3.4 萬年以來南極斯科舍海古生產力演變及其環境制約

楊春麗，陳志華*，肖文申，王湘芹，鞠夢珊，崔迎春，黃元輝，唐正

(1.自然資源部第一海洋研究所 自然資源部海洋地質與成礦作用重點實驗室，山東 青島 266061；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，山東 青島 266061；3.同濟大學 海洋地質國家重點實驗室，上海 200092)

1 引言

末次冰期以來，南極冰芯的大氣CO2濃度與南極溫度（氧同位素組成）記錄高度耦合，存在明顯的千年尺度的冷?暖旋回變化[1]，這種變化被認為與南大洋海洋過程緊密相關[2]。研究表明，在現代或全新世條件下，南極極鋒（Antarctic Polar Front,APF）以南的南極區輸出生產力超過亞南極，但在末次冰盛期（Last Glacial Maximum,LGM）情況發生了逆轉，亞南極輸出生產力遠遠超過南極區[3-5]。Jaccard 等[6]研究發現，南極極鋒兩側生產力的蹺蹺板模式是對整個晚更新世氣候變化的規律性反映，但迄今為止還沒有一種機制可以用來很好地解釋它。研究認為，冰期亞南極古生產力高，與源自南美巴塔哥尼亞風塵的“鐵施肥效應”有關[3-5]，然而這一觀點也存在爭議，因為無論是在冰期還是間冰期，南大洋沉積物中大部分的陸源物質靠洋流和冰輸運，而不是大氣[7-12]。

斯科舍海位處南極極鋒以南，是南大洋海洋過程最為復雜、生產力最高的海域之一[13-14]，底流及復雜的海底地形地貌與構造，導致海底沉積記錄表現出明顯的時空不連續和年代的不確定性[15]。本文研究擬從DC-11 巖芯生物硅（Biogenic Silica (opal)，BSiO2或BSi）和有機氮（Norg）記錄出發，重建斯科舍海東南部過去3.4 萬年以來古生產力的演化趨勢，進而從營養鹽等角度分析探討與古生產力有關的環境變化。該研究對深入認識南大洋過去環境、氣候變化具有重要意義。

2 區域背景

斯科舍海西接德雷克海峽，東連南大西洋，北面以南佐治亞群島為界，南鄰南奧克尼群島、南極半島、威德爾海和鮑威爾海盆[15-16]。研究區位處斯科舍海東南部陸隆區，介于布魯斯淺灘與南發現淺灘之間，屬魯斯海道（Bruce Passage），是斯科舍海與威德爾海之間進行物質和能量交換的關鍵海域[15-16]。從南極大陸邊緣冰架裂解下來的冰山隨南極沿岸流做逆時針運動，匯合來自南極半島地區的冰山[17-18]，然后隨威德爾渦流（Weddell Gyre，WG）、威德爾海深層水（Weddell Sea Deep Water，WSDW）和威德爾海底層水（Weddell Sea Bottom Water，WSBW）等向北運動，進入斯科舍海，最終匯入南極繞極流（Antarctic Circumpolar Current，ACC）[19-20]（圖1）。與此同時，南極繞極流橫穿斯科舍海北部，其南邊界（Southern Boundary of ACC，SBACC）大體到達研究站位附近，因而研究區雖受南極繞極流主流影響小，但受與之有關的繞極底層水?深層水影響[21]。相對于整個南大洋，斯科舍海生產力高，但表現出很強的緯向和經向梯度[13-14,22]，與表層海洋營養鹽（包括溶解鐵）、溫度、海冰等要素密切相關[13-14,22-25]。如圖2 所示，風驅動的上升流不僅將繞極深層水帶至南極區大洋表層，同時將硅酸鹽、硝酸鹽等營養鹽輸送至表層，為該地區海洋生產力提供了物質基礎[26-29]。

3 樣品與方法

3.1 樣品

DC-11 巖芯是2017-2018 年“向陽紅01”號船執行中國第34 次南極考察航次采獲的重力巖芯。巖芯取樣位置位于斯科舍海東南部陸隆區（60°24′39.340″S，37°04′52.356″W，水深為2 162 m）。巖芯長422 cm，本文僅就上部年代框架較為準確的0～256 cm 段進行分析。依據深海沉積物命名規范[30]，該段可劃分為3 層（圖3）。第一層為0～117 cm，黃綠色黏土硅質軟泥，27～28 cm、72～76 cm 處見深灰色紋層；第二層為117～195 cm，綠灰色硅質黏土，117～121 cm 處見灰黑色紋層，140～145 cm 處見深灰色斑塊，161～167 cm處見灰黑色紋層，176～195 cm 處存在深灰黑色紋層；第三層為195～256 cm，灰色含硅質黏土，235～245 cm處見淺灰色紋層包裹的灰黑色斑塊。

3.2 方法

圖1 斯科舍海取樣站位與環流分布（據文獻[18?20]修改）Fig.1 Map of the Scotia Sea showing Core DC-11 and marine circulation (modified from references [18?20])

圖2 37°W 附近斷面現代硅酸鹽（a）與硝酸鹽（b）含量分布(據文獻[27]修改)Fig.2 Dissolved silica (a) and nitrate concentrations (b) near longitude 37°W (modified from reference [27])

圖3 DC-11 巖芯巖性地層與年代框架Fig.3 Lithologic stratigraphy and age model of Core DC-11

以1 cm 為步長，通過GEOTEK 多參數巖芯掃描儀獲取磁化率等參數。以2 cm 間距采樣，間隔抽取樣品（4 cm 間距）進行BSiO2、TFe2O3、Norg與氮同位素（δ15Norg）分 析。BSiO2采用1 mol/L 的 氫氧化鈉溶 液（NaOH）提取，用鉬藍比色法測定，相對分析精度對富生物硅樣品優于2%[32]。TFe2O3含量采用電感耦合等離子發射光譜儀（ICP-OES）測定，相對標準偏差小于5%。上述分析在自然資源部海洋地質與成礦作用重點實驗室完成。Norg與δ15Norg分析在自然資源部海底科學重點實驗室完成；取約1 g 沉積物粉末樣，加入過量1 mol/L 鹽酸去除碳酸鹽，接著用去離子水洗滌至中性，冷凍干燥后用Thermo NE1112 型元素分析儀與Delta Plus AD 同位素質譜分析儀聯機測試；Norg的相對標準偏差小于5%，δ15Norg值的重復誤差為±0.2‰。樣品AMS14C 測年在Beta 實驗室完成，測年介質為酸不溶有機質。

3.3 年代框架

DC-11 巖芯沉積物中未見有孔蟲等鈣質生物殼，巖芯年代框架的建立通過有機質的AMS14C 測年及區域海陸風塵記錄對比[18,33-36]相結合的方法。

巖芯沉積物測年結果見表1。取1 300 a 作為區域海洋碳庫年齡（Delta R=（900±47）a）[33,37]，經Calib 7.0.4 軟件校正，得到各點的日歷年齡。考慮到巖芯頂部樣品在取樣過程中可能因傾倒等原因造成一定擾動，0～133 cm 段年代框架的建立基于線性回歸，先得到其平均沉積速率，然后再將深度換算成年齡（圖3）。

末次冰期與冰消期南極與南大洋風塵沉積記錄發育，前人研究表明，該時期斯科舍海巖芯沉積物的磁化率（MS）記錄等與南極冰芯的風塵通量之間具有很好的對應關系[18,33-36]，可用來厘定海洋沉積物年齡。如圖3 所示，通過DC-11 巖芯磁化率曲線與EDML冰芯nssCa2+通量曲線[31]對比，發現巖芯195 cm 和222 cm處的兩個磁化率峰值能夠比較合理地對應于EDML冰芯19.622 ka BP 和25.722 ka BP 的nssCa2+通量峰值，據此作為巖芯的年代控制點。

基于上述兩組年齡控制點，得到巖芯的年代框架見圖3。巖芯0～133 cm 段沉積速率為9.97 cm/ka，133～195 cm 段為9.87 cm/ka，195～222 cm 段為4.43 cm/ka，222～256 cm 段為4.14 cm/ka，全新世和末次冰消期沉積速率較高，末次冰期沉積速率較低。

4 結果與討論

4.1 巖芯古生產力與營養鹽記錄

4.1.1 古生產力記錄

本文從無機和有機兩種生物成因組分來分析古生產力的變化。DC-11 巖芯沉積物中BSiO2的含量變化范圍為8.04%～65.49%，平均值為38.64%；Norg的含量變化范圍為0.039%～0.115%，平均值為0.079%。如圖4a 所示，巖芯BSiO2含量與Norg含量變化趨勢基本一致，自下而上大體可分為3 段：（1）33.9～19.6 ka BP，對應末次冰期，BSiO2與Norg含量低，略有起伏，最低值 出現在28～24 ka BP 和22～20 ka BP；（2）19.6～11.7 ka BP，對應末次冰消期，BSiO2與Norg含量總體呈快速升高趨勢，但在14.1～12.9 ka BP 南極冷倒轉期（Antarctic Cold Reversal,ACR）明顯回落；（3）11.7～0 ka BP，對應全新世，BSiO2與Norg含量高，變化平緩，略有起伏，且Norg含量更明顯。海洋沉積物中BSiO2的積累與上層水體的初級生產力有著密切的關系，故BSiO2作為古生產力指標通常可用來直觀反映海洋輸出生產力的變化，在鈣質生物易溶解、硅質生物保存較好的高緯度海區應用尤為普遍[4-5,38]。DC-11 巖芯位于南極繞極流南邊界附近（圖1），南大洋硅質帶的南緣[7]，其BSiO2含量整體較高。海洋沉積物中的Norg可能有海源和陸源之分，且易受早期成巖作用影響[39-41]；但從圖4b 來看，巖芯BSiO2含量與Norg含量呈顯著正相關，線性相關系數為0.88（n=64），說明研究區沉積物中的Norg與BSiO2相似，以海源為主，且早期成巖作用對它們的影響小，未出現明顯的離散現象；這種一致性反映出它們可能主要受控于南大洋的主要初級生產者——硅藻，即硅藻的殼體貢獻了BSiO2，而內裹有機質貢獻了大部分的Norg。

表1 DC-11 巖芯AMS14C 測年結果與年齡控制點Table 1 AMS14C data and adopted age controls of Core DC-11

圖4 DC-11 巖芯古生產力、營養鹽記錄及相關分析Fig.4 Paleoproductivity and nutrient records of Core DC-11 and correlation analyses

4.1.2 鐵記錄

南大洋大部分海域以高營養鹽、低葉綠素為特征，以風塵為主的自然鐵供應成為制約其海洋生產力的重要因素之一[23]。如圖4a 所示，DC-11 巖芯沉積物中TFe2O3含量范圍為1.93%～6.58%，平均值為1.93%，其變化與海洋經典風塵替代指標——磁化率[18,32-35]的變化相似，在末次冰期高，在末次冰消期起始階段最高，至15.5 ka BP 后趨于平緩，全新世含量低。這種變化與古生產力的高低變化正好相反。如圖4c 所示，巖芯TFe2O3含量與BSiO2含量呈明顯負相關，線性相關系數為0.91（n=64）。對斯科舍海現代海洋溶解鐵與海洋生產力的研究表明，該海區鐵限制與高營養鹽?低葉綠素現象主要出現在斯科舍海西部（大約50oW 以西）和中部（南佐治亞群島以南、南極繞極流南邊界以北），而巖芯所在的東南部海域，由于靠近南奧克尼群島，加上海冰的季節性消退，溶解鐵含量高，并支撐了其局部高生產力[23-25]。從巖芯記錄來看，末次冰期和冰消期風塵加強，使研究區鐵供應過剩，但并未表現出對生產力的促進作用。

4.1.3 δ15Norg營養鹽記錄

沉積物中的δ15Norg記錄可以反映過去表層海水中硝酸鹽的消耗度或利用率[42-43]。DC-11 巖芯δ15Norg比值范圍為2.84%～5.85‰，平均值為4.09‰。如圖4a所示，δ15Norg值在末次冰期大，略有起伏，在28～24 ka BP 有一個小平臺期；末次冰消期初始階段δ15Norg達最大值，然后迅速下降，直至14.1～12.9 ka BP 南極冷倒轉期又明顯增大；全新世早期至中期，δ15Norg值小，略有下降和起伏，至全新世晚期趨于平穩。前人對南大洋沉降、懸浮物和表層沉積物中δ15N 的對比研究表明，海底沉積物全樣的δ15N 值雖然可能因早期成巖作用而變大[43]，但在大陸邊緣等高沉積速率區，大體與沉降組分或真光層下硝酸鹽的δ15N 值相同，沒有明顯變化[44]。DC-11 巖芯位處南奧尼克群島北側陸隆區，末次冰期以來沉積速率大于4 cm/ka，屬于典型的快速富生物硅沉積，因而沉積物中δ15Norg遭受早期成巖改造的可能性小。從前面BSiO2與Norg的高度正相關（相關系數為0.88，n=6）推斷，Norg可能以硅藻包裹為主。對比前人在大西洋中部的研究數據，末次盛冰期硅藻包裹氮同位素組成δ15Ndiat為6‰左右，全新世為2.5‰[45]，大體與DC-11 巖芯δ15Norg值相當。綜上所述，推測DC-11 巖芯沉積物中δ15Norg值受早期成巖作用影響小，其變化較為真實地記錄了過去水體的生產力和營養鹽狀況。海洋中，大多數自養生物以合成氮為生長基質，使NO3-池成為生物群落氮同位素組成的關鍵決定因素；在真光層，浮游植物偏向于吸收14NO3-，導致光合作用的產物相對富集14N，殘留海水富集15N，從而形成的有機質的δ15N 值會隨著浮游植物對海水中營養鹽利用率的提升而增大[43]。從DC-11 巖芯記錄來看，末次冰期、末次冰消期δ15Norg平均值分別為4.64‰和4.56‰，明顯大于全新世的3.48‰，說明末次冰期與冰消期表層海水中硝酸鹽的生物吸收大于物理輸入，導致營養鹽水平明顯低于全新世。類似發現亦見于前人研究，認為高緯度地區冰期海冰增強，表層海水隨之層化加強，硝酸鹽等因得不到大洋深部的及時補充，逐漸被消耗，致使表層營養鹽池變小，輸出生產力降低[46-49]。

4.2 3.4 萬年以來斯科舍海東南部古生產力及環境演化

4.2.1 古生產力與環境演變歷史

如圖5 所示，斯科舍海東南部DC-11 巖芯古海洋記錄不僅與斯科舍海區域記錄、南極冰芯等具有很好的一致性，同時與格陵蘭冰芯、北大西洋古海洋記錄等耦合緊密。3.4 萬年以來，研究區古生產力與環境不僅經歷了末次冰期、末次冰消期到全新世的顯著變化，同時經歷了一些千年尺度的次級變化。

西南極WDC 冰芯記錄表明，末次冰期（34～19.6 ka BP）南極氣溫低（圖5c），南大洋海冰增強（圖5f）[50-52]，斯科舍海東南部DC-11 巖芯（圖5k，圖5l）與北部PS67/197-1 巖芯（位置見圖1）相一致（圖5i）[53]反映極鋒以南海域古生產力低。其時，斯科舍海冬季海冰可達53°S，夏季達55°S[54]，因而推測DC-11 巖芯位置很長一段時間處于永久性海冰或密集海冰覆蓋之下，而PS67/197-1 巖芯附近海域夏季表層海水溫度較全新世低1～2°C（圖5h），冬季海冰覆蓋度維持在80%左右（圖5g）[53]。海冰覆蓋度、厚度、冰融水、風等共同作用使表層海洋混合減弱，層化增強，水體和營養鹽的垂向交換減弱[46,52]，導致表層海洋營養鹽的物理補給跟不上生物的同化吸收，生產力降低，輸出有機質的δ15N 值增大（圖5j）。從WDC 冰芯記錄來看，28～24 ka BP 氣候偏冷，南大洋海冰明顯增強（圖5c，圖5f）[50-51]，對應DC-11 巖芯δ15Norg記錄有一個明顯的高值小平臺（圖5j），相應古生產力也有小幅降低（圖5k，圖5l）。

圖5 DC-11 巖芯記錄與其他海洋、冰芯記錄的綜合對比[53-54,59]Fig.5 Comparison between Core DC-11 and other marine and ice core records[53-54,59]

在南極，末次冰消期的開始時間大約在20～18 ka BP 之間，西南極可能較東南極早約2 ka（圖5c，圖5d）[51]；準確厘定巖芯的冰消期開始時間也很困難，但從海陸風塵記錄的一致性來看，其開始時間大約為19.6 ka BP，即伴隨著南半球風塵從頂峰開始回落（圖5e）[37]，就進入末次冰消期。末次冰消期DC-11 巖芯BSiO2含量與Norg含量總體呈上升趨勢，δ15Norg值總體呈下降趨勢，但在14.1～12.9 ka BP 南極冷倒轉期信號出現反轉（圖5l，圖5k，圖5j），與WDC 冰芯δ18O 溫度記錄[51]相吻合(圖5c)，與北半球NGRIP 冰芯 δ18O 溫度記錄（圖5a）[55]相反，體現出對南、北半球“蹺蹺板”式氣候變化的響應[56-58]。冰消期早期，氣候快速回暖，北半球出現HS1 期（Heinrich Stadial 1,18～14.6 ka BP），北大西洋GGC5 巖芯231Pa/230Th 比值的抬升（圖5b）等證實期間北大西洋深層水的形成受阻，大西洋經向翻轉流減弱[59-60]。大西洋經向翻轉流的減弱導致熱量在南大洋快速積累，極地與赤道之間的溫度梯度減小，西風帶與上升流區向南移動，環南極海冰逐漸消退，與之相關的表層海水層化減弱，深層水上涌增強[56-58]，其攜帶的豐富的營養鹽使表層海水硝酸鹽含量升高，并支撐了較高的生產力，體現在DC-11 巖芯δ15Norg值逐漸降低，BSiO2與Norg含量升高。隨著HS1 事件的結束，北半球進入B/A 暖期（the B?lling-Aller?d interval,14.6～12.8 ka BP），南半球進入南極冷倒轉期（14.1～12.9 ka BP）[58]。北大西洋深層水迅速恢復，大西洋經向翻轉流重新活躍，大洋熱量發生損失[56-58]，WDC 冰芯δ18O 指示南極氣溫快速下降（圖5c），ssNa+通量指示南大洋海冰擴張（圖5f）[51]，斯科舍海北部夏季表層水溫下降（圖5h），冬季海冰覆蓋度迅速增大（圖5g）[53]，這種環境有利于表層海水層化，但不利于深層水及其營養鹽的上涌，因而DC-11 巖芯δ15Norg值變大（圖5j），古生產力下降（圖5k，圖5l）。隨后，北半球進入新仙女木期（the Younger Dryas Interval,12.8～11.5 ka BP）（圖5a），南極氣候快速回暖，海冰減弱[50-51,58]，表層硝酸鹽等供應增加，研究區生產力快速升高。

進入全新世（11.7～0 ka BP），南極氣溫大體與現在相當（圖5c，圖5d），南大洋冬、夏季海冰回落到低位（圖5f）[50-51]，風塵鐵供應降到低位（圖5e）[31]，區域鐵供應的不平衡導致生產力不平衡[13-14,22-25]。斯科舍海東南部DC-11 巖芯記錄顯示全新世該區海洋生產力長期維持在高位（圖5l，圖5k），但北部的PS67/197-1 巖芯顯示其生產力在全新世早期快速下降，大約9.7 ka BP以來一直維持在一個不太高的水平上（圖5i）[53]，這與斯科舍海現代海洋溶解鐵與生產力的分布[13-14,22-25]相吻合。

4.2.2 環境對古生產力的綜合制約

南大洋海洋生產力受營養鹽、海冰、溫度、光照、環流等環境條件制約[13-14,49,61]。從圖5 及上述討論來看，3.4 萬年以來南大洋海冰強度變化與南極溫度變化趨勢相反[50-51]，與DC-11 巖芯BSiO2和Norg等古生產力指標的變化相反，與δ15Norg值的高低變化一致，海冰在研究區氣候、營養鹽與古生產力之間起著重要的關聯作用。首先，海冰和溫度密不可分，兩者在古氣候演化進程中此消彼長[51-52]。冰期或冷期南極溫度低，海冰覆蓋范圍、覆蓋度、厚度、持續時間等加大，導致研究區光照受限，生產力季節變短，在一定程度上使生產力下降[52-54]；而全新世或暖期，隨著溫度變暖，海冰消退，光照條件明顯改善，生產力季節延長，從而有利于生產力的提高[52-54]；與此同時，溫度本身對生產力的促進作用也不可忽略，研究表明溫度從1.8oC 升高到4.5oC，南極浮游植物初級生產力可增加約30%[62]。第二，海冰減弱了風對海表的作用，使海表密度層化加強，因而受風和密度驅動的深層水上涌減弱，使那些因降解而富集在大洋深部的硅酸鹽、硝酸鹽等難以高效地輸送至表層[6,45-46,49]，造成表層海洋中硝酸鹽等相對匱乏，在一定程度上限制了海洋生產力[42-45]，體現在冰期或冷期DC-11 巖芯δ15Norg值增大，硝酸鹽的生物吸收大于物理補給，生產力降低。對大部分高營養鹽、低葉綠素海區來說，鐵的供應是制約海洋生產力的關鍵因素[23]，但對于鐵含量較高的斯科舍海，特別是其東南部研究區來說，由于南奧克尼群島島架沉積物和威德爾海冰山通道區融冰將大量鐵釋放到表層海水中，鐵的供應在現代[23]和全新世充足，在風塵盛行的末次冰期和冰消期呈現出過剩狀態，因而DC-11 巖芯TFe2O3與古生產力的高低變化正好相反；從過去3.4 萬年記錄來看，氣候變冷有利于該地區風塵和海冰的發育，但風塵鐵的供應對研究區古生產力沒有促進作用，這明顯不同于北部海域，特別是亞南極海域[3-5]。

5 結論

（1）3.4 萬年以來，南極斯科舍海東南部海域DC-11 巖芯BSiO2、Norg含量暖期高，冷期低，與TFe2O3含量和δ15Norg值呈反相關系。海冰在氣候、營養鹽與古生產力之間起著重要的關聯作用。

（2）末次冰期氣溫低，南大洋海冰增強，斯科舍海東南部海域為永久或密集海冰所覆蓋，導致表層海水被層化，深層水及其營養鹽的上涌減弱，表層海洋硝酸鹽供應不足，因而巖芯δ15Norg值大，BSiO2含量與Norg含量低。末次冰消期BSiO2含量與Norg含量升中有降，δ15Norg值降中有升，南極冷倒轉期信號明顯，海區營養鹽與生產力對南北半球間蹺蹺板式氣候變化響應敏感。全新世氣候溫暖，海冰大致已退縮到現代狀態，表層海洋豐富的營養鹽及局部充足的鐵供應使研究區生產力高。

致謝：感謝中國第34 次南極科學考察隊及“向陽紅01”號考察船為樣品的采集付出了艱辛的勞動。感謝極地沉積物樣品庫提供樣品；感謝自然資源部極地考察辦公室與中國極地研究中心給予的支持和幫助。