàn)在巖芯160 cm 處，對應年齡為120 kaBP[22]。該巖芯地層覆蓋了海洋氧同位素期次MIS 1-17 期（圖2），記錄了WPWP 近700 ka的古海洋變化歷史。

圖2 MD06-3047 巖芯生源蛋白石含量特征A：LR04 氧同位素標準曲線[21]，B：MD06-3047 巖芯底棲有孔蟲C. wuellerstorfi 氧同位素[3]，C：MD06-3047 巖芯生源蛋白石含量，D：MD06-3047 巖芯總有機碳含量[23]。圖中灰色條帶為間冰期。Fig.2 Characteristics of biogenic opal content in core MD06-3047A: LR04 oxygen isotope standard curve[21], B: benthic foraminifera[3], C: oxygen isotope of benthic foraminifera C. wuellerstorfi, D: total organic carbon content[23]. The gray bars in this figure are interglacial periods.

3.2 冰期旋回中的西太平洋暖池生源蛋白石含量特征

MD06-3047 巖芯的生源蛋白石含量在700 ka以來平均值為3.10%，最大值8.46%，最小值1.40%。在冰期-間冰期旋回中，其階段性低值往往出現(xiàn)在間冰期；而在大多數(shù)間冰期的中后期到緊接著的冰期，對應著有孔蟲氧同位素記錄的全球冰量增加[3,21]，生源蛋白石含量往往呈現(xiàn)出階段性上升的趨勢（圖2C）。其最大值出現(xiàn)在MIS 5.4 期，基本對應著MIS 5.5 期到MIS 5.4 期全球冰體積的迅速增加。在MIS 11 期以前，其冰期旋回尺度的變化幅度相對較小，而在MIS 11 期之后顯著增大。與同為生產力指標的總有機碳含量（TOC）比較（圖2D）[23]，在冰期旋回中整體變化趨勢一致，即大致呈現(xiàn)出了冰期高、冰消期和間冰期低的特點。

3.3 西太平洋暖池硅質生產力控制因素

可能影響WPWP 硅質生產力的因素包括：風塵帶來的Si 和Fe[2,23]、陸架物理剝蝕和硅酸鹽風化導致的陸源有機質輸入[24-25]、與類ENSO 過程相關的溫躍層動力機制[26-27]和南大洋“硅溢漏”[28]。我們認為，表層海水硅藻生產力的勃發(fā)需要3 個條件：① 充足的硅酸鹽供應；② 可供生物利用的鐵的供給；③ 營養(yǎng)物質在表層水體較小的縱向空間和充分的滯留時間。根據(jù)上述研究提出的可能影響因素，結合硅藻生長所需條件，我們假設：亞洲陸源輸入和南大洋為研究區(qū)供應硅酸；亞洲風塵Fe 的輸入為水體提供Fe 供給；DOT 的深淺改變了混合層的深度，從而影響了硅酸和Fe 在表層水體的縱向空間和滯留時間。

通過與本巖芯風塵通量和溶解Fe 含量的比較（圖3A，B）[23]，我們發(fā)現(xiàn)生源蛋白石和這兩項風塵指標基本都在冰期表現(xiàn)為高值，而冰消期時蛋白石的低值也往往對應著風塵的低值。這說明風塵通過Fe 的輸入對WPWP 生產力的影響符合我們的假設。而通過與本巖芯DOT 記錄的比對，發(fā)現(xiàn)生源蛋白石在冰期時的高值往往對應DOT 較淺的時期；其低值期，DOT 也往往較深（圖3D）。這和我們的假設一致，即較淺的溫躍層可以減少營養(yǎng)物質和Fe 的垂向空間，增強其在透光層的滯留，為硅藻的生成創(chuàng)造時間窗口。而DOT 較深時，往往是北赤道流輸送至WPWP 核心區(qū)的寡營養(yǎng)水體逐漸聚集、堆積，不利于硅藻的生長。為了驗證南大洋“硅溢漏”對WPWP 硅質生產力的影響，我們比對了南大洋南極帶上升流區(qū)的生源蛋白石記錄和南半球西風帶（SWW）記錄（圖3E，F(xiàn)）[29-30]，發(fā)現(xiàn)其最顯著特征是在每個冰消期呈現(xiàn)出峰值，意味著冰消期SWW的南移和增強，導致了南極帶風驅上升流的增強、富硅深層水體進入南極中層水和亞南極模態(tài)水并進一步向低緯的上層水體輸送[29]。然而這一冰消期“硅溢漏”特征在WPWP 的生源蛋白石記錄中并未得到響應。這說明冰消期南大洋“硅溢漏”未能影響到WPWP 的硅質生產力。另外，來自東菲律賓海的硅藻席硅同位素的研究也表明，末次盛冰期南大洋“硅溢漏”并未顯著影響到研究區(qū)[18]。本巖芯生源蛋白石含量并未在末次盛冰期出現(xiàn)峰值，可能與年齡框架的不確定性、生源蛋白石的保存狀況有關（圖3C）。而跟海平面記錄的比對（圖4B）[31]，則進一步支持了我們的假設，即低海平面時裸露的東呂宋陸架的硅酸鹽物理剝蝕和化學風化可能為研究區(qū)表層海水提供了硅酸和有機質，導致了生源蛋白石的增長，這與前人在這一海區(qū)的研究一致[25,32]。

圖3 MD06-3047 巖芯生源蛋白石含量與潛在控制因素比對MD06-3047 相關參數(shù)：A：風塵通量[23]，B：溶解鐵含量[23]，C：生源蛋白石含量，D：溫躍層深度[3]；E：南大洋南極帶ANT29/P1-03 巖芯生源蛋白石含量[29]；F：南極EDC 冰芯積累率[30]。圖中灰色條帶為間冰期，綠色半透明條帶為冰消期。Fig.3 Comparison of bornite opal concentration and potential controls in core MD06-3047Proxies in MD06-3047: A: dust flux[23], B: dissolved iron content[23], C: biogenic opal concentration, D: thermocline depth[3]. E: biogenic opal content of core ANT29/P1-03 in the Antarctic Zone of the Southern Ocean[29], and F: accumulation rate in Antarctic Epica Dome C ice core[30]. The gray bars are interglacial periods, and the green translucent bars are the deglacial periods.

圖4 MD06-3047 巖芯相關參數(shù)與全球氣候指標比對MD06-3047 相關參數(shù)：A：風塵通量[23]，B：全球海平面變化[31]，C：生源蛋白石含量，D：總有機碳含量[23]，E：溫躍層深度[3]；F：南極冰芯Epica Dome C 大氣CO2 濃度[1]。圖中灰色條帶為間冰期，綠色半透明條帶為冰消期。Fig.4 Comparison of MD06-3047 proxies with global climate proxiesMD06-3047 proxies: A: dust flux[23], B: global sea-level changes[31], C: biogenic opal concentration, D: total organic carbon concentration[23], E: depth of thermocline[3]; F: atmospheric CO2 concentration in the Epica Dome C ice core[1]. The gray bars are interglacial periods, the green translucent bars are the deglacial periods.

3.4 冰期WPWP 硅質生產力的增強與pCO2atm 的降低

冰期旋回中WPWP 的生源蛋白石含量大多在冰期中處于高值，這與TOC 的含量高值基本對應（圖4C，D）。而且WPWP 硅質生產力的高值，往往對應大氣CO2低值；其生產力增加的過程，則往往對應pCO2atm迅速降低的過程。WPWP 的硅質生產力，可能在冰期旋回中影響了大氣CO2的濃度[4-5]。在第四紀的冰期，同時也是低海平面期，廣泛存在的熱帶火山弧，導致了此時期可侵蝕沉積物的面積顯著增大，并使暴露的未固結碎屑遭受侵蝕與風化（圖4B）[25,32]。而從裸露的東呂宋陸架入海的巨量淡水，為研究區(qū)輸入了大量陸源硅，并使生產力顯著提高[25,32]。低海平面時期從熱帶火山弧向深海的硅質有效搬運，可能調節(jié)了WPWP 的生產力、碳埋藏和大氣CO2濃度[24,32-33]。而亞洲風塵，則是WPWP的鐵的首要來源，刺激了這些海區(qū)的生產力水平（圖4A）[2,4,18,23]。冰期時熱帶火山弧附近裸露的陸架沉積物的物理剝蝕、硅酸鹽風化以及風塵輸入的增加，可使WPWP 西部邊緣海的有機碳埋藏效率提高，有可能降低了冰期時的大氣CO2分壓（圖4）[1-2,24-25,32]。而在這一過程中，較淺的DOT 水平使表層海水中營養(yǎng)物質的垂向空間變小、滯留時間增強，則進一步提高了這一海區(qū)的生產力水平和碳埋藏效率（圖4E）。

3.5 冰消期南大洋“硅溢漏”在WPWP 的失效與硅質生產力的降低

緊接著冰期的冰消期，南大洋西風帶和風驅上升流增強，南大洋深部的大量硅酸進入表層，并伴隨南大洋中層水生成的增強向北水平輸送，進入低緯大洋的上層水體[28-30]。然而南大洋“硅溢漏”并未導致WPWP 硅質生產力的提高（圖4C），我們認為這與冰消期這一海區(qū)Fe 的輸入水平有關。在冰消期，海平面迅速上升，導致東呂宋陸架重新被海水覆蓋，顯著降低了可侵蝕沉積物的面積，向研究區(qū)的硅質輸入隨之減少；而亞洲風塵輸入也明顯降低，從而降低了對這一海區(qū)的Fe 的輸入（圖3B，圖4）。即使南大洋溢漏的硅酸到達WPWP 上層水體，此時亞洲風塵帶來的Fe 含量的驟降，將使硅藻生長速率無法有效提高，從而降低了這一海區(qū)的硅質生產力，使南大洋“硅溢漏”失效。而冰消期的溫躍層深度均處于較深水平（圖4E），加厚的混合層使表層水體中的營養(yǎng)物質縱向空間更大、滯留時間更短，而且是自東向西的寡營養(yǎng)上層水體堆積，這使冰消期WPWP 的硅質生產力進一步降低。冰消期降低的WPWP 硅質生產力，將降低WPWP 的碳埋藏效率，并影響大氣CO2濃度（圖4F）。

4 結論

（1）700 ka 以來西太平洋暖池的硅質生產力變化呈現(xiàn)顯著的冰期-間冰期旋回，基本在冰期較高，而間冰期較低。其主要控制因素可能是海平面變化引起的東呂宋陸架沉積物風化以及亞洲風塵輸入，改變了該海區(qū)的陸源硅酸和鐵的輸入。溫躍層深度的改變則可能強化了這一過程。南大洋中層水的“硅溢漏”可能無法顯著影響WPWP 的生產力。

（2）冰期時的低海平面，導致熱帶火山弧附近裸露的陸架沉積物的物理剝蝕和硅酸鹽風化，通過淡水輸入為WPWP 提供了更多的硅酸；增強的風塵輸入則為WPWP 提供了更多的Fe；冰期時較淺的DOT 使表層海水的營養(yǎng)物質垂向空間變小、滯留時間增多。這些因素使冰期的WPWP 生產力增高，有可能降低大氣CO2分壓。

（3）冰消期時迅速升高的海平面、亞洲風塵輸入的減少以及溫躍層變深，都使此時可能進入到WPWP 的南大洋“硅溢漏”失效，并使其硅質生產力顯著降低。