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有机地球化学在东海全新世古气候和古海洋研究中的应用进展

陈立雷 刘健 王家生

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有机地球化学在东海全新世古气候和古海洋研究中的应用进展

    作者简介: 陈立雷(1987-), 男, 山东莱阳人, 博士研究生, 主要研究方向为第四纪沉积与环境变化, E-mail:foreverdream@126.com;
  • 基金项目: 山东省泰山学者项目 ts201511077
    国家自然科学基金 41330964
    有机地球化学国家重点实验室开放基金 SKLOG-201621
    中国自然科学基金和山东省联合资助海洋科学研究 U1606401
    国家自然科学基金 41406078

  • 中图分类号: P736.4

Application of organic geochemical proxies to Holocene paleoclimatic and paleoceanographic studies of the East China Sea

  • CLC number: P736.4

  • 摘要: 有机地球化学指标已成为追溯全球古环境变化与古生物地球化学演化的有力工具,在我国边缘海中得到广泛应用,尤以东海全新世古气候和古海洋学研究取得的成果最为显著。本文在综述了部分有机质整体指标和脂类生物标志物用于东海有机质溯源研究进展的同时,着重叙述了他们在全新世海水表层温度、季风、相对海平面和海洋初级生产力重建等古气候和古海洋学领域的研究动态。针对我国边缘海,提出应选用更加有效可靠的有机地球化学多指标,研究高分辨率的沉积连续记录,全面恢复古气候环境变迁历史。
  • 图 1  输入沿海环境的典型物源及其δ13C和TOC/TN值的范围(据文献[9]修改)

    Figure 1.  Typical δ13C and TOC/TN ranges for organic inputs to coastal environments (Modified from reference [9])

    表 1  古海洋学研究中常用的脂类生物标志物指标

    Table 1.  Typical lipids biomarker index forpaleoceanographic and paleoclimatic researches

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-10-11
  • 录用日期:  2017-12-28
  • 刊出日期:  2019-06-20

有机地球化学在东海全新世古气候和古海洋研究中的应用进展

    作者简介:陈立雷(1987-), 男, 山东莱阳人, 博士研究生, 主要研究方向为第四纪沉积与环境变化, E-mail:foreverdream@126.com
  • 1. 自然资源部中国地质调查局青岛海洋地质研究所, 山东 青岛 266071
  • 2. 海洋地质过程与环境功能实验室, 青岛海洋科学与技术国家实验室, 山东 青岛 266061
  • 3. 中国地质大学(武汉), 湖北 武汉 430074
基金项目:  山东省泰山学者项目 ts201511077国家自然科学基金 41330964有机地球化学国家重点实验室开放基金 SKLOG-201621中国自然科学基金和山东省联合资助海洋科学研究 U1606401国家自然科学基金 41406078

摘要: 有机地球化学指标已成为追溯全球古环境变化与古生物地球化学演化的有力工具,在我国边缘海中得到广泛应用,尤以东海全新世古气候和古海洋学研究取得的成果最为显著。本文在综述了部分有机质整体指标和脂类生物标志物用于东海有机质溯源研究进展的同时,着重叙述了他们在全新世海水表层温度、季风、相对海平面和海洋初级生产力重建等古气候和古海洋学领域的研究动态。针对我国边缘海,提出应选用更加有效可靠的有机地球化学多指标,研究高分辨率的沉积连续记录,全面恢复古气候环境变迁历史。

English Abstract

  • 东海作为中国的三大边缘海之一,是典型的大河三角洲前缘河口边缘海,拥有广阔的大陆架,在全球碳循环中发挥着重要作用[1]。该海域全新世气候受季风和洋流等因素影响出现冷暖交替现象和强降雨事件,相对海平面发生明显变迁,气候环境变化直接引起了海洋浮游植物生产力水平及其群落结构变化的响应。特别是过去50 a,人口急剧增长,建设大坝、砍伐森林、农耕垦荒、滥用化肥和发展工业等人类活动,造成淡水资源匮乏、入海沉积物大幅减少、赤潮进入高发期[2]。加之近年全球温度升高、冰川融化、海平面上升,严重威胁了沿海国家人民的生命财产安全[3-5]。这都将反演沿海古气候环境条件,并预测其未来变化趋势的课题推上了新的高度。

    目前,古气候和古海洋学研究主要采用微体生物古生态学、有机地球化学、稳定同位素地球化学和微量元素地球化学等指标示踪[6-17]。随着现代分析测试技术的进步,有机地球化学分析对样品的需要量越来越少,分析精度与分析效率反而越来越高,使得有机地球化学指标在古气候和古海洋学研究中备受青睐。本文对应用碳稳定同位素(δ13C)、总有机碳和总氮比值(TOC/TN)等有机质整体指标和正构烷烃、甾醇、长链烯酮、甘油双烷基甘油四醚(glycerol dialkyl glycerol tetraethers,GDGTs)等脂类生物标志物,进行东海沉积物有机质输入溯源,重建全新世古气候、相对海平面和古生产力变化的研究进展进行综述。旨在指出目前存在的主要问题,提出未来研究的建议,推动海洋学研究的发展。

    • 尽管海洋沉积物中的有机物只占1%左右,但由于其是海洋生态系统较为全面的记述者,对重建古生态环境有十分重要的意义。自然界中碳转化为有机碳被生物固定下来的过程往往伴随发生同位素分馏[18]。根据光合作用固碳途径的差异,可将植物分为C3,C4和CAM三类[9]。东海内陆架陆源高等植物以C3植物为主,C4为辅[19-20]。前者主要包括生活在湿润和较高大气二氧化碳分压(pCO2)条件下的树木、灌木和喜温凉气候的草本植物,δ13C集中在-22 ‰至-34 ‰;后者则为生活在低pCO2、高温、高光照、干旱和盐碱化等条件下的草本植物,δ13C为-10‰至-14‰ [21]。陆生植物因含木质素和纤维素而具有较高的TOC/TN值(>12)[9]。淡水植物δ13C范围较大(-11‰至-50‰)[9]。海源主要固碳者为海洋浮游植物,因pH使得其优先利用HCO3-为碳源,造成δ13C值较淡水植物偏正,具有较低的TOC/TN值(<8)[9]。不同生物群落具有不同的固碳、固氮机理使得δ13C和TOC/TN值(图 1)呈现多样性。此外,不同生物合成结构特异、性质稳定的脂类,构成细胞脂质膜,控制细胞或者内部细胞器中各类物质的进出和交换[22]。陆源脂类经河流和大气运输进入海洋系统,伴随海洋脂类保留在沉积物中,统称为脂类生物标志物[1, 22]。典型的陆源高等植物脂类生物标志物为长链正构烷烃,水生植物为中等链长正构烷烃,藻类和细菌等为短链正构烷烃、长链烯酮和甾醇[23]。另外,土壤微生物以支链GDGT,海洋古菌以类异戊二烯GDGT为脂类生物标志物[13]。沉积物中的脂类不仅继承其母源生物生长的信息(如温度、降水、CO2浓度、海拔、光照、云量、土壤水分与营养状况、盐分胁迫和环境污染,等),因为生物对外界环境响应异常灵敏,通过改变自身脂类的组成和结构适应环境的变化[18];还记录其沉积环境的信息,因为脂类往往受沉积环境条件(如氧化还原电位、温度等)作用[22]。同时,不同来源有机质在由源到汇的过程中,会受到季风变化、海平面变迁和洋流(东海主要是沿岸流、黑潮暖流及其分支)等因素的影响[24-29]

      图  1  输入沿海环境的典型物源及其δ13C和TOC/TN值的范围(据文献[9]修改)

      Figure 1.  Typical δ13C and TOC/TN ranges for organic inputs to coastal environments (Modified from reference [9])

      通常,湿暖条件可导致植物的δ13C值偏负,干热条件则使δ13C值偏正;东亚夏季风增强,C4植物生物量增加,导致沉降颗粒物δ13C值偏正;当降水增加,河流载荷增加,边缘海沉积物中陆源有机质输入比例增加,造成沉积物δ13C值偏负、TOC/TN值增大[30-33]。东海受东亚季风影响,冬季偏北风盛行,夏季东南季风盛行[1]。强盛的夏季风带来的暖湿气流有利于降雨的形成和土壤的发育,致使河流携带大量陆源碎屑入海,沉降在长江口附近。冬季在强烈的冬季风驱动下,南下的沿岸流将夏季沉积的物质再悬浮,再搬运,然后在河口的南部沉降[34-35]。当海平面上升,径流入海口向岸迁移,陆源物质受水动力限制,无法扩散沉降到更远的海域,使得同一站位较低海平面时陆源有机质输入总量减少。与此同时,海平面上升,水动力强度减弱,近岸区域陆源输入的营养盐供给充足使得海洋生物生长繁茂,海源有机质大量富集[36]。黑潮在经历了新仙女木变弱过程之后,迅速加强。在9.4 ka BP左右,黑潮暖流伴随着冰融水事件发生过一段快速增强过程。但是在约0.6、1.7、3.3、4.6、5.9、8.1和9.4 ka BP前却明显减弱[37]。黑潮减弱时,黑潮从热带输送到北半球中纬度的热量减少,使得周边陆地和海洋的气温降低,影响生物的生长。在同一区域,垂向上沉积连续,在有机质整体指标基础上,选取合适的脂类生物标志物指标(表 1),反演不同沉积年代对应生物生长期的气候信息和环境状况,能够精确的进行古气候和古海洋学相关研究。

      表 1  古海洋学研究中常用的脂类生物标志物指标

      Table 1.  Typical lipids biomarker index forpaleoceanographic and paleoclimatic researches

    • 应用有机地球化学指标进行古气候和古海洋学研究的关键是对海洋沉积物中有机质来源进行准确的限定。δ13C和TOC/TN是用于沉积物中有机质溯源的常规有机地球化学指标[47-48]。东海沉积物有机质受长江携带的陆源物质影响较大。长江主干流的δ13C值范围为-26.6‰~-24.4‰,与该流域表层土壤的δ13C值(-28.9‰~-24.3‰)相近[49]。长江流域悬浮颗粒的TOC/TN平均值为12~17.5,土壤的TOC/TN平均值约为18.5[50]。自长江向东海陆架过渡,悬浮颗粒及沉积物的δ13C值随离大陆距离的增加而偏正,TOC/TN值则减少[49]。长江输入的陆源有机质主要沉降储存在了长江口及其以南的东海内陆架,极少部分在丰水期扩散到东部中陆架[51],使得δ13C值仅在长江三角洲和闽浙泥质区出现低值,但TOC/TN在长江三角洲及其东部中陆架和闽浙沿岸泥质区均呈现高值[19, 41]。其中,闽浙泥质区沉积物中有机质的TOC/TN值低于12,δ13C值较全球海洋平均值(-20‰)偏负[1, 19, 41, 46, 50, 52],为典型的海陆混合来源海域。近一千多年,特别是近百年人类活动对长江等沿岸径流载荷的输送和埋藏影响巨大,干扰了东海沉积物中δ13C和TOC/TN值的固有分布特征[10, 52]。目前,利用δ13C和TOC/TN值定量研究东海不同来源有机质输入相对比例主要采用双端元和三端元模型[10, 19, 41, 52-55]。双端元模型中,海源TOC/TN值取5,δ13C值取-20‰[55];陆源TOC/TN值取20,而δ13C则取-27‰或-25.6‰[41, 55]。计算得到东海陆源有机质相对贡献率范围在0~48%[19, 41, 52]。三端元模型中,以河流相:δ13C=-28.7‰,TOC/TN=12.5;三角洲相:δ13C=-22.10‰,TOC/TN=17.5;海相:δ13C=-20.00‰,TOC/TN=6.49作为端元值[53]。Hu等[10]计算得到闽浙泥质区某钻孔的沉积物有机质主要为海源(54% ± 3%)、三角洲源(30% ± 4%)和河流源(16% ± 2%)。

      但是,采用δ13C和TOC/TN溯源存在一定的缺陷,主要是腐殖化过程中有机质的选择性降解和早期成岩作用改变了二者的值,从而产生误导[25, 48, 56]。其次,沉积物有机质中因含有δ13C值较重的C4(约-13‰)植物会低估陆源输入比例[41, 57]。可利用总有机碳δ13C端元模型计算C3/C4植被比例,但因端元值的选择会导致较大误差[21]。而特征生物标志物的单体δ13C值则可优先用来估算地质历史时期C3/C4植被比例[21, 58]。另外,TOC和TN的定量过程,特别是TN浓度低于0.1 wt.%时误差影响更显著[59],而研究证实长江口和闽浙沿岸氮含量恰巧较低[60]。同时,前处理应用酸处理驱除无机碳和可交换的氮,会造成碳同位素的分馏,导致沉积物中δ13C值较真实值偏正[56, 61]。残存的无机NH4+、维管束植物的降解导致氮含量的富集和特定区域具有TOC/TN低值的藻类、微生物对总有机质贡献率较大却使得TOC/TN低于真实值。鉴于以上干扰的存在,结合δ13C和TOC/TN指示的陆源有机质空间分布趋势不一致的事实,笔者认为TOC/TN指标并不适用于东海闽浙泥质区有机质溯源[52]。相比而言,C27,C29和C31正构烷烃的δ13C计算得到东海C4植物输入占比较少[19-20],且同位素分馏造成总有机碳δ13C实测值较真值偏差较小[61],对利用δ13C值进行端元模型计算的干扰较少,准确度更高[55]

    • 进入21世纪,随着分析测试技术的发展,应用生物标志物指示东海沉积物有机质来源的研究方兴未艾。近几十年,富营养化现象日益严重,水体初级生产力增强,东海赤潮频发,赤潮范围不断扩大。闽浙沿岸泥质区离岸较近,受地表径流、洋流和人类活动影响显著,是赤潮的高发区,成为研究的重点区域。该区域沉积物中正构烷烃、脂肪醇和脂肪酸指示有机质的输入以海源和陆源高等植物为主[19, 52, 62-64]。同时,研究发现影响闽浙泥质区的长江及其它河流、台湾暖流具有高含量奇碳数优势的长链正构烷烃、偶碳数优势的长链正构烷醇、甾醇和泉古菌醇,以及低含量支链GDGTs的特点[1, 29, 41, 46, 65-66]。该区域长链正构烷烃碳优势指数(CPI25-33)值范围在1.8~5.1之间[1, 41, 65];支链类异戊二烯四醚指标(BIT)一般小于0.1,远小于受黄河土壤影响更显著的黄、渤海[1, 44, 67]。东海大量的生物标志物研究同样发现[1, 19, 41, 46, 52, 66, 68-71],长江源的陆源生物标志物在浙闽沿岸流和黑潮及其分支的作用下主要沉降在长江三角洲和闽浙沿岸泥质区,含量向海呈减少趋势,只有少数一部分被运输沉降在了冲绳海槽和东海东部泥质区;长江淡水携带大量的营养盐进入东海,为海洋生物的生长提供了有利条件,使得东海内陆架沉降储存了较高含量的海源生物标志物。BIT的提出使得沉积物中有机质来源进一步细化为海源、土壤源和陆生植物源。应当注意:不同环境下BIT与其它有机质指标并不都存在相关性,这使得能否应用该指标估算海洋沉积物中不同来源有机质的相对含量应具体海域具体分析[1, 44]。姚鹏等[1]在分析了地理位置、水动力和GDGT降解效率差异后,认为BIT值可以很好地应用于长江三角洲及其邻近海域沉积物有机质溯源。定量计算方面,亦采用双端元和三端元模型,后者通常联合δ13C指标,取得一系列成果[1, 19, 41, 52, 62]。但生物标志物指标计算得到的东海陆源有机质相对贡献率普遍高于应用δ13C和TOC/TN计算的结果。我们认为这是由石油污染和农耕施肥等人类活动会影响海洋沉积物中生物标志物的分布特征[41],以及生物标志物的早期成岩作用造成的[52]

      石油污染会造成沉积物中长链正构烷烃异常高含量[41]。在时间尺度上,若长链正构烷烃或烷醇的CPI值明显减小,是沉积物受油污染的一种表现[41]。根据样品检出的藿烷和藿烯组份,判断沉积物中有机质成熟度特征[72],可以推断样品是否受到明显的石油污染。另外,色谱图中若发现“UCM”(色谱不能分辨的复杂混合物),以及样品出现异常姥鲛烷和植烷比Pr/Ph值,都可能是石油污染的表征[71]。同时,有机质在沉降到海底的过程中,受到强烈的生物化学作用改造。Jeng等[65]对东海研究区域悬浮颗粒和海洋表层沉积物脂质进行了系统调查。其结果表明悬浮颗粒和表层样中甾醇的主要成分相似,都源于硅藻、甲藻和浮游动物等海洋生物。我们以甾醇B、D、F和H指示海源有机质,C29、C31、C33正构烷烃指示陆源有机质,则∑C29+31+33正构烷烃/∑B+D+F+H甾醇的比值可以定量的揭示陆源和海源有机质的比重。Jeng等[65]的数据分析结果显示悬浮颗粒的∑C29+31+33正构烷烃/∑B+D+F+H甾醇的比值量级均为10-3,远小于表层样10-1,说明了在有机质从悬浮颗粒沉降到表层沉积物的过程中,甾醇较正构烷烃更容易受到早期成岩作用改造,造成前者相对含量减少。Zhu等[66]则发现95%的支链GDGTs在河口被降解,这远超过长链正构烷烃(约30%)的降解速率。可见利用以上脂类生物标志物定量计算不同来源有机质输入比例时,高估了陆源比例,却低估了土壤源比例。此外,研究发现被动型较主动型边缘海具有更高的再矿化效率[73]。长江三角洲海域较其他被动边缘海如密西西比和亚马逊河三角洲海域有机质埋藏效率要高一些,其陆源和海源有机质的埋藏效率分别达到38%和5.5%,明显高于全球20%和0.8%的平均值[74]。即便如此,东海大陆架沉积物中有机质的再矿化作用仍然十分显著。所以,在利用生物标志物追溯东海沉积物有机质来源时,污染和早期成岩作用不容忽视。

    • 海水表层温度(SST)是古气候条件的一个重要因素,SST重建不仅能揭示洋流的演化历史,重建海洋环境,而且对于认识全球气候演变及预测未来气候变化都有重要意义。东海近岸由于营养盐和盐度差异引起生态竞争,50 m水深以内沉积物中鲜有颗石藻残骸的保存[41],使得U37kU37k在东海近河口的浅水区域无法得到应用。而TEX86古温度指标受成岩作用和盐度变化影响较弱,在东海具有重要的研究潜力[13]。但泉古菌季节性爆发、产甲烷菌或者土壤源菌类的引入、选择性保存、水力筛选、横向运输和微生物改造等因素都会干扰TEX86的应用。只有避开近岸和缺氧区,且BIT<0.2时,TEX86才可以用来计算SST[29, 75]。另有研究认为Thaumarchaeota在水体中生长范围广泛,TEX86H有时候反映的是低于风浪混合层之下的次表层水水温[76]。根据海洋条件的差异造成GDGTs和烯酮来源微生物具有不同的生长水深的特性,可以应用TEX86HU37k划分海水垂直温度梯度[77]。同时,部分研究[29]认为东海近岸经TEX86计算的SST存在季节性偏向,部分研究[66, 75]则认为不存在季节性偏向。所以在东海不同区域仍需要结合具体的环境条件进行TEX86衍生SST可适用性分析。东海有机地球化学指标(TEX86U37k)示踪SST的研究主要集中在冲绳海槽,零星开展在长江口和闽浙沿岸泥质区[40, 75, 78]。这些研究发现东海SST在末次冰期后整体波动上升,在对应的Bølling-Allerød暖期、Heinrich Stadial 1和Younger Dryas冷期事件出现快速的千年尺度变化。并认为全新世以来东海SST与东亚季风、冰融水事件、沿岸流和黑潮影响息息相关。表现为:末次冰期新仙女木事件中后期至全新世7.5 ka BP以较快的速度持续升温,之后升温速度有所减缓;在冰融水事件对应的阶段则出现小幅降温;不同区域因洋流影响、地形结构差异,SST具体变化出现差异。

      在东海全新世其他古气候研究中,由于缺乏高分辨率的钻孔样品,使得有机地球化学方面的研究进展较为缓慢。其中,对东海北部岩芯δ13C、TOC/TN、正构烷烃和烯酮的研究结果表明东海全新世气候记录受东亚夏季风主导,气候整体呈温暖湿润状态,沉降作用增加[39]。笔者认为这主要是由于东亚夏季风盛行的季节恰巧是生物生长最为旺盛的季节造成的。同样是东海北部岩芯研究显示东亚夏季风作用全新世早期较强,中期以后减弱[57]。闽浙沿岸泥质区的研究则证实3.6~2.7 ka BP和0.4~0 ka BP东亚夏季风增强[10]。而长江口崇明岛岩芯研究[79],却并没有发现该站位有机质对季风变化存在规律性的响应。与之相反,珠江口岩芯却很好的记录了东亚夏季风自6.5 ka BP的增强和自约2 ka BP的减弱趋势[79]。认为这主要是因为前者的取样点地处长江口,水深较浅,水动力较强,沉积相变化多样,不利于季风作用的记录。另外,东海沉积物中生物标志物很好的记录了长江流域全新世晚期的多次洪水事件[52, 75]

    • 末次冰期以来全球海平面整体升迁,但不同海域因局部气候、地势和洋流环境等差异,海平面变化呈现差异性。在众多导致全球海平面上升的因素中,冰融水事件贡献尤为突出。末次冰消期以来巨量的冰盖从大陆和海上消融,其中地质记录了19 ka MWP、MWP-1A(约14.2~13.7 ka BP)、MWP-1B(约11.5~11 ka BP)、MWP-1C(约9.4~8.7 ka BP)和MWP-1D(约7.8~7.4 ka BP)等几次规模巨大的冰融水事件,这些事件导致西太平洋海平面上升了120~140 m[25, 57, 80]

      选用有机地球化学参数示踪东海全新世海平面变化取得了丰硕的成果。东海北部岩芯的研究发现当海平面下降时,陆源和近岸水生植物有机质输入增加;海平面上升时,总有机质输入减少。证实该海域全新世的TOC减少和低沉积速率都是由于海平面升迁所导致[39]。长江口水下三角洲岩芯剖析证实该海域在全新世早期为内潮汐河口环境,并且以C3植物输入为主。自9 ka BP左右海平面突然上升,使之成为低河口或浅海环境[50]。长江口泥质区GDGTs含量的变化记载了该海域在8 ka BP左右快速由陆相变成了海相沉积[75]。闽浙沿岸泥质区岩芯也证实了该研究历史时期海平面的升迁和长江物源输入量的增长[10]。另外,对东海北部海域岩芯24.3 ka来沉积信息进行了详细δ13C和TOC/TN分析[57],发现海平面在末次冰期之后总体抬升了约120 m。21 ka BP左右该区域处于低海平面,陆源输入占优。随之而来的19 ka BP MWP事件使得海平面快速上升,输入该站位的陆源岩屑减少,沉积物平均粒径减少。MWP-1A事件使得海平面突然上升,陆源碎屑输入减少,沉积速率下降,粒度减少。13.4 ka BP后,陆源物质输入增加,可能预示着海平面的下降。新仙女木事件后的全新世阶段,MWP-1B和MWP-1C时期海平面抬升速度加快,中期海平面处于高位。9.7~9.3 ka BP陆源输入快速减少,9.1 ka BP海源有机质输入快速增加。

      虽然现在对全新世海平面上升模式及中期在东海是否存在高海平面等问题仍存在分歧。但笔者就δ13C、TOC/TN和脂类生物标志物的研究结果[25, 57, 75, 81-83]更倾向于:东海全新世早期海平面较低,大陆架受河流输入体系影响较大,沉积形成大量陆架泥质区;9 ka BP左右海平面突然大幅抬升;中期6~7 ka BP左右处于高海平面,沉积速率较低,陆架沉积受到改造;中晚期形成现在的海平面,海洋物源输入显著。

    • 生物标志物来源明确,在地质体中保存较好,能够很好地指示海洋浮游植物生产力及其群落结构的变化,对深入理解碳循环的演变规律和机理有着重要的意义。其中,甾醇类、烯酮类、脂肪酸等生物标志物被广泛应用于海洋浮游生物生态结构的重建,但在我国边缘海利用生物标志物进行古生态重建还刚刚起步[14, 41]。这里我们只介绍采用菜子甾醇、甲藻甾醇和长链烯酮分别指示硅藻、甲藻和颗石藻进行海洋浮游植物生产力水平及其群落结构的研究进展。

      调查显示在东海长江口方向,离岸越远硅藻相对比例下降,而在长江口以南,则是离岸越远硅藻比例升高[84]。Xing等[85]对冲绳海槽中部的研究表明,冰消期海洋生产力高于全新世,且冰消期颗石藻的相对比例下降,甲藻和硅藻升高。分析造成该变化主要是与冬季风加强和陆源营养盐输送增加等因素有关。近年,中国海洋大学开展了一系列关于东海近岸泥质区百年来浮游植物生产力和生态结构变化的研究[63-64, 86-90],认为工农业迅速发展、大型水利工程建设等人类活动对浮游植物生产力提高和群落结构变化起主导作用。浮游植物生产力百年来呈上升趋势,上世纪80年代以后增速加快。群落结构则呈现甲藻比例升高、硅藻比例下降的趋势。生产力的提高可能与长江冲淡水营养盐的增加和东亚冬季风的增强有关,群落结构的改变可能与黑潮入侵和上升流及近年来冲淡水的P/N和Si/N降低有关。目前,国内应用脂类生物标志物指标研究东海浮游植物生产力及其群落结构主要集中在近百年,缺乏全新世以来高分辨率的研究,为该海域生态环境重建研究提供了新的机遇。

    • 有机地球化学指标已经在东海古气候和古海洋学研究中显示了独特的优势和巨大的潜力。特别是在有机质溯源和沉积环境辨识方面已取得一系列进展。但东海大陆架受长江等河流输入和人类活动的影响较大,加之局部洋流和季风气候等因素的影响,形成特殊的水动力环境,对沉积物的改造作用明显。另外,早期成岩作用对脂类生物标志物的改造作用主要发生在水相和沉积相表层,同类生物标志物理化性质相似,被改造程度相近,基于同类生物标志物的指标受早期成岩作用影响不大,但不同类生物标志物间的早期成岩作用影响不可忽视。并且,先前的研究缺乏高分辨率的保存完整的全新世钻孔。这都致使应用有机地球化学指标研究东海古气候环境和古生产力变化一直难取得较大突破,这既是挑战也是机遇。鉴于此,提出以下几方面建议。

      (1) 取样站位尽量避开沉积水动力条件较强的河口及水深较浅的近岸。取样要求连续、分辨率高,避免取样过程外来污染。

      (2) 选用多个具有稳定性、专一性、可比性的指标,充分考虑人为因素和早期成岩作用干扰。应保证测试条件一致,减少测试误差,使不同站位得到的数据具有可比性。纵然不同生物也可合成相同脂类,如果仅从脂类的分布来判定生物信息往往不够充分,需要借助脂类碳同位素的分析来共同解析地质载体中的脂类所携带的生物和环境信息。如,利用单体(正构烷烃、正构烷醇和脂肪酸,等)δ13C进行C3和C4植被贡献估算,增加端元计算不同物源输入贡献的准确性。另外,可建立不同脂类生物标志物含量受成岩作用随时间变化的曲线,定量的恢复早期成岩作用损失量。或者,开发受人为因素和成岩作用影响较少的替代生物标志物指标。

      (3) 人类活动往往与自然因素的影响叠加。如何行之有效的区分二者对于有机质“源-汇”过程的影响,成为未来研究的重点,也是难点。建议开展实验室模拟技术对不同因素的影响进行定性、定量研究。

      (4) 脂类生物标志物的细胞产生量及其在环境的保存效率差异,导致目前利用多参数脂类生物标志物方法只能够半定量地反演古气候环境变化。未来有必要通过现场调查和实验室培养建立脂类生物标志物含量或比值与浮游植物生产力及其群落结构、特定气候因子和环境条件的定量关系式,以达到能够准确重建古气候环境变化的目的。

参考文献 (90)

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