第四紀黑潮源區沉積物的源-匯過程、主要控制因素及其碳循環效應*

徐兆凱 張騫月 常鳳鳴

第四紀黑潮源區沉積物的源-匯過程、主要控制因素及其碳循環效應*

徐兆凱1, 2, 3, 4張騫月1, 5①常鳳鳴1, 2, 3

(1. 中國科學院海洋研究所 海洋地質與環境重點實驗室 青島 266071; 2. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋地質過程與環境功能實驗室 青島 266061; 3. 中國科學院海洋大科學研究中心 青島 266071; 4. 中國科學院第四紀科學與全球變化卓越創新中心 西安 710061; 5. 中國科學院大學 北京 100049)

本文系統性地總結了第四紀黑潮源區沉積物的源-匯過程、主要控制因素及其碳循環效應方面的最新研究進展。基于不同學科的綜合性指標研究結果一致表明: 黑潮源區的碎屑沉積物主要來源于附近的呂宋島和大陸架及遠端的亞洲東部沙漠。在軌道、千年和百年等不同時間尺度上兩者對研究區的物質輸入主要與海平面高度和東亞季風強度相關, 并最終受控于高、低緯過程的雙重驅動。而人類活動對黑潮源區的影響則出現于距今2100 a。上述陸源物質對研究區的輸入過程與古海洋生物生產力、海底有機碳埋藏通量和大氣二氧化碳濃度間也有著良好的協變性, 表明黑潮源區的沉積物源-匯過程對全球碳循環起著重要的調節作用。上述研究工作可以為更好地預測未來氣候環境的變化趨勢提供關鍵低緯度海區的區域性資料和理論支持。

黑潮源區; 碳循環; 源-匯過程; 控制因素; 第四紀

深入了解與人類活動密切相關的、第四紀氣候環境自然演變的規律和成因機制, 是更好地認識全球變暖和預測未來氣候環境變化趨勢的先決條件。米蘭科維奇理論是20世紀氣候演變研究的最大突破, 認為北半球高緯度地區(65°N)的夏季太陽輻射量變化是驅動第四紀冰期-間冰期旋回的主要因素, 但上述單一敏感區觸發驅動機制難以圓滿解釋現有的古氣候環境演化記錄, 如“10萬年難題”和“40萬年難題”等(Imbrie, 1993; 丁仲禮, 2006)。因此, 科學家們普遍認為需要重新評估低緯度地區關鍵氣候環境過程(如厄爾尼諾-南方濤動和東亞季風)在全球變化中的重要性, 并形成了氣候演變的軌道-熱帶雙重驅動假說, 其核心就是上述低緯過程在全球氣候系統中也起著非常重要的調控作用(Wang, 2006)。熱帶太平洋尤其是西太平洋暖池是典型的低緯度海區以及全球海洋和氣候系統的重要組成部分, 更是大氣的主要熱量和水分來源, 且具有厄爾尼諾-南方濤動等特殊的氣候環境現象, 在調節全球變化方面發揮著至關重要的作用(Beaufort, 2001; Murray, 2012; Xiong, 2013)。黑潮源區位于菲律賓以東、西太平洋暖池北部邊緣, 受典型的東亞季風氣候控制(Liu, 2009)。因此, 黑潮源區是研究厄爾尼諾-南方濤動和東亞季風演化過程及其古海洋學效應的理想靶區(Beaufort, 2001, 2003; Wan, 2012; Wang, 2013), 進而為全球氣候變化的驅動機制等國際前沿科學問題的探討提供了理想的天然實驗室(Li, 2010; Xu, 2012)。

風塵物質可為海洋表層(尤其是開闊大洋地區)帶來豐富的營養元素(如鐵和硅), 從而提高浮游生物的生產力并促進大氣中溫室氣體二氧化碳向海洋深部的輸送(Martin, 1990), 這已經得到了現代時間尺度上赤道太平洋鐵施肥實驗及東菲律賓海沉積物捕獲器記錄的有效證實(Coale, 1996; Li, 2004)。而在地質歷史時期, 南大洋地區風塵物質輸入通量和生物生產力的波動則可以解釋第四紀冰期-間冰期旋回過程中大氣二氧化碳濃度波動幅度的三分之一到二分之一(Martínez-Garcia, 2011)。此外, 陸表的物理侵蝕和化學風化作用對海洋沉積物組成、大氣二氧化碳濃度和全球氣候變化等也有著非常重要的影響。例如, 陸地化學風化作用可以消耗大量的大氣二氧化碳, 且該過程主要發生在低緯度地區(Hartmann, 2009)。末次盛冰期時, 海平面的明顯下降(~120m)所引起的、大陸架的出露面積約為現今陸地總面積的7%, 且其中約一半(48%)的新陸地也出現在低緯度地區(Ludwig, 1999)。因此, 末次盛冰期時大陸化學風化速率的增加而引起的巨量大氣二氧化碳消耗可能是此時二氧化碳低濃度的重要誘因之一(Ludwig, 1999; Munhoven, 2002)。黑潮源區的陸源沉積物主要來自于周邊菲律賓群島火山物質的風化剝蝕產物及遠端亞洲內陸的風塵物質輸入(秦蘊珊等, 1995; 石學法等, 1995b; Liu, 2009; Wan, 2012; Xu, 2012), 而包括菲律賓群島在內的熱帶火山島弧又是當下化學風化作用最為強烈的區域之一(Hartmann, 2009)。因此, 黑潮源區還是研究亞洲內陸風塵物質輸入、熱帶火山島弧化學風化作用及其海表生物生產力和海底有機碳埋藏效應等地球系統科學當前所關注熱點和難點科學問題的理想靶區(Xu, 2020)。

自20世紀60年代開始, 黑潮源區的重要地質、氣候和環境意義就引起了全球科學家們的高度關注, 迄今已開展了一系列的調查研究工作, 并取得了豐碩的研究成果(Wan, 2012; Jiang, 2013; Xu, 2015; Yu, 2016; Xiong, 2018)。本文將重點圍繞黑潮源區海底沉積物的源-匯過程、主要控制因素及其碳循環效應等方面, 來簡要總結它們在第四紀時間跨度范圍內的主要研究進展, 并初步展望其未來需要重點關注的研究方向。

1 陸源碎屑沉積物的來源

對于黑潮源區海底陸源碎屑沉積物的來源, 前人已經通過多年來對其粒度、黏土礦物、元素地球化學和同位素地球化學組成等方面的系統分析, 基于與其潛在源區相關指標間的細致對比, 并結合對現代沉積物的相關研究工作, 得出了其中的陸源物質主要來自于附近島嶼(如呂宋島)的火山物質和亞洲內陸的風塵物質的初步結論(Wan, 2012; Jiang, 2013; Xu, 2013, 2015)。

早在20世紀, 科學家們就基于西菲律賓海表層和柱狀沉積物的粒度、礦物及Rb-Sr同位素組成特征等方面的研究, 初步證實了亞洲風塵物質對該區域陸源沉積物組成的潛在貢獻 (Kolla, 1980; 石學法等, 1994, 1995a; 秦蘊珊等, 1995; Asahara, 1999)。但這些早期研究中所用到的沉積物巖芯往往缺乏有效年代地層的約束, 故無法在時間序列基礎上進行較為有效的解譯。

近年來, 科學家們對該地區海底沉積物中陸源碎屑組分的潛在物源端元組成及各端元的具體貢獻大小的研究工作逐漸增多。例如, 在半定量分析層面上, 西菲律賓海本哈姆高原上MD06-3050孔(圖1)近100萬年以來所形成沉積物中的黏土礦物主要由蒙脫石(平均~65%)和伊利石(平均~25%)組成, 此外還包含少量的高嶺石(平均~5%)和綠泥石(平均~5%); 其中伊利石的結晶度良好, 而蒙脫石的結晶度中等; 據此與潛在源區黏土礦物組成特征間的系統對比, 排除了中國東海陸架、長江和臺灣島物質對西菲律賓海黏土礦物輸入的可能性, 并認為蒙脫石主要來源于附近的、呂宋島火山巖的化學風化作用產物, 而伊利石則來自于遙遠的、亞洲內陸干旱-半干旱地區的風塵物質(Wan, 2012)。同一巖芯中陸源碎屑組分的粒度組成特征則顯示: 三個主要的粒級范圍14—22 μm、2.4—4.6 μm和36—50 μm分別源自于亞洲內陸的風塵物質、呂宋島河流所攜帶的細粒沉積物以及火山物質和呂宋島河流帶來的粗顆粒物質(于兆杰等, 2012)。與MD06-3050孔同處本哈姆高原的MD06-3047孔70萬年以來所形成沉積物中的黏土礦物組合也有著相似的特征(Xu, 2012), 此外, 針對后者沉積物的常量元素和稀土元素組成特征研究結果也再次表明: 其中的陸源沉積物主要受附近火山巖和遠端亞洲大陸風塵物質輸入的控制, 而海洋生物沉積和熱液活動的影響較小(Xu, 2013, 2014)。

在定量分析層面上, 西菲律賓海柱狀沉積物的Sr-Nd同位素組成特征表明: 它們的87Sr/86Sr(0.70452—0.70723)和εNd(-5.3—+2.4)變化范圍指示著呂宋島火山巖與亞洲大陸風塵物質的兩端元混合, 其中后者的貢獻比例為10%—50%(Jiang, 2013)。而基于MD06-3047孔沉積物中稀土元素、黏土礦物及Sr-Nd同位素這三種不同指標, Xu等(2015)綜合性地提取了70萬年以來黑潮源區的高時間分辨率陸源碎屑物質輸入和沉積記錄, 由此得出的陸源風塵物質的定量貢獻比例范圍基本一致, 分別為16%—48%、18%—50%和15%—50%。而MD06-3052孔15.6萬年以來所形成的陸源碎屑沉積物中亞洲風塵物質的貢獻比例明顯偏低, 為0%—32%; 呂宋島的貢獻值則可以達到68%—100%。這與該巖芯的地理位置更靠近于呂宋島、進而可以接收到更多來自于該島的火山物質輸入的實際情況相吻合(Xu, 2018a)。

圖1 黑潮源區示意圖及本文提到的站位分布圖 (修改自Xu et al, 2020)

注: 圖中英文字符和數字表示站位名稱

但對于黑潮源區陸源碎屑沉積物中亞洲大陸風塵物質的具體源區, 近年來仍存在著較大的爭議(Seo, 2014; Xu, 2016)。研究區的大多數研究工作均認為上述亞洲風塵物質的具體源區應該是亞洲東部沙漠; 僅Seo等(2014)認為亞洲中部沙漠才是菲律賓海沉積物中風塵組分的主要來源, 其主要依據為菲律賓海中部PC631孔60萬年以來所形成沉積物中黏土礦物的組成特征。但黏土礦物組成的半定量分析結果其本身誤差相對較大, 況且Seo等(2014)所研究的樣品數量也很少(僅17個樣品), 特別是其基于黏土礦物組成和Sr-Nd同位素組成得出的物源結論明顯相反。因此, Xu等(2016)基于對菲律賓海大量巖芯沉積物中陸源碎屑組分黏土礦物和Sr-Nd同位素組成的系統總結分析結果進一步證實: 研究區的風塵物質組成更接近于呂宋島火山物質和亞洲東部沙漠風塵物質的混合曲線, 表明該風塵組分應該主要來源于亞洲東部沙漠而非亞洲中部沙漠。

上述地質歷史時期黑潮源區的陸源碎屑沉積物來源結論也得到了該地區現代沉積物源-匯過程研究的有效證實。2015年內收集到的、黑潮源區T1站位(圖1)的海底陸源碎屑沉積物主要來自于附近的呂宋島(45.5%—66.2%)和遠端的亞洲東部沙漠(33.8%—54.5%)(Xu, 2018b)。此外, 于2014—2015年在T1站位及其附近位置所收集到的風塵顆粒的微量元素組成(Zr、Th和Sc)特征也顯示該區域的現代風塵物質主要來自亞洲東部的鄂爾多斯沙漠(>80%), 而亞洲中部的塔克拉瑪干沙漠和巴丹吉林沙漠的貢獻有限(<20%)(Wang, 2020)。

2 陸源碎屑沉積物輸入的主要控制因素

基于上述研究工作可知: 第四紀階段黑潮源區海底的陸源碎屑沉積物主要來自于呂宋島和亞洲東部沙漠。其中, 呂宋島地處亞熱帶東亞季風氣候控制區, 主要受季節性降水影響, 每年約85%—90%的降水發生在5—10月之間的夏季風盛行季節, 因此, 呂宋島來源碎屑物質對黑潮源區的輸入很可能主要受控于該島嶼的夏季風降水量以及基巖物理侵蝕和化學風化作用強度的變化(Liu, 2009)。此外, 呂宋島附近的陸架相對菲律賓其他島嶼寬廣, 因此海平面波動也可能影響到黑潮源區海底陸源沉積物中呂宋島來源火山物質的輸入(Xu, 2020)。而對于黑潮源區陸源碎屑沉積物中亞洲沙漠風塵物質的具體輸運機制, 則存在著一定的爭議(Seo, 2014; Xu, 2016)。Seo等(2014)認為, 中緯度地區盛行的西風可以將亞洲中部沙漠的風塵物質搬運到太平洋中部地區, 進而在東北信風的影響下抵達菲律賓海中部。但Dai等(2011)的研究工作則發現東亞冬季風才是現代西太平洋花粉傳播的最主要動力。同樣, Jiang等(2013)對西菲律賓海本哈姆高原(ph05-5)和西菲律賓海盆(ph02)兩個站位2006年春季氣團移動軌跡的反演結果顯示, 亞洲內陸風塵在東亞冬季風的攜帶下自西北向東南運移, 在到達西太平洋后轉為西南向進而沉降到了研究區中。近期, Xu等(2016)對菲律賓海大量巖芯中陸源碎屑沉積物黏土礦物和Sr-Nd同位素組成的分析結果也表明其主要攜帶動力為東亞冬季風而非西風。因此, 黑潮源區亞洲風塵物質的輸運機制主要是東亞冬季風, 西風的影響較小。下面以時間分辨率自低到高的順序進行具體闡述。

在軌道時間尺度上, 黑潮源區海底陸源沉積物中不同物源端元貢獻大小的演化過程主要受控于東亞季風強度。例如, MD06-3050孔100萬年以來所形成的陸源沉積物中伊利石/蒙脫石的比值可以有效地反演亞洲東部沙漠風塵物質輸入強度的變化, 該值表現出冰期時偏高而間冰期時偏低的明顯特征, 并與指示東亞冬季風強度的權威指標——黃土高原石英平均粒徑的變化一致(Sun, 2006), 進而彰顯出第四紀階段西菲律賓海風塵物質輸入與東亞冬季風強度間的正相關性(Wan, 2012)。對該巖芯粒度和不同粒級組分堆積速率的分析結果則表明: 14—22 μm粒級組分的堆積速率也是追蹤亞洲風塵物質輸入強度的可靠指標, 且其變化與黃土高原石英平均粒徑值的波動同樣具有一致性, 從而再次證明了100萬年以來黑潮源區的風塵物質輸入變化對東亞冬季風強度的依賴性(于兆杰等, 2012)。對MD06-3047孔70萬年以來所形成黏土礦物的含量和結晶度變化的研究則發現: 伊利石含量和蒙脫石含量及后者的結晶度均表現出強烈的冰期-間冰期旋回特征, 且受東亞季風演化的控制, 冰期時東亞冬季風較強且風塵成因伊利石的含量較高, 而間冰期時東亞夏季風強度增加, 與之相對應的是來自于呂宋島火山巖化學風化產物——蒙脫石的較高含量和較差結晶度(Xu, 2012)。基于該巖芯稀土元素的二端元混合模型分析結果也表明, 軌道時間尺度上研究區風塵物質的定量貢獻大小同樣主要受控于東亞冬季風強度的變化(Xu, 2014)。此外, 包括上述研究工作在內的、低緯度地區的亞洲風塵物質輸入過程與高緯度地區的風塵記錄之間具有良好的相關性。如Winckler等(2008)曾報道過赤道太平洋和南極洲這兩個高、低緯地區約50萬年以來冰期-間冰期旋回中風塵物質輸入通量的同步變化。又如在熱帶西太平洋的黑潮源區(Xu, 2015)和極地南太平洋的風塵物質貢獻變化(Lamy, 2014)在過去70萬年來的冰期-間冰期交替中也表現出很明顯的協變特征, 這可能意味著它們對第四紀全球性氣候變化的普遍性響應, 而非主要受控于區域性因素(Xu, 2015)。研究區上述古氣候環境反演指標的頻譜分析結果則進一步揭示了東亞季風強度演化的具體周期: 偏心率(10萬年)、斜率(4.1萬年)和歲差(2.3萬年)等(Wan, 2012; Xu, 2012)。其中, 伊利石的含量和結晶度指標均指示著東亞冬季風強度的10萬年變化周期, 表明軌道偏心率是驅動該季風變化的最重要因素。而蒙脫石結晶度的剖面變化則表現出明顯的10萬年、2.3萬年和3萬年周期, 推測70萬年以來研究區東亞夏季風強度的變化除了受控于低緯度地區的太陽輻射量外, 還受到了厄爾尼諾-南方濤動活動的影響(Xu, 2012)。這可能指示著第四紀階段高、低緯地區間通過東亞季風等途徑所建立的緊密聯系。在更長的時間跨度上, MD06-3050巖芯236萬年以來的高時間分辨率黏土礦物記錄也表明: 蒙脫石/(伊利石+綠泥石)比值的波動可以很好地指示呂宋島東亞夏季風降水強度的變化, 并再次證實了厄爾尼諾-南方濤動活動對東亞夏季風降水強度的重要調節作用(Yu, 2016)。

在相對靠近呂宋島的西菲律賓海大陸坡上, 陸源沉積物的堆積速率相對黑潮源區的深海區域偏高, 因而可以記錄到更高時間分辨率的(如軌道-亞軌道-千年-百年時間尺度等)的沉積物源-匯過程及其主要控制因素變化。例如, MD06-3052巖芯15.6萬年以來所形成陸源碎屑沉積物的堆積速率、Sr-Nd同位素以及常、微量元素的高時間分辨率多指標綜合記錄顯示: 在距今13—15.6萬年和1.4—4萬年這兩個冰期階段, 伴隨著海平面的明顯下降, 呂宋島周邊、西菲律賓海的大陸架廣泛出露, 由此引起了出露陸架上松散硅酸鹽沉積物的強物理侵蝕和化學風化作用及其產物的大量入海, 因而, 海平面波動是控制15.6萬年以來軌道-亞軌道時間尺度上西菲律賓海大陸坡上陸源碎屑沉積物輸入的主要因素(Xu, 2018a)。而Jiang等(2016)也在MD06-3052孔附近的Ph05-5巖芯記錄中發現了類似的陸源碎屑沉積物輸入特征及其成因機制。在更短的千年-百年時間尺度上, 西菲律賓海大陸坡上MD06-3054和MD06-3052巖芯沉積物的黏土礦物和地球化學記錄則揭示了更為復雜的黑潮源區沉積物源-匯過程及其潛在控制機理。具體來講, 2.7萬年以來呂宋島的物理侵蝕和化學風化作用強度在末次盛冰期、海因里希1冷事件和新仙女木冷事件期間明顯增強, 然而熱帶輻合帶位置、厄爾尼諾-南方濤動活動、太陽輻射量和東亞夏季風強度等均不是末次冰期以來研究區陸地風化剝蝕作用的關鍵控制因素, 上述變化應主要受控于海平面高度的變化; 而到了全新世晚期, 尤其是距今2100年以來, 人類活動則成為了控制研究區內呂宋島來源碎屑沉積物輸入的主要因素(Xu, 2019)。

在更短的現代時間尺度上, 黑潮源區T1站位的沉積物捕獲器樣品Sr-Nd同位素組成特征分析結果揭示出: 呂宋島來源碎屑物質和亞洲東部沙漠來源風塵顆粒的堆積速率均具有明顯的季節性變化特征, 而引起上述變化的主要控制因素則分別是東亞夏季風降水和東亞冬季風的強度(Xu, 2018b)。隨后, 對2015年春、冬季采集到的、黑潮源區現代風塵顆粒物后向軌跡分析結果也表明: 研究區的現代風塵物質系由東亞冬季風從亞洲東部沙漠搬運而來, 從而再次證實了東亞冬季風強度對黑潮源區風塵物質輸入的主要控制作用(Wang, 2020)。綜上可見, 第四紀不同時間尺度上黑潮源區海底的陸源碎屑沉積物的輸入過程主要受控于東亞季風強度和海平面高度, 同時, 人類活動在距今2100a以來也有一定的影響(Wan, 2012; Yu, 2016; Xu, 2018a, b, 2019)。

3 陸源物質輸入的碳循環效應

第四紀階段冰期-間冰期旋回過程中大氣里溫室氣體二氧化碳濃度的波動范圍高達80×10-6以上(Lüthi, 2008), 而這其中深海的作用非常之大(Jacobel, 2017)。西太平洋暖池海域對全球的碳循環更是有著很重要的調控作用, 科學家們籍此也提出了多種不同的科學假說。具體到本次研究區, 末次盛冰期時東亞冬季風的盛行、亞洲東部沙漠風塵物質輸入的增強、硅藻席的大量形成和海底有機碳埋藏通量的增加, 致使東菲律賓海的表層海水比其上覆大氣的二氧化碳分壓低了~18×10-6, 即此時的黑潮源區成為了大氣中二氧化碳的匯(Xiong, 2013)。類似的現象也發現于西菲律賓海和馬里亞納海溝地區(Xu, 2015; Luo, 2018a, b), 這都對此時大氣二氧化碳濃度的降低做出了積極貢獻(Lüthi, 2008)。此外, 第四紀冰期低海平面時期呂宋島周邊出露大陸架上松散硅酸鹽沉積物的強化學風化作用還可以直接消耗大氣二氧化碳, 從而也對全球碳循環起著重要的調節作用(Xu, 2018a)。

3.1 熱帶陸架的出露和化學風化作用

硅酸鹽的化學風化過程中會釋放出大量的Ca、Mg、K和Na等元素, 進而形成碳酸鹽物質并最終沉降到海洋中, 上述過程會直接消耗大氣中的溫室氣體二氧化碳, 從而影響全球的碳循環和氣候變化(Pallister, 1992; France-Lanord, 1997)。熱帶地區(尤其是熱帶火山島弧)的硅酸鹽化學風化速率相對更快, 因而對大氣二氧化碳消耗的貢獻往往更大(Hartmann, 2009; Schopka, 2011)。據Hartmann等(2009)推測, 全球~9%的強化學風化區域(主要分布在熱帶大陸)可以解釋當下全球由硅酸鹽化學風化所消耗的二氧化碳總量的~50%。具體到黑潮源區周邊的熱帶火山島弧, 據Schopka等(2011)估計, 目前呂宋島火山巖化學風化作用對大氣二氧化碳的消耗效率比熱帶玄武巖的最高值可能還要高2—3倍; 僅占全球陸地面積~1%的熱帶火山島弧地區的化學風化作用, 就能消耗全球每年通過硅酸鹽化學風化過程所消耗的大氣二氧化碳總量的~10%。如上所述, 第四紀冰期階段全球海平面的明顯降低, 引起了熱帶火山島弧周邊大陸架的廣泛出露, 進而可能通過出露陸架上松散硅酸鹽的強化學風化作用消耗了大量的大氣二氧化碳(Schopka, 2011; Xu, 2018a)。

例如, 西菲律賓海大陸坡上MD06-3052巖芯15.6萬年以來的高時間分辨率多指標綜合性分析結果表明: 第四紀冰期階段所研究沉積物中記錄到的強化學風化作用與此時大氣二氧化碳濃度的低值之間存在著很好的對應關系, 進而說明當時的低海平面所引起的呂宋島周邊大陸架的廣泛出露及其上松散硅酸鹽的強化學風化作用可能對冰期時大氣二氧化碳濃度的降低具有顯著的貢獻(Xu, 2018a)。進一步的定量估算結果顯示: 冰期低海平面時包括呂宋島在內的熱帶火山島弧硅酸鹽的強化學風化作用對此時大氣二氧化碳濃度總降低量(~80×10-6; Lüthi, 2008)的貢獻比例為~8%—10%, 具體來講, 根據巖芯最頂部沉積物數據推測得出的現代呂宋島地區硅酸鹽化學風化作用對大氣二氧化碳的消耗量高達1.01×1010mol/a, 這與Schopka等(2011)根據現代河流數據對該島嶼的估算結果(1.72×1010mol/a)相當; 特別是在第四紀的冰期低海平面時期, 熱帶火山島弧周邊大陸架上出露的松散沉積物的風化過程相對于島弧基巖的化學風化可以更高效地消耗二氧化碳, 此時研究區硅酸鹽化學風化作用消耗大氣二氧化碳的效率高達~1.25 mol/kg, 明顯高于同時期、同緯度的南海周邊陸架地區(Wan, 2017; Xu, 2018a)。此外, 研究區附近的南海地區的研究結果也表明: 第四紀冰期低海平面時期出露的熱帶大陸架上松散硅酸鹽沉積物的強化學風化作用可以貢獻此時大氣二氧化碳濃度總降低量的~9%(Wan, 2017), 這也與Xu等(2018a)的估計結果相當。由此可見, 第四紀冰期低海平面階段大陸架的廣泛出露、出露陸架上松散硅酸鹽沉積物的強化學風化作用及由此引起的、對大氣二氧化碳濃度降低的顯著貢獻, 很可能是熱帶地區的普遍現象(Wan, 2017; Xu, 2018a)。

值得關注的是, 在第四紀的冰期低海平面時期, 呂宋島周邊大陸架的廣泛出露及其上松散硅酸鹽沉積物的強化學風化作用既可以直接消耗大量的大氣二氧化碳, 同時也能為所研究海區帶來大量的陸源碎屑、營養和有機物質(圖2)。該時期MD06-3052和MD06-3054巖芯記錄到的陸源硅質沉積物堆積速率、Ti/Cabiologic和TOC/TN的增加以及Mg/Al、K/Al和海表鹽度的降低, 指示著此時充沛的大陸徑流對研究區的明顯影響, 即其能將大量的陸源碎屑、營養及有機物質帶入海洋, 進而刺激了海表生物生產力, 并將大量的陸源和海洋來源有機碳埋藏到海底中, 從而促進了該時期大氣二氧化碳濃度的急劇降低(Xiong, 2018; Xu, 2018a, 2020)。

圖2 低海平面(a)和高海平面(b)時期黑潮源區陸源物質輸入的碳循環效應示意圖(修改自Xu et al, 2020)

3.2 亞洲風塵物質的輸入

風塵物質的輸運和沉降可以影響海洋生物地球化學過程(Martin, 1990)或大氣物質組成(Jickells, 2005), 進而在全球的氣候環境變化中發揮著非常關鍵的作用。據估計每年約有5億噸風塵顆粒被排放到海洋中(Shao, 2011), 其中鐵和硅等營養元素的存在對海洋生物生產力和海洋-大氣間二氧化碳的交換至關重要(Shao, 2011; Murray, 2012; Xiong, 2013; Lamy, 2014; Martínez-García, 2014)。據Menviel等(2012)推測, 第四紀冰期低海平面階段風塵物質中所攜帶的有機物和營養物供給的增加可能引發了大氣二氧化碳濃度~10×10-6的波動。近幾年的研究工作也表明: 黑潮源區所接收的、遠距離搬運而來的亞洲風塵物質輸入對此處的海洋生物生產力變化有著非常重要的貢獻, 進而能夠影響到大氣二氧化碳濃度、全球碳循環和氣候環境變化(Jiang, 2019; Xu, 2020)。

最初, “鐵假說”是基于南大洋地區的高營養鹽低葉綠素特征而提出的(Martin, 1990)。風塵物質是遠離陸地的開闊大洋地區中鐵等營養物質的重要來源, 進而可能會影響到鐵輸入受限地區的生態系統結構和碳循環(Winckler, 2008; Murray, 2012; Xiong, 2013)。盡管黑潮源區并非典型的高營養鹽低葉綠素海區, 但這里的大部分海區同樣也是貧營養的, 即其生態系統也可能受到了鐵供應的顯著影響(Kondo, 2007)。例如, 當前該地區的浮游植物生長已被證實的確受到了鐵供應的限制(Coale, 1996; Li, 2004; Kondo, 2007)。開闊大洋的鐵來源主要是大陸邊緣沉積物孔隙水擴散、風塵溶解和熱液噴流三種方式(陳天宇等, 2019)。研究區周邊島嶼河流和大陸架釋放的鐵主要沉積在附近的西菲律賓海大陸坡地區, 很難輸出到大洋(Xiong, 2018; Xu, 2020)。此外, 研究區沉積物受熱液活動影響較小(Xu, 2013), 南大洋的營養物質輸入也有限(Xiong, 2015)。因此西菲律賓海的深海盆地和海底高原的鐵應主要來自于風塵物質輸入(Xu, 2015, 2020)。海洋生物生產力是軌道時間尺度上大氣二氧化碳濃度的最重要調控因素之一(Beaufort, 2001; Martínez-Garcia, 2011), 而陸源輸入和厄爾尼諾-南方濤動相關的溫躍層動力學是解釋第四紀西太平洋暖池海域生產力變化的兩個可能過程(Xu, 2015; Winckler, 2016; Xiong, 2018; Chen, 2019)。第四紀冰期階段黑潮源區亞洲風塵物質及其所攜帶營養元素輸入通量的增強可能刺激了古海洋生物生產力的提升(Zhang, 2007; Xiong, 2013)。例如, 基于55萬年以來熱帶西太平洋古海洋生物生產力和北太平洋風塵物質輸入量的間接對比, Zhang等(2007)認為亞洲風塵物質的輸入可能是控制該地區古生產力變化的最重要因素。Murray等(2012)的研究工作也證實了過去100萬年內, 特別是其中18萬年之前的冰期階段, 熱帶太平洋中部的沉積物中蛋白石含量這一硅質生物生產力指標與鐵輸入之間的密切關系。對于本次研究區, 70萬年以來冰期階段西菲律賓海中亞洲東部沙漠風塵物質對研究區輸入量的增加也直接對應著此時海洋生物生產力的提高(Xu, 2012; Tang, 2013)。Xiong等(2013)則論證了末次盛冰期時亞洲風塵物質輸入量的增加對東菲律賓海生物生產力提高的重要貢獻。而MD06-3047和MD06-3052巖芯中溫躍層深度變化與有機碳含量, 上升流強度變化與生物硅、有機碳含量之間相關性弱, 表明第四紀冰期溫躍層動力學對該區域海洋生物生產力沒有顯著影響(Xu, 2015, 2020)。因此, 第四紀冰期階段黑潮源區風塵物質輸入量的增加引起了海洋生物生產力的提升, 很可能會在一定程度上降低了大氣中二氧化碳濃度(Li, 2010; Xiong, 2013)。

上述推論已經得到了近年來對第四紀階段黑潮源區亞洲風塵物質輸入、海洋生物生產力和大氣二氧化碳濃度變化方面綜合性研究成果的初步證實, 從而進一步明確了風塵物質輸入對研究區古生產力和碳循環的潛在價值(Xu, 2015)。在西菲律賓海, MD06-3047巖芯的高時間分辨率多指標分析結果顯示: 70萬年以來亞洲風塵物質輸入、可溶性鐵含量、海洋生物生產力以及大氣二氧化碳濃度的變化間具有良好的同步性, 冰期時亞洲風塵物質的輸入量、海表可溶性鐵的含量、古生產力的水平及海底有機碳的埋藏量較高而大氣二氧化碳的濃度較低, 而間冰期時則表現出相反的變化特征, 這都說明了第四紀冰期階段研究區增強的亞洲含鐵風塵物質輸入對黑潮源區海洋生物生產力、海底有機碳保存和大氣二氧化碳濃度降低的積極貢獻(Xu, 2015)。對于東菲律賓海, 末次盛冰期增強的亞洲內陸風塵輸入為研究區帶來了大量的硅和鐵等營養元素, 進而刺激了海表生物生產力, 并將大量的生物生產力成因有機碳帶入到海底埋藏下來, 從而降低了大氣二氧化碳濃度(Xiong, 2013; 李鐵剛等, 2015); 而Jiang等(2019)也發表了第四紀冷期階段該地區亞洲風塵物質輸入和生物鋇含量這一有效的海洋生物生產力指示劑之間的良好相關性。

最近, Xu等(2020)系統收集和整理了黑潮源區緯向分布的MD06-3052、MD06-3047和WPD-03巖芯沉積物的高時間分辨率多指標數據集, 綜合性地闡述和證明了包括呂宋島火山物質和亞洲風塵物質在內的陸源物質輸入是第四紀階段黑潮源區營養物質(如硅和鐵)和有機質供應以及海洋生物生產力的最重要控制因素。具體來講, 在大陸坡等相對較淺海區, 陸源物質主要來源于附近的呂宋島和大陸架, 而在深水盆地等相對較深區域, 亞洲風塵物質輸入則是最主要的陸源物質來源。總體而言, 在第四紀冰期低海平面階段, 黑潮源區周邊的呂宋島和出露陸架上的硅酸鹽風化剝蝕產物以及亞洲風塵物質(包含碎屑物質、營養物質和有機質)的大量輸入、海表生物生產力的提升、上升流強度的減弱、海底還原性沉積環境的形成、海底有機碳的大量埋藏和大氣中二氧化碳濃度降低之間的耦合, 使該地區成為了全球碳循環中的一個重要匯(圖2)(Xu, 2020)。

4 總結與展望

綜上所述, 近年來對第四紀不同時間尺度上黑潮源區海底沉積物的源-匯過程、主要控制因素及其碳循環效應等方面的研究已經取得了一系列非常重要的階段性成果和認識: 該地區的陸源碎屑沉積物主要來自周邊的呂宋島和大陸架以及遠端的亞洲東部沙漠, 它們的貢獻大小主要受控于海平面高度和東亞季風強度; 此外, 人類活動在距今2100a以來也有一定的影響。具體來講, 呂宋島及其周邊陸架上硅酸鹽化學風化作用的主要控制因素是東亞夏季風強度以及海平面高度, 而東亞冬季風強度則制約著亞洲內陸風塵物質的輸入。在第四紀冰期低海平面時期, 黑潮源區周邊的化學風化作用強度和亞洲風塵物質輸入量的增強均可以提高該海區的海洋生物生產力, 并對海底的碳埋藏和大氣二氧化碳濃度的降低有著重要的調控作用。

盡管對黑潮源區巖芯沉積物的多指標綜合性研究工作已經初步揭示了第四紀陸源物質輸入對該地區海洋生物生產力、全球碳循環和全球氣候環境變化的潛在影響, 但上述推論仍未得到更長時間跨度和更廣地域范圍上沉積記錄的有效證實。因此, 接下來亟需補充進行相關的研究工作, 如基于國際大洋發現計劃等地球科學史上持續時間最長、影響最深的國際合作計劃來獲取研究區內的高質量長沉積物巖芯以便開展更長時間跨度的研究工作。此外, 在空間范圍上, 未來也需要在其他的熱帶海域開展更多的對比性研究工作, 從而避免一孔之見, 進而深入揭示整個熱帶海區的陸源物質輸入過程、主要成因機制及其古氣候環境效應。同時, 未來還應該對研究區鐵和硅等營養元素的來源進行定量化識別, 并對風塵物質從陸到海的遷移和沉積過程進行長期連續觀測, 將對黑潮源區風塵物質的定量源- 匯過程及其與大洋生物地球化學過程和氣候變化之間的耦合關系有更清晰的認識。此外, 目前關于高、低緯地區之間耦合關系的研究相對較少, 以后應側重研究區和高緯度地區間的系統性對比研究, 通過數值模擬和指標記錄相結合的方法, 為不同時間尺度上高、低緯之間的相互作用評估提供可靠證據, 這也將進一步明確低緯度地區在全球氣候變化中的作用。

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SEDIMENTARY SOURCE-SINK PROCESSES, DOMINANT CONTROLLING FACTORS, AND THEIR CARBON CYCLE IN THE KUROSHIO SOURCE REGION IN THE QUATERNARY

XU Zhao-Kai1, 2, 3, 4, ZHANG Qian-Yue1, 5, CHANG Feng-Ming1, 2, 3

(1. Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2.Laboratory for Marine Geology and Environment,Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao266061, China; 3. Center for Ocean Mega-Science,Chinese Academy of Sciences,Qingdao266071,China; 4. CAS Center for Excellence in Quaternary Science and Global Change, Xi'an710061,China; 5. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049,China)

In this paper, the status quo of the sedimentary source-sink processes, dominant controlling factors, and their carbon cycle significance in the Kuroshio source region during the Quaternary were systematically reviewed. The results derived from comprehensive indicators of different disciplines consistently show that the main sources of the terrestrial detritus include nearby Luzon and continental shelf, as well as remote eastern Asian deserts. Their contributions to the studied area are dominantly correlated with sea level height and intensity of the East Asian monsoon on orbital, millennial, and centennial timescales, and ultimately controlled by the dual drives of both high- and low-latitude processes. In addition, the significant impact of human activity on the Kuroshio source region has occurred since 2.1 ka. Furthermore, there are also good correlations between the abovementioned processes associated with terrestrial inputs into the studied area, paleoproductivity, organic carbon burial in the sea, and atmospheric carbon dioxide concentration, indicating the significance of sedimentary source-sink processes in the Kuroshio source region for modulating the global carbon cycle. The abovementioned research work can provide regional data and theoretical support at low-latitudes for better predicting the climatic and environmental change trend in the future.

Kuroshio source region; carbon cycle; source-sink processes; controlling factor; Quaternary

* 中國科學院戰略性先導科技專項(B類), XDB42000000號; 國家自然科學基金項目, 41676038號, 41876034號。徐兆凱, 博士, 研究員, E-mail: zhaokaixu@qdio.ac.cn

張騫月, 碩士研究生, E-mail: zhangqianyue19@mails.ucas.ac.cn

2020-06-29,

2020-08-24

P736

10.11693/hyhz20200600184