由東海、黃海沉積物中有機(jī)碳含量及穩(wěn)定同位素組成重建200 a以來初級生產(chǎn)力歷史記錄

蔡德陵，孫耀，張小勇，蘇遠(yuǎn)峰，吳永華，陳志華，楊茜

（1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東青島 266071；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島 266061）

由東海、黃海沉積物中有機(jī)碳含量及穩(wěn)定同位素組成重建200 a以來初級生產(chǎn)力歷史記錄

蔡德陵1，2，孫耀1*，張小勇1，蘇遠(yuǎn)峰2，吳永華2，陳志華2，楊茜1

（1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東青島 266071；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島 266061）

從20世紀(jì)80年代以來古生產(chǎn)力的重建研究一直是國內(nèi)外海洋生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)，但已有的大多數(shù)研究是在深海區(qū)；而陸架區(qū)的特點(diǎn)是來自陸源物質(zhì)的影響往往比較明顯，因此，研究難度遠(yuǎn)較深海區(qū)大。利用現(xiàn)代沉積物中的有機(jī)碳穩(wěn)定同位素組成來估算海源碳的含量，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合調(diào)查區(qū)域表層沉積物中的幾個初級生產(chǎn)力的代表性指標(biāo)（浮游植物總量、葉綠素a濃度以及硅藻含量）的調(diào)查資料，尋求巖心中海源碳與古生產(chǎn)力指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，再由南黃海冷渦沉積區(qū)3個典型柱狀沉積物中海源碳重建了200 a以來高分辨率的古生產(chǎn)力記錄，這對陸架海生態(tài)環(huán)境演變規(guī)律的研究有重要意義。對重建所得到的南黃海近代初級生產(chǎn)演化因素的初步探討表明，近200 a來初級生產(chǎn)力波動升高與海水表層溫度的升高趨勢是一致的，但其最主要的控制因素還是營養(yǎng)鹽的供應(yīng)，其中陸源營養(yǎng)物質(zhì)和污染物質(zhì)的影響起到了重要的作用。

有機(jī)碳；碳同位素；初級生產(chǎn)力；東海；黃海

1 引言

未來生態(tài)環(huán)境演變趨勢是科學(xué)、社會關(guān)注的焦點(diǎn)，因此，古生態(tài)環(huán)境的重建成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)就是歷史的必然了，海洋初級生產(chǎn)力的歷史記錄的重建是其中的關(guān)鍵內(nèi)容。

Suess［1］和Betzer等［2］研究了海水中有機(jī)碳的通量與初級生產(chǎn)力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者有正比關(guān)系，而與水深成反比。因此，沉積物中有機(jī)碳的累積率被認(rèn)為是表層海水中初級生產(chǎn)力的直接標(biāo)志。其他替代性指標(biāo)主要通過建立這些標(biāo)志物與有機(jī)碳含量的相關(guān)關(guān)系來反演沉積記錄中所反映的古生產(chǎn)力水平。Stein［3］建立了沉積物中有機(jī)碳含量推算古生產(chǎn)力的經(jīng)驗(yàn)公式。Sarnthein等［4］認(rèn)為沉積有機(jī)碳堆積和海洋新生產(chǎn)力（輸出生產(chǎn)力）之間的關(guān)系更密切些。在重建生態(tài)環(huán)境變化方面，賈東國等［5］從珠江口的沉積記錄追溯了近百年來富營養(yǎng)化加劇的趨勢。Yamamuro和Kanai［6］對日本西南部Shinji湖的近岸潟湖3個沉積巖心的有機(jī)碳含量、總氮和總磷以及有機(jī)碳和總氮穩(wěn)定同位素進(jìn)行分析以后重建了過去200 a中該湖的天然和人為因素對水質(zhì)影響的歷史。邢磊等［7］利用生物標(biāo)志物重建了沖繩海槽中部15 ka以來浮游植物生產(chǎn)力和種群結(jié)構(gòu)變化的歷史。南青云等［8］以長鏈不飽和烯酮為指標(biāo)，結(jié)合有機(jī)碳同位素?cái)?shù)據(jù)評價(jià)了沖繩海槽南端7 ka以來古海洋生產(chǎn)力的變化。

沉積有機(jī)碳雖然是表層海水中初級生產(chǎn)力的直接標(biāo)志，但由于有機(jī)碳在向海底搬運(yùn)的過程中以及在海水－沉積物界面附近極易降解而再循環(huán)到水體中，因此，表層水體中形成的有機(jī)碳只有極少數(shù)被保存于下覆沉積物中。一般，有機(jī)碳標(biāo)志物通常用來研究近岸水體及上升流區(qū)等具有高生產(chǎn)力海域的古生產(chǎn)力的變遷。陸架邊緣海雖然只占全球海洋面積的很小部分，陸架沉積物中的有機(jī)碳卻占全球沉積有機(jī)碳的相當(dāng)大的份額，所以，陸架沉積物有機(jī)碳也應(yīng)該是重建初級生產(chǎn)力歷史記錄的良好材料。只是陸架沉積物易受陸源物質(zhì)的影響，尋求一種可以示蹤海源有機(jī)碳的方法會為在陸架海區(qū)域的初級生產(chǎn)力重建提供有效手段。大量的研究證明沉積物中總有機(jī)質(zhì)碳同位素比值可以用來辨別沉積物中的有機(jī)質(zhì)的來源、成巖作用以及環(huán)境變化。McQuoid等［9］利用沉積物中總有機(jī)質(zhì)中的碳同位素比值來研究自14 000 a以來的Saanich Inlet中生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力的發(fā)展、強(qiáng)度以及變化過程。本文試圖利用沉積物中有機(jī)碳含量及其穩(wěn)定同位素組成重建黃海、東海海域陸架區(qū)初級生產(chǎn)力，并探討其與陸架海洋生態(tài)環(huán)境演化歷史之間的可能聯(lián)系。

2 研究區(qū)域和分析方法

2.1 樣品的采集

本文的現(xiàn)場調(diào)查分2個階段：第一階段，2006年在黃海、東海陸架區(qū)（27°～36°N，121°～125°E）進(jìn)行了表層沉積物的采集（圖1），目的是探尋現(xiàn)代沉積物中海源碳與海水中初級生產(chǎn)力的關(guān)系；第二階段，2009年用多管式沉積物采樣器采集了南黃海黃海冷水團(tuán)區(qū)域3個柱狀沉積物樣品［C03（35°N，122°30′E）52 cm長，B17（35°N，123°E）29 cm長和B14（34°N，124° E）36 cm長］，以嘗試由沉積巖心中的海源碳含量來重建海水中初級生產(chǎn)力的歷史記錄。

柱狀沉積物樣品采集上船后以1～2 cm分層取樣，并在0～5°C下冷藏保存在實(shí)驗(yàn)室中。

2.2 樣品的分析

2.2.1 有機(jī)碳（TOC）測定

稱取經(jīng)烘干研磨的樣品約1 g，在用濃鹽酸熏蒸24 h后，由Elemental元素分析儀測定TOC值。

2.2.2 有機(jī)碳穩(wěn)定同位素組成（δ13C）的測定

稱取適量分析過TOC的樣品，裝入經(jīng)950°C預(yù)灼燒2 h后冷卻至室溫的直徑6 mm的石英管中，加入線狀氧化銅絲、銅絲以及銀粉，抽真空至1×10－3Pa融熔封口。混勻后在950°C燃燒2 h。在同樣的真空條件下提取出CO2，送入MAT-251同位素質(zhì)譜儀測量。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)標(biāo)樣的重覆測量精度為±0.07×10－3。

2.2.3 柱狀沉積物210Pb年代測定

每個柱狀巖心以1～3 cm間距取樣測定每一層位的210Pb年代，以取樣年代作為測年零年點(diǎn)，用沉積速率計(jì)算出每個層位的年代。

圖1 黃海、東海沉積物取樣站位圖

3 結(jié)果

3.1 黃東海表層沉積物中TOC及其穩(wěn)定同位素組成的分布

本調(diào)查區(qū)中表層沉積物中TOC含量的范圍為0.05%～1.64%，平均值是0.88%（見圖2a）。

在南黃海J2和B16站位附近有一TOC含量的高值區(qū)，TOC含量可達(dá)1.56%～1.64%，與南黃海中部冷渦H2-4站1.19%的值連成一片。在浙閩近海H3-24和S4-3站1.39%和1.25%是次高值。在長江口北部的H2-10站TOC含量值為0.91%。TOC含量的最低值0.05%出現(xiàn)在調(diào)查區(qū)東北角的B24和長江口外東偏南的S1-5站。

圖2b是黃東海表層沉積物TOCδ13C值的分布。TOCδ13C值的變化范圍為－22.2×10－3～－18.2× 10－3，平均值為－20.8×10－3。高值區(qū)（－19.7× 10－3～－18.2×10－3）在南黃海南部的H2-4、H2-3、H2-6、H2-10、S0-2站這一片區(qū)域以及浙閩近海北部123°～124°E以H2-23和S1-5與S1-6站為中心的區(qū)域；低值區(qū)（－22.2×10－3～－21.9×10－3）在南黃海調(diào)查區(qū)的東北部B25、B24站以及從長江口南槽S1-2站一直順沿岸流向南擴(kuò)散至福建省南部以及浙閩近海南部的H2-27站。

3.2 由查詢歷史資料［10－16］獲得的黃海、東海上層水體中初級生產(chǎn)力指標(biāo)的參數(shù)分布特征

圖3展示了能代表黃海、東海上層水體中初級生產(chǎn)力水平的浮游植物生物量、葉綠素a濃度和硅藻生物量3個參數(shù)的分布特征。調(diào)查區(qū)的浮游植物生物量變化為（2.33～670.3）×104m－3，平均值為155.3 ×104m－3。高值區(qū)［（430.2～670.3）×104m－3］在H2-10、J2 0-1、B22、S5-4、S4-3和S3-3站。低值區(qū)（2.33×104～5.0×104m－3）在H2-23、H2-27、H3-4、S0-2站，其值都在5×104m－3以下。

圖3 黃海、東海上層水體中浮游植物生物量（104m－3）（a）、Chl a濃度（mg／m3）（b）和硅藻生物量（104m－3）（c）的分布

調(diào)查區(qū)表層水體中Chl a濃度變化范圍為0.10～15.96 mg／m3，平均值為3.76 mg／m3。Chl a濃度的高值區(qū)（8.42～15.96 mg／m3）在H2-10、S5-4、J2 0-2、B22、S4-3和S5-2站。低值區(qū)（0.10～0.46 mg／m3）在H3-16、H3-24、H2-6、H2-27、H2-7和H2-29站。

硅藻生物量的變化在0.01～514.00×104m－3，平均值為84.77×104m－3。調(diào)查區(qū)內(nèi)高值區(qū)有3塊，一是浙閩沿岸區(qū)S5-2、H2-29和S4-3站，二是南黃海北部C03和B3站附近，三是長江口區(qū)外123°E左右的H3-19站以及H2-10、S1-2等站位附近海域。

將TOC含量及其δ13C值的分布與代表初級生產(chǎn)力的3種參數(shù)的分布特征作了比較，總體來說，TOC含量在調(diào)查區(qū)中有3個高值區(qū)與初級生產(chǎn)力的3個典型參數(shù)的高值區(qū)大致類似，但還不是精確的重疊。主要是因?yàn)門OC含量包含有陸海源2種不同來源的有機(jī)質(zhì)，像在山東半島水下三角洲會有大量陸源有機(jī)質(zhì)沉積而造成TOC含量的高值，但海洋初級生產(chǎn)力未必有對應(yīng)的高值。因此，在南黃海中部TOC含量的高值區(qū)與浮游植物、葉綠素a及硅藻的高值區(qū)就有一定的位置偏差，這在TOCδ13C值中得到了很好的體現(xiàn)，在南黃海北部有一TOCδ13C低值峰從調(diào)查區(qū)的東北角向西南方向伸展，反映來自渤海的陸源物質(zhì)繞過山東半島向水下三角洲的擴(kuò)散過程，也帶來了豐富的陸源有機(jī)質(zhì)。長江口外海域也存在TOC含量和初級生產(chǎn)力指標(biāo)的高值區(qū)，只是初級生產(chǎn)力高值區(qū)位置偏北，而TOC含量高值區(qū)偏東南，由TOCδ13C低值也反映來自長江的陸源物質(zhì)順沿岸流向浙閩近海的輸運(yùn)過程。第3個共同的高值區(qū)出現(xiàn)在浙閩近海。另一原因是表層沉積物數(shù)據(jù)代表的是幾到十幾年的平均值，而水體中的3種參數(shù)則是年度平均值，在時間尺度上也存在一定的差別。

3.3 柱狀巖心的210Pb年代測定結(jié)果

這3個柱狀巖心中的210Pb放射性活度隨巖心深度的變化呈現(xiàn)出2段線性分布模式（圖4），從表層到拐點(diǎn)呈直線分布特征，其斜率即為沉積速率；拐點(diǎn)以下巖心中的210Pb放射性活度基本恒定。C03、B14和B17站的沉積速率分別為0.350，0.153和0.143 cm／a，根據(jù)沉積巖心長度數(shù)據(jù)確定其底部年齡分別為150、230和200 a。

圖4 C03、B14和B17站的210Pb活度垂直分布（方塊表示210Pb總量，三角形表示210Pb過剩）

3.4 柱狀巖心中TOC及其穩(wěn)定同位素組成的測定

由圖5a和b可見，這3個巖心中TOC含量及其δ13C值的變化范圍分別是：C03柱TOC含量為0.81%～1.62%，平均值為（1.03±0.23）%；δ13C值－22.9×10－3～－21.6×10－3，平均值為（－22.1± 0.31）×10－3。B14柱TOC為0.66%～1.44%，平均值為（0.95±0.16）%；δ13C值－22.1×10－3～－21.4 ×10－3，平均值為（－21.6±0.18）×10－3。B17柱TOC為0.99%～1.52%，平均值為（1.23±0.15）× 10－3；δ13C值－22.1×10－3～－21.5×10－3，平均值為（－21.8±0.14）×10－3。從TOC的平均值來看，B17柱的最大，B14柱的最低。從δ13C值平均值來看，C03柱負(fù)數(shù)絕對值最大，顯示其受來自渤海陸源物質(zhì)的影響最大，而B14柱最大，受南黃海中部冷渦高初級生產(chǎn)力的影響，其海源碳占比例最高。

圖5 C03、B17和B14巖心TOC含量（a）、TOCδ13C（b）和海源碳含量（c）值隨年代的變化曲線

從巖心垂向變化看，C03柱的TOC在表層有最大值1.62%，向下TOC明顯的減小，直至1940年時見到了最小值0.81%，再向下略微振蕩升高。δ13C值從表層的－22.1×10－3振蕩下行至1969年的最低值－22.9×10－3，其后，δ13C值又反彈至－21.8× 10－3左右來回小幅波動，至1912年又跌至－22× 10－3以下。除了在1901年時出現(xiàn)一個1.44%的尖銳窄峰以外，B14柱TOC基本呈現(xiàn)波動下降的趨勢。δ13C值的變化與TOC呈大致反向?qū)?yīng)關(guān)系，在1901年出現(xiàn)一個尖銳的谷。B17柱TOC的垂向分布與B14柱大致類似，也呈現(xiàn)波動下降趨勢，波幅略大但沒有出現(xiàn)那么尖銳的峰值又高的窄峰。δ13C值也對應(yīng)的呈波動向上的趨勢。

4 討論

國內(nèi)外文獻(xiàn)關(guān)于重建初級生產(chǎn)力記錄一般都是以TOC含量作為基本數(shù)據(jù)的，這對于遠(yuǎn)洋情況是可以的，因?yàn)樵谀抢镪懺次镔|(zhì)的影響較小，可以基本上不予考慮，然而陸架區(qū)的情況就不同了，一是陸源物質(zhì)的影響要比遠(yuǎn)洋海區(qū)大得多，二是在不同的地點(diǎn)陸源物質(zhì)的影響程度也會有較大的變化，因此陸源物質(zhì)的影響是必須考慮的。過去文獻(xiàn)中采用的是直接從沉積物中有機(jī)碳含量通過干容重和孔隙率等工程地質(zhì)數(shù)據(jù)和沉積速率等來估算古生產(chǎn)力［1－2，4，18］，可是這樣的計(jì)算在陸架區(qū)用TOC含量作為指標(biāo)會把陸源碎屑中那些有機(jī)質(zhì)也全部包括在內(nèi)，并不能真正反映水體中的初級生產(chǎn)力的實(shí)際水平。所以，需要直接尋求一種沉積物中有機(jī)質(zhì)與海水中初級生產(chǎn)力之間關(guān)系的指標(biāo)。國外有一些學(xué)者Grundle等［19］和Chakraborty等［20］利用沉積物中硅藻的組合來重建古生產(chǎn)力和海洋環(huán)境的變化。還有一些研究者利用碳氮比值作為不同來源的判別指標(biāo)，然而該方法有一個明顯的不足，即陸海源的碳氮比值端元值有比較大的不確定性，這樣會造成計(jì)算海源碳時誤差較大［5，21］。由沉積物中有機(jī)碳穩(wěn)定同位素在陸架區(qū)對陸源和海源不同來源碳的鑒別提供了一種很有效的手段［22－30］。這種方法是一種相當(dāng)成熟的陸架區(qū)域海陸物質(zhì)來源的鑒別方法，在全球范圍內(nèi)都得到了成功的應(yīng)用。

4.1 黃海、東海表層沉積物中海源碳的模式計(jì)算及分布

利用沉積物中有機(jī)碳穩(wěn)定同位素計(jì)算海源碳的模式［22，24］為

式中，δ13C為沉積物中有機(jī)碳的穩(wěn)定同位素值（10－3）；f為沉積物中各組分的百分?jǐn)?shù)（%）；C為沉積物中有機(jī)碳的百分含量（%）；下標(biāo)s、t、m分別代表樣品總含量、陸源組分和海源組分。

國際學(xué)術(shù)界在應(yīng)用碳穩(wěn)定同位素示蹤陸源物質(zhì)在海洋中的運(yùn)移規(guī)律研究時，對海洋源和陸源的端元值選擇時一般選擇－26×10－3為陸源端元值，而－20 ×10－3為海洋源端元值。

實(shí)際上端元值的選擇并不是一成不變的，而是應(yīng)當(dāng)考慮到調(diào)查區(qū)的具體情況。在本文的黃海、東海調(diào)查區(qū)域中，該如何合理地選擇端元值。根據(jù)筆者以前對長江、黃河等河口以及黃海、東海海域若干個航次的有機(jī)碳穩(wěn)定同位素調(diào)查研究的結(jié)果［23－24，31］，掌握了長江和黃河河口區(qū)懸浮顆粒有機(jī)碳（POC）的碳穩(wěn)定同位素的季節(jié)性變化規(guī)律及其變化范圍，1998年中韓合作對整個南黃海海域中5個水深層位中懸浮顆粒有機(jī)質(zhì)的δ13C值的全面調(diào)查所得到的結(jié)果表明，其變化范圍在－28×10－3～－19×10－3，因此，考慮選擇－28×10－3作為陸源端的典型值、而海源端的典型值取為－19×10－3更為合理些。由此，可以根據(jù)各站位表層沉積物中實(shí)測的有機(jī)碳δ13C值和TOC含量值來計(jì)算該站位沉積有機(jī)碳中的海源碳Cm的百分比或者海源碳的含量，計(jì)算所得結(jié)果見圖6。模式計(jì)算得到海源碳的變化范圍為0.026%～1.16%，平均值是0.60%。調(diào)查區(qū)中TOC含量經(jīng)有機(jī)碳穩(wěn)定同位素校正計(jì)算獲得的海源碳含量的3個高值區(qū)與海洋初級生產(chǎn)力的高值區(qū)相對更一致些。在南黃海中部的冷渦區(qū)出現(xiàn)的高值區(qū)（0.85%～1.16%）從H2-4、B16、J2 0-1站一直擴(kuò)展到H2-10站，在長江口區(qū)海源碳含量的高值區(qū)也比TOC的要偏北一些，與初級生產(chǎn)力的高值區(qū)更一致了。第三個高值區(qū)出現(xiàn)在浙閩沿岸中部H3-24和S4-3站。低值區(qū)（0.026%～0.047%）由B10沿南黃海暖流入黃海，經(jīng)B24、B3站一線環(huán)流；另一低值區(qū)在長江口外S1-5和H3-19站這一帶。

表1中比較了黃海、東海表層沉積物中TOC和Cm與初級生產(chǎn)力指標(biāo)之間相關(guān)關(guān)系。由表1可見，巖心中有機(jī)碳含量與浮游植物現(xiàn)存總量及葉綠素a的濃度這兩個初級生產(chǎn)力主要參數(shù)存在有較顯著的正相關(guān)性（p=0.024，n=34）。這就為由柱狀沉積物中的海源碳含量追溯初級生產(chǎn)力的歷史記錄建立了基礎(chǔ)?？傆袡C(jī)碳和海源碳含量與硅藻含量的相關(guān)性就比較差，這是因?yàn)檫@些指標(biāo)所代表的浮游植物種類是有差別的，硅藻代表含硅浮游植物種類，而海源碳代表各種浮游植物的總和，因此，它們受環(huán)境因素的影響會存在一定的差別。

圖6 黃海、東海表層沉積物海源碳含量分布

表1 表層沉積物中總有機(jī)碳含量和海源碳含量與初級生產(chǎn)力指標(biāo)之間相關(guān)關(guān)系的比較

4.2 由沉積物柱狀樣試驗(yàn)性地重建初級生產(chǎn)力歷史記錄

4.2.1 由沉積巖心中的TOC及其δ13C值推導(dǎo)出海源碳含量隨沉積年代的變化曲線

由所選的C03、B14和B17 3個巖心中的TOC及其碳穩(wěn)定同位素δ13C值根據(jù)4.1節(jié)中的模式可以計(jì)算出不同層位上的海源碳含量，結(jié)合由210Pb定年確定的沉積速率所推算的各層位年代，得出了3個巖心中的海源碳含量隨年代變化的曲線（見圖5c）。C03柱的海源碳含量變化范圍為0.47%～0.87%，平均值為0.56%?；咀兓厔菖cTOC的類似，在表層的值最高，向下呈減小的趨勢，在1940年以前其值基本穩(wěn)定。B14巖心海源碳含量為0.38%～0.69%，平均值為0.57%，與C03柱的平均值幾乎相同。該巖心中海源碳含量的波動相對較小，自上而下也呈下降的趨勢，但在1904年TOC出現(xiàn)了最大值1.44%，對應(yīng)的有δ13C值最低值－22.1×10－3以及海源碳含量的最高值0.79%，這可能反映此年代有陸源輸入的峰值出現(xiàn)。B17柱海源碳含量為0.60%～0.82%，平均值為0.71%，是3個巖心中最高的。與B14柱類似的是在1903年該巖心中也出現(xiàn)了δ13C值的第2個低值－22.0× 10－3（僅次于近表層的最低值－22.1×10－3），相應(yīng)地也出現(xiàn)了海源碳含量的第二峰值0.81%?？偲饋砜?，這3個巖心的海源碳含量自上而下變化的總趨勢是下降的。

4.2.2 由沉積物柱狀樣中海源碳含量重建200 a以來初級生產(chǎn)力年代際歷史記錄

在我國陸架海沒有連續(xù)的長時間尺度生態(tài)環(huán)境重建記錄，用儀器測生態(tài)環(huán)境記錄也只有50 a左右，并且大部分不連續(xù)，不能得到年際以上尺度的生態(tài)環(huán)境演變規(guī)律。筆者盡可能地收集了文獻(xiàn)［10－16］中在本文調(diào)查海區(qū)水體中50 a來的幾個代表性的初級生產(chǎn)力參數(shù)（浮游植物現(xiàn)存量、葉綠素a濃度以及硅藻含量）的實(shí)測值數(shù)據(jù)，并與相應(yīng)年份的柱狀巖心中的總有機(jī)碳和海源碳的含量進(jìn)行了相關(guān)性計(jì)算（表2）。計(jì)算結(jié)果表明，海源碳含量與水體中初級生產(chǎn)力參數(shù)的相關(guān)性要好于總有機(jī)碳與初級生產(chǎn)力的相關(guān)性，海源碳含量與水體中初級生產(chǎn)力參數(shù)均在置信度99%以上，呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性。海源碳含量與浮游植物現(xiàn)存量的相關(guān)系數(shù)r為0.403（p=0.005，n= 49）；海源碳含量與葉綠素a濃度同樣有顯著的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.453（p=0.002，n=48）；海源碳含量與硅藻含量的相關(guān)系數(shù)為0.374（p=0.008，n= 49）。與此相比，TOC與浮游植物現(xiàn)存量的相關(guān)系數(shù)為0.302（p=0.039，n=47）；TOC與硅藻含量在置信度95%以上也有顯著的正相關(guān)關(guān)系（r=0.369，p= 0.011，n=47）；TOC與葉綠素a濃度的相關(guān)性不明顯（r=0.139，p=0.357，n=46），這可能與C03柱受陸源物質(zhì)影響比較明顯有關(guān)。筆者采用置信度在99%以上有顯著正相關(guān)關(guān)系的相關(guān)方程式由海源碳含量反演了200 a以來的南黃海初級生產(chǎn)力年代際歷史記錄（見圖7）。從反演得到的初級生產(chǎn)力3個典型參數(shù)浮游植物現(xiàn)存量、葉綠素a濃度以及硅藻含量的歷史變化曲線看，浮游植物現(xiàn)存量是579×104～1 480× 104m－3，葉綠素a的濃度是0.59～0.90 mg／g，硅藻含量是270×104～1 203×104m－3。200 a來這3個巖心的基本共同點(diǎn)是由下而上初級生產(chǎn)力有波動增加的趨勢，C03站在近50 a中增加的趨勢更顯著，而處于冷渦沉積中心區(qū)的B17巖心和B14巖心的初級生產(chǎn)力變化更相似些，在1863—1865，1903—1904和1943年都有初級生產(chǎn)力的峰值出現(xiàn)。B17柱的沉積物類型屬粉砂質(zhì)黏土，其中的TOC與海源碳含量以及重建的浮游植物現(xiàn)存量都最高。C03巖心處于山東半島水下三角洲，在該冷渦的西部邊緣處，受沿岸流所輸送來的黃河陸源物質(zhì)的影響較大，故其沉積速率最高，從巖心頂部到1940年前后，TOC和海源碳含量下降特別迅速，再往下基本上在一個較小的范圍內(nèi)波動，重建的浮游植物現(xiàn)存量、葉綠素a濃度和硅藻含量的歷史記錄變化也基本與此類似。

表2 柱狀巖心中總有機(jī)碳和海源碳與上覆海水中初級生產(chǎn)力參數(shù)的相關(guān)性

張凌等［32］對珠江口外近海沉積物中有機(jī)質(zhì)的早期成巖變化中碳穩(wěn)定同位素的變化研究表明，不同類型有機(jī)物的分解速率差異會導(dǎo)致δ13C值的小幅負(fù)漂移，而同時存在的細(xì)菌有機(jī)質(zhì)的形成和分解會在一定程度上抵消這種負(fù)漂移，因此他們的結(jié)論是δ13C值可以可靠地指示沉積有機(jī)質(zhì)的來源。由此也可以推論本文在沉積速率較高的冷渦沉積區(qū)碳穩(wěn)定同位素組成受早期成巖作用的影響也會是比較小的，不至于影響到初級生產(chǎn)力的沉積記錄的反演的可靠性。

圖7 由海源碳重建的初級生產(chǎn)力的年代際歷史記錄

4.2.3 影響南黃海近代初級生產(chǎn)力演化主要因素的初步探討

要探討重建初級生產(chǎn)力歷史演化的主要控制因素必須從能影響光合作用的環(huán)境因素的演化著手。光、溫度、營養(yǎng)鹽、浮游動物的攝食和水動力條件是影響海洋浮游植物光合作用的重要環(huán)境因子。光照對于浮游植物生長幾乎是滿足的。與水溫、營養(yǎng)鹽相比，海表的光照對浮游植物不是限制因素，光照對海洋初級生產(chǎn)力的影響相對地不是那么重要。

溫度是一切酶促反應(yīng)的控制因子，水溫與初級生產(chǎn)力的關(guān)系密切。如果水溫有利于浮游植物的生長，則水溫每上升10℃，培養(yǎng)液中的細(xì)胞分裂速度一般可增加1～3倍［33］。由于不同種類藻類生長的適溫范圍不同，因此不同水溫可影響浮游植物的生長和種群結(jié)構(gòu)。大氣CO2濃度在工業(yè)革命以后不斷升高，全球氣溫呈現(xiàn)逐步升高的趨勢，1961年以來海洋內(nèi)部的溫度增量大于0.1℃／a，從1979年開始海表溫度以0.13℃／a的速率上升［34］。這與本文對南黃海3個巖心所重建的浮游植物生產(chǎn)力的波動升高的趨勢是一致的，如重建所得C03柱的浮游植物現(xiàn)存量從1950年的約800×104m－3不斷攀升到2010年的1 480×104m－3。B14和B17柱的浮游植物現(xiàn)存量變化趨勢是波動升高的，與全球其他海域的變化相似，如亞熱帶太平洋海區(qū)和夏威夷ALOHA時間序列站的數(shù)據(jù)趨勢也是一致的，它顯示從1969年以來該海區(qū)浮游植物不僅生物量增加，生產(chǎn)力也明顯提升［35］。與溫度的影響相比，營養(yǎng)鹽是對浮游植物生長更主要的調(diào)控因子［36，37］。磷、硅等是海洋浮游植物必不可少的營養(yǎng)鹽，當(dāng)它們不足時，會成為浮游植物生長的限制因素。高磊和李道季［37］研究了黃海、東海西部營養(yǎng)鹽濃度近50 a來的變化，發(fā)現(xiàn)氮、磷、硅等營養(yǎng)鹽有顯著的變化，NO－3濃度快速上升，而SiO2－3和PO3－4的濃度下降，這是由于農(nóng)業(yè)施肥、環(huán)境污染等多種因素所造成。海域中營養(yǎng)鹽的變化與它們在長江等河流中的變化趨勢基本一致，但這并不能說明陸源輸入是海域中營養(yǎng)鹽濃度變化的唯一原因，還應(yīng)該考慮到造成海域內(nèi)營養(yǎng)鹽變化尤其是PO3－4變化的內(nèi)源機(jī)制。南黃海的營養(yǎng)鹽分布受南黃海環(huán)流模式的控制，對黃海暖流的深入研究［38］表明，它并不是對馬暖流的分支，而是從濟(jì)州島鄰近水域由對馬暖流水和東海陸架水形成的混合水區(qū)中衍生出來的，而且黃海暖流的路徑有一定的季節(jié)和年際變異。在冷半年高溫、高鹽水舌從濟(jì)州島西側(cè)直伸北黃海，而在暖半年冷水團(tuán)幾乎覆蓋了黃海近底層的廣闊水域，使黃海環(huán)流結(jié)構(gòu)在冷暖半年存在明顯差別。南黃海營養(yǎng)鹽的分布一方面受長江、黃河輸入以及大氣沉降的控制，另一方面也受黑潮、東亞季風(fēng)、ENSO（厄爾尼諾南方濤動）等多種大尺度自然條件的影響。近來研究全球氣候變化與地球生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化之間的關(guān)系已成為古生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)。近幾十年來ENSO的增強(qiáng)趨勢會影響到我國的陸架海區(qū)，但是對不同海區(qū)的影響有所不同。對臺灣海峽地區(qū)，在1997—1998年強(qiáng)厄爾尼諾事件中冬季表層水溫明顯高于冬季平時的1.4℃［39］。洪華生等［40］的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，臺灣海峽浮游植物對1997—1998年的強(qiáng)厄爾尼諾事件響應(yīng)非常明顯，1988和1997年夏季南部海區(qū)同一斷面的葉綠素分布比較表明，1997年夏季葉綠素濃度顯著低于1988年的，然而在南黃海海域卻還沒有類似的結(jié)果報(bào)道。邢磊等［41］認(rèn)為ENSO對南黃海海域的影響主要體現(xiàn)在使東亞夏季風(fēng)的減弱和冬季風(fēng)的加強(qiáng)，我國北部降雨減少，雖然河流徑流量有所減小，但是河水中營養(yǎng)鹽濃度升高，使長江的入海營養(yǎng)鹽濃度和通量仍然有上升趨勢，這導(dǎo)致了陸源物質(zhì)輸入量的增加。C03柱由于其位處山東半島水下三角洲的南部，受山東半島沿岸流所攜帶的黃河物質(zhì)的影響比較明顯，它的沉積速率是3個巖心中最高的（0.350 cm／a），陸源物質(zhì)的比例也最高，100 a來沉積物中陸源物質(zhì)的比例在40.3%～54.6%之間波動，陸源碳含量變化范圍是0.33%～0.75%，自20世紀(jì)50年代以來陸源碳含量有明顯上升的趨勢，這可能與山東半島沿岸流的增強(qiáng)有關(guān)。因?yàn)樵撗匕读鞯募竟?jié)變化是冬強(qiáng)、夏弱，東亞冬季風(fēng)的加強(qiáng)［42］也會增強(qiáng)該沿岸流。B17柱的陸源物質(zhì)的比例在200 a來變化較小，僅在38.7%～45.6%之間波動，陸源碳含量也呈波動上升趨勢。B14柱與B17柱的類似，200多年來陸源物質(zhì)的比例波動最小，只有38.1%～44.8%，陸源碳含量也有波動上升的趨勢，但僅有0.27%～0.65%。在重建的初級生產(chǎn)力的峰值中由對應(yīng)的碳穩(wěn)定同位素值的變化可以判斷B14和B17站在1903—1904和1863—1865年的峰值明顯與陸源碳的輸入增加有關(guān)，可是1943年的峰值陸源輸入增加就沒有那么明顯。在本調(diào)查的海域，從表層海水中營養(yǎng)鹽的季節(jié)變化看，以總氮濃度為例，一般在秋春季節(jié)較高，而在冬季最低。即使埃爾尼諾事件引起加強(qiáng)的冬季風(fēng)使海水垂直混合加強(qiáng)，使底層營養(yǎng)鹽輸送至表層而提高了初級生產(chǎn)力，也不足以使全年平均的初級生產(chǎn)力有很明顯的提高。由上所述可以認(rèn)為厄爾尼諾事件對我國陸架區(qū)的影響大致有兩種途徑：一是造成海水溫度的升高，提高了海洋生產(chǎn)力，這在臺灣海峽等南方海域有直接的表現(xiàn)，而在南黃海并不明顯；二是厄爾尼諾事件引起我國氣候系統(tǒng)的變化，出現(xiàn)南澇北旱現(xiàn)象和東亞季風(fēng)的變化從而影響到陸源物質(zhì)輸入海洋的變化，進(jìn)而影響海洋營養(yǎng)鹽的供應(yīng)。由3個站位所重建的200 a來初級生產(chǎn)力的演變記錄可以看出其主要的影響因素：一是溫度升高的影響，二是營養(yǎng)鹽的供給因素。后者中長江和黃河兩河流域的人口膨脹和工農(nóng)業(yè)的發(fā)展是更重要的控制因素，在C03柱的表現(xiàn)尤為典型。

5 結(jié)論

由南黃海冷渦沉積區(qū)的3個巖心資料初級生產(chǎn)力歷史記錄的成功重建，證明了應(yīng)用沉積有機(jī)質(zhì)中碳穩(wěn)定同位素組成來估算沉積物中海源碳的沉積記錄，而后反演巖心中200 a以來的高分辨率的初級生產(chǎn)力的歷史記錄的思路是可行的，結(jié)果也是可靠的。對重建所得到的南黃海近代初級生產(chǎn)力演化主要因素的初步探討表明，初級生產(chǎn)力的波動升高與海水表層溫度的升高趨勢是一致的，但其最主要的控制因素還是營養(yǎng)鹽的供應(yīng)，其中陸源營養(yǎng)物質(zhì)和污染物質(zhì)的影響起到了重要的作用。

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Reconstructing a primary productivity history over the past 200 a using the sediment organic carbon content and the stable isotope composition from the East China Sea and the Yellow Sea

Cai Deling1，2，Sun Yao1，Zhang Xiaoyong1，Su Yuanfeng2，Wu Yonghua2，Chen Zihua2，Yang Qian1

（1.Yellow Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Qingdao 266071，China；2.First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China）

The reconstruction of paleoproductivity at home and abroad has been a hot spot in the research of marine ecology since the 1980s.However，most of the studies are in abyssal regions.Continental shelf areas are influenced more obviously by the terrigenous matter and more difficult to be studied than abyssal regions.It makes use of carbon stable isotope compositions in organic matter of modern sediments to estimate the sea-derived carbon contents.Based on this，combining the investigation data of the several representative indicators of the primary productivity in surface sediments（phytoplankton biomass，chlorophylla concentration，as well as the diatom content），to seek correlation between the sea-derived carbon content and the productivity index in cores.Then，the high resolution of the paleoproductivity records over 200 a can be reconstructed from the sea-derived carbon content in 3 typical columnar sediments from the southern Huanghai Sea cold eddy zone.It has important significance for studying the evolution rule of ecological environment in the continental shelf area.Controlling factors on the primary productivity evolution reconstructed for the southern Yellow Sea are discussed elementarily，it shows that the primary productivity wave elevation over 200 a is consistent with sea surface temperature trends，but its main control factor still is nutrient supply，in which land nutrients and pollutants play an important role.

organic carbon；carbon stable isotopes；primary productivity；East China Sea；Yellow Sea

P736.4

A

0253-4193（2014）02-0040-11

2012-08-27；

2013-07-05。

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2010CB428902）；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（40876088）。

蔡德陵（1943—），男，上海市人，研究員，主要從事海洋地球化學(xué)和同位素地球化學(xué)方面的研究。E-mail：dlcai＠fio.org.cn *通信作者：孫耀，研究員，主要從事環(huán)境化學(xué)方面的研究。E-mail：sunyao＠ysfri.ac.cn

蔡德陵，孫耀，張小勇，等.由東海、黃海沉積物中有機(jī)碳含量及穩(wěn)定同位素組成重建200年以來初級生產(chǎn)力歷史記錄［J］.海洋學(xué)報(bào)，2014，36（2）：40－50，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.02.005

Cai Deling，Sun Yao，Zhang Xiaoyong，et al.Reconstructing a primary productivity history over the past 200 a using sediment organic carbon content and the stable isotope composition from the East China Sea and the Yellow Sea［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（2）：40－50，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2014.02.005