西菲律賓海2萬年以來浮游有孔蟲殼體重量變化

安佰正，李鐵剛，孫晗杰，于心科，仇曉華

（1.中國科學院 海洋研究所，山東 青島 266071；2.中國科學院 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室，山東 青島266071；3.中國科學院研究生院，北京 100049；4.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟南 250014）

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西菲律賓海2萬年以來浮游有孔蟲殼體重量變化

安佰正1，2，3，李鐵剛1，2，孫晗杰1，2，于心科1，2，仇曉華4

（1.中國科學院 海洋研究所，山東 青島 266071；2.中國科學院 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室，山東 青島266071；3.中國科學院研究生院，北京 100049；4.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟南 250014）

為探討2萬年以來浮游有孔蟲的殼體重量變化及其影響因素，對取自西菲律賓海MD06-3052巖芯的浮游有孔蟲表層種Globigerinoides ruber進行殼體重量分析，基于氧同位素年齡模式，獲得了2萬年以來有孔蟲傳統(tǒng)殼體重量（WMS）和標準化殼體重量（WSN）變化特征。對比兩種殼體重量指標，發(fā)現(xiàn)在本海區(qū)標準化殼體重量指標更為準確。結果表明，2萬年以來，浮游有孔蟲WSN具有不斷變輕的趨勢，整體表現(xiàn)為冰期時殼體重量較重，而全新世時殼體重量相對較輕的特征。末次冰盛期（Last Glacial Maximum，LGM）以來浮游有孔蟲WSN變化曲線同大氣CO2濃度變化曲線具有較好的相似性，推測在該海區(qū)控制殼體重量的主要因素為與全球大氣CO2相關的表層海水的CO32-濃度。

西菲律賓海；浮游有孔蟲；殼體重量

doi：10.11759/hykx20150325001

人為CO2的排放嚴重影響了全球氣候變化。大氣CO2濃度（2COp ）在過去250 a上升了大約40%［1］。過多CO2進入表層海水，導致大洋酸化加劇，表層海水CO32-濃度（［CO32-］）降低，碳酸鹽飽和程度降低［2］。預測顯示，到21世紀中葉，海水碳酸鹽飽和程度將會比工業(yè)革命之前的水平降低30%［3］，這將對海洋生態(tài)和海洋碳庫變動產(chǎn)生重要影響［4］?，F(xiàn)代浮游有孔蟲研究和沉積物樣品的研究顯示，多種浮游有孔蟲如 Globigerinoides ruber、Globigerinoides sacculifer 和Globigerina bulloides等種屬的標準化殼體重量可以作為表層海水碳酸根離子變化的可靠指標［5-9］。浮游有孔蟲標準化殼體重量指標目前已經(jīng)廣泛應用于古海洋學研究，如北大西洋末次冰期-間冰期過渡期的表層海水［CO32-］和2COp 的重建［10-11］、阿拉伯海全新世和末次冰期［CO32-］的估算等。

熱帶西太平洋作為全球最大的水氣熱量輻散中心，在全球氣候變化中發(fā)揮著重要的作用［12］。由于大量暖水的積聚，溫躍層深度較其他海區(qū)深的多，致使深部富營養(yǎng)海水難以上涌，因此該海區(qū)生物生產(chǎn)力低，表層海水［CO32-］與大氣2COp 幾乎處于平衡狀態(tài)［13-14］。大氣2COp 直接影響海水表層的［CO32-］，因此，該海區(qū)成為研究浮游有孔蟲殼體重量對大氣2COp 響應的理想?yún)^(qū)域。在本文中，選取2006年國際海洋全球變化研究第IV航次在西菲律賓海獲得的巖芯MD06-3052，基于AMS14C測年和浮游有孔蟲氧同位素的年代模式，應用浮游有孔蟲標準化殼體重量指標，探討2萬年以來浮游有孔蟲殼體重量對大氣2COp 變化的響應。

1 材料與方法

1.1 柱狀樣材料

研究樣品來自西菲律賓海呂宋島岸外上陸坡上取得的高質(zhì)量巖芯 MD06-3052（14°48.6042′N，123°29.3983′E，水深732 m）。該巖芯位于西太平洋暖池北部邊緣北赤道流分叉處附近（圖1）。

巖芯主要為橄欖灰到灰色粉砂質(zhì)黏土和黏土質(zhì)粉砂，本文選取巖芯上部6～311 cm進行分析。詳細的巖性描述如下：

6～150 cm橄欖綠灰色粉砂質(zhì)黏土，含水量較高，均勻，含大量生物殼體；

圖1 西菲律賓海MD06-3052巖芯位置圖Fig.1 Location map of Site MD06-3052 in the West Philippine Sea

150～234 cm 橄欖灰色粉砂質(zhì)黏土，均一，偶見貝殼碎片，其中227～229 cm見一砂團；

234～242 cm 粉砂質(zhì)黏土向粉砂過渡段，青灰色，粗糙，見大量貝殼碎片；

241.5 cm以下，灰褐色粉砂，顯著變粗（上界面較清晰），含大量貝殼碎片；

260～262 cm 貝殼砂團；

290 cm 左右大量貝殼碎片；

300～327 cm 灰褐色黏土質(zhì)粉砂，含大量貝殼碎片。

1.2 氧碳同位素分析

50℃烘干沉積物樣品，自來水浸泡24 h，利用63μm網(wǎng)篩進行沖洗，將篩上部分再次50℃烘干。體視顯微鏡下挑選20枚左右保存完整的浮游有孔蟲G.ruber，殼徑范圍250～300μm之間。壓碎有孔蟲殼體打開房室，加入3%的雙氧水浸泡半個小時，并加入少量丙酮，超聲30 s，吸出上層液體，50℃下烘干后用來進行氧碳同位素測試。測試在中科院海洋研究所海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室IsoPrime型穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀中進行。測試結果應用國際標準樣NBS18進行校正，δ18O和δ13C的標準偏差小于0.06‰。

1.3 殼重方法

50℃下將樣品烘干，取5 g干樣加水充分浸泡使其分散，過300μm的銅篩分選出粗組分并再烘干。在體視顯微鏡下從中挑取浮游有孔蟲G.ruber殼體30～50枚，放入玻璃小瓶中。首先用5%雙氧水溶液浸泡30 min以去除有機雜質(zhì)，再超聲8 s（頻率40 kHz），以去除有孔蟲房室中的碎屑，放入烘箱50℃下烘干。體視顯微鏡下用潤濕的毛筆挑選無損傷且無明顯斑點的有孔蟲殼體，放至黑色載玻片上并統(tǒng)一使殼體口面向下，用與顯微鏡相連的電腦拍照之后，將被拍照的有孔蟲轉(zhuǎn)移到預先稱好重量的錫杯中。烘干12 h，稱量裝有有孔蟲的錫杯重量，以獲得有孔蟲殼體的總重量。每個層位的總重量除以所使用的浮游有孔蟲個數(shù)，即得到該層位的平均殼體重量（WMS），也即傳統(tǒng)殼體重量［15］。使用圖像處理軟件ImageJ對有孔蟲照片進行處理，以獲得每個樣品的有孔蟲殼體個數(shù)及最小外切圓直徑。使用公式計算出對應樣品的浮游有孔蟲標準化殼體重量。標準化殼體重量WSN使用如下公式計算而來：

公式中，W為該層位的被測有孔蟲殼體總重；Di為該層位的殼體直徑；n為該層位的殼體個數(shù)；Dstandard為標準化直徑，本研究中使用的是400μm（在本研究中使用的浮游有孔蟲G.ruber的直徑均大于300μm，且其直徑主要集中在400μm附近，因此為了方便計算和進行數(shù)據(jù)對比，筆者采用400μm為標準化直徑，即把每個層位的有孔蟲平均殼體重量均轉(zhuǎn)化到400μm有孔蟲的對應殼體重量）。

2 結果

2.1 年齡模式

基于2個AMS14C測年結果（圖2箭頭及數(shù)字標出）及巖芯浮游有孔蟲δ18O［16］曲線（圖2c）與SPECMAPδ18O曲線［17］對比，獲得MD06-3052巖芯上部6～311 cm的2萬年以來的年齡模式。

2.2 浮游有孔蟲G.ruber的傳統(tǒng)殼體重量結果

浮游有孔蟲傳統(tǒng)殼體重量結果如圖2a所示，WMS整體變化范圍為 7.8～17.2μg，最高值出現(xiàn)在12.8 ka左右，最低值7.8μg則分別出現(xiàn)3.3 ka左右。2萬年以來WMS整體呈現(xiàn)不斷增高的趨勢，在大約10.6 ka，出現(xiàn)一個殼重質(zhì)量低值（8.5μg）。12 ka之前，WMS的平均重量（13.1μg）高于12 ka之后的平均值（10.5μg）。說明浮游有孔蟲WMS在全新世相對于末次冰期冰盛期要低。而在1萬年以來的全新世期間，殼體重量也存在小幅度的變化，在距今5～8.3 ka之間，即全新世適宜期，WMS相對較大。

圖2 MD06-3052巖芯浮游有孔蟲表層種傳統(tǒng)殼體重量（a）、標準化殼體重量變化曲線（b）以及氧同位素記錄（c）Fig.2 Comparison ofG.rubermean shell weight（WMS），standard size normal weight（WSN），and δ18O at Site MD06-3052

2.3 浮游有孔蟲G.ruber標準化殼體重量結果

浮游有孔蟲G.ruber的WSN變化趨勢（如圖2b）與WMS的變化趨勢相似，但存在一定的差別。WSN整體變化范圍為8.8～15.8μg，最高值和最低值分別也出現(xiàn)在12.8 ka和3.3 ka左右。2萬年以來WSN整體呈現(xiàn)不斷升高的變化曲線，該趨勢比WMS曲線更為明顯。1.2～4 ka之間，WSN變化幅度整體在12μg左右波動，之后快速增加。

3 討論

3.1 選擇浮游有孔蟲G.ruber種屬的原因

在有孔蟲個體發(fā)育過程中，浮游有孔蟲殼體的微觀形態(tài)會發(fā)生變化［18］。一個重要的形態(tài)上的變化就是會析出一層光滑的CaCO3薄層，稱為配子成因碳酸鈣，這層碳酸鈣會包在有孔蟲殼體的外圍［19-20］。有孔蟲種間和種外的配子碳酸鹽的增長過程差異很大。比如，G.sacculifer殼體表面沉淀出來的配子碳酸鈣能增加30%的殼體重量［19］，而G.ruber殼體表面則不產(chǎn)出配子成因碳酸鈣［20］。因此，從水體里獲得的G.ruber與從表層沉積物中獲得的G.ruber，其WSN可以直接比較。盡管培養(yǎng)實驗和利用不同的粒徑的有孔蟲獲得的WSN與［CO32-］的梯度關系，均顯示了有孔蟲個體大小并不影響WSN與［CO32-］之間的關系的校正［6，21］。然而，為了使個體發(fā)育和配子發(fā)育的響應程度最低，我們在本實驗中選擇較小的粒徑范圍的有孔蟲進行試驗，因為這樣能夠保證所有的有孔蟲個體處于相似的個體發(fā)育階段。

西菲律賓海處于熱帶西太平洋邊緣，屬于大洋寡營養(yǎng)區(qū)，現(xiàn)代浮游有孔蟲群落調(diào)查以及沉積物調(diào)查研究顯示，該海區(qū)上部水體豐度較高的浮游有孔蟲種屬主要有 G.ruber和 G.sacculifer［22］，而在MD06-3052巖芯中這兩個種屬的相對豐度也是最高的。為了保證測量所用有孔蟲的數(shù)量，G.ruber是該海區(qū)進行有孔蟲殼體重量測量的理想種屬。

3.2 浮游有孔蟲傳統(tǒng)殼體重量結果與標準化殼體重量結果對比

浮游有孔蟲傳統(tǒng)殼重指標自Broecker建立并使用以來［15］，得到了廣泛的應用，主要用來反映深部水體的碳酸鹽溶解程度，在大西洋、印度洋和太平洋取得了一些重要成果。然后，隨著古海洋學研究的深入以及各指標應用的增多，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)殼體重量指標存在著一些不足。比如傳統(tǒng)殼重會受到有孔蟲個體大小變化的影響。Barker［10］在實驗中發(fā)現(xiàn)，殼體重量較輕的樣品，浮游有孔蟲粒徑低于平均粒徑值。利用WSN指標可以進一步減輕浮游有孔蟲個體大小變化對其重量的影響［23］。在圖2中，對比WMS與WSN兩條曲線可以看出，兩者雖然存在著較強的相似性，但是又有較明顯的不同。2萬年來WSN的變化范圍比WMS的變化范圍小。12 ka之前，兩曲線的變化曲線幾乎相似，而在12 ka之后，兩曲線存在較明顯的差別，WSN變化與氧同位素曲線變化更為相似。

安佰正等［23］應用南海南部表層沉積物樣品，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)殼體重量測試獲得穩(wěn)定值需要至少14個浮游有孔蟲個體，而標準化殼體重量方法則僅需6個就可以獲得相對穩(wěn)定的數(shù)值。這說明傳統(tǒng)殼體重量指標需要使用的浮游有孔蟲個數(shù)相對較多。由于MD06-3052巖芯離岸較近，容易受到陸源物質(zhì)以及濁流層的影響［24］，其樣品中的浮游有孔蟲數(shù)量相對較少，因此，在該研究中，WSN指標相對于WMS指標更具優(yōu)勢。

3.3 2萬年以來浮游有孔蟲G.ruber標準化殼體重量對大氣pCO2變化的響應

在表層水體中生活的浮游有孔蟲，其殼體重量主要受到［CO32-］的影響。由于CO2在海水中的溶解度與海水溫度緊密相關，其在水中形成的［CO32-］也與海水溫度相關。所以，理論上，觀察到的殼體重量的變化趨勢應該同時受水體［CO32-］和溫度的控制。研究表明溫度影響有孔蟲鈣化［25］，有孔蟲大小隨溫度變化而變化，因此在應用有孔蟲殼體重量作為［CO32-］的替代性指標時，有必要對有孔蟲大小進行標準化以減少溫度的影響［6，10］。為了明確海表面溫度（sea surface temperature，SST）和［CO32-］對殼重的影響程度，我們利用浮游有孔蟲G.ruber的Mg/Ca比替代性指標來指示SST的變化［16］，發(fā)現(xiàn)冰期時SST較低，而全新世SST增加（圖3）。SST較低時期，大氣CO2溶解加強，會相對降低海水中［CO32-］。而本研究中，在末次冰盛期（Last Glacial Maximum，LGM）時期有孔蟲標準化殼體重量相對于全新世較重，這說明SST并非影響浮游有孔蟲殼體重量的主要因素。

MD06-3052巖芯所在水深大約700 m，遠遠高于該海區(qū)的碳酸鹽溶躍面［26］，因此浮游有孔蟲沉降到海底后，保存程度高，深部溶解作用可以忽略不計。因此可以忽略掉溶解作用對冰期間冰期碳酸鹽保存的差異性。

MD06-3052巖芯中，G.ruber殼重在LGM時期最高，在早全新世時迅速減少，但溫度升高。這變化趨勢在大西洋也有記錄［10］，因此殼重在冰期重這一事實表明了控制殼重的重要因素主要是表層水體碳酸根離子濃度。

殼體重量變化曲線與大氣2COp 變化曲線［27］二者非常相似，也說明控制殼體重量的主要因素是海水中的碳酸根離子濃度。LGM時期大氣2COp 低，表層海水中的［CO32-］相對較高，因此殼體較重，而從冰消期開始，由于大洋深部海水的上涌［28］以及大陸植被的快速繁盛［29-30］，大氣2COp 開始快速增加，因此，表層海水中的［CO32-］濃度增加，導致浮游有孔蟲殼體重量在全新世以來逐漸減輕。然而值得注意的是，浮游有孔蟲G.ruber的殼體重量變化并非完全與大氣pCO2一致，還存在一定的差異性。比如在12.8 ka左右浮游有孔蟲殼重出現(xiàn)一個異常高值現(xiàn)象，而此時大氣 pCO2雖然相對較低，卻并非22 ka以來的最低值。浮游有孔蟲殼體重量的低值恰好發(fā)生在全球極端冷事件Younger Dryas事件附近，很可能與該時期西太邊緣海海平面大規(guī)模的下降緊密相關［31］。海平面下降會引起周邊陸地大量出露，導致海水的碳儲庫作用減弱，海水堿度增加，而殼體重量則明顯增加。另外，在3.5 ka左右，G.ruber的殼體重量有小幅度的降低，也與該時期比較穩(wěn)定的大氣CO2濃度相關性較低。該時期為新仙女木事件以來最寒冷的一次降溫過程［32］，該降溫過程將會嚴重影響到陸地碳庫的生長，使得海洋碳儲庫增強，從而影響了有孔蟲殼體重量。

圖3 MD06-3052巖芯浮游有孔蟲G.ruber指示2萬年以來表層海水溫度（a）和標準化殼體重量（c）與大氣pCO2（b）變化對比曲線Fig.3 Comparison onG.ruberSST（a），WSN（c）record in MD06-3052 with pCO2（b）over the last 20 ka

4 結論

應用位于西菲律賓海的MD06-3052巖芯的浮游有孔蟲種屬G.ruber進行殼體重量測試，獲得該巖芯2萬年以來傳統(tǒng)殼體重量以及標準化殼體重量的變化特征。結果顯示，在該海區(qū)兩個殼體重量指標記錄具有較強的相似性，但標準化殼體重量記錄對于研究中殼體統(tǒng)計數(shù)量偏少的樣品結果相對更準確。冰期時浮游有孔蟲殼體重量相對較重，而全新世則有所降低。標準化殼體重量記錄與大氣2COp 變化記錄進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者具有較強的相似性，說明在該海區(qū)2萬年以來浮游有孔蟲標準化殼體重量受到全球大氣2COp 變化的影響。由于本研究只選取了單一種屬的浮游有孔蟲進行研究，且?guī)r芯部分層位受到沉積擾動，因此研究結果在某些時期可能存在一些不確定性。需要進一步選取更多的種屬以及指標對本研究工作進行印證。

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（本文編輯：李曉燕）

Planktonic foraminifera shell weight record in the West Philippine Sea during the last 20 ka

AN Bai-zheng1,2,3,LI Tie-gang1,2,SUN Han-jie1,2,YU Xin-ke1,2,QIU Xiao-hua4

（1.Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266071，China；2.Key Laboratory of Marine Geology and Environment，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266071，China；3.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；4.No.1 Institute of Geology and Mineral Resources of Shandong Province，Jinan，250014，China）

Mar.25，2015

West Philippine Sea；planktonic foraminifera；shell weight

To investigate the variability and influences of planktonic foraminiferal shell weight in the western Pacific，we determined the mean shell weight（WMS）and shell size-normalized weight（WSN）of Globigerinoides ruber at Site MD06-3052 in the West Philippine Sea during the last 20 ka.Both shell weight proxies show the same lightening trend.The WSNproxy was more accurate than the WMSproxy in our study with relatively fewer G.ruber specimens preserved in the sediments.The WSNresults revealed high values during the last maximum glacial period and low values during the Holocene.Compared with the local sea-surface temperature and ice-core CO2content，the WSNcurve reflects the presence of a carbonate ion in the surface seawater，which is a signal of the global CO2content.

P736

A

1000-3096（2016）05-0115-06

2015-03-25；

2015-05-04

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項項目（XDA11030104）；國家海洋局專項（No.GASI-04-01-02）；國家自然科學基金項目（41230959；41206044）

［Foundation：Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences，No.XDA11030104；State Oceanic Administration special，No.GASI-04-01-02；National Natural Science Foundation of China，No.41230959，No.41206044］

安佰正（1984-），男，山東日照人，博士，主要從事古海洋學與古環(huán)境研究，E-mail：an_baizheng@126.com；李鐵剛，通信作者，研究員，主要從事古海洋與古環(huán)境方面研究，E-mail：tgli@fio.org.ac.cn