渤海湾太平洋牡蛎壳体记录的冬季停止分泌/春季恢复生长的最低水温

范昌福, 王 宏, 裴艳东, 王海峰

1)中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037;2)国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037;3)中国地质调查局天津地调中心, 天津 300170

渤海湾太平洋牡蛎壳体记录的冬季停止分泌/春季恢复生长的最低水温

范昌福1,2), 王 宏3), 裴艳东3), 王海峰3)

1)中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037;2)国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037;3)中国地质调查局天津地调中心, 天津 300170

河口海岸地区广泛生长的牡蛎壳体, 作为气候环境变化的一种载体, 是研究河口浅海环境演化和海陆相互作用的理想对象。本文以渤海湾地区广泛发育的太平洋牡蛎壳体为研究对象, 根据现生活牡蛎壳体记录的氧同位素变化幅度和生长水体的温度、盐度, 定量地计算了该地区Crassostrea gigas在冬季停止分泌/春季恢复生长的最低水温为5.5℃, 生长季节为3月至12月。

生物壳体; 停止分泌; 氧同位素; 水温; 渤海湾

高分辨率气候和环境变化研究对了解过去环境变化中突发事件和未来环境变化的预测具有重要意义。可信的气候预测模型的建立, 需要来自不同地区环境类型下的高精度、长周期气候记录的互相校验(Schöne et al., 2005), 包括陆地、海洋和陆海交互地带的海岸河口地区的各种气候记录。

近几十年以来, 我国全新世高分辨率古气候环境重建研究取得了大量的重要成果, 但绝大部分成果集注于内陆和深海地区, 因而不能代表同时期陆海交互地带的气候信息(Schöne et al., 2004, 2005)。作为连接内陆与海洋的海岸带地区, 由于复杂的相互作用和频繁的地质环境变化, 难以保存连续的长时间序列地质环境记录, 因此很难获得可与内陆及深海地区进行对比的气候环境记录。

牡蛎是河口及浅海区一种常见的半咸水双壳类软体生物, 属广温、广盐性, 从低纬度至中高纬度的河口浅海环境都适合其生长; 牡蛎从白垩纪一直繁衍存活至今, 其壳体几乎全部由方解石组成。牡蛎个体的寿命较长, 很多牡蛎个体的生长年龄超过15 a或更多(张玺等, 1956)。由于牡蛎的时空分布范围广、生长寿命长、生长环境独特等特性决定了其壳体是一种良好的环境记录载体, 是研究气候环境变化, 特别是河口浅海环境演化和海陆相互作用的理想对象(王强等, 1991; 耿秀山等, 1991; Wang et al., 1995; Kirby et al., 1998; 薛春汀, 2003; 张忍顺,2004; Surge et al., 2001; Carbotte et al., 2004; 王宏,1996; 王宏等, 2006; Zhang et al., 2007; Brigaud et al.,2008; Wisshak et al., 2009; Ullmann et al., 2010; 李冬玲等, 2009; 商志文等, 2010; 范昌福等, 2005a, b,2006, 2007, 2008, 2010a, b, c, d; Fan et al., 2011; 王海峰等, 2011; 方晶等, 2011)。

太平洋牡蛎(Crassostrea gigas; Thunberg, 1793),生长于水深5～40 m的浅水区, 滤食水中浮游生物,壳体之间互相胶结生长而成礁体。喜好生长于硬质基底, 如岩石、残骸碎屑和生物壳体等, 但随着生物的进化, 它们也能够生长于硬的泥质或泥沙质基底之上。其广温、广盐性使其能够在全世界范围内广泛繁殖(Cognie, 2006; Diederich, 2005)。它们可生长的盐度范围为 10×10-12～42×10-12、温度范围为4℃～35℃, 短时间内甚至能够忍受–5℃的水温(Nehring, 2006)。然而, 过低的水体盐度将影响牡蛎个体的配子发育(gametogenesis)。

渤海湾西岸地区自早全新世最大海侵以来(林防等, 2004), 发育了由C. gigas及它的簇生群体构成的规模巨大、数量众多的埋藏牡蛎礁体(图1), 是该地区一个显著特征和重要地质现象。牡蛎礁与渤海湾西岸贝壳堤平原的贝壳堤(王宏等, 2000), 是华北平原东部沿海低平原自中全新世逐渐成陆过程中的两类重要产物。它们的形成、规模、时间跨度及所蕴含的丰富地质环境变化信息, 具有重要的研究价值(王宏等, 2006)。

图1 渤海湾全新世埋藏牡蛎礁体及大神堂海区活牡蛎礁体分布位置图(据王宏等, 2006; 范昌福等, 2010d)Fig. 1 Map showing the distribution of buried and living oyster reefs on the northwest coast of Bohai Bay and the sampling site for this study(after WANG et al., 2006; FAN et al., 2010d)

但是在利用牡蛎壳体进行古气候环境恢复重建之前, 需要对其自身进行深入细致的了解, 以掌握其记录环境信息的方式、可靠性和连续性等。我们曾对渤海湾西北岸地区的太平洋牡蛎壳体的韧带部位特征生长层进行了详细的研究, 共在壳体韧带槽部位发现了两类具有季节指示意义的特征生长层(范昌福等, 2010a; Fan et al., 2011), 其中对应于壳体韧带槽表面凹沟的壳体剖面内灰色半透明生长层,具有一个年生长周期内最重的氧同位素比值, 是晚秋至早春季节水温较低时期形成的缓慢致密生长层(范昌福等, 2010a; Fan et al., 2011)。然而, 这一特征生长层是否指示了其在冬季低温时期的生长间断？如果C. gigas在冬季低温季节停止分泌壳体, 则其停止分泌壳体的最低水温是多少？这将为使用牡蛎壳体进行古气候环境高分辨率重建研究提供必要的基础信息。

1 材料与方法

本次选择的是2005年5月26日于天津北部海区活牡蛎礁体中(大神堂, 图 1)采集的一个活

C. gigas壳体(ST5), 去除壳体内的有机质后, 选择壳体相对较大、更适宜于进行贝壳年轮研究的左壳壳体(Surge et al., 2001), 沿壳体最大生长线切割,对切割后的壳体剖面进行打磨和抛光, 最终使壳体切割纵剖面内的生长层清晰可辨(范昌福等, 2010a)。

通过对牡蛎壳体韧带槽表面记录的因冬季低温和春季产卵而形成的内凹层和外凸层中部的小凹痕,以及壳体切割剖面内对应的灰色半透明生长层的仔细辨认和计数, 获得牡蛎壳体的生长年轮信息(范昌福等, 2010a; Fan et al., 2011)。

在获取壳体生长年轮信息的基础上, 根据壳体剖面内特征生长层的位置, 使用0.5 mm直径钻头的微型钻机, 沿壳体生长方向垂直于壳体剖面钻取样品, 获取约1 mg碳酸钙粉末, 充分混合均匀后分成三份并分别进行测定, 结果取三次测量的平均值。

样品测试在德国汉诺威莱布尼兹应用地质科学研究所(GGA)同位素与年代实验室采用连续流方法测定, 运用连接Delta XP质谱仪的GasBench II装置自动进样, 在 75℃下加入 5滴无水磷酸, 充分反应后测定样品的δ18O、δ13C比值, 样品重复测量误差一般小于0.1‰。仪器的δ18O和δ13C测试精度分别为0.13‰和0.06‰。

另于 2007年秋季对活牡蛎礁体生长区不同盐度值的水体进行取样, 使用 YSI85型多参数水质监测仪现场测定水样的盐度值, 用10 mL棕色玻璃瓶现场直接装满后即刻密封, 置于阴凉处保存、待测。水样δ18O的测定在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室采用水平衡法完成, 分析仪器为Deltaplus XP。取0.3 mL水样直接在惰性气体环境下与0.2%的二氧化碳气体进行平衡18 h, 测试精度小于0.1‰。

2 结果

2.1 研究区牡蛎生长环境

研究区位于渤海湾西北部, 海水温度、盐度的变化除了取决于气象因素外, 大陆径流、陆地热效应以及海湾内海水流动也是重要的影响因素。春季受太阳辐射逐渐加强, 水温和气温处于增温阶段,由于近岸海水受陆地热辐射的影响, 致使其增温速度较外海快。另外, 春季为江河枯水期, 入海径流小,加之空气干燥及风的作用, 使海水蒸发量增大, 盐度增高, 春季近岸的温度、盐度较外海高。夏季温度普遍比春季升高 12～13℃, 而盐度升高不大。秋季和前两个季节相反, 秋季为降温期, 太阳辐射逐渐减弱, 气温下降, 海水向大气的回辐射加强, 海水处于降温过程。特别是近岸浅水区, 由于陆地降温迅速, 海水向陆地的热量输送加强, 使近岸海水降温较快。冬季海水温度处于最低值, 近岸受陆地迅速降温影响, 1月份近岸海水温度达–5℃, 海水盐度较高, 沿岸海水盐度值大于 33×10-12(天津市海岸带和海涂资源综合调查领导小组办公室, 1987)。

根据塘沽验潮站 2005—2009年实测数据计算的月平均结果(表 1), 研究区水温(SST)呈规律性变化, 1月份水温最低, 8月份水温最高; 水体盐度(SSS)变化与降雨量(P)有关, 夏季降雨量显著增强, 水体盐度值明显降低(图2)。

2.2 研究区水体δ18O与盐度的关系

根据研究区现生活牡蛎礁体生长水体不同盐度值的水样氧同位素比值测定结果(表2), 对其进行线性拟合后(Kirby et al., 1998; Surge et al., 2001; Simstich et al., 2005)(图3), 获得渤海湾地区现生水体盐度-氧同位素组成定量关系式:

式中δ18Owater,V-SMOW为水体氧同位素组成, S为水体盐度; 下标 V-SMOW 表示体积分数以SMOW(标准平均海水)为标准, 单位为‰。

由于水样的氧同位素测定结果是以 SMOW 为标准, 而壳体碳酸钙粉末样品的氧同位素结果则是以 PDB为标准的, 二者之间存在定量的转换关系(Rye et al., 1980)。本文采用以下的定量转换关系式(Gonfiantini et al., 1995):

图2 渤海湾西北岸地区2005—2009年的月均水温、盐度和降雨量(据Fan et al., 2011)Fig. 2 Average monthly sea surface temperature, sea surface salinity and precipitation during 2005 to 2009 on the northwest coast of Bohai Bay(after Fan et al., 2011)

表1 渤海湾西北岸地区2005–2009年月均水温与盐度值Table 1 Average monthly sea surface temperature and sea surface salinity during 2005 to 2009 on the northwest coast of Bohai Bay

表2 渤海湾现生活牡蛎礁体生长区不同盐度的水体δ18OV-SMOWTable 2 Brackish waters and their corresponding δ18OV-SMOW values in the living oyster reef area of Bohai Bay

图3 渤海湾现生活牡蛎礁体生长区水体氧同位素组成与盐度关系图Fig. 3 Relationship between δ18OV-SMOW and salinity of the brackish water in the living oyster reef area of Bohai Bay

δ18OV-PDB=(δ18OV-SMOW–30.91)/1.0309将SMOW标准转换为 PDB标准之后, 渤海湾地区的水体盐度与水体δ18O的变化关系可表达为:δ18Owater,V-PDB/‰=0.12×S–26.7。即水体盐度值每增加1×10-12, 水体氧同位素比值(PDB标准)增加0.12‰。

2.3 活牡蛎壳体记录的年际δ18O变化幅度

在ST5壳体剖面内, 共有4个对应于壳体韧带槽表面凹槽的灰色半透明生长层(图 4中箭头所示),它们具有一个年生长周期内最重的δ18O值, 形成于冬季低温季节(范昌福等, 2010a; Fan et al., 2011)。在每两个冬季低温季节生长层之间、具有最轻δ18O值的生长层, 形成于夏季最高水温季节。

图4 ST5牡蛎壳体同位素剖面与壳体剖面内连续微层样品取样位置Fig. 4 Micro-sampling positions and isotope values of the left valve of the modern living shell ST5箭头指示冬季低温季节停止分泌的位置(据Fan et al., 2011)arrows show the locations of growth layers formed during low temperature in winter(after Fan et al., 2011)

ST5牡蛎壳体记录的2002—2004年3年的冬季低温季节平均最重δ18OV-PDB为 1.63‰, 夏季高温季节平均最轻δ18OV-PDB为–3.41‰, 从冬季低温季节到夏季高温季节的平均变化幅度为5.04‰(表3)。

3 讨论

Kirby等人(1998)对河口环境下自然生长的现生活牡蛎(C. virginica)壳体与生长环境之间的同位素平衡状况进行了分析研究。通过对活牡蛎生长的水体温度与盐度的长期监测和一个航次内采集的 8个水样的氧同位素比值测定, 根据实测δ18O值与对应的水体盐度值, 拟合获得了水体δ18O-盐度线性关系式, 然后根据壳体的氧同位素分馏方程(Epstein et al., 1953)和实测水温、水体氧同位素组成(由水体盐度计算而来), 计算出在该水体中生长的牡蛎分泌的壳体δ18O理论值, 对比分析结果显示活牡蛎壳体与生长水体之间的氧同位素完全达到平衡, 壳体在其生长时刻真实地记录了周围水体的环境信息(Kirby et al., 1998)。

Epstein等人通过实验室可控温度、盐度水箱培养的软体生物壳体的稳定同位素比值分析, 发现壳体与存活水体之间的同位素达到平衡, 并且获得了壳体氧同位素组成与水体氧同位素组成及水温之间的定量关系式(Epstein et al., 1953)。

在壳体与生长水体的氧同位素达到平衡的条件下, 若不考虑壳体生长区水体盐度变化对水体δ18O的贡献, 则壳体记录的季节性δ18O变化则完全由水温变化所致(程红光等, 2009)。当水温升高 1°C, 贝壳的δ18OV-PDB则减小 0.24‰～0.25‰(Epstein et al.,1953), 因此, ST5记录的 5.04‰季节性δ18OV-PDB变化幅度对应的水温变化幅度为 21～20.2℃。而 ST5壳体生长区的实测水温变化范围为–0.7～27.1(℃表1), 变化幅度达27.8℃。研究区的夏季最高水温低于Crassostrea属牡蛎的热休克温度(28; Ke℃nnedy et al., 1996; Surge et al., 2001)。并且研究区的牡蛎壳体贝轮中也未见任何夏季高温热休克记录(范昌福等,2010a; Fan et al., 2011)。因而, 壳体并未记录水温低于 6.5℃(6.1～6.9℃)的生长环境信息, 即当水温低于6.5℃时, 牡蛎停止分泌壳体。然而, 研究区的水体盐度是变化的。当考虑水体盐度变化对水体δ18O的贡献时, 牡蛎停止分泌壳体的水温将更低。

从冬季到夏季, 壳体生长区的水体盐度变化范围为31.6×10-12～29.5×10-12(表1), 变化幅度为2.1×10-12。根据研究区水体盐度与水体δ18O的变化关系δ18Owater,V-PDB/‰=0.12×S–26.7, 从冬季到夏季,壳体生长区水体盐度 2.1×10-12的变化对水体δ18OV-PDB变化的贡献为 0.25‰。在考虑水体盐度变化对水体δ18O的贡献的情况下, ST5壳体记录的水体温度变化幅度为 22～21.2℃, 则牡蛎冬季停止分泌壳体的水温约为5.5℃(5.1～5.9℃)。

根据渤海湾地区现生活牡蛎壳体的δ18O记录和活牡蛎生长水体的水温与盐度实测结果计算的牡蛎停止分泌壳体的最低平均水温为 5.5℃, 这一水温低于此前对同一地区的埋藏牡蛎壳体记录的δ18O和文献资料获得的水文数据而计算出的 11.5℃的壳体停止分泌的最低水温(Wang et al., 1995)。Ullmann等人(2010)对北海地区生长的一个活牡蛎(C. gigas)壳体记录的月分辨率δ18O和活牡蛎生长水体的水温与盐度的监测结果计算表明,C. gigas壳体停止分泌的水温为 6℃。另有文献报道,C. gigas可在水温4～35℃的范围内生长, 它们甚至可以在–5℃的水温环境下存活下来(Nehring, 2006)。

本文中的活牡蛎个体于2005年5月26日被采集时, 已完成产卵并恢复快速生长(图4; Fan et al.,2011)。若C. gigas冬季停止分泌(春季恢复生长)的最低水温为 11.5℃, 根据渤海湾地区的月均水温资料, 牡蛎应在4月份恢复生长(表1), 至该个体被采集时, 相隔仅1到2个月的时间, 而此时该个体不仅恢复了快速生长, 并且经历了春季产卵的缓慢生长(范昌福等, 2010a; Fan et al., 2011)。据此实际情况,C. gigas恢复生长的水温应更低, 渤海湾地区的现生ST5活牡蛎在平均水温达5°C左右的3月份便恢复生长。因此, 在进一步获得更准确的数据结果之前, 采用5.5℃作为渤海湾地区C. gigas冬季停止分泌的最低水温。

研究区的冬季最低水温已低于 0℃, 远低于牡蛎分泌壳体的下限水温, 因此, 一年之中低于下限水温的季节(的信息)未被牡蛎壳体记录。渤海湾地区牡蛎壳体的一个年生长周期中最重的δ18O值分别纪录了12月壳体停止分泌时刻和来年3月壳体恢复生长时刻的生长环境信息, 二者之间存在一个水温低于5.5°C时出现的壳体分泌间断期。

4 结论

渤海湾地区现生活牡蛎(C. gigas)冬季停止分泌/春季恢复生长的最低水温为 5.5℃, 该地区牡蛎生长的季节为3月至12月。牡蛎壳体的一个年生长周期中最重的δ18O值分别纪录了 12月壳体停止分泌时刻和次年 3月壳体恢复生长时刻的生长环境信息。当水温低于5.5℃时(12月至次年3月之间), 牡蛎停止分泌壳体, 其生长环境信息未能被记录。

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致谢: 中国地质科学院矿产资源研究所李延河研究员给予了指导; 德国汉诺威莱布尼兹应用地质科学研究所Manfred Frechen教授、Paul Königer博士和Astrid Jaeckel女士帮助测定了本文中的壳体同位素样品; 南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室杨涛博士帮助测定了水样氧、碳同位素;中国地质调查局天津地质调查中心李建芬博士、王福博士、田立柱博士、商志文博士和耿岩硕士参加了野外样品的采集和贝壳年轮研究样品的前处理工作, 在此一并致谢！

The Lowest Sea Surface Temperatures for Stopping Secretion in Winter and Resuming Growth in Spring Recorded by the Living Pacific Oyster (Crassostrea gigas) Shell in the Bohai Bay

FAN Chang-fu1,2), WANG Hong3), PEI Yan-dong3), WANG Hai-feng3)1)Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing100037;2)MRL Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources,Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing100037;3)Tianjin Center, China Geological Survey, Tianjin 300170

Oyster reefs are widely distributed along coastal and estuary areas. The in situ living oyster shell is a good object for studying and reconstructing the climate and environment change. With a living Pacific oyster(Crassostrea gigas) shell collected from the northwest coast of Bohai Bay as the study object and according to the analytical results of stable isotope of O in the continuous growth micro-layers of the shell as well as monthly average sea surface salinity (SSS) and sea surface temperature (SST), the authors obtained the lowest sea surface temperature recorded by theC. gigasshell in winter. In Bohai Bay area, the cease of shell growth ofC.gigaslasts for up to 3 months per year from December to March, when the water temperature decreases to 5.5.℃

Mollusca shell; stopping secretion; oxygen isotope; SST; Bohai Bay

Q915.817; P597.2

A

10.3975/cagsb.2012.06.15

本文由国家自然科学基金项目(编号: 40872106)资助。

2012-08-29; 改回日期: 2012-10-21。责任编辑: 张改侠。

范昌福, 男, 1979年生。副研究员。主要从事同位素地球化学研究。E-mail: tjfchangfu@163.com。