南沙群岛现代滨珊瑚骨骼Sr/Ca、δ18O和δ13C对极端高温事件响应

徐潇峰，余克服，陈天然，陶士臣，严宏强，陈特固

（1. 中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室，南海海洋研究所，广州 510301；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 广西大学珊瑚礁研究中心，广西南海珊瑚礁研究重点实验室，广西大学海洋学院，南宁 530004；4. 南方海洋科学与工程实验室，广东 珠海 519080）

自工业革命以来，CO2大量排放引起的温室效应已成为全球气候变暖加剧的重要因素。随着海洋表层海水温度的不断上升，以极端性高温事件为标志的海洋热浪成为珊瑚礁系统的最主要威胁（Couch et al., 2017; Smale et al., 2019; Dalton et al.,2020）。极端高温效应导致大规模珊瑚白化事件频繁发生，不仅加快了珊瑚礁退化进程，也给当地社会发展和人类健康造成严重危害（Hoegh-Guldberg,1999; Hughes et al., 2018; Bellwood et al., 2019;Zhao et al.,2019）。然而，2021 年IPCCAR6 第一工作组报告指出，即使碳排放保持当前水平不变，全球变暖的进程在2050年前无法逆转（IPCC,2021），表明在未来很长一段时间内珊瑚礁的生存和发展仍会受到高温事件的胁迫。因此，全面理解全球变暖进程下极端高温事件的发生频率、强度和相关规律对认识和评珊瑚礁未来的发展趋势，以及制定珊瑚礁系统的生态环境保护策略等具有重要意义。

相比于陆地的温度记录，系统性海洋气候器测记录的时间跨度相对较短，这也导致近年来人们对海洋热浪和极端高温事件的认识和研究主要集中在近30 年的时间范围内（Hobday et al., 2016; Couch et al.,2017;Oliver et al.,2018;Dalton et al.,2020；张文静等，2020）。因此，重建和还原更早时期的海洋极端高温历史，获取器测记录以前的海洋异常高温事件相关信息，有助于揭示长时间尺度下极端高温事件的发生频率、强度和变化特征，这对全面认识和理解全球变暖进程下珊瑚礁的演化发展规律具有重要意义。造礁石珊瑚广泛分布于热带海洋浅水区，其骨骼的生长发育对气候环境的变化极为敏感，而气候环境变化会导致珊瑚的生理状态发生改变，并影响珊瑚骨骼的钙化过程。因此，基于珊瑚文石骨骼的古气候学方法具有还原气候记录和重建历史气候事件的潜力。

大型滨珊瑚在各珊瑚礁区分布广泛，骨骼连续生长跨度大且年代条纹明显，导致其成为长时间尺度下高分辨率地球化学分析的良好材料。滨珊瑚骨骼的Sr/Ca 序列受到海洋表层温度SST（Sea Surface Temperature）的控制，能反映多尺度的SST变化趋势（Schrag,1999;Linsley,2000;Yu et al.,2005;Chen et al., 2013; Wang et al., 2018）。珊瑚骨骼的δ18O 同时受到海水SST 和海水表层盐度SSS（Sea Surface Salinity）变化的控制，是能反映SST和SSS变化的相关性指标（McCulloch et al., 1994; Yu et al., 2005; Bolton et al., 2014;Wang et al., 2018）。珊瑚骨骼的δ13C 与径流、降雨量和Suess 效应等影响海洋表层δ13Csw的诸多因素存在密切关系（McConnaughey, 1989; Swart et al., 2010; Deng et al., 2017;Han et al.,2019）。同时还因受到珊瑚光合共生藻类光合作用的影响而被认为具有指示珊瑚白化的潜力（Suzuki et al., 2003; Allison et al., 2012; Xu et al.,2017;Wang et al., 2021; Xu et al., 2022）。因此，通过对珊瑚骨骼条带进行高精度Sr/Ca、δ18O和δ13C分析能同时还原在珊瑚生长时期内的气候环境记录和生理状态特征变化。海洋极端高温事件不仅会导致水体SST 明显升高以及其他环境因素发生显著变化，同时还会引起珊瑚共生藻大量流失甚至产生珊瑚白化现象。而这种水文条件和珊瑚生理的异常状态将反映在珊瑚骨骼的地球化学元素变化中。因此，结合现代水文数据，探讨珊瑚骨骼Sr/Ca、δ18O和δ13C等地球化学指标在极端高温事件中的异常特征和相关规律，对于利用珊瑚重建过去高温记录，还原极端高温事件的发生频率、强度和变化趋势等具有重要意义。

南海作为西太平热带海区最大的边缘海，是造礁珊瑚的重要栖息地（Morton et al.,2001）。近代高温事件的相关研究记录多集中在南海中北部海区（Chen et al., 2012;Li et al., 2012; Huang et al., 2020;Xie et al.,2020；张文静等，2020）。相比之下，南海南部海区的相关研究因缺乏器测资料而较为少见。因此，本研究拟通过对南海南沙群岛生长时期在1971-1999年的2个现代滨珊瑚岩心样品进行连续的珊瑚骨骼Sr/Ca，δ18O和δ13C分析，并结合现代气候数据探讨珊瑚骨骼地球化学指标的气候意义、在历史极端高温事件中的响应特征以及对极端高温事件的潜在应用价值。以期为珊瑚重建和还原过去的高温记录等相关研究提供依据。

1 研究区域概况

南沙群岛坐落于南海西南部（图1），共有岛礁约120 个，包括大量环礁、台礁以及少量的礁丘。该海区以热带季风气候为主，海表温度常年在25ºC以上，且干湿季节极为明显，受热带气旋影响较大，强台风作用在下半年极为明显（林锡贵等，1990；聂宝符等，1997）。南沙群岛珊瑚礁分布广泛，已鉴定的种类超过100种，以鹿角珊瑚为主要优势种类，滨珊瑚是最为常见的大型种类（Dai et al.,1996;Zhao et al.,2013）。总体上，南沙群岛海区的珊瑚生态调查资料仍以单个岛礁为主，样本覆盖度低，其实际的珊瑚种类数必然更高。

图1 南海南沙群岛海区样品采集示意Fig.1 Sampling location in the Nansha Islands,South China Sea

永暑礁位于南沙群岛西北一侧，坐标大致在9º30'-9º42'N、112º54'-113º04'E范围内，距西北方向的中南半岛海岸线最短直线距离不超过500 km，礁坪主体呈橄榄状，东北至西南长轴约26 km，而西北至东南短轴仅为6 km，中央的潟湖面积近100 km2，最大水深约30 m（Yu et al.,2006）。永暑礁礁坪长期位于海平面以下，仅西南和东北区域部分礁坪在低潮时会露出海面。永暑礁海域的滨珊瑚数量较多，但个体相对较小，并未发现任何直径超过1 m的滨珊瑚。

2 材料与方法

2.1 珊瑚样品采集和前处理

采用水下原位钻取法，于1999年5月在永暑礁海区通过钻头内径为6 cm的水下钻机获取滨珊瑚岩心样品YSL24 （生长时间为1985-1999 年） 和YSL2A（生长时间为1971-1999年），岩心长度分别为18 和25 cm。2 个岩心样品均采自活珊瑚，表面距海平面均超过3 m，在最低潮位仍然位于水面以下。

将珊瑚岩心置于切割机上沿岩心延伸方向切割，获得厚度约7 mm 的切片样品。对岩心切片进行X光影相分析（图2）。随后将切片样品放入15%的H2O2溶液中浸泡48 h。待彻底清除有机杂质残留后将切片样品放入超声波清洗器，并加入适量去离子水清洗20 min，重复清洗4 次后将珊瑚切片取出置于烘箱中40ºC低温烘干。

图2 南沙群岛滨珊瑚板块样品骨骼X光影像Fig.2 The X-ray images of Porites coral slices in the Nansha Islands

根据X 光的条带影像确定珊瑚板样品主生长轴，并沿该轴线从顶部至下通过微型钻机获取连续的粉末样品，每个粉末样品采集的平均间隔约为0.7 mm，每年获得13～15 个粉末样品，2 个滨珊瑚切片共获得533个珊瑚粉末样品。

2.2 室内地球化学分析和数据处理

珊瑚粉末样品的Sr/Ca 序列分析在Varian720E ICP-AES 电感耦合等离子体原子发射光谱仪完成。在各个珊瑚文石骨骼粉末样品中称取1 mg 置于15 mL 离心管中并以2%的硝酸稀释，稀释倍数达到12 000倍。待样品充分溶解后放入ICP-AES自动进样器行分析，为确保精度，每个样品的分析工作重复5 次。同时，每隔3 个样品中插入1 个监控样DOL-1 以校正仪器误差，所有的监控样为同一溶液。

δ18O 和δ13C 分析工作在中国科学院南海海洋研究所边缘海和大洋重点实验室的Thermo-Fisher MAT-253稳定同位素质谱仪上完成。将珊瑚粉末样品分别放入MAT-253 的自动进样器中，在70ºC 高温下以105%的过饱和磷酸充分溶解后释放出CO2进入质谱仪，并对其氧、碳同位素的组成成分进行分析，并使用NBS-18 标样［δ18O=-23.20±0.10‰；δ13C=5.01±0.04‰（1σ）］进行Vienna Pee Dee Belemnite（V-PDB）标准化校正。结果显示，NBS-18的δ18O 测试精度为0.08‰，δ13C 的测试精度达到0.03‰。

本研究中海南文昌海区的月平均SST来自海洋气象站清澜站的器测记录（王平等，2021）。南沙群岛海区的SST 取自精度为1º×1º的网格OISST（Optimum Interpolation SST①https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.noaa.oisst.v2.html，）。ENSO（El Niño-Southern Oscillation）活动指标以ONI 指数衡量②https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data，该指数以连续>0.5ºC或＜-0.5ºC时间超过5个月定义为1 次El Niño 以及La Niña 事件，而其中当指数最大值>2或者最小值＜-2时，该事件定义为超强El Niño以及La Niña事件。每月日平均降雨量数据来源于Global Precipitation Climatology Project（GPCP）v2.3 卫星网格数据③http://climexp.knmi.nl/select.cgi？id=someone@somewhere＆field=gpcp_23，分析精度为2.5º×2.5º。考虑到珊瑚骨骼多地化指标的影响因素差异导致的年周期相位差（余克服等，2002；Xu et al.,2022），采取最邻插值和线性插值结合的方法对地球化学数据进行年周期插值处理（Bolton et al.,2014; Wang et al., 2018），将Sr/Ca 周期极值与月SST极值的主要控制点，然后以最邻插值法插入各年份周期的相应月份，缺省部分进行线性插值处理。

3 结果分析

2个滨珊瑚Sr/Ca值在8.64～8.84 mmol/mol之间波动，并表现出明显的周期性变化特征（图3），这与温度季节变化趋势一致。YSL24 的δ18O 在-5‰～-6‰之间波动，而YSL2A 的δ18O 变化范围为-5.4‰～-6.3‰。整体上，2个珊瑚骨骼的δ18O与Sr/Ca周期基本吻合，其周期的高值区大致与Sr/Ca周期极高值较为一致，但在部分序列周期δ18O极小值与Sr/Ca极小值位置差距明显，这可能与δ18O在部分季节受到海水盐度变化的影响有关。根据Gagan等（2000）的方法，结合Sr/Ca序列扣除δ18O的SST分量，获得代表SSS分量的Δδ18O，具体公式为：

图3 滨珊瑚YSL2A和YSL24的Sr/Ca、δ18O、Δδ18O和δ13C序列Fig.3 Sr/Ca,δ18O,Δδ18O and δ13C proxies of Porites coral YSL24 and YSL2A

式中：Tδ18Oanomaly是珊瑚骨骼的δ18O距平值和∂δ18Ocoral/∂T计算的δ18O-SST距平值，TSr/Caanomaly是珊瑚骨骼Sr/Ca距平值除以∂（Sr/Ca）/∂T计算的Sr/Ca-SST距平值，根据表1 中Sr/Ca、∂δ18O 分别与SST 的拟合结果，以均值-0.145 作为∂δ18Ocoral/∂T值，以均值-0.042 作为∂（Sr/Ca）/∂T来计算TSr/Caanomaly值。从结果看，珊瑚骨骼的Δδ18O序列呈现明显的周期性特征（见图3），这与SSS年周期性变化特征相符合。

表1 滨珊瑚Sr/Ca和δ18O与SST的线性拟合结果Table 1 Linear relationship between the Sr/Ca or δ18O of the Porites corals and SST

2 个滨珊瑚样品的δ13C 序列整体上在-0.4‰～-2.4‰的范围波动，周期性特征明显，但与Sr/Ca存在明显的相位差，滨珊瑚YSL24 在1998 年的条带中出现异常性负偏现象，其下降幅度达到1‰，导致δ13C 值降至-2.2‰。而YSL2A 骨骼δ13C 分别在1973、1983 和1998 年出现异常负偏，其幅度在1.2‰～1.6‰，使得δ13C值下降至-2.4‰。同步的Sr/Ca-SST 和Δδ18O 序列变化表明，这4 次异常负偏发生均在夏季（见图3），导致δ13C迅速下降至极低水平，这可能表明珊瑚在此期间发生了较为强烈的生理性变化。

4 讨论

4.1 南沙群岛海区的极端高温事件与滨珊瑚骨骼Sr/Ca序列的响应特征

作为西太平洋暖池的延伸部分，南海海区海水SST变化长期受到ENSO（El Niño-Southern Oscillation） 活动的影响（Wang et al., 2000; Liu et al.,2011），从OISST 的结果显示，所有超过南沙海区最大月份均值MMM（Monthly Maximum Mean）记录的年份均处在El Niño时期，表明ENSO活动是南海南部海区发生高温事件的重要控制因子。这其中，超强El Niño 事件对南海甚至整个西太平洋海区的SST提升最为显著，并因此导致的极端性高温事件对珊瑚的胁迫程度也最高（陈永利等，1997；王东晓等，2002；张祥玉等，2009；张文静等，2020）。根据ONI 指数的强度变化（图4），1970-1999 年发生了3 次超强El Niño 事件（1972/1973、1982/1983 和1997/1998）。南海南部海区在1998 年初出现异常的暖冬（SST>28°C），而夏季则达到1982 年以来的最高记录（超过30.7°C），其整个年周期的SST 也显著高于其他年周期，这与在1997/1998 超强El Niño 驱动下南海海区SST 全年均表现出极高的正距平效应相吻合（王东晓等，2002）。尽管OISST的记录显示SST在1983年的高温并未达到1998年的异常程度，但该年度在南海及西太平洋多个海区发生的珊瑚白化以及大量死亡的记录（Glynn et al., 1988; Goreau et al., 1994; Yu et al.,2012; Wang et al., 2018; Chen et al., 2021） 表 明，1982/1983超强El Niño导致的1983年夏季SST升高对整个西太平洋海区珊瑚都造成实质上的生态胁迫。与此同时，南海北部清澜站1973 和1983 年夏季均有2个月的SST高出MMM值（30.6°C），其最高的SST 记录仅次于1998 年夏季的高温记录（王平等，2021），充分表明这2次超强El Niño事件对南海海区的显著升温效应。

图4 滨珊瑚Sr/Ca和δ18O序列与SST和ENSO活动的比较Fig.4 Sr/Ca and δ18O of the in Porites and a comparison with the OISST and ENSO

滨珊瑚YSL24和YSL2A的Sr/Ca与SST拟合结果反映二者之间存在极为显著的线性负相关关系（见表1），同时，2个滨珊瑚建立的Sr/Ca温度计斜率值与Mitsuguchi等（2008）在中南半岛南部海区建立的Sr/Ca-SST温度计斜率值（-0.044）也接近。在年际变化上，滨珊瑚YSL2A 和YSL24 骨骼在1998 年的Sr/Ca 周期中表现出比序列其他年周期更低的数值，这与该年度显著高于其他年份的SST记录特征相吻合。同时，滨珊瑚YSL2A的Sr/Ca序列在1973 和1983 年同样表现出比其他年份更低的水平，表明Sr/Ca记录的2个年份的SST水平也显著高于其他年份。因此，滨珊瑚Sr/Ca 序列在3 次超强El Niño时期的异常低值，对应南沙群岛海区因ENSO 活动导致SST 显著升高的信号特征。综上，滨珊瑚骨骼Sr/Ca在1973、1983和1998年表现出低于其他年周期的信号，与1970-1999 年3 次超强El Niño 时期的高温特征相吻合，表明珊瑚骨骼Sr/Ca序列能清楚记录历史极端高温事件。

4.2 南沙群岛珊瑚骨骼δ18O 变化的气候意义及与高温事件的对应关系

在南沙群岛海区，2个滨珊瑚骨骼δ18O序列均与SST 呈现显著的负相关关系（r2>0.4，P＜0.000 1），且斜率值也处于南海滨珊瑚δ18O 温度计斜率范围内-1.2～-1.7（Yu et al., 2005; Su et al., 2006; Bolton et al.,2014;Wang et al.,2018）。在年际变化上，2个滨珊瑚的年平均δ18O 与Sr/Ca 值表现出相近的变化趋势，表明δ18O同样受到SST变化的强烈影响（见图4）。滨珊瑚YSL24 和YSL2A 在1973、1983 和1998年的条带δ18O值在整个序列中同样处于较低的水平，这与高温记录吻合。但相比Sr/Ca序列，δ18O在3个超强El Niño年的温度异常却并不明显。这可能与δ18O同时还受到SSS变化的影响有关。尽管滨珊瑚骨骼的δ18O 年周期与Sr/Ca 变化大致吻合，但在部分年份，δ18O 在年周期的后半段会出现与δ18O响应SST 变化特征不一致的低值。在南沙群岛海区，SST 和SSS 变化对珊瑚骨骼的δ18O 的影响存在拮抗效应。SST 上升会加快蒸发作用导致SSS和海水δ18Osw的上升，而随着SST 下降，南沙群岛海区恰好进入雨季，强降水在降低SSS的同时也提升了水体δ18Osw（Deng et al., 2009; Bolton et al., 2014）。因此，珊瑚骨骼δ18O序列在年周期后半段的极低值应该是由海水δ18Osw变化抵消了SST 下降所致。Bolton 等（2014）发现南海中部海区珊瑚骨骼的δ18O 在雨季与降水之间存在显著的正相关关系，正是海水δ18Osw对珊瑚骨骼δ18O的影响在部分季节超过SST 的体现。实际上，温差越低的海区SSS变化对珊瑚骨骼δ18O 季节变化的影响还会进一步增加（Dunbar et al.,1984;Linsley et al.,1994）。相比于南海中北部海区，南沙群岛海区无论是SST 年周期变化幅度还是年际变化幅度均大大降低，较低的温差变化导致SST对δ18O的影响更弱，因而在部分季节可能更容易受到降雨、洋流等SSS相关因素的影响，从而导致δ18O 在异常高温年份的信号不敏感。

而通过Sr/Ca序列去除温度部分后，Δδ18O的周期性进一步体现出海水SSS变化的相应影响。在南沙群岛海区，降雨是影响SSS和海水δ18Osw的重要因素（Xu et al., 2022），淡水大量输入将导致水体δ18Osw急剧下降，因此降雨往往与珊瑚骨骼的Δδ18O周期呈现明显的负相关特征（Gagan et al., 2000;Bolton et al.,2014）。根据南沙群岛气候特征，将年周期分为升温少雨（1-4 月），高温（5-8 月）和雨季（9-12月）3个时期，并对每年3个时期降雨量和珊瑚骨骼Δδ18O进行线性拟合，结果表明，2个珊瑚Δδ18O与降雨量之间存在显著的负相关特征（图5-a）。这不仅反映南沙群岛海区的滨珊瑚Δδ18O 与SSS 变化的同步性，同时也证明δ18O 序列年际变化对高温信号的不敏感性可能与降雨量变化带来的SSS拮抗作用有关。另外，滨珊瑚在1973、1983和1998 年的升温少雨时期的Δδ18O 值要略高于序列大部分年份，这可能与超强El Niño 事件带来的升温效应加快了水体蒸发并促进盐度和水体δ18Osw的上升有一定关系。但同年的其他2个时期Δδ18O却并未表现出特异性的变化，说明在整体年际变化趋势上，与降雨等外源水体输入相比，SST对于Δδ18O的影响并不明显。因此，南沙群岛海区Δδ18O的周期性能反映SSS和降雨量的变化状况，但在作为反映高温事件的指标方面则存在不确定性。

图5 滨珊瑚骨骼Δδ18O与降雨量的年份（a）和季节（b）变化Fig.5 Annual(a)and seasonal(b)variation of skeletal Δδ18O in the Porites corals and the precipitation

4.3 南海滨珊瑚δ13C 序列变化与高温事件的对应关系

不同于Sr/Ca 和δ18O 等气候性指标，珊瑚骨骼δ13C 会受到珊瑚共生藻光合作用强度变化的强烈影响，因此，当高温事件强度影响到珊瑚正常生理代谢过程时，珊瑚骨骼δ13C将会发生异常性变化。整体上，南沙群岛海区珊瑚δ13C序列周期的低值往往发生在秋冬季节，其原因是台风天气和雨季减少了日照时长并导致水体悬浮物上升，这在一定程度上阻碍了珊瑚共生藻光合作用过程（余克服等，2002）。同步的Sr/Ca和Δδ18O序列则表明，2个滨珊瑚δ13C 序列分别在1973、1983 和1998 年夏季发生了快速而异常的负偏现象（幅度达到1‰）。尽管影响珊瑚骨骼δ13C变化的因素较为复杂，但南沙群岛海区特殊的地理位置和气候特征决定该海区的珊瑚骨骼夏季δ13C不会因陆源水文条件、工业活动和降雨等因素的影响而产生这种剧烈变化（Yu et al.,2006;Xu et al.,2022）；因此，高温引起珊瑚共生藻光合作用强度急剧下降是导致该海区珊瑚骨骼δ13C在夏季发生异常负偏的最合理因素。事实上，珊瑚骨骼自身共生藻的流失既是珊瑚自身应对高温时的一种生存策略，也是高温造成滨珊瑚生理胁迫的结果。但当高温事件最终引起珊瑚共生藻流失过多导致白化时，其伴随的钙化流体内碳同位素代谢分馏减弱将导致珊瑚骨骼δ13C在短时间内骤然下降至比正常时期更低的水平（Porter et al., 1989; Jokiel et al.,1990;Edwards et al.,2001;Grottolia,2000;Suzuki et al.,2003;Xu et al.,2017;Xu et al.,2022）。这与本研究滨珊瑚的几次δ13C异常负偏事件导致的结果一致。因此，珊瑚骨骼夏季的异常负偏现象与极端高温事件年份的对应，恰恰表明这种负偏现象是珊瑚在高温事件胁迫下导致其短暂白化的结果。

Sun 等（2008）在海南岛文昌海域报道的滨珊瑚部分年代的δ13C序列，根据珊瑚骨骼粉末样的采集间隔和年生长率信息，发现南海北部海区滨珊瑚骨骼条带的δ13C 序列同样在1973 和1998 年夏季出现负偏（幅度超过1.4‰）的特征（图6）。根据清澜站的器测SST数据，1998年海南文昌海区最高的月SST达到32.1ºC（见图6），超出其海区MMM 值1.3ºC，为该海区20 世纪的最高器测记录，这与南海南部的SST结果一致。另外，海南岛文昌滨珊瑚的另一次δ13C夏季负偏发生在1973年，而该年度夏季最高月平均温度达到31.4ºC，是该海区在1998年以前的最高值。这种响应高温记录的δ13C突发性负偏表明极端高温事件导致滨珊瑚共生藻光合作用在夏季发生显著降低，甚至有可能引起珊瑚发生短暂的白化。而南北海区滨珊瑚同时出现夏季δ13C负偏现象则进一步说明1973 和1998 年极端高温事件对珊瑚的负面影响可能覆盖了整个南海海区。

图6 海南岛文昌（a）（Sun et al.,2008）和南沙群岛（b）（YSL2A）滨珊瑚的δ13C和器测SSTFig.6 δ13C in the Porites corals and instrumental SST in the Wenchang,Hainan Island(a)(Sun et al.,2008)and Nansha Islands(b)(YSL2A)

然而，极端高温事件对于珊瑚骨骼的δ13C影响并不仅限于高温时期，当珊瑚共生藻损失过多导致短时间内无法恢复高温胁迫前的密度时，珊瑚光合作用总强度的上限会在很长一段时间内呈现显著低于高温事件发生之前的状态，这将反映在珊瑚骨骼δ13C 后续的周期变化中。由于本研究滨珊瑚采集日期在1999年5月，无法对1998年高温事件后的δ13C变化进行探讨，但滨珊瑚YSL2A在1974和1984年的δ13C 周期的峰值要比1973 和1983 年之前几年的峰值普遍低近0.4‰，这很可能表明珊瑚的共生藻光合作用强度在第二年未能恢复到高温胁迫之前的水平。Wang 等（2018）发现南海北部海区多个珊瑚岩心年度δ13C均值往往在超强El Niño年后显著降低的现象可能同样与高温胁迫导致共生藻光合作用变化有关。值得一提的是，海南岛文昌滨珊瑚1986年条带记录了1次全年度的δ13C负偏过程（见图6），而清澜站的SST记录表明该年度海南岛东部海域夏季和冬季的温度均未达到异常的强度，不会引起珊瑚白化，因此该年度的负偏作用可能是其他因素导致。当然，需要指出的是，对于未出现明显白化信号的珊瑚而言，共生藻密度降低在δ13C年度的持续降低效应的贡献程度仍有待验证。该年度的负偏可能是由降雨和Suess 效应等其他因素的持续性影响或者油气资源泄漏事件等所致（Swart et al., 2010;Xu et al., 2018; Han et al., 2019）。因此，尽管研究表明极端高温事件能造成珊瑚骨骼δ13C的特异性变化，但该变化是否与温度有关，需要结合相关海区的实时气候环境特征进行具体分析。

总之，南海滨珊瑚骨骼δ13C在夏季的异常负偏反映珊瑚在应对极端高温事件时的应激性生理过程，而次年δ13C周期总体水平的下降现象充分反映极端高温事件对珊瑚造成的后续损伤。因此，δ13C异常变化特征与Sr/Ca 记录下的极端高温事件的一致性，不仅反映珊瑚骨骼δ13C序列在指示极端高温事件中的应用价值，也表明南沙群岛海区在1973、1983 和1998 年夏季的高温很可能导致珊瑚自身发生白化。

4.4 南沙群岛海区滨珊瑚骨骼高温信号的环境生态意义

珊瑚骨骼Sr/Ca 以及δ13C 的记录在高温事件的异常性特征是基于高温季节的气候记录和生理性响应的结果，而这种响应信号的明显程度与高温事件的强度以及珊瑚自身的耐受性有关。大型滨珊瑚是南海海区耐热性最高的珊瑚类群之一，极高的共生藻密度保证其在极端高温事件中极低的白化率和死亡率（Li et al., 2008; Sutthacheep et al., 2013; Xu et al.,2016）。因此，能引起滨珊瑚骨骼条带年周期Sr/Ca值发生显著变化，并同时引起珊瑚共生藻类光合作用大幅度降低导致滨珊瑚骨骼夏季δ13C异常负偏现象的高温事件，往往对当地珊瑚群落具有极高的胁迫，甚至很可能导致敏感性种类的珊瑚发生白化死亡。Yu等（2012）对南沙群岛海区大量死亡滨珊瑚进行U-Th 分析表明，其滨珊瑚死亡年代概率曲线在1970 年以后的峰值集中在1973、1983 和1998年附近，这与本研究中滨珊瑚骨骼极端高温记录年份对应，表明该研究发现的滨珊瑚死亡很可能是由高温胁迫导致的珊瑚白化所致。而西太平洋诸多海区在1983 和1998 年夏季同步监测到的大规模珊瑚白化现象，也正是珊瑚群落自身应对极端高温事件的重要生态响应（Glynn et al., 1988; Goreau et al.,1994; McCulloch et al., 1994; Lough, 2000;Arceo et al., 2001; Suzuki et al., 2003; Sutthacheep et al.,2013）。因此，南海滨珊瑚的高耐热性，决定了滨珊瑚骨骼δ13C 异常负偏与同步Sr/Ca 序列中显著的高温信号不仅是滨珊瑚骨骼在高温事件中对气候和自身生理状态的记录，更是极端高温事件造成滨珊瑚所在群落发生白化事件的潜在信号。珊瑚骨骼δ13C 对极端高温事件的指示是基于高温对珊瑚造成明显胁迫效应的反映，尽管该指标比Sr/Ca 等气候性指标能更定性地表现出高温对珊瑚的胁迫程度，但是否能被观测到取决于珊瑚自身的耐受能力，当中等强度高温事件导致珊瑚受胁迫程度较轻，珊瑚快速从白化事件中恢复健康甚至本身并未产生明显的白化现象时，相关的骨骼条带δ13C可能并不会出现相应的异常变化，因而导致难以获取相关的高温信息。因此，为了更加全面地了解珊瑚骨骼地球化学指标在高温机制下的变化模式，仍需要对更多珊瑚样品进行深入分析和探索。

5 结论

通过对南海南沙群岛海区生长时间为分别为1987-1999年和1971-1999年的2个滨珊瑚岩心进行高分辨率的Sr/Ca、δ18O和δ13C分析，探讨南海海区滨珊瑚骨骼地球化学指标对异常高温的响应特征和气候意义。结果表明：1）南沙群岛海区滨珊瑚骨骼的Sr/Ca序列与SST显示极显著的负相关关系，在1973、1983 和1998 年条带中的异常低值清楚地记录了1971-1999 年3 次超强El Niño 导致的高温事件。2）南沙群岛海区滨珊瑚骨骼δ18O 与SST 存在显著的负相关关系，但δ18O对极端高温事件的反映相比Sr/Ca 序列并不显著，其原因可能与珊瑚骨骼δ18O同时受到SST和SSS变化的影响有关。Δδ18O与降雨存在显著的负相关关系，但在高温年份没有表现出与高温相关的明显异常信号。3）滨珊瑚骨骼δ13C 序列在1973、1983 和1998 年夏季发生了异常负偏现象，系高温引致共生藻密度变化，进而导致光合作用强度大幅度降低所致。同时在滨珊瑚YSL2A 在1974 和1984 年的δ13C 周期值比高温事件前有明显的下降，可能与高温导致珊瑚共生藻损失的恢复缓慢有关。综上，滨珊瑚骨骼δ13C 与Sr/Ca记录在极端高温事件发生时具有明显的异常特征，是记录极端高温事件以及珊瑚白化的良好指标。

阐明南沙群岛海区现代滨珊瑚骨骼在极端高温事件中的地球化学响应特征和相关机制，是利用珊瑚骨骼重建过去相关海区极端高温和珊瑚大规模白化历史的重要前提，为进一步研究长时间尺度的气候变化和生态环境影响的效应规律提供重要信息。本研究揭示南沙群岛海区珊瑚骨骼地球化学指标与1970-2000年范围内的3次极端高温事件存在特异性的效应关系。然而，受限于珊瑚的生长年限，未能对更多的极端高温事件与珊瑚骨骼地球化学响应关系进行探讨。为进一步验证和探索更长时间尺度下珊瑚骨骼地球化学特征与高温事件的效应关系，未来仍然需对更多珊瑚样品进行研究。