3.4 萬年以來南極斯科舍海古生產(chǎn)力演變及其環(huán)境制約

楊春麗，陳志華*，肖文申，王湘芹，鞠夢(mèng)珊，崔迎春，黃元輝，唐正

(1.自然資源部第一海洋研究所 自然資源部海洋地質(zhì)與成礦作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；3.同濟(jì)大學(xué) 海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

1 引言

末次冰期以來，南極冰芯的大氣CO2濃度與南極溫度（氧同位素組成）記錄高度耦合，存在明顯的千年尺度的冷?暖旋回變化[1]，這種變化被認(rèn)為與南大洋海洋過程緊密相關(guān)[2]。研究表明，在現(xiàn)代或全新世條件下，南極極鋒（Antarctic Polar Front,APF）以南的南極區(qū)輸出生產(chǎn)力超過亞南極，但在末次冰盛期（Last Glacial Maximum,LGM）情況發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，亞南極輸出生產(chǎn)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過南極區(qū)[3-5]。Jaccard 等[6]研究發(fā)現(xiàn)，南極極鋒兩側(cè)生產(chǎn)力的蹺蹺板模式是對(duì)整個(gè)晚更新世氣候變化的規(guī)律性反映，但迄今為止還沒有一種機(jī)制可以用來很好地解釋它。研究認(rèn)為，冰期亞南極古生產(chǎn)力高，與源自南美巴塔哥尼亞風(fēng)塵的“鐵施肥效應(yīng)”有關(guān)[3-5]，然而這一觀點(diǎn)也存在爭(zhēng)議，因?yàn)闊o論是在冰期還是間冰期，南大洋沉積物中大部分的陸源物質(zhì)靠洋流和冰輸運(yùn)，而不是大氣[7-12]。

斯科舍海位處南極極鋒以南，是南大洋海洋過程最為復(fù)雜、生產(chǎn)力最高的海域之一[13-14]，底流及復(fù)雜的海底地形地貌與構(gòu)造，導(dǎo)致海底沉積記錄表現(xiàn)出明顯的時(shí)空不連續(xù)和年代的不確定性[15]。本文研究擬從DC-11 巖芯生物硅（Biogenic Silica (opal)，BSiO2或BSi）和有機(jī)氮（Norg）記錄出發(fā)，重建斯科舍海東南部過去3.4 萬年以來古生產(chǎn)力的演化趨勢(shì)，進(jìn)而從營(yíng)養(yǎng)鹽等角度分析探討與古生產(chǎn)力有關(guān)的環(huán)境變化。該研究對(duì)深入認(rèn)識(shí)南大洋過去環(huán)境、氣候變化具有重要意義。

2 區(qū)域背景

斯科舍海西接德雷克海峽，東連南大西洋，北面以南佐治亞群島為界，南鄰南奧克尼群島、南極半島、威德爾海和鮑威爾海盆[15-16]。研究區(qū)位處斯科舍海東南部陸隆區(qū)，介于布魯斯淺灘與南發(fā)現(xiàn)淺灘之間，屬魯斯海道（Bruce Passage），是斯科舍海與威德爾海之間進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的關(guān)鍵海域[15-16]。從南極大陸邊緣冰架裂解下來的冰山隨南極沿岸流做逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，匯合來自南極半島地區(qū)的冰山[17-18]，然后隨威德爾渦流（Weddell Gyre，WG）、威德爾海深層水（Weddell Sea Deep Water，WSDW）和威德爾海底層水（Weddell Sea Bottom Water，WSBW）等向北運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入斯科舍海，最終匯入南極繞極流（Antarctic Circumpolar Current，ACC）[19-20]（圖1）。與此同時(shí)，南極繞極流橫穿斯科舍海北部，其南邊界（Southern Boundary of ACC，SBACC）大體到達(dá)研究站位附近，因而研究區(qū)雖受南極繞極流主流影響小，但受與之有關(guān)的繞極底層水?深層水影響[21]。相對(duì)于整個(gè)南大洋，斯科舍海生產(chǎn)力高，但表現(xiàn)出很強(qiáng)的緯向和經(jīng)向梯度[13-14,22]，與表層海洋營(yíng)養(yǎng)鹽（包括溶解鐵）、溫度、海冰等要素密切相關(guān)[13-14,22-25]。如圖2 所示，風(fēng)驅(qū)動(dòng)的上升流不僅將繞極深層水帶至南極區(qū)大洋表層，同時(shí)將硅酸鹽、硝酸鹽等營(yíng)養(yǎng)鹽輸送至表層，為該地區(qū)海洋生產(chǎn)力提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[26-29]。

3 樣品與方法

3.1 樣品

DC-11 巖芯是2017-2018 年“向陽紅01”號(hào)船執(zhí)行中國(guó)第34 次南極考察航次采獲的重力巖芯。巖芯取樣位置位于斯科舍海東南部陸隆區(qū)（60°24′39.340″S，37°04′52.356″W，水深為2 162 m）。巖芯長(zhǎng)422 cm，本文僅就上部年代框架較為準(zhǔn)確的0～256 cm 段進(jìn)行分析。依據(jù)深海沉積物命名規(guī)范[30]，該段可劃分為3 層（圖3）。第一層為0～117 cm，黃綠色黏土硅質(zhì)軟泥，27～28 cm、72～76 cm 處見深灰色紋層；第二層為117～195 cm，綠灰色硅質(zhì)黏土，117～121 cm 處見灰黑色紋層，140～145 cm 處見深灰色斑塊，161～167 cm處見灰黑色紋層，176～195 cm 處存在深灰黑色紋層；第三層為195～256 cm，灰色含硅質(zhì)黏土，235～245 cm處見淺灰色紋層包裹的灰黑色斑塊。

3.2 方法

圖1 斯科舍海取樣站位與環(huán)流分布（據(jù)文獻(xiàn)[18?20]修改）Fig.1 Map of the Scotia Sea showing Core DC-11 and marine circulation (modified from references [18?20])

圖2 37°W 附近斷面現(xiàn)代硅酸鹽（a）與硝酸鹽（b）含量分布(據(jù)文獻(xiàn)[27]修改)Fig.2 Dissolved silica (a) and nitrate concentrations (b) near longitude 37°W (modified from reference [27])

圖3 DC-11 巖芯巖性地層與年代框架Fig.3 Lithologic stratigraphy and age model of Core DC-11

以1 cm 為步長(zhǎng)，通過GEOTEK 多參數(shù)巖芯掃描儀獲取磁化率等參數(shù)。以2 cm 間距采樣，間隔抽取樣品（4 cm 間距）進(jìn)行BSiO2、TFe2O3、Norg與氮同位素（δ15Norg）分 析。BSiO2采用1 mol/L 的 氫氧化鈉溶 液（NaOH）提取，用鉬藍(lán)比色法測(cè)定，相對(duì)分析精度對(duì)富生物硅樣品優(yōu)于2%[32]。TFe2O3含量采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（ICP-OES）測(cè)定，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%。上述分析在自然資源部海洋地質(zhì)與成礦作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。Norg與δ15Norg分析在自然資源部海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成；取約1 g 沉積物粉末樣，加入過量1 mol/L 鹽酸去除碳酸鹽，接著用去離子水洗滌至中性，冷凍干燥后用Thermo NE1112 型元素分析儀與Delta Plus AD 同位素質(zhì)譜分析儀聯(lián)機(jī)測(cè)試；Norg的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%，δ15Norg值的重復(fù)誤差為±0.2‰。樣品AMS14C 測(cè)年在Beta 實(shí)驗(yàn)室完成，測(cè)年介質(zhì)為酸不溶有機(jī)質(zhì)。

3.3 年代框架

DC-11 巖芯沉積物中未見有孔蟲等鈣質(zhì)生物殼，巖芯年代框架的建立通過有機(jī)質(zhì)的AMS14C 測(cè)年及區(qū)域海陸風(fēng)塵記錄對(duì)比[18,33-36]相結(jié)合的方法。

巖芯沉積物測(cè)年結(jié)果見表1。取1 300 a 作為區(qū)域海洋碳庫年齡（Delta R=（900±47）a）[33,37]，經(jīng)Calib 7.0.4 軟件校正，得到各點(diǎn)的日歷年齡?？紤]到巖芯頂部樣品在取樣過程中可能因傾倒等原因造成一定擾動(dòng)，0～133 cm 段年代框架的建立基于線性回歸，先得到其平均沉積速率，然后再將深度換算成年齡（圖3）。

末次冰期與冰消期南極與南大洋風(fēng)塵沉積記錄發(fā)育，前人研究表明，該時(shí)期斯科舍海巖芯沉積物的磁化率（MS）記錄等與南極冰芯的風(fēng)塵通量之間具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[18,33-36]，可用來厘定海洋沉積物年齡。如圖3 所示，通過DC-11 巖芯磁化率曲線與EDML冰芯nssCa2+通量曲線[31]對(duì)比，發(fā)現(xiàn)巖芯195 cm 和222 cm處的兩個(gè)磁化率峰值能夠比較合理地對(duì)應(yīng)于EDML冰芯19.622 ka BP 和25.722 ka BP 的nssCa2+通量峰值，據(jù)此作為巖芯的年代控制點(diǎn)。

基于上述兩組年齡控制點(diǎn)，得到巖芯的年代框架見圖3。巖芯0～133 cm 段沉積速率為9.97 cm/ka，133～195 cm 段為9.87 cm/ka，195～222 cm 段為4.43 cm/ka，222～256 cm 段為4.14 cm/ka，全新世和末次冰消期沉積速率較高，末次冰期沉積速率較低。

4 結(jié)果與討論

4.1 巖芯古生產(chǎn)力與營(yíng)養(yǎng)鹽記錄

4.1.1 古生產(chǎn)力記錄

本文從無機(jī)和有機(jī)兩種生物成因組分來分析古生產(chǎn)力的變化。DC-11 巖芯沉積物中BSiO2的含量變化范圍為8.04%～65.49%，平均值為38.64%；Norg的含量變化范圍為0.039%～0.115%，平均值為0.079%。如圖4a 所示，巖芯BSiO2含量與Norg含量變化趨勢(shì)基本一致，自下而上大體可分為3 段：（1）33.9～19.6 ka BP，對(duì)應(yīng)末次冰期，BSiO2與Norg含量低，略有起伏，最低值 出現(xiàn)在28～24 ka BP 和22～20 ka BP；（2）19.6～11.7 ka BP，對(duì)應(yīng)末次冰消期，BSiO2與Norg含量總體呈快速升高趨勢(shì)，但在14.1～12.9 ka BP 南極冷倒轉(zhuǎn)期（Antarctic Cold Reversal,ACR）明顯回落；（3）11.7～0 ka BP，對(duì)應(yīng)全新世，BSiO2與Norg含量高，變化平緩，略有起伏，且Norg含量更明顯。海洋沉積物中BSiO2的積累與上層水體的初級(jí)生產(chǎn)力有著密切的關(guān)系，故BSiO2作為古生產(chǎn)力指標(biāo)通?？捎脕碇庇^反映海洋輸出生產(chǎn)力的變化，在鈣質(zhì)生物易溶解、硅質(zhì)生物保存較好的高緯度海區(qū)應(yīng)用尤為普遍[4-5,38]。DC-11 巖芯位于南極繞極流南邊界附近（圖1），南大洋硅質(zhì)帶的南緣[7]，其BSiO2含量整體較高。海洋沉積物中的Norg可能有海源和陸源之分，且易受早期成巖作用影響[39-41]；但從圖4b 來看，巖芯BSiO2含量與Norg含量呈顯著正相關(guān)，線性相關(guān)系數(shù)為0.88（n=64），說明研究區(qū)沉積物中的Norg與BSiO2相似，以海源為主，且早期成巖作用對(duì)它們的影響小，未出現(xiàn)明顯的離散現(xiàn)象；這種一致性反映出它們可能主要受控于南大洋的主要初級(jí)生產(chǎn)者——硅藻，即硅藻的殼體貢獻(xiàn)了BSiO2，而內(nèi)裹有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)了大部分的Norg。

表1 DC-11 巖芯AMS14C 測(cè)年結(jié)果與年齡控制點(diǎn)Table 1 AMS14C data and adopted age controls of Core DC-11

圖4 DC-11 巖芯古生產(chǎn)力、營(yíng)養(yǎng)鹽記錄及相關(guān)分析Fig.4 Paleoproductivity and nutrient records of Core DC-11 and correlation analyses

4.1.2 鐵記錄

南大洋大部分海域以高營(yíng)養(yǎng)鹽、低葉綠素為特征，以風(fēng)塵為主的自然鐵供應(yīng)成為制約其海洋生產(chǎn)力的重要因素之一[23]。如圖4a 所示，DC-11 巖芯沉積物中TFe2O3含量范圍為1.93%～6.58%，平均值為1.93%，其變化與海洋經(jīng)典風(fēng)塵替代指標(biāo)——磁化率[18,32-35]的變化相似，在末次冰期高，在末次冰消期起始階段最高，至15.5 ka BP 后趨于平緩，全新世含量低。這種變化與古生產(chǎn)力的高低變化正好相反。如圖4c 所示，巖芯TFe2O3含量與BSiO2含量呈明顯負(fù)相關(guān)，線性相關(guān)系數(shù)為0.91（n=64）。對(duì)斯科舍?，F(xiàn)代海洋溶解鐵與海洋生產(chǎn)力的研究表明，該海區(qū)鐵限制與高營(yíng)養(yǎng)鹽?低葉綠素現(xiàn)象主要出現(xiàn)在斯科舍海西部（大約50oW 以西）和中部（南佐治亞群島以南、南極繞極流南邊界以北），而巖芯所在的東南部海域，由于靠近南奧克尼群島，加上海冰的季節(jié)性消退，溶解鐵含量高，并支撐了其局部高生產(chǎn)力[23-25]。從巖芯記錄來看，末次冰期和冰消期風(fēng)塵加強(qiáng)，使研究區(qū)鐵供應(yīng)過剩，但并未表現(xiàn)出對(duì)生產(chǎn)力的促進(jìn)作用。

4.1.3 δ15Norg營(yíng)養(yǎng)鹽記錄

沉積物中的δ15Norg記錄可以反映過去表層海水中硝酸鹽的消耗度或利用率[42-43]。DC-11 巖芯δ15Norg比值范圍為2.84%～5.85‰，平均值為4.09‰。如圖4a所示，δ15Norg值在末次冰期大，略有起伏，在28～24 ka BP 有一個(gè)小平臺(tái)期；末次冰消期初始階段δ15Norg達(dá)最大值，然后迅速下降，直至14.1～12.9 ka BP 南極冷倒轉(zhuǎn)期又明顯增大；全新世早期至中期，δ15Norg值小，略有下降和起伏，至全新世晚期趨于平穩(wěn)。前人對(duì)南大洋沉降、懸浮物和表層沉積物中δ15N 的對(duì)比研究表明，海底沉積物全樣的δ15N 值雖然可能因早期成巖作用而變大[43]，但在大陸邊緣等高沉積速率區(qū)，大體與沉降組分或真光層下硝酸鹽的δ15N 值相同，沒有明顯變化[44]。DC-11 巖芯位處南奧尼克群島北側(cè)陸隆區(qū)，末次冰期以來沉積速率大于4 cm/ka，屬于典型的快速富生物硅沉積，因而沉積物中δ15Norg遭受早期成巖改造的可能性小。從前面BSiO2與Norg的高度正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.88，n=6）推斷，Norg可能以硅藻包裹為主。對(duì)比前人在大西洋中部的研究數(shù)據(jù)，末次盛冰期硅藻包裹氮同位素組成δ15Ndiat為6‰左右，全新世為2.5‰[45]，大體與DC-11 巖芯δ15Norg值相當(dāng)。綜上所述，推測(cè)DC-11 巖芯沉積物中δ15Norg值受早期成巖作用影響小，其變化較為真實(shí)地記錄了過去水體的生產(chǎn)力和營(yíng)養(yǎng)鹽狀況。海洋中，大多數(shù)自養(yǎng)生物以合成氮為生長(zhǎng)基質(zhì)，使NO3-池成為生物群落氮同位素組成的關(guān)鍵決定因素；在真光層，浮游植物偏向于吸收14NO3-，導(dǎo)致光合作用的產(chǎn)物相對(duì)富集14N，殘留海水富集15N，從而形成的有機(jī)質(zhì)的δ15N 值會(huì)隨著浮游植物對(duì)海水中營(yíng)養(yǎng)鹽利用率的提升而增大[43]。從DC-11 巖芯記錄來看，末次冰期、末次冰消期δ15Norg平均值分別為4.64‰和4.56‰，明顯大于全新世的3.48‰，說明末次冰期與冰消期表層海水中硝酸鹽的生物吸收大于物理輸入，導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)鹽水平明顯低于全新世。類似發(fā)現(xiàn)亦見于前人研究，認(rèn)為高緯度地區(qū)冰期海冰增強(qiáng)，表層海水隨之層化加強(qiáng)，硝酸鹽等因得不到大洋深部的及時(shí)補(bǔ)充，逐漸被消耗，致使表層營(yíng)養(yǎng)鹽池變小，輸出生產(chǎn)力降低[46-49]。

4.2 3.4 萬年以來斯科舍海東南部古生產(chǎn)力及環(huán)境演化

4.2.1 古生產(chǎn)力與環(huán)境演變歷史

如圖5 所示，斯科舍海東南部DC-11 巖芯古海洋記錄不僅與斯科舍海區(qū)域記錄、南極冰芯等具有很好的一致性，同時(shí)與格陵蘭冰芯、北大西洋古海洋記錄等耦合緊密。3.4 萬年以來，研究區(qū)古生產(chǎn)力與環(huán)境不僅經(jīng)歷了末次冰期、末次冰消期到全新世的顯著變化，同時(shí)經(jīng)歷了一些千年尺度的次級(jí)變化。

西南極WDC 冰芯記錄表明，末次冰期（34～19.6 ka BP）南極氣溫低（圖5c），南大洋海冰增強(qiáng)（圖5f）[50-52]，斯科舍海東南部DC-11 巖芯（圖5k，圖5l）與北部PS67/197-1 巖芯（位置見圖1）相一致（圖5i）[53]反映極鋒以南海域古生產(chǎn)力低。其時(shí)，斯科舍海冬季海冰可達(dá)53°S，夏季達(dá)55°S[54]，因而推測(cè)DC-11 巖芯位置很長(zhǎng)一段時(shí)間處于永久性海冰或密集海冰覆蓋之下，而PS67/197-1 巖芯附近海域夏季表層海水溫度較全新世低1～2°C（圖5h），冬季海冰覆蓋度維持在80%左右（圖5g）[53]。海冰覆蓋度、厚度、冰融水、風(fēng)等共同作用使表層海洋混合減弱，層化增強(qiáng)，水體和營(yíng)養(yǎng)鹽的垂向交換減弱[46,52]，導(dǎo)致表層海洋營(yíng)養(yǎng)鹽的物理補(bǔ)給跟不上生物的同化吸收，生產(chǎn)力降低，輸出有機(jī)質(zhì)的δ15N 值增大（圖5j）。從WDC 冰芯記錄來看，28～24 ka BP 氣候偏冷，南大洋海冰明顯增強(qiáng)（圖5c，圖5f）[50-51]，對(duì)應(yīng)DC-11 巖芯δ15Norg記錄有一個(gè)明顯的高值小平臺(tái)（圖5j），相應(yīng)古生產(chǎn)力也有小幅降低（圖5k，圖5l）。

圖5 DC-11 巖芯記錄與其他海洋、冰芯記錄的綜合對(duì)比[53-54,59]Fig.5 Comparison between Core DC-11 and other marine and ice core records[53-54,59]

在南極，末次冰消期的開始時(shí)間大約在20～18 ka BP 之間，西南極可能較東南極早約2 ka（圖5c，圖5d）[51]；準(zhǔn)確厘定巖芯的冰消期開始時(shí)間也很困難，但從海陸風(fēng)塵記錄的一致性來看，其開始時(shí)間大約為19.6 ka BP，即伴隨著南半球風(fēng)塵從頂峰開始回落（圖5e）[37]，就進(jìn)入末次冰消期。末次冰消期DC-11 巖芯BSiO2含量與Norg含量總體呈上升趨勢(shì)，δ15Norg值總體呈下降趨勢(shì)，但在14.1～12.9 ka BP 南極冷倒轉(zhuǎn)期信號(hào)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)（圖5l，圖5k，圖5j），與WDC 冰芯δ18O 溫度記錄[51]相吻合(圖5c)，與北半球NGRIP 冰芯 δ18O 溫度記錄（圖5a）[55]相反，體現(xiàn)出對(duì)南、北半球“蹺蹺板”式氣候變化的響應(yīng)[56-58]。冰消期早期，氣候快速回暖，北半球出現(xiàn)HS1 期（Heinrich Stadial 1,18～14.6 ka BP），北大西洋GGC5 巖芯231Pa/230Th 比值的抬升（圖5b）等證實(shí)期間北大西洋深層水的形成受阻，大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流減弱[59-60]。大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流的減弱導(dǎo)致熱量在南大洋快速積累，極地與赤道之間的溫度梯度減小，西風(fēng)帶與上升流區(qū)向南移動(dòng)，環(huán)南極海冰逐漸消退，與之相關(guān)的表層海水層化減弱，深層水上涌增強(qiáng)[56-58]，其攜帶的豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽使表層海水硝酸鹽含量升高，并支撐了較高的生產(chǎn)力，體現(xiàn)在DC-11 巖芯δ15Norg值逐漸降低，BSiO2與Norg含量升高。隨著HS1 事件的結(jié)束，北半球進(jìn)入B/A 暖期（the B?lling-Aller?d interval,14.6～12.8 ka BP），南半球進(jìn)入南極冷倒轉(zhuǎn)期（14.1～12.9 ka BP）[58]。北大西洋深層水迅速恢復(fù)，大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流重新活躍，大洋熱量發(fā)生損失[56-58]，WDC 冰芯δ18O 指示南極氣溫快速下降（圖5c），ssNa+通量指示南大洋海冰擴(kuò)張（圖5f）[51]，斯科舍海北部夏季表層水溫下降（圖5h），冬季海冰覆蓋度迅速增大（圖5g）[53]，這種環(huán)境有利于表層海水層化，但不利于深層水及其營(yíng)養(yǎng)鹽的上涌，因而DC-11 巖芯δ15Norg值變大（圖5j），古生產(chǎn)力下降（圖5k，圖5l）。隨后，北半球進(jìn)入新仙女木期（the Younger Dryas Interval,12.8～11.5 ka BP）（圖5a），南極氣候快速回暖，海冰減弱[50-51,58]，表層硝酸鹽等供應(yīng)增加，研究區(qū)生產(chǎn)力快速升高。

進(jìn)入全新世（11.7～0 ka BP），南極氣溫大體與現(xiàn)在相當(dāng)（圖5c，圖5d），南大洋冬、夏季海冰回落到低位（圖5f）[50-51]，風(fēng)塵鐵供應(yīng)降到低位（圖5e）[31]，區(qū)域鐵供應(yīng)的不平衡導(dǎo)致生產(chǎn)力不平衡[13-14,22-25]。斯科舍海東南部DC-11 巖芯記錄顯示全新世該區(qū)海洋生產(chǎn)力長(zhǎng)期維持在高位（圖5l，圖5k），但北部的PS67/197-1 巖芯顯示其生產(chǎn)力在全新世早期快速下降，大約9.7 ka BP以來一直維持在一個(gè)不太高的水平上（圖5i）[53]，這與斯科舍?，F(xiàn)代海洋溶解鐵與生產(chǎn)力的分布[13-14,22-25]相吻合。

4.2.2 環(huán)境對(duì)古生產(chǎn)力的綜合制約

南大洋海洋生產(chǎn)力受營(yíng)養(yǎng)鹽、海冰、溫度、光照、環(huán)流等環(huán)境條件制約[13-14,49,61]。從圖5 及上述討論來看，3.4 萬年以來南大洋海冰強(qiáng)度變化與南極溫度變化趨勢(shì)相反[50-51]，與DC-11 巖芯BSiO2和Norg等古生產(chǎn)力指標(biāo)的變化相反，與δ15Norg值的高低變化一致，海冰在研究區(qū)氣候、營(yíng)養(yǎng)鹽與古生產(chǎn)力之間起著重要的關(guān)聯(lián)作用。首先，海冰和溫度密不可分，兩者在古氣候演化進(jìn)程中此消彼長(zhǎng)[51-52]。冰期或冷期南極溫度低，海冰覆蓋范圍、覆蓋度、厚度、持續(xù)時(shí)間等加大，導(dǎo)致研究區(qū)光照受限，生產(chǎn)力季節(jié)變短，在一定程度上使生產(chǎn)力下降[52-54]；而全新世或暖期，隨著溫度變暖，海冰消退，光照條件明顯改善，生產(chǎn)力季節(jié)延長(zhǎng)，從而有利于生產(chǎn)力的提高[52-54]；與此同時(shí)，溫度本身對(duì)生產(chǎn)力的促進(jìn)作用也不可忽略，研究表明溫度從1.8oC 升高到4.5oC，南極浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力可增加約30%[62]。第二，海冰減弱了風(fēng)對(duì)海表的作用，使海表密度層化加強(qiáng)，因而受風(fēng)和密度驅(qū)動(dòng)的深層水上涌減弱，使那些因降解而富集在大洋深部的硅酸鹽、硝酸鹽等難以高效地輸送至表層[6,45-46,49]，造成表層海洋中硝酸鹽等相對(duì)匱乏，在一定程度上限制了海洋生產(chǎn)力[42-45]，體現(xiàn)在冰期或冷期DC-11 巖芯δ15Norg值增大，硝酸鹽的生物吸收大于物理補(bǔ)給，生產(chǎn)力降低。對(duì)大部分高營(yíng)養(yǎng)鹽、低葉綠素海區(qū)來說，鐵的供應(yīng)是制約海洋生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素[23]，但對(duì)于鐵含量較高的斯科舍海，特別是其東南部研究區(qū)來說，由于南奧克尼群島島架沉積物和威德爾海冰山通道區(qū)融冰將大量鐵釋放到表層海水中，鐵的供應(yīng)在現(xiàn)代[23]和全新世充足，在風(fēng)塵盛行的末次冰期和冰消期呈現(xiàn)出過剩狀態(tài)，因而DC-11 巖芯TFe2O3與古生產(chǎn)力的高低變化正好相反；從過去3.4 萬年記錄來看，氣候變冷有利于該地區(qū)風(fēng)塵和海冰的發(fā)育，但風(fēng)塵鐵的供應(yīng)對(duì)研究區(qū)古生產(chǎn)力沒有促進(jìn)作用，這明顯不同于北部海域，特別是亞南極海域[3-5]。

5 結(jié)論

（1）3.4 萬年以來，南極斯科舍海東南部海域DC-11 巖芯BSiO2、Norg含量暖期高，冷期低，與TFe2O3含量和δ15Norg值呈反相關(guān)系。海冰在氣候、營(yíng)養(yǎng)鹽與古生產(chǎn)力之間起著重要的關(guān)聯(lián)作用。

（2）末次冰期氣溫低，南大洋海冰增強(qiáng)，斯科舍海東南部海域?yàn)橛谰没蛎芗１采w，導(dǎo)致表層海水被層化，深層水及其營(yíng)養(yǎng)鹽的上涌減弱，表層海洋硝酸鹽供應(yīng)不足，因而巖芯δ15Norg值大，BSiO2含量與Norg含量低。末次冰消期BSiO2含量與Norg含量升中有降，δ15Norg值降中有升，南極冷倒轉(zhuǎn)期信號(hào)明顯，海區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽與生產(chǎn)力對(duì)南北半球間蹺蹺板式氣候變化響應(yīng)敏感。全新世氣候溫暖，海冰大致已退縮到現(xiàn)代狀態(tài)，表層海洋豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽及局部充足的鐵供應(yīng)使研究區(qū)生產(chǎn)力高。

致謝：感謝中國(guó)第34 次南極科學(xué)考察隊(duì)及“向陽紅01”號(hào)考察船為樣品的采集付出了艱辛的勞動(dòng)。感謝極地沉積物樣品庫提供樣品；感謝自然資源部極地考察辦公室與中國(guó)極地研究中心給予的支持和幫助。