海洋紋層硅藻席古海洋學與生物地球化學研究進展*

熊志方 李鐵剛①

(1. 中國科學院海洋研究所 青島 266071; 2. 國家海洋局第一海洋研究所 海洋沉積與環境地質重點實驗室 青島 266061;3. 青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋地質過程與環境功能實驗室 青島 266061)

以Ethmodiscus rex、Rhizosoleniaspp.和Thalassiothrixspp.為代表的大型硅藻在生理學和生態學上與小型硅藻截然不同。不同于在動蕩混合且富養的表層水中勃發的小型硅藻(Margalef, 1978), 大型硅藻適宜生長在平穩成層化且貧養的上層水體中(Villareal, 1993; Kempet al, 2000)。與小型硅藻相比,大型硅藻細胞極大且單個液泡占據其 99%的體積,因而具有浮力可下沉到營養躍層吸收營養物然后上浮到表層進行光合作用, 從而克服成層化水體營養物匱乏的瓶頸(Villareal, 1992; Villarealet al, 1994,2007)。大型硅藻生長周期從早夏持續到晚秋, 可達數月, 明顯不同于勃發期只在春季且只持續幾天至幾周的小型硅藻(Kempet al, 2000, 2006)。秋末冬初時的海表溫度降低或水體混合加強導致成層化環境解體,大型硅藻迅速死亡并以“秋季傾瀉”方式大規模沉降到海底形成由單種組成的紋層硅藻席(Kempet al,2000; Smetacek, 2000)。大型硅藻雖然生長緩慢, 但其通過跨季節長周期勃發積累下來的碳、硅輸出總量等于甚至高于單季節短周期快速勃發的小型硅藻, 在全球大洋初級生產中扮演重要角色(Kempet al,2006)。沉積的硅藻席將巨量的有機碳和生物硅輸出到海底, 提高海洋生物泵效率, 對大氣 CO2分壓(pCO2)升高和全球變暖產生負反饋, 最終調節全球氣候(de Deckkeret al, 2002; Kempet al, 2013)。

然而, 由于大型硅藻個體巨大, 現代大型硅藻及其勃發事件往往被常規海洋調查所遺漏; 再加上海底取樣的困難性, 目前獲取的硅藻席巖芯也非常稀缺。這些不利因素導致大型硅藻及其硅藻席在全球氣候變化和碳循環中的地位一直被低估, 最近才予以重視(Kempet al, 2006, 2013)。幸運的是, 熱帶西太平洋廣泛分布的硅藻席沉積為檢驗大型硅藻在全球氣候變化和碳循環中的作用提供了良好素材。近年來,作者在東菲律賓海帕里西維拉海盆發現了末次盛冰期(LGM)大規模沉積的硅藻席, 成席的大型硅藻為E.rex(Zhaiet al, 2009; Xionget al, 2013)。之前和最近在帕里西維拉海盆及其東側的馬里亞納海溝附近也報道過晚更新世沉積的E. rex硅藻席或軟泥(Wisemanet al, 1953; Martini, 1982; Luoet al, 2017); 隨后, 又在帕里西維拉海盆以西的九州-帕勞海脊(Shibamotoetal, 2010)和西菲律賓海(陳敏等, 2014; Shenet al, 2017)采集大量E. rex硅藻席沉積樣品。這些發現綜合表明LGM沉積的E. rex硅藻席是菲律賓海乃至熱帶西太平洋廣泛分布的生源沉積物(圖 1)。在中國科學院戰略性先導科技專項等項目的支持下, 作者對東菲律賓海硅藻席沉積開展了古海洋學和生物地球化學的系統研究, 對有關硅藻席的多個基礎性科學問題進行了探索, 取得了一系列創新性成果(李鐵剛等,2015)。

本文首先從硅藻席的水動力環境指示意義、硅藻席的碳-營養物循環以及硅藻席的保存環境和形成機制等方面總結國內外研究進展, 并重點介紹作者取得的研究成果, 隨后指出硅藻席古海洋學和生物地球化學中存在的問題, 最后對其未來研究方向進行展望, 以期引起國際學術界的重視。

圖1　菲律賓海目前發現的硅藻席沉積站位或區域Fig.1 Map of the Philippine Sea region showing the location of laminated diatom mat deposits

1　國內外研究現狀

1.1　海洋大型硅藻勃發時的水動力環境(成層化或鋒面作用?)

關于大型硅藻勃發時的水動力環境研究結果一直處于爭議和變化之中。早期, 通過在上涌系統中發現大型硅藻或硅藻席沉積及其常常與其他指示上涌活動的普通硅藻同現, 大型硅藻一度被認為勃發于上涌條件中。后來通過對大型硅藻的生態學、生活史策略和生理特征的現代過程調查, 特別是發現其具有浮力, 大型硅藻不再作為上涌活動的指示劑。目前,普遍認為大型硅藻勃發于兩種水動力環境中: 一是成層化水體, 二是水團鋒面輻合帶。例如, 著名的地中海更新世腐殖泥就是成席硅藻Rhizosoleniaspp.和Hemiaulus hauckii等在夏季成層化的水體中勃發, 形成長鏈相互交結成席, 后沉積在海底所致。de Deckker等(2002)和Gingele等(2002)表明末次冰期東印度洋大型硅藻的繁盛也得益于季風缺乏時形成的成層化水體環境。中更新世轉型期南大西洋硅藻席沉積被認為與溫鹽環流減弱導致的成層化條件息息相關(Gingeleet al, 2001)。ODP 175航次在本格拉流系統中發現了 2.6—2.0Ma沉積的T. antarctica硅藻席(Langeet al, 1999), 它的形成是由于亞南極水向赤道擴散的上升冷水與南大西洋近岸表層暖水形成的鋒面所致(Bergeret al, 2002)。ODP 138航次在東赤道太平洋發現了古近紀硅藻席紋層沉積(Kempet al, 1993,1995), 其主要是由熱帶不穩定波導致T. longissima在表層富集, 然后沉降所致(Yoderet al, 1994; Kempet al, 1995)。從目前文獻報道的資料來看, 熱帶大洋大型硅藻勃發往往與強烈的大洋成層化相關, 而亞熱帶和極區大型硅藻的勃發一般與鋒帶關聯。

作者發現的LGM沉積的硅藻席位于東菲律賓海(Zhaiet al, 2009; Xionget al, 2013)。該區未見上涌活動的報道, 現今也沒有大洋鋒面穿過, 與最近的北赤道(太平洋)鋒面(NEFP)至少相隔10個緯度(Kempet al,2006)。如果研究區硅藻席的形成與鋒面行為相關, 這意味著LGM以來NEFP至少向南推進10個緯度, 但目前沒有資料支持這一推斷。另外, 如果研究區在LGM 時形成明顯的鋒帶, 那么E. rex勃發所需的營養物就很有可能來自深部大洋, 而 Xiong等(2015)推斷營養物硅主要由亞洲風塵提供, 因此不支持鋒面行為。基于以上分析, 東菲律賓海硅藻席的形成很可能與大洋成層化相關, 這與硅藻席沉積期硫化缺氧的沉積環境和亞氧化的底層水條件一致(Xionget al,2012b)。

1.2　海洋大型硅藻勃發時的營養物循環

除作為海洋浮游植物的最終限制性營養物磷酸鹽(Toggweiler, 1999)之外, 硅酸和硝酸鹽是硅藻生長最重要的兩種宏營養物, 分別用于合成自身的硅質殼體和有機質。大型硅藻勃發時的營養物循環涉及營養物的來源和利用程度兩個方面的內容。Broecker等(2000)認為末次冰期熱帶東印度洋沉積的硅藻席, 其E. rex勃發所需要的硅酸和其他營養物由太平洋溫躍層水經印度尼西亞海峽注入印度洋提供。而 de Deckker等(2002)則認為印尼蘇門塔拉東南岸外末次冰期E. rex勃發是由于季風降雨缺乏導致的高海表鹽度形成了表層成層化, 從而致使近海表呈現高氧、高硅和高的其他營養物水平。190ka以來赤道東大西洋大型硅藻的勃發所需硅酸鹽來源于加強的非洲季風導致的強烈硅酸巖風化并進一步通過河流輸入到海洋(Abrantes, 2001)。亞熱帶南大西洋沉積的E. rex軟泥被認為和阿古拉斯洋流泄露有關, MIS 14期時阿古拉斯環的形成持續加強, 使阿古拉斯洋流的營養物泄露達到頂峰, 從而促進E. rex勃發(Rackebrandtet al, 2011)。近年來, 依據大型硅藻具有浮力策略從而提出了兩個新的模式(詳見第 1.5節)——“成層化模式”和“鋒帶模式”都表明表層水貧營養物, 大型硅藻必須應用浮力策略下沉到深部營養池吸收營養物(Yoderet al, 1994; Villarealet al, 1999a; Kempet al,2000, 2010), 果真如此？現代過程研究確實表明Rhizosoleniaspp.等大型硅藻能從深部營養池吸收硝酸鹽(Villarealet al, 1993, 1999b), 但是否也從大洋深部吸收硅酸等其他營養物未見報道。有意思的是, 水體調查研究已經注意到Rhizosoleniaspp.能吸收表層水中的硅酸(Villarealet al, 1999a)。

通過優化前人從海洋沉積物中提純普通硅藻的方法(Shemeshet al, 1988; Morleyet al, 2004), 作者成功地從東菲律賓海硅藻席沉積物中提純出大型硅藻單種E. rex(Xionget al, 2012b)。在分析E. rex的硅同位素(δ30SiE.rex)基礎上并運用硅同位素的二元混合模型, 表明E. rex勃發成席所需要的硅主要由亞洲風塵供給(～86%); 而從南大洋由“硅溢漏”作用供給硅或從北太平洋輸送硅的貢獻比例極小(～14%)(Xionget al, 2015)。進一步利用硅藻吸收硅酸過程中的硅同位素分餾原理, 發現LGM時,E. rex勃發只利用了東菲律賓海表層水中約 24%—51%的硅酸(圖 2), 表明對硅酸而言, LGM 的東菲律賓海同現代的貧養狀態不同, 處于富營養物狀態(Xionget al, 2015)。作者的研究結果表明大型硅藻并不總是需要借助浮力調控從營養躍層之下獲取營養物, 其也可利用表層水體中由風塵溶解的硅酸。大型硅藻勃發時, 表層水也不總是寡營養, 也可以富營養。

1.3　海洋紋層硅藻席與冰期大氣碳的丟失

冰期時的大氣pCO2比間冰期低約80—100ppmv(Petitet al, 1999), 但目前仍不清楚大氣pCO2變化的主要原因。在地球所有的碳庫中, 只有海洋有巨大的碳儲存空間和快速的海-氣交換速率去封存 LGM 時丟失的CO2(Sigmanet al, 2000)。然而, 對于認識海洋在將 CO2從大氣轉換到大洋過程中的角色, 仍然充滿了不確定性。首先, 哪個大洋對 LGM時降低的大氣pCO2負主要責任？研究表明無論是高緯度的南大洋(Sigmanet al, 2010)和北太平洋(Jaccardet al, 2009)還是低緯度的赤道太平洋(Bradtmilleret al, 2010)似乎都能控制冰期-間冰期尺度大氣pCO2的變化。其次,盡管深部大洋被廣泛認為封存了冰期時巨量的呼吸CO2(Andersonet al, 2010), 但仍不清楚上部大洋到底在冰期大氣pCO2降低中扮演何種角色？最后, 哪種作用是冰期-間冰期大氣pCO2旋回的主要驅動力, 生物過程(即生物泵和營養物利用)、物理過程(如大洋成層化和上涌)還是化學過程(如大洋堿度變化)？

圖2　通過硅同位素分餾穩定狀態模型估算的LGM東菲律賓海E. rex對硅酸的利用程度Fig.2 The degree of silicic acid utilization by E. rex calculated using a steady-state model in the eastern Philippine Sea during the LGM

海洋大型硅藻在深部高葉綠素帶(DCM)中勃發或聚集, 通過“秋季傾斜”方式從 DCM 中輸出的碳、硅通量等于甚至超過“春季勃發”的小型硅藻(Kempet al, 2000, 2006), 從而表明了大型硅藻在輸出生產中的重要意義(Kempet al, 2013)。de Deckker等(2002)提到“應該值得我們深思的是, 假如冰期全球熱帶大洋都發生穩固的大型硅藻勃發, 大氣pCO2的降低繼而必然發生。” 盡管大型硅藻在海洋碳循環中扮演重要角色, 但目前仍不清楚其在調控大氣pCO2冰期-間冰期變化中的具體作用。

通過東菲律賓海大型硅藻E.rex的碳同位素(δ13CE.rex)研究, 發現LGME. rex勃發導致表層pCO2迅速減小, 最終使東菲律賓海發展成弱的大氣 CO2的匯, 從而調控大氣pCO2的冰期-間冰期變化(Xionget al, 2013)(圖3)。通過氧化還原敏感元素和生源要素的研究, 發現LGME. rex勃發導致大量有機質輸出到海底, 耗盡了溶解 O2, 使底層水處于亞氧化條件,從而表明呼吸 CO2庫也存在于熱帶西太平洋的東菲律賓海深部(Xionget al, 2012a, b; 熊志方等, 2013),支持冰期太平洋深部可能存在盆地尺度的巨大呼吸CO2庫(Jaccardet al, 2009; Bradtmilleret al, 2010), 從而在調控冰期-間冰期大氣pCO2旋回中發揮重要作用。進一步對研究區的硅藻席沉積做了定量估算, 發現LGM向海底沉積物中轉移的大氣CO2由研究區貢獻的至少占約1.3% (Xionget al, 2013)。盡管這個比例太小不能負責LGM大洋吸收大氣CO2的主要部分,但考慮到硅藻席沉積區只占全球大洋的極小部分(約0.08%)以及大洋吸收的大氣 CO2有較高比例以可溶無機碳形式存在, 1.3%的比例還是很顯著的。目前不清楚LGME. rex勃發的完整海區面積, 假如真如上述de Deckker等(2002)推測的那樣, 冰期大型硅藻勃發對大氣pCO2降低的貢獻值得重新評估。作者的研究首次為大型硅藻勃發降低大氣pCO2提供了直接的古海洋學證據, 也支持生物硅堆積作為冰期大氣pCO2降低致因的假說(如“硅假說”和“硅質堿度泵假說”等), 因而加強了大型硅藻在全球碳循環中的重要角色。

1.4　海洋紋層硅藻席的保存環境

考慮到低氧條件對生物擾動的抑制, 紋層沉積物一般出現在缺氧海洋環境中(Behlet al, 1996; Bullet al., 2000)。然而, 最近在深海站位發現的幾個硅藻席卻沉積于氧化的底層水中(Kempet al, 1993; Bodénet al, 1996; Kinget al., 1998; Pikeet al, 1999)。這些硅藻軟泥的保存不是由于缺氧條件而是歸因于硅藻席的迅速沉降和內部致密網狀結構對底棲生物活動的限制(Kempet al, 1993; Pikeet al, 1999)。

相反, 作者的結果表明東菲律賓海的硅藻席卻沉積于亞氧化底層水和硫化缺氧孔隙水條件下。兩個因素可用來解釋我們和先前報道硅藻席底層水氧化還原條件的差異。一方面, 研究區硅藻席沉積期的初級生產力導致極高的蛋白石質量堆積速率, 為 192—5056g/m2/yr (Xionget al, 2012b; 熊志方等, 2013), 而前人報道的底層水氧化條件下硅藻席的蛋白石質量堆積速率為2—232g/m2/yr (據Kemp等(2006)的數據重新計算)。研究區硅藻席沉積期生產力比上述其他硅藻席高約兩個數量級, 因此極高的E. rex生產力是LGM 東菲律賓海硅藻席更還原保存環境的主控因素。另一方面, 大型硅藻的生長形態差異也影響了其成席態勢。研究區成席硅藻E. rex為二維面狀結構,而前述其他成席硅藻T. longissima為一維線狀結構(Kempet al, 1993; Bodénet al, 1996; Kinget al, 1998;Pikeet al, 1999)。后者的絲狀形態相對于前者的板狀形態更容易形成堅固的網狀結構, 從而抑制生物擾動, 促進氧化性底層水條件下紋層沉積物的保存。因此, 成席硅藻形態在一定程度上也影響紋層硅藻席保存的氧化還原條件。

圖3　LGM東菲律賓海(WPD-03孔)海洋表層pCO2演化Fig.3 The age/depth profiles (core WPD-03) for sea surface pCO2 of the eastern Philippine Sea during the LGM

作者的發現并聯合前人關于海洋紋層沉積物氧化還原環境的研究(Kempet al, 1993; Behlet al, 1996;Bullet al, 2000)綜合表明, 紋層沉積物能堆積于氧化、亞氧化和缺氧的連續氧化還原環境中, 因而紋層沉積物的形成條件比原先想象的要復雜和多變。深部環流、初級生產力, 甚至是沉積速率和成席物種的種類、形態等多種因素綜合控制了紋層沉積物的氧化還原沉積環境。因此, 對用紋層沉積物來指示缺氧底層水條件應持謹慎態度。

1.5　海洋紋層硅藻席的形成機制

紋層硅藻席的形成機制一直沒有得到很好的解決。目前, 各種假說或模式被提出來解釋大型硅藻的勃發及其在海底的沉積, 其形成機制已發展成以大型硅藻E. rex為代表的“E. rexproblem”(Gardneret al,1975)。Wiseman等(1953)認為E. rex通過奇異的細胞增殖方式進行短時間的周期性勃發來達到數量的急劇增加從而實現在海底的厚層沉積; 該認識進一步深化, 認為勃發所需營養物由上涌提供, 后來發展為“上涌+增強勃發假說”(Gardneret al, 1975; Stabell,1986; Abrantes, 2001)。隨后, 發現沉積物中E. rex一般與抗溶種硅藻共存, 并結合硅藻溶解實驗提出“(差異性)溶解假說”, 認為沉積物中E. rex的相對富集主要由其他屬硅藻的溶解造成, 同時快速的沉降也減小了E. rex的溶解效應(Bukry, 1974; Schrader, 1974;Mikkelsen, 1977)。幾個研究也表明局部海底地形在硅藻席的形成中扮演至關重要的角色, 例如 Gombos(1984)指出中南大西洋硅藻席的沉積得益于洋中脊上封閉負地形建造的弱底層流活動和低溶解 O2水平。這些假說或模式往往在局部地區可能適用, 但不能作為一種普適性模式來概括硅藻席的形成機制。

近年來, 隨著大型硅藻生態學和生物化學研究的深入, 特別是大型硅藻具有浮力策略的發現, 提出了兩個新的模式(圖 4)。“成層化模式”認為在上層水體成層化條件下, 大型硅藻利用浮力下沉到營養躍層吸收營養物然后上浮到寡養的表層進行光合作用,在DCM中大量繁殖(Villarealet al, 1999a; Kempet al,2000)。“鋒帶模式”認為大型硅藻先下沉到鋒面以下的寒冷上涌水中吸收營養物然后上浮到鋒面之上的溫暖貧養水中進行光合作用, 在鋒帶中高度聚集(Yoderet al, 1994; Kempet al, 2010)。由于這兩個模式既照顧到大型硅藻的特殊生態學特征, 也考慮到其營養物來源與利用, 因而被學術界廣泛討論和引用。然而, 這兩種主流的硅藻席形成機制也并非完美無缺, 例如對以下基本問題的回答仍然充滿了不確定性: (1) “成層化模式”中給出的是季節性成層化(夏季成層化), 而引用該模式的研究都涉及的是長尺度的大洋成層化, 這兩者如何鏈接或調和？(2) “鋒帶模式”中, 上涌有沒有扮演角色, 如果有, 分量有多大？(3) “成層化模式”強調平穩的勃發環境, 而“鋒帶模式”則強調動蕩的生長條件, 這意味著大型硅藻能適應相反的生存環境, 真實情況如此嗎？(4)“成層化模式”中, 大型硅藻一定要動用浮力下沉到深部吸取營養物嗎？或者說下沉到深部是吸收所有營養物嗎？

圖4　有關大型硅藻勃發和紋層硅藻席沉積成因機制的兩個模式(“成層化模式”和“鋒帶模式”)Fig.4 The two models (stratification model and frontal zone model) explaining the blooms of giant diatoms and deposits of laminated diatom mats

通過東菲律賓海E. rex硅藻席的系統地球化學研究, 發現上述兩個主流模式不能解釋熱帶西太平洋發現的大規模硅藻席沉積。首先, 熱帶西太平洋E.rex勃發可以利用表層水中亞洲風塵溶解的硅酸, 并不需要下沉到深部營養池。其次,E. rex勃發并沒有完全利用表層水中的硅酸, 即表層水是富養的。為了調和我們的發現與既有模式之間的矛盾, 提出了熱帶西太平洋硅藻席形成的新模式—“風塵觸發硅藻席沉積”:E. rex利用表層水中亞洲風塵溶解的硅酸, 被風塵鐵刺激, 在成層化的水體環境中累計勃發, 然后“秋季傾瀉”而沉積到海底形成硅藻席(熊志方等,2010a; 李鐵剛等, 2015; Xionget al, 2015)(圖 5)。該新模式補充了大型硅藻的生態學特征, 豐富和發展了硅藻席的形成機制。

2　存在的問題

2.1　研究材料匱乏, 研究方法單一

研究材料相對普通海洋沉積物而言極其稀缺。不像普通的海洋生物和沉積物, 海洋大型硅藻的采樣和硅藻席沉積物的取樣一直都比較困難。這主要是由于大型硅藻的個體比常規海洋浮游植物大且主要生活在次表層, 常規的海洋調查設備(如浮游拖網和捕獲器等)根本無法獲取。而海底硅藻席沉積, 特別是一些沉積年代較年輕的硅藻席固結性差, 且有時分布水深較深, 周邊地形比較復雜, 因而傳統的巖芯取樣設備很難獲取。研究內容局限在硅藻席的古生物學、古生態學和沉積學上(Kempet al, 1993; Grigorovet al,2002; Shimadaet al, 2008), 除作者對硅藻席的地球化學系統研究外, 早已用于普通硅藻沉積物的地球化學技術很少見于國際上其他硅藻席研究中。從作者建立海洋沉積物中大型硅藻的提純方法(Xionget al,2012c)和用 ICP-OES測試海洋沉積物中生物硅方法(熊志方等, 2010b)的經驗來看, 用于普通硅藻沉積物的地球化學手段經過小到中等程度的修改就可用于硅藻席的研究, 而且能起到很好的研究效果。

圖5　LGM熱帶西太平洋大型硅藻勃發機制和紋層硅藻席沉積模式的示意圖Fig.5 The schematic model of relationship between laminated diatom mat formation and paleoceanographic conditions in tropical Western Pacific during the LGM

因此, 獲取更多的硅藻席樣品以及對其大力開展生物地球化學研究是硅藻席研究取得突破的當務之急。目前, 一是應在考慮大型硅藻的生物和生態學特征基礎上, 研制或改進取樣采樣設備與技術, 以獲取更豐富的研究材料。二是通過移植-優化普通硅藻沉積物的地球化學方法或者建立新的地球化學技術,從而促進硅藻席研究向縱深發展。

2.2　海洋大型硅藻次表層生產力的不合理重建與評估

作為氣候變化和碳循環系統中的重要參數, 生產力的準確定性或定量刻畫在古海洋學研究中非常重要。de Deckker等(2002)發現E. rex硅藻席沉積期的高生產力特征并沒有被經典的古生產力指標所指示。Kemp等(2000)鑒于大型硅藻特殊的生態學特征和生長-輸出模式, 首次表明應區別對待上涌環境中的表層生產力和成層化條件下的次表層生產力。但問題是如何區別對待大型硅藻代表的“次表層生產力”與以普通硅藻代表的“表層生產力”, 目前缺乏定向指示這兩類生產力的替代性指標和定量計算模型。

通過定量重建東菲律賓海硅藻席沉積期的埋藏生產力、初級生產力、有機碳雨率(rain rates)和輸出生產力, 作者對該問題進行了探索(熊志方等, 2013)。發現硅藻席沉積期的初級生產力與現代大陸邊緣上涌海區的高初級生產力一致, 表明以大型硅藻為特征的成層化系統和以小型普通硅藻為特征的上涌系統在初級生產力的量值上可對等, 這既糾正了成層化系統因營養物不能進入表層而導致生產力低下的認識, 也加強了大型硅藻在世界大洋尤其是貧養大洋中對有機碳生產的巨大貢獻。當運用基于現代真光層生產力數據建立的兩個模型估計硅藻席沉積期的輸出生產力時, 不是高估就是低估輸出生產力。作者關于硅藻席沉積期各種生產力估算的嘗試加強了區別對待“次表層生產力”和“表層生產力”的重要性和必要性。E. rex等大型硅藻勃發代表的是一類“深居”在次表層, 選擇性地吸取深部營養物(如硝酸鹽,Villarealet al, 1993, 1999b)或表層營養物而形成的“深部”生產力。這種生產力模式從營養物來源、光利用途徑和從事生產的主要浮游植物生態特征(如種類及個體大小)明顯不同于在透光帶中發生的經典“表層”生產力模式, 因而在利用基于真光層建立的生產力評估模型時應格外謹慎。

2.3　海洋大型硅藻勃發與碳循環之間的具體作用機制不清楚

第四紀重大氣候突變或轉型期如“中布容事件”和“中更新世革命”等, 世界大洋都發現硅藻席沉積(Schmiederet al, 2000; Gingeleet al, 2001; Romeroet al, 2006), 且與碳同位素重值期(δ13Cmax)對應(汪品先等, 2006), 表明硅藻席在全球氣候和大洋碳儲庫變化中扮演重要角色。汪品先等(2006)和 Wang等(2014)提出以“生物泵中硅藻與顆石藻比例變化”為核心的工作假說和“溶解有機碳假說”試圖解釋大洋碳儲庫的偏心率長周期, 但其中的具體機制與細節過程仍不清晰。作者的研究也首次展示了E. rex勃發與冰期大氣pCO2降低之間的關聯, 并推斷高的初級生產力和大洋成層化是導致大氣pCO2降低的主要原因(詳見第1.3節)。這些發現表明E. rex的勃發對LGM熱帶西太平洋上層和深部水體的碳轉化、輸出和埋藏扮演重要角色。但是,E. rex的勃發是如何實現這些大洋碳循環效應的?具體的過程如何？其他海區的大型硅藻勃發降低大氣pCO2是通過其他機制還是和我們推斷的作用機制一樣？很顯然, 這些碳循環過程是大型硅藻通過對營養物的“燃燒”來完成。因而, 只有在碳循環鏈條中加入營養物循環這一環節, 才能更全面評估大型硅藻勃發對大氣pCO2降低的具體作用機制。另外, 雖然作者利用δ13CE.rex定量估算了大型硅藻E. rex勃發時的海表pCO2, 但不得不承認粒徑相關的生命效應問題有可能對這一定量重建產生影響(Xionget al, 2013)。可見, 開發其他的元素和同位素指標去定量計算大型硅藻勃發時的海水pCO2就顯得非常必要。最近, 英國南安普敦大學Gavin Foster教授研究組正在開發用硅藻δ11B指示海水pH的指標。這項工作能在結合大洋堿度等數據的基礎上進一步重建海水pCO2, 是另一個很有前途的解決大型硅藻勃發與冰期大氣pCO2降低之間的具體鏈接機制的途徑。

3　研究展望

3.1　海洋大型硅藻勃發所需微營養物利用狀況的研究

除宏營養物磷酸鹽、硅酸鹽和硝酸鹽之外, 鐵、鋅、鎘、鎳和銅等微營養物對硅藻的生長也至關重要。鐵作為刺激浮游植物生長的一種微營養物, 對硅藻吸收宏營養物的生理效應、硅藻生長形態和碳、硅生產產生重要影響(de Baaret al, 2005; Pichevinet al,2014)。具體表現為富Fe時, 硅藻對可溶無機碳和硝酸鹽的相對攝入要比硅酸多, 導致其殼體較薄, 有機碳的生產效率較生物硅高; 虧 Fe時, 正好相反(Crostaet al, 2002)。此外, 鋅、鎘、鎳和銅等微營養物通過螯合作用和氧化還原轉化參與活性酶的形成以及宏營養物的循環, 也對硅藻生長產生重要作用(Morelet al, 2003; Sinoiret al, 2012)。近年來, 非傳統金屬同位素分餾理論的查明和分析技術的進步(Tenget al, 2017)為通過這些金屬同位素探索硅藻微營養物循環開辟了新的途徑。例如, 赤道太平洋顆粒 Fe和可溶Fe的δ56Fe研究表明浮游植物優先利用輕的54Fe,導致其δ56Fe 比海水δ56Fe低0.13‰—0.25‰ (Radicet al, 2011)。南大洋表層樣品的硅藻δ66Zn與海水Zn濃度成反向關系, 表明δ66Zn確實可作為硅藻對Zn利用程度的替代指標(Andersenet al, 2011)。盡管, 利用硅藻δ56Fe和δ66Zn反演Fe和Zn利用程度的研究剛起步,更談不上定量估計, 但恰恰是未來硅藻席研究的一個新方向。

3.2　海洋紋層硅藻席示蹤古ENSO活動的研究

英國南安普敦大學Alan Kemp研究組通過聯合背散射成像(BSEI)和掃描電子顯微鏡(SEM)技術對美國加州晚白堊紀層狀頁巖、薩尼奇海峽(英屬哥倫比亞)的層狀沉積物、白堊紀北冰洋層狀硅藻軟泥的紋層構造形貌及其硅藻種類、形態進行了詳細研究(Deanet al, 2004; Davieset al, 2011, 2012)。在此基礎上, 對這些海洋季節性紋層硅藻沉積物中的生物層厚度、陸源碎屑層厚度和生物擾動指數進行了頻譜分析, 顯示出受厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)活動控制的優勢周期(如2.1—2.8、4.1—6.3和14yr等)。這些特征周期表明海洋紋層硅藻沉積物的形成受ENSO活動控制, 具體的作用機制通過 ENSO影響的降雨(控制陸源物質的河流輸入)、O2含量和營養物輸入來實現。另外, 這些海洋紋層沉積物中記錄的連續和穩固的ENSO變率不支持地史時期暖期中存在永久El Ni?o狀態(Waraet al, 2005; Fedorovet al, 2006)。

海洋紋層硅藻席的成層效果往往比海洋普通紋層硅藻沉積物更明顯, 因而使用上述技術成像的層狀效果應該更好, 進一步的周期提取會更容易。然而,有關海洋紋層硅藻席指示ENSO活動的研究極少, 只有Pike等(1997)進行了嘗試性研究。他們通過對加利福尼灣早全新世T. longissima硅藻席每年出現硅藻席紋層數目的傅里葉變換研究, 發現 11、22—24r和50yr的類太陽活動周期, 認為該硅藻席的出現受控于太陽活動調控的ENSO變化。這表明, 探索海洋紋層硅藻席示蹤古 ENSO活動是完全可行的。再比如,東菲律賓海位于西太平洋暖池北部邊緣, 該區域氣候主要受控于東亞季風和ENSO(Chiang, 2009)。研究普遍認為LGM熱帶西太平洋表現為El Ni?o狀態, 溫躍層變淺(Stottet al, 2002)。變淺的溫躍層導致上層水體混合加強且動蕩, 不利于喜好成層環境的E. rex的生長(Villareal, 1993; Kempet al, 2013), 但為什么東菲律賓海E. rex偏偏此時就能勃發？是現代生態學家對E. rex喜好成層化環境推斷有誤？還是古海洋學家對LGM熱帶西太平洋的El Ni?o狀態推斷有誤[確實有研究表明 LGM 熱帶西太平洋為 La Ni?a狀態(Martínezet al, 2003; Rincón-Martínezet al, 2010)]？還是處于西太暖池邊緣的東菲律賓海沒有繼承 LGM熱帶西太平洋El Ni?o狀態？因而, 加強海洋紋層硅藻席的古ENSO活動研究, 有利于解決一些熱點科學問題。

3.3　海洋大型硅藻現代過程的研究

大型硅藻的水體調查、培養實驗和(特制)沉積物捕獲器實驗等現代過程研究不夠深入, 嚴重制約了硅藻席沉積的古海洋學和生物地球化學研究。恰恰,大型硅藻現代過程研究的每一次進步推動了硅藻席沉積的相關研究, 例如, 大型硅藻具有浮力策略的發現, 促使古海洋學家和生物學家共同提出了大型硅藻勃發的兩種新模式(詳見第 1.5節), 從而成為科學家解釋硅藻席成因的主流機制。大型硅藻的現代過程研究應從以下方面開展: (1) 通過水體調查, 發現大型硅藻新的生態學和生物學特征, (2) 通過培養實驗,總結大型硅藻的生理學特征、測定其化學組成特征,(3) 通過沉積物捕獲器實驗, 理解大型硅藻輸出過程中元素和同位素組成特征的變化, (4) 三種現代過程研究手段的聯合, 可以完成定量替代指標計算公式的標定(例如大型硅藻δ18O-SST經驗公式)和定性替代指標的可靠性驗證。隨著這些現代過程研究的深入,有關硅藻席沉積的成因機制、營養物循環和水動力環境等科學問題的解決必將迎來新的機遇。

4　總結

由于研究材料的稀缺以及開展研究的科學家不多, 海洋紋層硅藻席諸多具體科學問題的研究還處于起步階段, 甚至是一研究就引起爭議。這一方面是由于大型硅藻特殊的生態學和生物學特征違反了人們的直覺, 使得問題解譯的不確定性增加; 另一方面是由于研究技術和方法相對普通硅藻(及其沉積物)極其缺乏, 因而對一些科學問題的有效解決沒有做到一針見血。確實, 在海洋大型硅藻勃發的碳循環、營養物循環和水動力環境以及海洋紋層硅藻席的保存環境和形成機制等方面取得了重要進展。然而, 研究材料的獲取困難和研究手段的革新緩慢仍是制約硅藻席研究取得突破的瓶頸, 大型硅藻勃發的次表層生產力合理計算和評估也是亟待解決的問題, 大型硅藻勃發對冰期大氣pCO2降低的具體作用機制值得深挖。除此之外, 大型硅藻勃發時的鐵、鋅等微營養物循環、硅藻席沉積物對古ENSO活動的示蹤以及大型硅藻現代過程等的研究是未來海洋紋層硅藻席的新興研究領域。

李鐵剛, 熊志方, 翟 濱, 2015. 低緯度西太平洋硅藻席沉積與碳循環. 北京: 海洋出版社, 1—192

汪品先, 翦知湣, 劉志飛, 2006. 地球圈層相互作用中的深海過程和深海記錄(II): 氣候變化的熱帶驅動與碳循環. 地球科學進展, 21(4): 338—345

陳 敏, 蘭彬斌, 沈林南等, 2014. 西菲律賓海盆表層沉積硅藻分布特征. 微體古生物學報, 31(4): 321—334

熊志方, 李鐵剛, 翟 濱等, 2010a. 低緯度西太平洋末次冰期Ethmodiscus rex硅藻席粘土礦物特征及形成機制啟示. 地球科學——中國地質大學學報, 35(4): 551—562

熊志方, 李鐵剛, 翟 濱等, 2013. LGM熱帶西太平洋硅藻席古生產力定量評估. 地球科學——中國地質大學學報,38(1): 25—32

熊志方, 路 波, 于心科等, 2010b. 濕堿消解-等離子體發射光譜法測定海洋沉積物中的生物硅. 巖礦測試, 29(1):1—4

Abrantes F, 2001. Assessing theEthmodiscusooze problem: new perspective from a study of an eastern equatorial Atlantic core. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 48(1): 125—135

Andersen M B, Vance D, Archer C, Anderson R F , Ellwood M J,Allen C S, 2011. The Zn abundance and isotopic composition of diatom frustrules, a proxy for Zn availability in ocean surface seawater. Earth and Planetary Science Letters 301, 137—145

Anderson R F, Carr M E, 2010. Uncorking the southern Ocean’s vintage CO2. Science, 328(5982): 1117—1118

Behl R J, Kennett J P, 1996. Brief interstadial events in the Santa Barbara basin, NE Pacific, during the past 60 kyr. Nature,379(6562): 243—246

Berger W H, Lange C B, Pérez M E, 2002. The early Matuyama Diatom Maximum off SW Africa: a conceptual model.Marine Geology, 180(1—4): 105—116

Bodén P, Backman J, 1996. A laminated sediment sequence from the northern North Atlantic Ocean and its climatic record.Geology, 24(6): 507—510

Bradtmiller L I, Anderson R F, Sachs J Pet al, 2010. A deeper respired carbon pool in the glacial equatorial Pacific Ocean.Earth and Planetary Science Letters, 299(3—4): 417—425

Broecker W S, Clark E, Lynch-Stieglitz Jet al, 2000. Late glacial diatom accumulation at 9°S in the Indian Ocean.Paleoceanography, 15(3): 348—352

Bukry D, 1974. Coccolith and silicoflagellate stratigraphy,eastern Indian Ocean, deep sea drilling project leg 22. In:von der Borch C C, Sclater J G, Gartner Jr Set aleds. Initial Reports of the Deep Sea Drilling Project, Volume 22.Washington: U.S. Government Printing Office, 601—607

Bull D, Kemp A E S, Weedon G P, 2000. A 160-k.y.-old record of El Ni?o—southern Oscillation in marine production and coastal runoff from Santa Barbara Basin, California, USA.Geology, 28(11): 1007—1010

Chiang J C H, 2009. The tropics in paleoclimate. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 37(1): 263—297

Crosta X, Shemesh A, Salvignac M Eet al, 2002. Late Quaternary variations of elemental ratios (C/Si and N/Si) in diatom-bound organic matter from the Southern Ocean.Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography,49(9—10): 1939—1952

Davies A, Kemp A E S, P?like H, 2011. Tropical ocean-atmosphere controls on inter-annual climate variability in the Cretaceous Arctic. Geophysical Research Letters, 38(3): L03706, http://dx.doi.org/10.1029/2010GL 046151

Davies A, Kemp A E S, Weedon G Pet al, 2012. El Ni?o-Southern Oscillation variability from the Late Cretaceous Marca Shale of California. Geology, 40(1):15—18

de Baar H J W, Boyd P W, Coale K Het al, 2005. Synthesis of iron fertilization experiments: from the Iron Age in the Age of Enlightenment. Journal of Geophysical Research, 110(C9):C09S16, http://dx.doi.org/10.1029/2004JC002601

de Deckker, P, Gingele F X, 2002. On the occurrence of the giant diatomEthmodiscus rexin an 80-ka record from a deep-sea core, southeast of Sumatra, Indonesia: implications for tropical palaeoceanography. Marine Geology, 183(1—4):31—43

Dean J M, Kemp A E S, 2004. A 2100 year BP record of the Pacific Decadal Oscillation, El Ni?o Southern Oscillation and quasi-biennial oscillation in marine production and fluvial input from Saanich Inlet, British Columbia.Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 213(3—4):207—229

Fedorov A V, Dekens P S, McCarthy Met al, 2006. The Pliocene paradox (mechanisms for a permanent El Ni?o). Science,312(5779): 1485—1489

Gardner J V, Burckle L H, 1975. Upper PleistoceneEthmodiscus rexoozes from the eastern equatorial Atlantic.Micropaleontology, 21(2): 236—242

Gingele F X, de Deckker P, Girault Aet al, 2002. History of the South Java current over the past 80 ka. Palaeogeography,Palaeoclimatology, Palaeoecology, 183(3—4): 247—260

Gingele F X, Schmieder F, 2001. Anomalous South Atlantic lithologies confirm global scale of unusual mid-Pleistocene climate excursion. Earth and Planetary Science Letters,186(1): 93—101

Gombos A M Jr, 1984. Late Neogene diatoms and diatom oozes in the Central South Atlantic. In: Hsü K J, LaBrecque J L,Carman Jr M Fet aleds. Initial Reports of the Deep Sea Drilling Project, Volume 73. Washington: U.S. Government Printing Office, 487—494

Grigorov I, Pearce R B, Kemp A E S, 2002. Southern Ocean laminated diatom ooze: mat deposits and potential for palaeo-flux studies, ODP leg 177, Site 1093. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 49(16):3391—3407

Jaccard S L, Galbraith E D, Sigman D Met al, 2009. Subarctic Pacific evidence for a glacial deepening of the oceanic respired carbon pool. Earth and Planetary Science Letters,277(1—2): 156—165

Kemp A E S, Baldauf J G, 1993. Vast Neogene laminated diatom mat deposits from the eastern equatorial Pacific Ocean.Nature, 362(6416): 141—144

Kemp A E S, Baldauf J G, Pearce R B, 1995. Origins and paleoceanographic significance of laminated diatom ooze from the eastern equatorial Pacific Ocean. In: Pisias N G,Mayer L A, Janecek T Ret aleds. Proceedings of the Ocean Drilling Program, Scientific Results, Volume 138.Washington: U. S. Government Printing Office, 641—645

Kemp A E S, Grigorov I, Pearce R Bet al, 2010. Migration of the Antarctic Polar Front through the mid-Pleistocene transition:evidence and climatic implications. Quaternary Science Reviews, 29(17—18): 1993—2009

Kemp A E S, Pearce R B, Grigorov Iet al, 2006. Production of giant marine diatoms and their export at oceanic frontal zones: implications for Si and C flux from stratified oceans.Global Biogeochemical Cycles, 20(4): GB4S04,http://dx.doi.org/10.1029/2006GB002698

Kemp A E S, Pike J, Pearce R Bet al, 2000. The “Fall Dump”-a new perspective on the role of a “shade flora” in the annual cycle of diatom production and export flux. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography,47(9—11): 2129—2154

Kemp A E S, Villareal T A, 2013. High diatom production and export in stratified waters-a potential negative feedback to global warming. Progress in Oceanography, 119: 4—23

King S C, Murray J W, Kemp A E S, 1998. Palaeoenvironments of deposition of Neogene laminated diatom mat deposits from the eastern equatorial Pacific from studies of benthic foraminifera (Sites 844, 849, 851). Marine Micropaleontology, 35(3—4): 161—177

Lange C B, Berger W H, Lin H Let al, 1999. The early Matuyama diatom maximum off SW Africa, benguela current system (ODP Leg 175). Marine Geology, 161(2—4):93—114

Luo M, Algeo T J, Tong H Pet al, 2017. More reducing bottom-water redox conditions during the Last Glacial Maximum in the southern Challenger Deep (Mariana Trench,western Pacific) driven by enhanced productivity. Deep Sea Research Par II: Topical Studies in Oceanography,http://dx.doi.org/10.1016/j.dsr2.2017.01.006 (in Press)

Margalef R, 1978. Life-forms of phytoplankton as survival alternatives in an unstable environment. Oceanologica Acta,1(4): 493—509

Martínez I, Keigwin L, Barrows T Tet al, 2003. La Ni?a-like conditions in the eastern equatorial Pacific and a stronger Choco Jet in the northern Andes during the last glaciation.Paleoceanography, 18(2): 1033, http://dx.doi.org/10.1029/2002PA000877

Martini E, 1982. Pliocene and Quaternary diatoms,silicoflagellates, sponge spicules, and endoskeletal dinoflagellates from the Philippine Sea, Deep Sea Drilling Project Legs 59 and 60. In: Lee M, Powell R eds. Initial Reports of the Deep Sea Drilling Project, Volume 60.Washington: U.S. Government Printing Office, 565—574

Mikkelsen N, 1977. On the origin ofEthmodiscusooze. Marine Micropaleontology, 2: 35—46

Morel F M M, Price N M, 2003. The biogeochemical cycles of trace metals in the oceans. Science, 300(5621): 944—947

Morley D W, Leng M J, Mackay A Wet al, 2004. Cleaning of lake sediment samples for diatom oxygen isotope analysis.Journal of Paleolimnology, 31(3): 391—401

Petit J R, Jouzel J, Raynaud Det al, 1999. Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica. Nature, 399(6375): 429—436

Pichevin L E, Ganeshram R S, Geibert Wet al, 2014. Silica burial enhanced by iron limitation in oceanic upwelling margins. Nature Geoscience, 7(7): 541—546

Pike J, Kemp A E S, 1997. Early Holocene decadal-scale ocean variability recorded in Gulf of California laminated sediments. Paleoceanography, 12(2): 227—238

Pike J, Kemp A E S, 1999. Diatom mats in Gulf of California sediments: implications for the paleoenvironmental interpretation of laminated sediments and silica burial.Geology, 27(4): 311—314

Popp B N, Takigiku R, Hayes J Met al, 1989. The post-Paleozoic chronology and mechanism of13C depletion in primary marine organic matter. American Journal of Science, 289(4):436—454

Rackebrandt N, Kuhnert H, Groeneveld Jet al, 2011. Persisting maximum Agulhas leakage during MIS 14 indicated by massiveEthmodiscusoozes in the subtropical South Atlantic.Paleoceanography, 26(3): PA3202, http://dx.doi.org/10.1029/2010PA001990

Radic A, Lacan F, Murray J W, 2011. Iron isotopes in the seawater of the equatorial Pacific Ocean: new constraints for the oceanic iron cycle. Earth and Planetary Science Letters 306, 1—10

Rau G H, Takahashi T, Des Marais D J, 1989. Latitudinal variations in plankton δ13C: implications for CO2and productivity in past oceans. Nature, 341(6242): 516—518

Rincón-Martínez D, Lamy F, Contreras Set al, 2010. More humid interglacials in Ecuador during the past 500 kyr linked to latitudinal shifts of the equatorial front and the Intertropical Convergence Zone in the eastern tropical Pacific. Paleoceanography, 25(2): PA2210, http://dx.doi.org/10.1029/2009PA001868

Romero O, Schmieder F, 2006. Occurrence of thickEthmodiscusoozes associated with a terminal Mid-Pleistocene Transition event in the oligotrophic subtropical South Atlantic.Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 235(4):321—329

Schmieder F, von Dobeneck T, Bleil U, 2000. The Mid-Pleistocene climate transition as documented in the deep South Atlantic Ocean: initiation, interim state and terminal event. Earth and Planetary Science Letters,179(3—4): 539—549

Schrader H J, 1974. Cenozoic marine planktonic diatom stratigraphy of the tropical Indian Ocean. In: Fischer R L,Bunce E T, Cernock P Jet aleds. Initial Reports of the Deep Sea Drilling Project, Volume 24. Washington: U.S.Government Printing Office, 887—967

Shemesh A, Mortlock R A, Smith R Jet al, 1988. Determination of Ge/Si in marine siliceous microfossils: separation,cleaning and dissolution of diatoms and radiolaria. Marine Chemistry, 25(4): 305—323

Shen L N, Chen M, Lan B Bet al, 2017. Diatom distribution as an environmental indicator in surface sediments of the West Philippine Basin. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 35(2): 431—443

Shibamoto Y, Harada K, 2010. Silicon flux and distribution of biogenic silica in deep—sea sediments in the western North Pacific Ocean. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 57(2): 163—174

Shimada C, Sato T, Toyoshima Set al, 2008. Paleoecological significance of laminated diatomaceous oozes during the middle-to-late Pleistocene, North Atlantic Ocean (IODP Site U1304). Marine Micropaleontology, 69(2): 139—150

Sigman D M, Boyle E A, 2000. Glacial/interglacial variations in atmospheric carbon dioxide. Nature, 407(6806): 859—869

Sigman D M, Hain M P, Haug G H, 2010. The polar ocean and glacial cycles in atmospheric CO2concentration. Nature,466(7302): 47—55

Sinoir M, Butler E C V, Bowie A Ret al, 2012. Zinc marine biogeochemistry in seawater: a review. Marine and Freshwater Research, 63(7): 644—657

Smetacek V, 2000. Oceanography: the giant diatom dump. Nature,406(6796): 574—575

Stabell B, 1986. Variations of diatom flux in the eastern equatorial Atlantic during the last 400000 years (“Meteor”cores 13519 and 13521). Marine Geology, 72(3—4):305—323

Stott L, Poulsen C, Lund Set al, 2002. Super ENSO and global climate oscillations at millennial time scales. Science,297(5579): 222—226

Teng F Z, Dauphas N, Watkins J M, 2017. Non-traditional stable isotopes: retrospective and prospective. Reviews in Mineralogy & Geochemistry, 82(1): 1—26

Toggweiler J R, 1999. Oceanography: an ultimate limiting nutrient. Nature, 400(6744): 511—512

Villareal T A, 1992. Buoyancy properties of the giant diatomEthmodiscus. Journal of Plankton Research, 14(3): 459—463 Villareal T A, 1993. Abundance of the giant diatomEthmodiscusin the Southwest Atlantic Ocean and Central Pacific Gyre.Diatom Research, 8(1): 171—177

Villareal T A, Altabet M A, Culver-Rymsza K, 1993. Nitrogen transport by vertically migrating diatom mats in the North Pacific Ocean. Nature, 363(6431): 709—712

Villareal T A, Carpenter E J, 1994. Chemical composition and photosynthetic characteristics ofEthmodiscusrex(Bacillariophyceae): evidence for vertical migration. Journal of Phycology, 30(1): 1—8

Villareal T A, Joseph L, Brzezinski M Aet al, 1999a. Biological and chemical characteristics of the giant diatomEthmodiscus(Bacillariophyceae) in the central North Pacific Gyre. Journal of Phycology, 35(5): 896—902

Villareal T A, Pilskaln C, Brzezinski Met al, 1999b. Upward transport of oceanic nitrate by migrating diatom mats.Nature, 397(6718): 423—425

Villareal T A, McKay R M L, Al-Rshaidat M M Det al, 2007.Compositional and fluorescence characteristics of the giant diatomEthmodiscusalong a 3000 km transect (28°N) in the central North Pacific gyre. Deep Sea Research Part I:Oceanographic Research Papers, 54(8): 1273—1288

Wang P X, Li Q Y, Tian Jet al, 2014. Long-term cycles in the carbon reservoir of the Quaternary ocean: a perspective from the South China Sea. National Science Review, 1(1):119—143

Wara M W, Ravelo A C, Delaney M L, 2005. Permanent El Ni?o-like conditions during the Pliocene warm period.Science, 309(5735): 758—761

Wiseman J D H, Hendey N I, 1953. The significance and diatom content of a deep-sea floor sample from the neighbourhood of the greates oceanic depth. Deep Sea Research, 1(1):47—59

Xiong Z F, Li T G, Algeo Tet al, 2012a. Rare earth element geochemistry of laminated diatom mats from tropical West Pacific: Evidence for more reducing bottomwaters and higher primary productivity during the Last Glacial Maximum. Chemical Geology, 296—297: 103—118

Xiong Z F, Li T G, Algeo Tet al, 2012b. Paleoproductivity and paleoredox conditions during late Pleistocene accumulation of laminated diatom mats in the tropical West Pacific.Chemical Geology, 334: 77—91

Xiong Z F, Li T G, Algeo Tet al, 2015. The silicon isotope composition ofEthmodiscus rexlaminated diatom mats from the tropical West Pacific: Implications for silicate cycling during the Last Glacial Maximum. Paleoceanography, 30(7):803—823, http://dx.doi.org/10.1002/2015PA002793

Xiong Z F, Li T G, Crosta X, 2012c. Cleaning of marine sediment samples for large diatom stable isotope analysis. Journal of Earth Science, 23(2): 161—172

Xiong Z F, Li T G, Crosta Xet al, 2013. Potential role of giant marine diatoms in sequestration of atmospheric CO2during the Last Glacial Maximum: δ13C evidence from laminatedEthmodiscus rexmats in tropical West Pacific. Global and Planetary Change, 108: 1—14

Yoder J A, Ackleson S G, Barber R Tet al, 1994. A line in the sea.Nature, 371(6499): 689—692

Zhai B, Li T G, Chang F Met al, 2009. Vast laminated diatom mat deposits from the west low-latitude Pacific Ocean in the last glacial period. Chinese Science Bulletin, 54(23):4529—4533