中全新世海南潭門濱珊瑚的生長率特征及其氣候意義

李悅兒，余克服,2，顏廷禮，江蕾蕾

［1.a.廣西大學(xué) 海洋學(xué)院；b.廣西南海珊瑚礁研究重點實驗室；c.珊瑚礁研究中心，南寧 530004；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519080］

造礁珊瑚作為理想的重建高分辨率氣候記錄的海洋資料，近數(shù)十年來珊瑚重建歷史時期月-年分辨率氣候環(huán)境變化的研究取得豐碩成果。其中，對于珊瑚骨骼生長條帶的認(rèn)識和理解是將珊瑚作為高分辨率氣候重建的重要基礎(chǔ)。中國珊瑚生長率的研究，最早始于民國時期，馬廷英（1936；1937）于1936 年4—9 月赴東沙群島調(diào)查研究現(xiàn)代造礁石珊瑚成長率，并指出造礁珊瑚成長率確不失為研究古氣候的一個可靠工具；之后由聶寶符于1984年開始使用“珊瑚生長率”這一術(shù)語（聶寶符，1984），并系統(tǒng)介紹了珊瑚生長率的研究地點、珊瑚種類的選擇、采樣要求及生長率獲取、測量、拼接方法等（聶寶符 等，1997）。珊瑚生長率是造礁珊瑚最基本的生長參數(shù)，表示珊瑚骨骼生長速率，即珊瑚骨骼沿最大生長軸每年所增長的量，以cm/a或mm/a為單位，在X光片上珊瑚生長率表現(xiàn)為一組黑白條帶之間的間隔距離（Knutson et al., 1972）。此外，珊瑚生長率不受后期成巖作用改變（Reuter et al.,2005），能提供準(zhǔn)確的年分辨率的氣候環(huán)境變化信息，并且珊瑚骨骼的地球化學(xué)指標(biāo)分析也需在其構(gòu)建的年代框架下進行（Tudhope, 1994），因此珊瑚生長率的研究發(fā)展至今仍具有不可或缺的意義。

珊瑚生長率是諸多因素的綜合反映，表層海水溫度（Sea Surface Temperature, SST）、表層海水鹽度（Sea Surface Salinity, SSS）、光照、水動力條件等都會對珊瑚的生長造成影響（Lough et al., 1997,2000, 2011, 2014；施祺 等，2002；蘇瑞俠 等，2003；Wang et al., 2010）。研究表明，SST 是珊瑚骨骼生長率的關(guān)鍵環(huán)境控制因素（Lough et al.,1997, 2000, 2011, 2014；施祺 等，2002；蘇瑞俠等，2003；Cooper et al., 2012；陳雪霏 等，2023），并且珊瑚生長率和SST存在顯著的線性關(guān)系，基于這種關(guān)系可以重建有器測資料之前的歷史時期SST變化（Nie et al., 1997, 1999; Dang et al., 2020）。南海珊瑚礁星羅棋布、種類眾多、發(fā)育歷史久，自20世紀(jì)90年代以來，南海珊瑚生長率及其與海表溫度變化關(guān)系的研究迅速發(fā)展。如Nie等（1997；1999）最早利用濱珊瑚生長率重建西沙海域過去220 a 以來的SST 變化；黃博津（2013）和張會領(lǐng)（2014；2017）等也根據(jù)西沙海域的濱珊瑚生長率，重建了羅馬暖期和中晚全新世特征時段的SST變化，其結(jié)果較好地響應(yīng)了同期全球的氣候變化；陶士臣等（2021）重建過去500 a（1520—2007 AD）西沙海域連續(xù)的SST序列顯示，西沙海溫存在1520—1825 AD的相對低溫期和1826—2007 AD的快速升溫期2個主要時段，其對赤道西太平洋暖池環(huán)境變化響應(yīng)敏感。此外，部分學(xué)者通過珊瑚生長率的年際和年代際變化重建了南海北部厄爾尼諾-南方濤動（El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO）和太平洋多年代際濤動（Pacific Decadal Oscillation, PDO）活動的歷史（林麗芳 等，2018；Dang et al., 2020）。

綜上，珊瑚生長率是重建區(qū)域SST變化的重要代用指標(biāo)，同時其年際周期還能揭示歷史時期ENSO 等變化。然而，受珊瑚自身生長時段和樣品采集等因素的限制，目前基于珊瑚生長率的氣候記錄主要集中在工業(yè)革命以來的時段（Yu, 2012; Tierney et al., 2015），極少有年代更早的珊瑚生長率研究。而中全新世時期作為全球變暖背景下氣候環(huán)境狀況的地質(zhì)歷史相似型，重建中全新世時期的氣候變化，對揭示氣候變化機制和提高未來氣候預(yù)測的準(zhǔn)確性具有重要意義。中全新世（8200—4200 a BP）是全新世以來最為溫暖濕潤的時期，又稱為全新世大暖期，在其最盛期時（8000—6000 a BP）全球許多地方都比現(xiàn)在溫暖（施雅風(fēng)，1992；de Menocal et al., 2000）。目前，基于代用資料記錄和古氣候模擬重建對于中全新世起止時間、總體氣候特征以及大暖期的定義已有豐富的研究成果。來自全球不同地區(qū)、不同類型的地質(zhì)記錄，總體都揭示了中全新世溫暖濕潤、期間存在氣候突變事件等氣候特征（Bond et al., 1997; Chen et al., 2016; Ramos-Román et al., 2016; van Beynen et al., 2017; Badino et al., 2018; Novenko et al., 2019）。而冰心、孢粉、石筍、沉積物等地質(zhì)記錄由于空間分布不均、時間分辨率低及連續(xù)性差等特點，對中全新世期間影響氣候的關(guān)鍵大氣環(huán)流系統(tǒng)和ENSO等海氣相互作用的研究較為有限（姜大膀 等，2022）。鑒于熱帶海洋在氣候系統(tǒng)中的獨特地位，中全新世氣候變化的研究還需要更多來自熱帶海區(qū)的高分辨率氣候記錄（汪品先 等，1999）。

因此，本文以海南潭門珊瑚岸礁的濱珊瑚為材料，利用X射線照相技術(shù)與圖像處理方法對珊瑚生長率進行測量與分析，獲得中全新世（6143—4356 a BP）海南潭門濱珊瑚的生長率特征，并基于該區(qū)域現(xiàn)代（2005—2021 AD）濱珊瑚生長率與海表溫度的關(guān)系，重建中全新世期間共406 a 的年均SST序列，旨在為全面理解中全新世的熱帶氣候特征提供新的信息。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及采樣點

本文所使用的澄黃濱珊瑚（Porites lutea）巖心樣品采自南海北部海南島東部瓊海市潭門鎮(zhèn)（19°15′N、110°38′E）珊瑚岸礁（圖1）。該區(qū)屬熱帶季風(fēng)氣候，分明顯的旱雨兩季，年均溫24.1°C，最高氣溫出現(xiàn)在7月，年均值為28.3°C，最低氣溫出現(xiàn)在1 月，年均值為17.8°C。多年平均降水量為1 653.4 mm，全年降水量主要集中在每年夏季季風(fēng)盛行的雨季（5—10 月），占全年降雨量的76%～81%。潭門海域的年平均表層水溫約25.6°C，表層鹽度約32.6‰，海水透明度良好，這些條件非常適合珊瑚群落的生長發(fā)育（Yan et al., 2019）。

圖1 研究區(qū)域（a）和采樣位置（b.潭門珊瑚岸礁的分布；c.潭門礁坪實景）Fig.1 Study area(a) and locational distribution of coral core samples ( b.the distribution of Tanmen coral reefs; c.the photo of Tanmen sea area)

2021年7和9月于潭門珊瑚岸礁礁坪處水深5 m左右的位置使用手持式液壓鉆機從頂部鉆取珊瑚巖心，巖心整體呈圓柱狀，長度約為20～30 cm，直徑為6 cm。在實驗室內(nèi)用切片機將上述柱狀珊瑚巖心切成厚度約為7～8 mm 的薄板。將切割完成的珊瑚薄板放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的H2O2溶液中浸泡48 h，再用超聲波清洗4次，每次20 min以去除殘留物質(zhì)，最后將珊瑚薄板放入40°C的恒溫烘箱中烘干48 h以供后續(xù)使用。

1.2 定年及生長率測量

珊瑚樣品的高精度鈾系年代由澳大利亞昆士蘭大學(xué)放射性同位素實驗室測定，年代介于6143—4356 a BP（顏廷禮，2022）。對珊瑚生長率序列分析需以珊瑚薄板上的定年點為基準(zhǔn)，再計數(shù)珊瑚骨骼年層建立起生長紋層的年代框架。H1 心為2021年7月采集的現(xiàn)代活珊瑚樣品，其年代范圍以頂面年齡（2021 AD）為基準(zhǔn)，再根據(jù)生長紋層計年獲得。

使用X光機對處理后的珊瑚薄板拍攝等比例的X光照片（圖2）。通過X光照片可以清晰看出珊瑚骨骼由明暗相間的條紋組成，這些條紋即珊瑚在不同季節(jié)形成的高/低密度生長條帶，相鄰的一條亮條帶的寬度加上一條暗條帶的寬度就是珊瑚一年的生長量。采用圖片處理軟件作為珊瑚生長率測量的主要工具，使用醫(yī)學(xué)軟件RadiAnt DICOM Viewer將X光負(fù)片灰度圖像轉(zhuǎn)化為X光正片，然后使用該軟件中的測距工具測量珊瑚年生長率（cm/a）。在X 光正片上，以白色條帶中間為起止點，一對黑-白色條帶的寬度作為珊瑚骨骼一年的生長量進行測量。

圖2 海南潭門珊瑚樣品X光片及定年點位置Fig.2 Positive X-ray images of the coral skeletons from Tanmen,and the positions of subsamples used for U-Th dating

需要指出的是，在采樣和后期切片過程中，如果珊瑚巖心樣品不是垂直于珊瑚年生長層鉆取，切片方向不垂直于珊瑚年生長層等，均可能引起生長率測量的人為偏差（Saenger et al., 2009）。筆者已經(jīng)充分認(rèn)識到取巖心和切片對生長率的可能影響，在取樣過程中已盡量降低人為因素對生長率的影響。與此同時，為了盡可能減小誤差，對23段化石珊瑚的生長率進行10次測量，去除一個最大值和一個最小值后，求算數(shù)平均作為珊瑚骨骼生長率結(jié)果。對于取到的唯一的現(xiàn)代珊瑚H1，X光片中顯示其中分布有若干孔洞，表明現(xiàn)代珊瑚受生物侵蝕，相對于其他樣品X 光片的生長條帶而言不那么清晰，但仍能識別出明暗相間的條帶。為了保證測量結(jié)果的可靠性，首先對現(xiàn)代珊瑚樣品薄板上明顯的生長軸進行直接測量，并重復(fù)10次，再對X光片使用DICOM explorer 軟件進行10 次測量，同時結(jié)合Acycle軟件對圖像灰度變化進行分析。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

通過上述測量與計算獲得1段現(xiàn)代珊瑚和23段中全新世化石珊瑚的生長率數(shù)據(jù)，并且利用器測資料獲取現(xiàn)代潭門海域的氣候環(huán)境參數(shù)，其中月均及年均海溫數(shù)據(jù)來自英國氣象局哈德利中心提供的1°×1°網(wǎng)格全球海溫數(shù)據(jù)集HadISST①https://www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadisst/（Rayner et al., 2003），年均海表鹽度數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的1°×1°網(wǎng)格全球海洋溫鹽現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)集②http://msdc.qdio.ac.cn，年均太陽輻射數(shù)據(jù)來自美國國家海洋和大氣管理局國家氣候數(shù)據(jù)中心提供的NCEPNCAR再分析資料的1°×1°網(wǎng)格凈短波輻射通量③https://psl.noaa.gov/data/gridded/index.html。

為探究潭門珊瑚生長率與氣候環(huán)境參數(shù)的關(guān)聯(lián)，對現(xiàn)代珊瑚生長率與氣候環(huán)境參數(shù)進行Pearson偏相關(guān)性分析，在控制其他變量影響的條件下分析變量間的線性相關(guān)性；再通過建立一元線性回歸模型進一步確定變量之間的因果關(guān)系，考慮到樣本數(shù)量不夠大，且數(shù)據(jù)中存在若干明顯異常值，因此，在對比各回歸方法并對擬合結(jié)果比較后，選擇使用穩(wěn)健的魯棒回歸（Robust Regression）建立模型。Pearson偏相關(guān)性分析和魯棒回歸的一元線性回歸分析均使用SPSS軟件完成。

為探究潭門珊瑚生長率序列與氣候環(huán)境參數(shù)的周期成分及變化規(guī)律，對現(xiàn)代珊瑚生長率序列和器測海溫進行傅里葉頻譜分析，以分離其顯著的年際周期。中全新世化石珊瑚生長率序列中有16 a的重疊部分，重疊年代為4381—4385 a BP（共計5 a）、4475—4477 a BP（3 a）、5235—5237 a BP（3 a）和5410—5414 a BP（5 a），重疊部分的珊瑚生長率結(jié)果不完全一致，相差范圍為0～0.2 cm/a，但生長率變化趨勢相對一致，對重疊部分的生長率結(jié)果取算數(shù)平均值，拼接形成4段連續(xù)時間較長的生長率序列：5427—5394 a BP （34 a）、5243—5209 a BP（35 a）、4515—4456 a BP（60 a）和4404—4356 a BP（49 a）；再對以上序列進行連續(xù)小波變換，分析這些時段的時頻變化特征，以進一步探討珊瑚生長率在各周期波動的趨勢變化。傅里葉頻譜分析和連續(xù)小波分析均使用Past軟件完成。

2 結(jié)果分析

各段樣品的編號及生長率測量結(jié)果見表1所示?，F(xiàn)代珊瑚平均生長率為1.260 cm/a，最大生長率為1.400 cm/a，最小生長率為1.150 cm/a；中全新世化石珊瑚的平均生長率為1.079 cm/a，最大生長率為1.670 cm/a，最小生長率為0.607 cm/a；中全新世時期珊瑚生長率總體略低于現(xiàn)代珊瑚0.181 cm/a，而生長率的變化幅度大于現(xiàn)代。中全新世珊瑚生長率序列顯示其具有明顯的波動變化：在6143—5855 a BP 珊瑚生長率波動下降，而后在5774—5691 a BP迅速上升；在5672—5647 a BP 珊瑚生長率保持較低水平，隨后在5576—5410 a BP 逐漸上升并在5414—5235 a BP 保持較高水平；在5237—5209 a BP 生長率又下降，直到5179—5149 a BP 期間降至最低，接著在5116—4356 a BP 生長率又大幅度波動上升。同時，在序列中可見3段連續(xù)時間較長的低生長率特征時期，還明顯可見4515 a BP 之后珊瑚生長率變率顯著增大，呈現(xiàn)更為復(fù)雜的波動變化。此外，頻譜分析顯示現(xiàn)代和中全新世珊瑚生長率均存在顯著的3～7 a周期信號，但在5427—5394、5243—5209、4515—4456、4404—4356 a BP 和 現(xiàn)代，期間顯著的主周期及頻率不斷轉(zhuǎn)變。

表1 海南潭門珊瑚生長率測量結(jié)果Table 1 Results of growth rates of corals from Tanmen,Hainan Island

3 討論

3.1 海南潭門現(xiàn)代珊瑚生長率與SST的關(guān)系

大量研究通過統(tǒng)計學(xué)方法以及模型分析法業(yè)已表明，南海北部珊瑚生長率主要受溫度控制，并據(jù)此建立珊瑚生長率與SST 的關(guān)系（Nie et al., 1997,1999；施棋 等，2002；蘇瑞俠 等，2003；黃博津等，2013；陳天然 等，2013；張會領(lǐng) 等，2014）。目前采用一元線性回歸已建立的南海北部珊瑚生長率與SST 線性關(guān)系有：Nie 等（1997；1999）建立海南島南部濱珊瑚生長率與SST的線性回歸方程為SST=2.52×L+24.22（r=0.85），西沙群島濱珊瑚生長率與SST 的關(guān)系為SST=2.25×L+24.772（r=0.876）；張會領(lǐng)等（2017）建立西沙永興島濱珊瑚生長率與SST 的 線 性 回 歸 方 程 為SST=2.0×L+24.91 （R2=0.61）；林麗芳等（2018）建立黃巖島澄黃濱珊瑚生長 率 與SST 的 關(guān) 系 為SST=3.49×L+23.058 （r=0.697）；陶士臣等（2021）建立西沙永興島濱珊瑚生長率與SST 的線性回歸方程為SST=2.25×L+24.767（R2=0.61）。但因為珊瑚對環(huán)境變化的敏感程度在不同種類、不同生長地點存在顯著差異，所以珊瑚生長率與溫度的回歸方程并不完全一致（何學(xué)賢 等，1999）。

海南潭門海域尚缺乏珊瑚生長率與SST關(guān)系的構(gòu)建研究，因此，首先需探究現(xiàn)代海南潭門珊瑚岸礁區(qū)珊瑚生長率是受單因子SST 影響還是受SSS、光照的聯(lián)合控制。對現(xiàn)代珊瑚生長率數(shù)據(jù)與區(qū)域氣候環(huán)境參數(shù)采用偏相關(guān)分析（表2），一階偏相關(guān)中，在控制SSS不變的條件下，SST和光照均與珊瑚生長率有顯著的正相關(guān)關(guān)系，但二階偏相關(guān)中，在控制了SSS 和SST 后，光照與生長率不顯著相關(guān)。在所有不同控制變量情況下，SST與珊瑚骨骼生長率始終保持顯著正相關(guān)關(guān)系，因此SST是海南潭門海域濱珊瑚骨骼生長參數(shù)變化的主要控制因素。圖3 中a、b、c 分別為2005—2021 年潭門海域珊瑚生長率與SSS、SST 和光照的變化曲線，可知珊瑚生長率變化與SST的變化高度相關(guān)且通過顯著性檢驗。此外，雖然光照和鹽度與珊瑚生長率的相關(guān)性不顯著，但在變化曲線上存在一定程度的諧調(diào)性，所以光照和鹽度是海南潭門濱珊瑚骨骼生長的次要影響因素。

表2 海南潭門珊瑚生長率與環(huán)境參數(shù)的偏相關(guān)分析結(jié)果Table 2 Partial correlation analysis results of coral growth rate and environmental parameters in Tanmen

圖3 海南潭門現(xiàn)代珊瑚生長率與環(huán)境參數(shù)（a.SSS；b.SST；c.光照）的變化關(guān)系及與SST的回歸模型（d）Fig.3 Relationship between modern coral growth rate and environmental parameters (a.SSS; b.SST; c.Solar radiation) in Tanmen, and L-SST linear regression model (d)

由于其他環(huán)境因素與珊瑚生長率變化不顯著相關(guān)，在建立海南潭門現(xiàn)代珊瑚生長率與SST的關(guān)系時予以忽略。使用魯棒回歸建立的海南潭門海域LSST一元線性回歸模型如圖3-d所示：

式中：SST為潭門海域年均海表溫度（℃）；L為珊瑚年生長速率（cm/a）；s.e.為標(biāo)準(zhǔn)誤差。根據(jù)兩者的函數(shù)關(guān)系，也即珊瑚生長率每增加1 cm，代表海溫上升約2.7～3.2℃。江巧文等（2016）已證實瓊東海域澄黃濱珊瑚骨骼生長率與SST表現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，這與本文結(jié)論一致。因此，海南潭門現(xiàn)代濱珊瑚的生長率能較為準(zhǔn)確地反映該區(qū)域SST變化。

3.2 海南潭門中全新世SST 總體呈波動變化特征，并存在3個顯著的SST偏低期

考慮到水深對珊瑚生長率也有所影響，南海中全新世的海平面比現(xiàn)代高，在7.0—5.5 ka BP 時期高出現(xiàn)代海平面2～3 m（時小軍 等，2007）。顏廷禮（2022）根據(jù)現(xiàn)代珊瑚和中全新世化石珊瑚的鈾系年代，并結(jié)合珊瑚生長與海平面的關(guān)系，重建了潭門海域珊瑚岸礁記錄的中全新世海平面波動歷史；大型塊狀濱珊瑚的生長上限充其量只能達到大潮低潮面，因此礁坪面成古高海面的極好標(biāo)志。在采樣過程中采集的樣品均為原位、未受外力搬運的珊瑚，現(xiàn)代珊瑚與化石珊瑚均采自于礁坪處；再根據(jù)海平面重建結(jié)果，中全新世化石珊瑚生長位于平均大潮低潮面和平均小潮低潮面之間，古今珊瑚生長時期的水深基本相似。因此，中全新世與現(xiàn)代的珊瑚生長率具有可比性。

將化石珊瑚的生長率數(shù)據(jù)帶入以上建立的潭門珊瑚岸礁區(qū)海表溫度與珊瑚生長率的轉(zhuǎn)換方程中，獲得海南潭門中全新世（6143—4356 a BP）期間406 a的年均SST，圖4為定量重建的海南潭門中全新世SST變化及化石珊瑚生長率序列。中全新世平均SST 為25.7±0.54℃，與現(xiàn)代（2005—2021 AD）平均SST基本接近。中全新世年均SST變化范圍為24.7～26.8℃，在重建時段內(nèi)存在明顯的波動變化，存在3個維持時間較長的低海溫特征時期——5860、5660、5160 a BP，珊瑚生長率重建的平均SST 為25.0±0.54℃。

圖4 定量重建的海南潭門中全新世SST變化及化石珊瑚生長率序列Fig.4 Coral growth rate-SST in Tanmen during Mid-Holocene and sub-fossil coral growth rate sequence

珊瑚生長率重建的SST 顯示，中全新世6—4 ka BP 南海北部SST 與目前全球變暖程度加劇下的現(xiàn)代海溫十分接近，這可能表明當(dāng)時氣候溫暖程度與現(xiàn)代相當(dāng)。目前一系列全新世溫度集成序列顯示，中全新世期間8.0—6.0 ka BP時為暖期鼎盛期，而6.0—4.0 ka BP 總體溫度開始呈現(xiàn)下降趨勢（Marcott et al., 2013; Osman et al., 2021; Rao et al.,2022）。南海北部6 ka BP之前的珊瑚記錄顯示中全新世早中期SST 明顯高于現(xiàn)代，如Yu 等（2005）利用雷州半島全新世不同時期發(fā)育的珊瑚月分辨率的Sr/Ca和δ18O 記錄重建顯示，在6.8—5.0 ka BP 期間SST比現(xiàn)代（20世紀(jì)90年代，該區(qū)最暖的10年）高0.9～0.5°C；Wei等（2007）利用海南島三亞濱珊瑚的月分辨率Sr/Ca 記錄重建中全新世海溫記錄顯示，在6.5—6.1 ka BP 期間年均SST 比現(xiàn)代高0.2～1.5°C。與上述研究相比，本文重建時段的總體SST并沒有顯著高于現(xiàn)代，顯示中全新世6—4 ka BP南海北部SST從鼎盛溫暖期開始下降的過程。南海黃巖島海域珍貝海山底部沉積物中的浮游有孔蟲記錄也支持該結(jié)果，由有孔蟲殼體內(nèi)部Mg/Ca比重建的全新世SST 變化顯示，在9.1—6.3 ka BP，SST 自24.5°C迅速升至29.3°C，達到全新世最大值，溫暖程度明顯高于現(xiàn)代；而在6.3—5.3 ka BP，SST 自27.7°C降至24.8°C（楊俊 等，2020）。

值得注意的是，來自全球的不同代用資料總體都揭示了中全新世8—6 ka BP比現(xiàn)代更加溫暖濕潤的氣候特征，但對于6—4 ka BP區(qū)域氣候與現(xiàn)代相比如何還存在爭議。一些研究認(rèn)為部分區(qū)域在6—4 ka BP期間延續(xù)了暖期鼎盛期溫暖濕潤的氣候特征，氣候溫暖程度仍超過現(xiàn)代，如黎廣釗等（1996）根據(jù)孢粉分析、有孔蟲氧同位素分析、歷史記載及現(xiàn)代氣溫觀測資料綜合探討廣西沿海全新世以來的氣候變化，結(jié)果顯示中全新世中期（6—4 ka BP）時，氣候炎熱潮濕，平均氣溫高于現(xiàn)今3～5℃；Kong等（2014）利用珠江口HKUV16 巖心的長鏈烯酮不飽和指數(shù)重建了香港沿海地區(qū)8 ka BP 以來的SST 變化，結(jié)果顯示7.4—2.6 ka BP SST 保持長期穩(wěn)定且高于現(xiàn)代約2°C。而也有越來越多的證據(jù)表明，全球大部分區(qū)域在該時期氣候轉(zhuǎn)向寒冷干燥，與現(xiàn)代相比溫度可能偏低，如Magny等（2004）綜合了南北半球海洋和陸地的植被、海溫、極地冰蓋、熱帶冰心等44 個替代指標(biāo)記錄，證明5.6—5.0 ka BP 氣候寒冷干燥，且具有全球性；Wanner等（2008）基于全球范圍不同種類的氣候代用資料，并結(jié)合一般環(huán)流模型（GCMs）和中等復(fù)雜性地球系統(tǒng)模型（EMICs）結(jié)果，建立了從全新世中期到前工業(yè)時代的氣候變化框架，其中確定5.4—4.8 ka BP 為新冰期冰川推進的8個時期之一，當(dāng)時氣候突然轉(zhuǎn)冷導(dǎo)致南北半球山地均有冰川前進出現(xiàn)（Thompson et al., 2006）；侯光良（2009）建立的中國東南區(qū)200 a分辨率溫度變化序列中，中全新世6—4 ka BP低于現(xiàn)代年均溫約0.3℃；Abram 等（2009）利用西太平洋暖池邊緣印度尼西亞和巴布亞新幾內(nèi)亞的珊瑚Sr/Ca值重建中全新世SST，結(jié)果顯示5.5—4.3 ka BP 間年均SST 低于現(xiàn)代（1982—1993 AD）約1.2℃；Rodriguez等（2019）利用熱帶大西洋西部2個年代分別為6427 和5199 a BP 的化石珊瑚，通過骨骼Sr/Ca值和U/Ca值獲得年分辨率的Sr-U記錄并重建SST序列，結(jié)果顯示重建的年均SST比現(xiàn)代器測記錄低0.5～0.75°C。

高分辨率氣候重建序列顯示，即使是氣候系統(tǒng)穩(wěn)定性高的中全新世期間仍存在多次冷暖波動。如Yu等（2004）根據(jù)雷州半島角孔珊瑚礁剖面的生長間斷和高分辨率的珊瑚骨骼Sr/Ca重建表明，7.0—7.5 ka BP期間南海北部至少發(fā)生9次大振幅的冷事件；方修琦等（2011）重建的百年尺度全新世溫度集成序列表明，全新世大暖期存在多次百年尺度的寒冷事件。本文基于海南潭門珊瑚生長率重建的中全新世溫度也呈波動變化的特征：在6.1—5.7 ka BP，SST 整體偏暖，部分時段溫暖程度超過現(xiàn)代，但5860 a BP 前后出現(xiàn)一個明顯的低SST 時期；在5.6 ka BP又出現(xiàn)了低SST特征時期，此后數(shù)百年溫度又小幅度波動回升；在5.2—4.6 ka BP，SST整體偏冷，部分時段SST比現(xiàn)代低1℃；在4.5 ka BP前后SST大幅度波動變化，而4.4 ka BP之后SST持續(xù)波動上升甚至超過現(xiàn)代1℃，推測之后發(fā)生的4.2 ka BP氣候突變事件打斷了這一變暖趨勢。

在5860、5660 和5160 a BP 顯著低海溫特征時期，南海北部可能受到規(guī)模較大的冷事件影響，在其他代用資料重建的全新世氣候變化中也記錄了這幾次冷事件。如瞿文川等（1997）利用長江下游西太湖沉積巖心的總有機碳含量、δ13C、磁化率、色素含量以及氫指數(shù)等記錄重建全新世的氣候變化，結(jié)果顯示在7.2—5.7 ka BP 期間，該湖區(qū)普遍溫暖濕潤，而5.7 ka BP以來氣候轉(zhuǎn)向寒冷干燥。李秋子（2018）利用東海陸架泥質(zhì)區(qū)D03 鉆孔的底棲有孔蟲組合重建全新世海洋沉積環(huán)境變化，結(jié)果顯示5.8—5.6 ka BP 為明顯的氣候變冷時期。牛蕊等（2017）利用貴州草海南屯泥炭的腐殖化度和燒失量序列重建中全新世以來的氣候變化顯示，在6.0和5.0 ka BP 左右出現(xiàn)較為明顯的降溫事件。Sadler等（2016）利用熱帶太平洋西部大堡礁的濱珊瑚Sr/Ca值重建中全新世區(qū)域SST，結(jié)果顯示5.2 ka BP為中全新世的冷事件時期，重建SST比現(xiàn)代（2009—2014 AD）器測平均SST 低1.31～2.76℃。Chang 等（2008）利用中國東海東北部沉積巖心中的放射蟲重建全新世以來的SST，結(jié)果顯示在5.1—4.6 ka BP發(fā)生SST 驟降的冷事件。與此同時，對Marcott 等（2013）根據(jù)73 個地質(zhì)記錄集成的全球全新世溫度變化序列進行再分析，發(fā)現(xiàn)在5.8 ka BP增溫短暫停滯，在5.5 ka BP 溫度明顯下降，在5.2 ka BP 溫度大幅度降低，這與本文珊瑚記錄中的3個低海溫特征時期基本對應(yīng)。

3.3 南海北部中全新世ENSO 活動總體比現(xiàn)代弱，但ENSO變率呈現(xiàn)逐漸增強的趨勢

ENSO 是地球氣候系統(tǒng)中最強烈的氣候振蕩，在年際時間尺度上（<10 a）主導(dǎo)著全球大部分地區(qū)的氣候變化。ENSO 直接影響熱帶太平洋的SST、SSS、降水和熱帶氣旋活動，還能通過大氣遙相關(guān)影響南海北部海洋環(huán)境變化。不少研究表明，南海北部珊瑚對ENSO活動有良好的記錄能力，如鄧文峰（2007）利用海南三亞中全新世的珊瑚骨骼Sr/Ca重建了月分辨率SST序列，頻譜分析顯示SST存在顯著的ENSO周期，表明在中全新世的南海氣候受ENSO 活 動 影 響；Jiang 等（2021a；2021b；2023）利用西沙群島過去2000 年的珊瑚骨骼Sr/Ca重建了羅馬暖期、黑暗時代冷期以及中世紀(jì)氣候異常期月分辨率SST 序列和ENSO 變率，結(jié)果顯示ENSO 呈現(xiàn)波動性的演化過程。海南潭門海域現(xiàn)代器測SST資料與現(xiàn)代珊瑚生長率的頻譜分析結(jié)果如圖5-a 所示，現(xiàn)代觀測和珊瑚記錄在年際尺度均存在較為顯著3～7 a 的ENSO 周期，說明海南潭門海域受到ENSO活動的顯著影響，并且該海域的珊瑚生長率能響應(yīng)ENSO活動。

圖5 南海北部中全新世4個時段的ENSO變率變化分析（a.南海北部現(xiàn)代珊瑚與器測資料的頻譜分析；b.中全新世4段拼接較長序列的小波變換；c.中全新世4個時段的概率密度統(tǒng)計）Fig.5 Analysis of ENSO variability in four periods during the Mid-Holocene in the northern South China Sea (a.Spectral analysis of modern coral and instrumental data in the northern South China Sea;b.The wavelet transform of 4 long sequences of the Mid-Holocene;c.Probability Density Statistics for 4 Periods of the Mid-Holocene)

中全新世期間4 段相對較長的生長率序列（5427—5394、5243—5209、4515—4456 和4404—4356 a BP）的小波變換結(jié)果如圖5-b 所示，在4 個時段中均捕捉到ENSO周期，在5427—5394 a BP有一個顯著的5.7～8.0 a的ENSO周期，在5243—5209 a BP 僅出現(xiàn)了一個低頻的2.0～2.8 a 的ENSO 周期，在4515—4456 a BP有一個顯著的2.8～5.5 a的ENSO周期，在4404—4356 a BP出現(xiàn)一個高頻的5.7～8.0 a的ENSO周期和一個低頻的3.2 a的ENSO周期。這表明南海北部中全新世存在ENSO活動，但與現(xiàn)代相比中全新世珊瑚生長率的ENSO主周期改變且頻率顯著降低，中全新世南海北部ENSO 信號較現(xiàn)在弱。

來自南海北部的其他珊瑚證據(jù)也顯示中全新世ENSO活動總體偏弱。Yu等（2010）基于珊瑚骨骼的鈾系年代和14C 年代對南海碳庫年代與El Ni?o的關(guān)系研究表明，6498—5662 a BP的高碳庫年代，指示ENSO 活動明顯減弱。Wei 等（2007）利用采自海南島年代為6500—6100 a BP 的3 個澄黃濱珊瑚，通過月分辨率的骨骼Sr/Ca 值重建中全新世南海SST 變化，發(fā)現(xiàn)序列中存在ENSO 活動周期，諧波分析后6324—6299 a BP 和6217—6175 a BP 的夏季SST 序列中分別表現(xiàn)出4.9 和7.8 a 的ENSO 周期，但與現(xiàn)代器測反映的ENSO相比總體偏弱。孫東懷等（2007）利用年代為5400 a BP 的澄黃濱珊瑚探究中全新世亞洲季風(fēng)氣候季節(jié)性與年際變率，對δ18O 序列的譜分析顯示，冬季溫度序列存在3.2 和2.7 a的ENSO周期，但對比現(xiàn)代冬季溫度周期頻率較低，而夏季降水序列不存在明顯的ENSO周期。

以上4 個時段的ENSO 周期轉(zhuǎn)變指示中全新世ENSO 活動不斷發(fā)生變化，為了進一步量化ENSO變率，根據(jù)珊瑚序列較短的特點采用概率密度函數(shù)（Probability Density Function, PDF）統(tǒng)計方法，該方法已被證實在量化ENSO變率上具有可靠性，并用于重建西南太平洋中世紀(jì)氣候異常的部分時期與20 世紀(jì)早期相似的弱ENSO 變率（Lawman et al.,2020）。PDF 統(tǒng)計結(jié)果顯示（圖5-c），4515—4456和4404—4356 a BP時段ENSO變率顯著增強，中全新世以來（5427—4356 a BP）ENSO 變率呈現(xiàn)逐漸增強的態(tài)勢，中全新晚期4.4 ka BP 較5.4 ka BP 時期ENSO變率增強40%～60%，表明ENSO系統(tǒng)在中全新世晚期活躍，并可能影響4.2 ka冷事件的發(fā)生。

南海北部其他高分辨率的海洋記錄也揭示了中全新世晚期ENSO 變率逐漸增強的趨勢。Sun 等（2005）利用采自海南島東部年代為4.4 ka BP 的濱珊瑚骨骼δ18O 重建中全新世的SST和SSS記錄，其中冬季SST 顯示出顯著的6.7 a 周期，這揭示了4.4 ka BP 期間強ENSO 對南海冬季SST 的影響。Zhou等（2022）利用采自西沙群島的年代為5—3 ka BP的3個鱗硨磲，通過月分辨率的骨骼Sr/Ca值重建中全新世南海北部ENSO變率變化，結(jié)果顯示全新世中晚期ENSO變率不斷增強。

4 結(jié)論

本文利用海南潭門珊瑚岸礁采集的1段現(xiàn)代珊瑚巖心和23段中全新世化石珊瑚巖心，通過X射線照相技術(shù)與圖像處理方法對珊瑚生長率進行測量與分析，獲得了中全新世海南潭門濱珊瑚的生長率特征，并基于現(xiàn)代珊瑚生長率影響因素分析建立了海南潭門海域珊瑚生長率與海溫的定量轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

SST =(2.945 ± 0.237)×L+ 22.481 ± 0.301(1 s.e.)，在此基礎(chǔ)上通過化石珊瑚的年分辨率生長率數(shù)據(jù)，定量重建了中全新世期間累計406 a 的海溫序列，結(jié)果顯示：

1）中全新世化石珊瑚的平均生長率為1.079 cm/a，變化于0.607～1.670 m/a之間，并且存在明顯的波動過程。在序列中可見3段連續(xù)時間較長的低生長率特征時期，4515 a BP 之后年際變率顯著增大，呈現(xiàn)更為復(fù)雜的波動變化。

2）重建中全新世（6143—4356 a BP）的平均SST為25.7±0.54℃，在誤差范圍內(nèi)與現(xiàn)代（2005—2021 AD）平均SST 基本接近；中全新世年均SST變化于24.7～26.8℃之間，存在明顯的冷暖變化，進一步揭示中全新世溫度變化的細(xì)節(jié)；期間5860、5660和5160 a BP是3個顯著的SST偏低期。

3）對比現(xiàn)代與中全新世（5427—5394、5243—5209、4515—4456 和4404—4356 a BP）珊瑚生長率的頻譜周期，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代與中全新世珊瑚的生長率均存在顯著3～7 a ENSO 周期，但中全新世珊瑚生長率的ENSO主周期改變且頻率顯著降低，表明中全新世ENSO活動總體偏弱；概率密度函數(shù)統(tǒng)計顯示，中全新世期間ENSO 變率存在逐漸增強的趨勢。

致謝：陳雪霏副研究員提供了海南龍灣現(xiàn)代珊瑚的生長率數(shù)據(jù)，黨少華博士研究生幫助測量珊瑚生長率和分析數(shù)據(jù)，審稿專家和編輯對論文提出了寶貴的修改意見。謹(jǐn)表謝忱！