3.4 万年以来南极斯科舍海古生产力演变及其环境制约

杨春丽，陈志华*，肖文申，王湘芹，鞠梦珊，崔迎春，黄元辉，唐正

(1.自然资源部第一海洋研究所 自然资源部海洋地质与成矿作用重点实验室，山东 青岛 266061；2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室，山东 青岛 266061；3.同济大学 海洋地质国家重点实验室，上海 200092)

1 引言

末次冰期以来，南极冰芯的大气CO2浓度与南极温度（氧同位素组成）记录高度耦合，存在明显的千年尺度的冷−暖旋回变化[1]，这种变化被认为与南大洋海洋过程紧密相关[2]。研究表明，在现代或全新世条件下，南极极锋（Antarctic Polar Front,APF）以南的南极区输出生产力超过亚南极，但在末次冰盛期（Last Glacial Maximum,LGM）情况发生了逆转，亚南极输出生产力远远超过南极区[3-5]。Jaccard 等[6]研究发现，南极极锋两侧生产力的跷跷板模式是对整个晚更新世气候变化的规律性反映，但迄今为止还没有一种机制可以用来很好地解释它。研究认为，冰期亚南极古生产力高，与源自南美巴塔哥尼亚风尘的“铁施肥效应”有关[3-5]，然而这一观点也存在争议，因为无论是在冰期还是间冰期，南大洋沉积物中大部分的陆源物质靠洋流和冰输运，而不是大气[7-12]。

斯科舍海位处南极极锋以南，是南大洋海洋过程最为复杂、生产力最高的海域之一[13-14]，底流及复杂的海底地形地貌与构造，导致海底沉积记录表现出明显的时空不连续和年代的不确定性[15]。本文研究拟从DC-11 岩芯生物硅（Biogenic Silica (opal)，BSiO2或BSi）和有机氮（Norg）记录出发，重建斯科舍海东南部过去3.4 万年以来古生产力的演化趋势，进而从营养盐等角度分析探讨与古生产力有关的环境变化。该研究对深入认识南大洋过去环境、气候变化具有重要意义。

2 区域背景

斯科舍海西接德雷克海峡，东连南大西洋，北面以南佐治亚群岛为界，南邻南奥克尼群岛、南极半岛、威德尔海和鲍威尔海盆[15-16]。研究区位处斯科舍海东南部陆隆区，介于布鲁斯浅滩与南发现浅滩之间，属鲁斯海道（Bruce Passage），是斯科舍海与威德尔海之间进行物质和能量交换的关键海域[15-16]。从南极大陆边缘冰架裂解下来的冰山随南极沿岸流做逆时针运动，汇合来自南极半岛地区的冰山[17-18]，然后随威德尔涡流（Weddell Gyre，WG）、威德尔海深层水（Weddell Sea Deep Water，WSDW）和威德尔海底层水（Weddell Sea Bottom Water，WSBW）等向北运动，进入斯科舍海，最终汇入南极绕极流（Antarctic Circumpolar Current，ACC）[19-20]（图1）。与此同时，南极绕极流横穿斯科舍海北部，其南边界（Southern Boundary of ACC，SBACC）大体到达研究站位附近，因而研究区虽受南极绕极流主流影响小，但受与之有关的绕极底层水−深层水影响[21]。相对于整个南大洋，斯科舍海生产力高，但表现出很强的纬向和经向梯度[13-14,22]，与表层海洋营养盐（包括溶解铁）、温度、海冰等要素密切相关[13-14,22-25]。如图2 所示，风驱动的上升流不仅将绕极深层水带至南极区大洋表层，同时将硅酸盐、硝酸盐等营养盐输送至表层，为该地区海洋生产力提供了物质基础[26-29]。

3 样品与方法

3.1 样品

DC-11 岩芯是2017-2018 年“向阳红01”号船执行中国第34 次南极考察航次采获的重力岩芯。岩芯取样位置位于斯科舍海东南部陆隆区（60°24′39.340″S，37°04′52.356″W，水深为2 162 m）。岩芯长422 cm，本文仅就上部年代框架较为准确的0～256 cm 段进行分析。依据深海沉积物命名规范[30]，该段可划分为3 层（图3）。第一层为0～117 cm，黄绿色黏土硅质软泥，27～28 cm、72～76 cm 处见深灰色纹层；第二层为117～195 cm，绿灰色硅质黏土，117～121 cm 处见灰黑色纹层，140～145 cm 处见深灰色斑块，161～167 cm处见灰黑色纹层，176～195 cm 处存在深灰黑色纹层；第三层为195～256 cm，灰色含硅质黏土，235～245 cm处见浅灰色纹层包裹的灰黑色斑块。

3.2 方法

图1 斯科舍海取样站位与环流分布（据文献[18−20]修改）Fig.1 Map of the Scotia Sea showing Core DC-11 and marine circulation (modified from references [18−20])

图2 37°W 附近断面现代硅酸盐（a）与硝酸盐（b）含量分布(据文献[27]修改)Fig.2 Dissolved silica (a) and nitrate concentrations (b) near longitude 37°W (modified from reference [27])

图3 DC-11 岩芯岩性地层与年代框架Fig.3 Lithologic stratigraphy and age model of Core DC-11

以1 cm 为步长，通过GEOTEK 多参数岩芯扫描仪获取磁化率等参数。以2 cm 间距采样，间隔抽取样品（4 cm 间距）进行BSiO2、TFe2O3、Norg与氮同位素（δ15Norg）分 析。BSiO2采用1 mol/L 的 氢氧化钠溶 液（NaOH）提取，用钼蓝比色法测定，相对分析精度对富生物硅样品优于2%[32]。TFe2O3含量采用电感耦合等离子发射光谱仪（ICP-OES）测定，相对标准偏差小于5%。上述分析在自然资源部海洋地质与成矿作用重点实验室完成。Norg与δ15Norg分析在自然资源部海底科学重点实验室完成；取约1 g 沉积物粉末样，加入过量1 mol/L 盐酸去除碳酸盐，接着用去离子水洗涤至中性，冷冻干燥后用Thermo NE1112 型元素分析仪与Delta Plus AD 同位素质谱分析仪联机测试；Norg的相对标准偏差小于5%，δ15Norg值的重复误差为±0.2‰。样品AMS14C 测年在Beta 实验室完成，测年介质为酸不溶有机质。

3.3 年代框架

DC-11 岩芯沉积物中未见有孔虫等钙质生物壳，岩芯年代框架的建立通过有机质的AMS14C 测年及区域海陆风尘记录对比[18,33-36]相结合的方法。

岩芯沉积物测年结果见表1。取1 300 a 作为区域海洋碳库年龄（Delta R=（900±47）a）[33,37]，经Calib 7.0.4 软件校正，得到各点的日历年龄。考虑到岩芯顶部样品在取样过程中可能因倾倒等原因造成一定扰动，0～133 cm 段年代框架的建立基于线性回归，先得到其平均沉积速率，然后再将深度换算成年龄（图3）。

末次冰期与冰消期南极与南大洋风尘沉积记录发育，前人研究表明，该时期斯科舍海岩芯沉积物的磁化率（MS）记录等与南极冰芯的风尘通量之间具有很好的对应关系[18,33-36]，可用来厘定海洋沉积物年龄。如图3 所示，通过DC-11 岩芯磁化率曲线与EDML冰芯nssCa2+通量曲线[31]对比，发现岩芯195 cm 和222 cm处的两个磁化率峰值能够比较合理地对应于EDML冰芯19.622 ka BP 和25.722 ka BP 的nssCa2+通量峰值，据此作为岩芯的年代控制点。

基于上述两组年龄控制点，得到岩芯的年代框架见图3。岩芯0～133 cm 段沉积速率为9.97 cm/ka，133～195 cm 段为9.87 cm/ka，195～222 cm 段为4.43 cm/ka，222～256 cm 段为4.14 cm/ka，全新世和末次冰消期沉积速率较高，末次冰期沉积速率较低。

4 结果与讨论

4.1 岩芯古生产力与营养盐记录

4.1.1 古生产力记录

本文从无机和有机两种生物成因组分来分析古生产力的变化。DC-11 岩芯沉积物中BSiO2的含量变化范围为8.04%～65.49%，平均值为38.64%；Norg的含量变化范围为0.039%～0.115%，平均值为0.079%。如图4a 所示，岩芯BSiO2含量与Norg含量变化趋势基本一致，自下而上大体可分为3 段：（1）33.9～19.6 ka BP，对应末次冰期，BSiO2与Norg含量低，略有起伏，最低值 出现在28～24 ka BP 和22～20 ka BP；（2）19.6～11.7 ka BP，对应末次冰消期，BSiO2与Norg含量总体呈快速升高趋势，但在14.1～12.9 ka BP 南极冷倒转期（Antarctic Cold Reversal,ACR）明显回落；（3）11.7～0 ka BP，对应全新世，BSiO2与Norg含量高，变化平缓，略有起伏，且Norg含量更明显。海洋沉积物中BSiO2的积累与上层水体的初级生产力有着密切的关系，故BSiO2作为古生产力指标通常可用来直观反映海洋输出生产力的变化，在钙质生物易溶解、硅质生物保存较好的高纬度海区应用尤为普遍[4-5,38]。DC-11 岩芯位于南极绕极流南边界附近（图1），南大洋硅质带的南缘[7]，其BSiO2含量整体较高。海洋沉积物中的Norg可能有海源和陆源之分，且易受早期成岩作用影响[39-41]；但从图4b 来看，岩芯BSiO2含量与Norg含量呈显著正相关，线性相关系数为0.88（n=64），说明研究区沉积物中的Norg与BSiO2相似，以海源为主，且早期成岩作用对它们的影响小，未出现明显的离散现象；这种一致性反映出它们可能主要受控于南大洋的主要初级生产者——硅藻，即硅藻的壳体贡献了BSiO2，而内裹有机质贡献了大部分的Norg。

表1 DC-11 岩芯AMS14C 测年结果与年龄控制点Table 1 AMS14C data and adopted age controls of Core DC-11

图4 DC-11 岩芯古生产力、营养盐记录及相关分析Fig.4 Paleoproductivity and nutrient records of Core DC-11 and correlation analyses

4.1.2 铁记录

南大洋大部分海域以高营养盐、低叶绿素为特征，以风尘为主的自然铁供应成为制约其海洋生产力的重要因素之一[23]。如图4a 所示，DC-11 岩芯沉积物中TFe2O3含量范围为1.93%～6.58%，平均值为1.93%，其变化与海洋经典风尘替代指标——磁化率[18,32-35]的变化相似，在末次冰期高，在末次冰消期起始阶段最高，至15.5 ka BP 后趋于平缓，全新世含量低。这种变化与古生产力的高低变化正好相反。如图4c 所示，岩芯TFe2O3含量与BSiO2含量呈明显负相关，线性相关系数为0.91（n=64）。对斯科舍海现代海洋溶解铁与海洋生产力的研究表明，该海区铁限制与高营养盐−低叶绿素现象主要出现在斯科舍海西部（大约50ºW 以西）和中部（南佐治亚群岛以南、南极绕极流南边界以北），而岩芯所在的东南部海域，由于靠近南奥克尼群岛，加上海冰的季节性消退，溶解铁含量高，并支撑了其局部高生产力[23-25]。从岩芯记录来看，末次冰期和冰消期风尘加强，使研究区铁供应过剩，但并未表现出对生产力的促进作用。

4.1.3 δ15Norg营养盐记录

沉积物中的δ15Norg记录可以反映过去表层海水中硝酸盐的消耗度或利用率[42-43]。DC-11 岩芯δ15Norg比值范围为2.84%～5.85‰，平均值为4.09‰。如图4a所示，δ15Norg值在末次冰期大，略有起伏，在28～24 ka BP 有一个小平台期；末次冰消期初始阶段δ15Norg达最大值，然后迅速下降，直至14.1～12.9 ka BP 南极冷倒转期又明显增大；全新世早期至中期，δ15Norg值小，略有下降和起伏，至全新世晚期趋于平稳。前人对南大洋沉降、悬浮物和表层沉积物中δ15N 的对比研究表明，海底沉积物全样的δ15N 值虽然可能因早期成岩作用而变大[43]，但在大陆边缘等高沉积速率区，大体与沉降组分或真光层下硝酸盐的δ15N 值相同，没有明显变化[44]。DC-11 岩芯位处南奥尼克群岛北侧陆隆区，末次冰期以来沉积速率大于4 cm/ka，属于典型的快速富生物硅沉积，因而沉积物中δ15Norg遭受早期成岩改造的可能性小。从前面BSiO2与Norg的高度正相关（相关系数为0.88，n=6）推断，Norg可能以硅藻包裹为主。对比前人在大西洋中部的研究数据，末次盛冰期硅藻包裹氮同位素组成δ15Ndiat为6‰左右，全新世为2.5‰[45]，大体与DC-11 岩芯δ15Norg值相当。综上所述，推测DC-11 岩芯沉积物中δ15Norg值受早期成岩作用影响小，其变化较为真实地记录了过去水体的生产力和营养盐状况。海洋中，大多数自养生物以合成氮为生长基质，使NO3-池成为生物群落氮同位素组成的关键决定因素；在真光层，浮游植物偏向于吸收14NO3-，导致光合作用的产物相对富集14N，残留海水富集15N，从而形成的有机质的δ15N 值会随着浮游植物对海水中营养盐利用率的提升而增大[43]。从DC-11 岩芯记录来看，末次冰期、末次冰消期δ15Norg平均值分别为4.64‰和4.56‰，明显大于全新世的3.48‰，说明末次冰期与冰消期表层海水中硝酸盐的生物吸收大于物理输入，导致营养盐水平明显低于全新世。类似发现亦见于前人研究，认为高纬度地区冰期海冰增强，表层海水随之层化加强，硝酸盐等因得不到大洋深部的及时补充，逐渐被消耗，致使表层营养盐池变小，输出生产力降低[46-49]。

4.2 3.4 万年以来斯科舍海东南部古生产力及环境演化

4.2.1 古生产力与环境演变历史

如图5 所示，斯科舍海东南部DC-11 岩芯古海洋记录不仅与斯科舍海区域记录、南极冰芯等具有很好的一致性，同时与格陵兰冰芯、北大西洋古海洋记录等耦合紧密。3.4 万年以来，研究区古生产力与环境不仅经历了末次冰期、末次冰消期到全新世的显著变化，同时经历了一些千年尺度的次级变化。

西南极WDC 冰芯记录表明，末次冰期（34～19.6 ka BP）南极气温低（图5c），南大洋海冰增强（图5f）[50-52]，斯科舍海东南部DC-11 岩芯（图5k，图5l）与北部PS67/197-1 岩芯（位置见图1）相一致（图5i）[53]反映极锋以南海域古生产力低。其时，斯科舍海冬季海冰可达53°S，夏季达55°S[54]，因而推测DC-11 岩芯位置很长一段时间处于永久性海冰或密集海冰覆盖之下，而PS67/197-1 岩芯附近海域夏季表层海水温度较全新世低1～2°C（图5h），冬季海冰覆盖度维持在80%左右（图5g）[53]。海冰覆盖度、厚度、冰融水、风等共同作用使表层海洋混合减弱，层化增强，水体和营养盐的垂向交换减弱[46,52]，导致表层海洋营养盐的物理补给跟不上生物的同化吸收，生产力降低，输出有机质的δ15N 值增大（图5j）。从WDC 冰芯记录来看，28～24 ka BP 气候偏冷，南大洋海冰明显增强（图5c，图5f）[50-51]，对应DC-11 岩芯δ15Norg记录有一个明显的高值小平台（图5j），相应古生产力也有小幅降低（图5k，图5l）。

图5 DC-11 岩芯记录与其他海洋、冰芯记录的综合对比[53-54,59]Fig.5 Comparison between Core DC-11 and other marine and ice core records[53-54,59]

在南极，末次冰消期的开始时间大约在20～18 ka BP 之间，西南极可能较东南极早约2 ka（图5c，图5d）[51]；准确厘定岩芯的冰消期开始时间也很困难，但从海陆风尘记录的一致性来看，其开始时间大约为19.6 ka BP，即伴随着南半球风尘从顶峰开始回落（图5e）[37]，就进入末次冰消期。末次冰消期DC-11 岩芯BSiO2含量与Norg含量总体呈上升趋势，δ15Norg值总体呈下降趋势，但在14.1～12.9 ka BP 南极冷倒转期信号出现反转（图5l，图5k，图5j），与WDC 冰芯δ18O 温度记录[51]相吻合(图5c)，与北半球NGRIP 冰芯 δ18O 温度记录（图5a）[55]相反，体现出对南、北半球“跷跷板”式气候变化的响应[56-58]。冰消期早期，气候快速回暖，北半球出现HS1 期（Heinrich Stadial 1,18～14.6 ka BP），北大西洋GGC5 岩芯231Pa/230Th 比值的抬升（图5b）等证实期间北大西洋深层水的形成受阻，大西洋经向翻转流减弱[59-60]。大西洋经向翻转流的减弱导致热量在南大洋快速积累，极地与赤道之间的温度梯度减小，西风带与上升流区向南移动，环南极海冰逐渐消退，与之相关的表层海水层化减弱，深层水上涌增强[56-58]，其携带的丰富的营养盐使表层海水硝酸盐含量升高，并支撑了较高的生产力，体现在DC-11 岩芯δ15Norg值逐渐降低，BSiO2与Norg含量升高。随着HS1 事件的结束，北半球进入B/A 暖期（the Bølling-Allerød interval,14.6～12.8 ka BP），南半球进入南极冷倒转期（14.1～12.9 ka BP）[58]。北大西洋深层水迅速恢复，大西洋经向翻转流重新活跃，大洋热量发生损失[56-58]，WDC 冰芯δ18O 指示南极气温快速下降（图5c），ssNa+通量指示南大洋海冰扩张（图5f）[51]，斯科舍海北部夏季表层水温下降（图5h），冬季海冰覆盖度迅速增大（图5g）[53]，这种环境有利于表层海水层化，但不利于深层水及其营养盐的上涌，因而DC-11 岩芯δ15Norg值变大（图5j），古生产力下降（图5k，图5l）。随后，北半球进入新仙女木期（the Younger Dryas Interval,12.8～11.5 ka BP）（图5a），南极气候快速回暖，海冰减弱[50-51,58]，表层硝酸盐等供应增加，研究区生产力快速升高。

进入全新世（11.7～0 ka BP），南极气温大体与现在相当（图5c，图5d），南大洋冬、夏季海冰回落到低位（图5f）[50-51]，风尘铁供应降到低位（图5e）[31]，区域铁供应的不平衡导致生产力不平衡[13-14,22-25]。斯科舍海东南部DC-11 岩芯记录显示全新世该区海洋生产力长期维持在高位（图5l，图5k），但北部的PS67/197-1 岩芯显示其生产力在全新世早期快速下降，大约9.7 ka BP以来一直维持在一个不太高的水平上（图5i）[53]，这与斯科舍海现代海洋溶解铁与生产力的分布[13-14,22-25]相吻合。

4.2.2 环境对古生产力的综合制约

南大洋海洋生产力受营养盐、海冰、温度、光照、环流等环境条件制约[13-14,49,61]。从图5 及上述讨论来看，3.4 万年以来南大洋海冰强度变化与南极温度变化趋势相反[50-51]，与DC-11 岩芯BSiO2和Norg等古生产力指标的变化相反，与δ15Norg值的高低变化一致，海冰在研究区气候、营养盐与古生产力之间起着重要的关联作用。首先，海冰和温度密不可分，两者在古气候演化进程中此消彼长[51-52]。冰期或冷期南极温度低，海冰覆盖范围、覆盖度、厚度、持续时间等加大，导致研究区光照受限，生产力季节变短，在一定程度上使生产力下降[52-54]；而全新世或暖期，随着温度变暖，海冰消退，光照条件明显改善，生产力季节延长，从而有利于生产力的提高[52-54]；与此同时，温度本身对生产力的促进作用也不可忽略，研究表明温度从1.8ºC 升高到4.5ºC，南极浮游植物初级生产力可增加约30%[62]。第二，海冰减弱了风对海表的作用，使海表密度层化加强，因而受风和密度驱动的深层水上涌减弱，使那些因降解而富集在大洋深部的硅酸盐、硝酸盐等难以高效地输送至表层[6,45-46,49]，造成表层海洋中硝酸盐等相对匮乏，在一定程度上限制了海洋生产力[42-45]，体现在冰期或冷期DC-11 岩芯δ15Norg值增大，硝酸盐的生物吸收大于物理补给，生产力降低。对大部分高营养盐、低叶绿素海区来说，铁的供应是制约海洋生产力的关键因素[23]，但对于铁含量较高的斯科舍海，特别是其东南部研究区来说，由于南奥克尼群岛岛架沉积物和威德尔海冰山通道区融冰将大量铁释放到表层海水中，铁的供应在现代[23]和全新世充足，在风尘盛行的末次冰期和冰消期呈现出过剩状态，因而DC-11 岩芯TFe2O3与古生产力的高低变化正好相反；从过去3.4 万年记录来看，气候变冷有利于该地区风尘和海冰的发育，但风尘铁的供应对研究区古生产力没有促进作用，这明显不同于北部海域，特别是亚南极海域[3-5]。

5 结论

（1）3.4 万年以来，南极斯科舍海东南部海域DC-11 岩芯BSiO2、Norg含量暖期高，冷期低，与TFe2O3含量和δ15Norg值呈反相关系。海冰在气候、营养盐与古生产力之间起着重要的关联作用。

（2）末次冰期气温低，南大洋海冰增强，斯科舍海东南部海域为永久或密集海冰所覆盖，导致表层海水被层化，深层水及其营养盐的上涌减弱，表层海洋硝酸盐供应不足，因而岩芯δ15Norg值大，BSiO2含量与Norg含量低。末次冰消期BSiO2含量与Norg含量升中有降，δ15Norg值降中有升，南极冷倒转期信号明显，海区营养盐与生产力对南北半球间跷跷板式气候变化响应敏感。全新世气候温暖，海冰大致已退缩到现代状态，表层海洋丰富的营养盐及局部充足的铁供应使研究区生产力高。

致谢：感谢中国第34 次南极科学考察队及“向阳红01”号考察船为样品的采集付出了艰辛的劳动。感谢极地沉积物样品库提供样品；感谢自然资源部极地考察办公室与中国极地研究中心给予的支持和帮助。