西北孟加拉灣中更新世早期的硅質(zhì)生物生產(chǎn)力變化

鄒家麒，丁旋

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院，北京 100083

在古生產(chǎn)力的研究中，生源碳酸鈣[1]、有機(jī)碳[2]和生物硅含量[3]等都被用來(lái)作為恢復(fù)古生產(chǎn)力的指標(biāo)。其中，生物硅對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)具有極其重要的影響，全球超過(guò)40%的初級(jí)生產(chǎn)力要?dú)w功于硅藻[4]，它如今占全球開(kāi)闊大洋及海岸帶總浮游植物的90%以上[5]，控制了大洋表層水向深部海洋中的碳輸出，對(duì)大氣CO2濃度變化有潛在影響[6]。與鈣質(zhì)骨骼生物相比，它對(duì)海洋中CO2的影響更加直接[7]。

西北孟加拉灣位于印度季風(fēng)活動(dòng)區(qū)，同時(shí)也是印度夏季風(fēng)降水和河流匯入的核心區(qū)域。夏季風(fēng)期間大量的陸地淡水輸入使得表層海水鹽度下降，導(dǎo)致強(qiáng)烈的表層水體分層[8-9]，并影響到營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)[10]，控制著西北孟加拉灣地區(qū)的初級(jí)生產(chǎn)力變化。該區(qū)的表層生產(chǎn)力變化和印度夏季風(fēng)之間有著密切的關(guān)系，因而成為研究印度季風(fēng)演變和古生產(chǎn)力變化的理想場(chǎng)所。以前的研究認(rèn)為，印度夏季風(fēng)期間，強(qiáng)烈的低鹽表層水分層現(xiàn)象，阻礙了下部水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入透光帶，因而現(xiàn)代孟加拉灣開(kāi)放大洋表現(xiàn)為較低的生產(chǎn)力。雖然豐富的河流系統(tǒng)為孟加拉灣供應(yīng)了大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和溶解硅，但它們主要被河口和海岸地區(qū)的生物活動(dòng)所消耗，對(duì)開(kāi)放大洋的生產(chǎn)力貢獻(xiàn)不大[10]。近來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，地史時(shí)期，西北孟加拉灣近岸地區(qū)在夏季風(fēng)增強(qiáng)期間雖然鈣質(zhì)生物生產(chǎn)力下降，但是硅質(zhì)生物生產(chǎn)力卻顯著上升[11-12]。因而了解該區(qū)硅質(zhì)生物生產(chǎn)力的變化，不僅能夠揭示地史時(shí)期印度夏季風(fēng)的活動(dòng)，而且對(duì)認(rèn)識(shí)孟加拉灣地區(qū)在全球碳循環(huán)過(guò)程中的作用也具有重要的意義。

第四紀(jì)1.25～0.7 Ma期間發(fā)生強(qiáng)振幅和高頻率的氣候振蕩，又稱(chēng)中更新世過(guò)渡（Mid-Pleistocene Transition, MPT），其最大的特征是冰期-間冰期旋回從41 ka周期向100 ka周期的轉(zhuǎn)變[13]。在此期間，不論陸地還是大洋環(huán)境都發(fā)生了重要的變化，西北孟加拉灣的古生產(chǎn)力變化在MPT期間也發(fā)生了明顯的波動(dòng)。Lee等[11]對(duì)西北孟加拉灣U1445站位的古生產(chǎn)力研究發(fā)現(xiàn)，此海區(qū)2.3 Ma以來(lái)可以分成pre-MPT（MPT之 前）、MPT和post-MPT（MPT之后）3個(gè)階段，從老到新硅質(zhì)生物生產(chǎn)力隨著季風(fēng)導(dǎo)致的降水量和海水分層強(qiáng)度的下降而減弱，但由于其分辨率較低，難以對(duì)此海區(qū)在軌道尺度上的古生產(chǎn)力變化規(guī)律及其機(jī)制進(jìn)行探究。

本次研究以國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃（International Ocean Discovery Program, IODP）353航次在西北孟加拉灣馬哈納迪盆地鉆取的U1446站位(圖1)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)該鉆孔巖芯沉積物樣品中生物硅含量的分析，重建西北孟加拉灣跨越中更新世過(guò)渡期的表層古生產(chǎn)力演變歷史，探討MPT期及其之后印度夏季風(fēng)活動(dòng)對(duì)研究區(qū)古生產(chǎn)力變化的控制機(jī)制。

圖1 孟加拉灣的表層環(huán)流及周邊主要河流橙色箭頭代表西南夏季風(fēng)環(huán)流，藍(lán)色箭頭代表東北冬季風(fēng)環(huán)流。圖形使用Ocean Data View繪制。Fig.1 Surface circulation in the Bay of Bengal and major rivers nearbyOrange arrows represent the southwest summer monsoon currents and blue arrows represent the northeast winter monsoon currents. The figure was created by Ocean Data View.

1 區(qū)域概況

孟加拉灣位于東北印度洋，是一個(gè)三面環(huán)陸的半封閉海灣，與印度、斯里蘭卡、孟加拉國(guó)、緬甸和安達(dá)曼-尼科巴群島接壤，是世界上最大的海灣，其面積達(dá)2.2×106km2，占世界大洋面積的0.6%[14]。

孟加拉盆地東側(cè)為安達(dá)曼-蘇門(mén)答臘溝-弧-盆體系，西部與印度東部大陸邊緣相鄰，北靠孟加拉陸架，南部與中印度洋海盆和沃頓海盆相鄰。在始新世之前，海盆物源主要來(lái)自西側(cè)的印度半島，始新世開(kāi)始的喜馬拉雅造山帶逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)，分別源自于喜馬拉雅山脈南北坡的兩條南亞大河——恒河（Ganga）和布拉馬普特拉河（Brahmaputra）的陸源沉積物匯入孟加拉海盆，形成了世界上規(guī)模最大的深海扇復(fù)合體，即孟加拉和尼科巴深海扇系統(tǒng)。該深海扇從大陸架向海延伸至3 000 km，最遠(yuǎn)端可至5°～7°S[15]。馬哈納迪盆地位于西北孟加拉灣19°21′～23° 35′N(xiāo)、80° 30′～86° 50′E之間，面積約為1.42×105km2。該沉積盆地從陸上延伸至海洋，形成于岡瓦納古陸的晚侏羅紀(jì)分裂期間[16]。

孟加拉灣地處熱帶，具有明顯的干濕兩季，夏季盛行西南季風(fēng)并且降雨充沛，冬季盛行東北季風(fēng)（圖1）。孟加拉灣表層海水溫度總體較高且季節(jié)性變化較小，年平均溫度為27～28.5 ℃[17]。在冬季，孟加拉灣表層海水溫度呈現(xiàn)由北向南逐漸升高的趨勢(shì)，北部最低表層海水溫度約為25.5 ℃，南部約為29 ℃；夏季表層海水溫度分布相對(duì)均一，約為28～29 ℃。

表層水的年平均鹽度為30 ～34 psu不等，降水的季節(jié)性變化導(dǎo)致孟加拉灣表層水的鹽度梯度隨季節(jié)而發(fā)生變化。在夏季西南季風(fēng)期間，由于降水增加，這種鹽度梯度變得更加極端，可以從28 psu到36 psu[18]。恒河、布拉馬普特拉河、克里希納河（Krishna）、戈達(dá)瓦里河（Godavari）、馬哈納迪河（Mahanadi）、伊洛瓦底江（Irrawaddy）和卡維里河（Cauvery）等6條主要河流貢獻(xiàn)了孟加拉灣淡水總量的60%，其中Ganga-Brahmaputra (G-B) 河系占44%[19]。每年河流水流量能達(dá)到2.95×1012m3，并且由于降水量遠(yuǎn)超過(guò)蒸發(fā)量，導(dǎo)致孟加拉灣的上層海水由于鹽度差異出現(xiàn)穩(wěn)定的分層現(xiàn)象[8,19]。孟加拉灣表面的水平衡使得夏季季風(fēng)期間凈降水和徑流增加63.7 cm，冬季季風(fēng)期間凈蒸發(fā)11.5 cm，導(dǎo)致年度凈降水過(guò)剩[20]。

孟加拉灣北部的表層海水硅酸鹽含量也表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性特點(diǎn)。夏季表層海水硅酸鹽含量急劇上升，比冬季高出4～6倍以上。尤其是在G-B河系的入?？冢杷猁}濃度的變化極為明顯（圖2）。Miranda等[21]發(fā)現(xiàn)西北孟加拉灣硅酸鹽的最大值和最小值分別出現(xiàn)在7月的夏季風(fēng)期間和3月的冬季風(fēng)期間。

孟加拉灣的表層洋流主要由印度季風(fēng)驅(qū)動(dòng)，呈現(xiàn)出季節(jié)性方向反轉(zhuǎn)的渦流形式[5]。東印度沿岸的孟加拉灣西部邊界流在印度夏季風(fēng)期間向北流動(dòng)，在印度冬季風(fēng)期間向南流動(dòng)[22]。盡管沿印度半島東部邊緣出現(xiàn)了埃克曼（Ekman）驅(qū)動(dòng)的沿岸上升流，但在夏季風(fēng)期間，由于淡水大量注入導(dǎo)致的海水分層現(xiàn)象，使得上升流被限制在了離岸40 km以?xún)?nèi)[23]。

2 材料與方法

2.1 研究材料

本次研究的材料為IODP353航次在印度季風(fēng)的核心對(duì)流區(qū)孟加拉灣所獲取的U1446站位巖心樣品。U1446站位位于19°5′N(xiāo)、85°44′E，水深1 430 m，離東印度海岸線大約75 km，在印度半島東緣馬哈納迪盆地內(nèi)。

U1446站位由U1446A、U1446B和U1446C 3個(gè)孔組成，3個(gè)孔的鉆探深度分別為海底之下180.11、27.35和182.18 m。該站位巖心沉積物時(shí)代分布自更新世早期至全新世，為半遠(yuǎn)洋沉積，主要成分是巖屑以及少量的生物碎屑。沉積物主要由深灰色到淺灰色黏土所組成，含有不同比例的鈣質(zhì)超微化石、有孔蟲(chóng)以及生物硅。其中，巖屑成分平均占沉積物的70%，所占比例可從25%變化到85%。而生物成分主要是超微化石和有孔蟲(chóng)，含量變化從10%到25%不等。生物硅的含量一般較低，在特定的段落偶爾能觀測(cè)到硅藻、放射蟲(chóng)和其他難以識(shí)別的生物硅質(zhì)碎片[24]。在沉積物樣品實(shí)際觀察中，可發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)超微化石連續(xù)分布在U1446站位的沉積物中，而硅質(zhì)微體化石卻呈現(xiàn)零散的分布[24]。

本次研究選用A、C兩孔的整合巖心，僅對(duì)其中71～142 m段進(jìn)行研究，該段屬于早更新世晚期至中更新世早期，采樣間隔為45～50 cm，共采取了135個(gè)樣品。

2.2 研究方法

樣品的生物硅含量分析采取硅鉬藍(lán)分光光度計(jì)比色法[25]，該方法誤差小于3%?；驹硎窍扔肏2O2和HCl溶液去除樣品中的有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽，再用Na2CO3堿性溶液將生物硅從沉積物中提取出來(lái)，然后與鉬酸銨溶液反應(yīng)生成硅鉬黃，再加入抗壞血酸溶液還原為硅鉬藍(lán)。在一定濃度范圍內(nèi)，其藍(lán)色與SiO2的濃度成正比，用722型分光光度計(jì)測(cè)得該溶液的吸光度，將吸光度帶入回歸方程計(jì)算得出生物硅的百分含量。生物硅含量分析的預(yù)處理與測(cè)試均在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院完成。

為避免非硅質(zhì)沉積稀釋作用的影響，我們運(yùn)用如下公式估算生物硅的沉積通量：

通量公式（1）來(lái)自于Wang[26]，干密度公式（2）來(lái)自于Phillips[9]，U1446巖心樣品濕密度數(shù)據(jù)通過(guò)伽馬射線衰變獲得，來(lái)源于IODP官網(wǎng)（OVERVIEW -Ocean Drilling Data (tamu.edu)），并通過(guò)插值法獲得對(duì)應(yīng)樣品深度處的干密度值。

3 年齡框架

Clemens等[27]通過(guò)對(duì)U1446站位A、C兩個(gè)孔整合巖心上部8 m的6個(gè)AMS14C年齡控制點(diǎn)，以及底棲有孔蟲(chóng)δ18O值與全球大洋LR04標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對(duì)比，建立了U1446站位巖心的年代地層框架。

圖2 孟加拉灣1995—2012年冬季、夏季表層海水溫鹽圖以及硅酸鹽濃度對(duì)比圖圖形使用Ocean Data View繪制，數(shù)據(jù)來(lái)源于World Ocean Atlas (ODV: World Ocean Atlas 2013 (awi.de))。Fig.2 Salinity, temperature, and comparison of silicate concentration of surface sea water in the Bay of Bengal during winter and summer of 1955—2012Figures are created by Ocean Data View and data are from World Ocean Atlas (ODV: World Ocean Atlas 2013 (awi.de)).

底棲有孔蟲(chóng)δ18O是從樣品中大小為250～355 μm和大于355 μm（當(dāng)250～355 μm的個(gè)體達(dá)不到分析要求的數(shù)量時(shí)）的底棲有孔蟲(chóng)中，挑選出Uvigerinaspp.和Cibicidoides wuellerstorfi殼體，經(jīng)超聲清洗之后在MAT252穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀上測(cè)得[27]。所測(cè)結(jié)果與碳酸鹽同位素標(biāo)準(zhǔn)NBS19進(jìn)行校準(zhǔn)，并以‰VPDB表示。U1446巖心的底棲有孔蟲(chóng)δ18O曲線如圖3，其中方框指示本次研究的樣品區(qū)間71～142 m，年齡為920～370 ka，包含氧同位素(Marine Isotope Stages, MIS)11—22期，樣品的平均時(shí)間分辨率為4.1 ka。

4 結(jié)果

西北孟加拉灣U1446站位920～370 ka期間生物硅含量總的變化范圍為0.78%～2.48%，平均為1.79%，生物硅通量總的變化范圍為0.05 ～0.50 g/cm2·ka，平 均 為0.23 g/cm2·ka（圖4）。其中，MIS17期和MIS18期之間（約720 ka）是個(gè)明顯的分界點(diǎn)，920～720 ka生物硅含量和通量整體相對(duì)較低且變化幅度小，平均值分別為1.40%和0.15 g/cm2·ka，生物硅通量在820 ka左右出現(xiàn)最低值，僅為0.05 g/cm2·ka；720～370 ka生物硅含量和通量迅速升高，平均值分別為1.91%和0.26 g/cm2·ka，且變化幅度加劇，生物硅通量在500 ka左右出現(xiàn)最高值，達(dá)0.50 g/cm2·ka。

圖3 U1446 δ18O (VPDB)與LR04曲線對(duì)比δ18O數(shù)據(jù)來(lái)源于Clemens等[27]，LR04數(shù)據(jù)來(lái)源于Lisiecki和Raymo[28]。Fig.3 Comparison of U1446 δ 18O (VPDB) to LR04δ 18O data are derived from Clemens et al [27]. LR04 data are derived from Lisiecki and Raymo [28].

5 討論

5.1 西北孟加拉灣表層硅質(zhì)生物生產(chǎn)力

生源蛋白石又稱(chēng)生物硅，是由海洋硅質(zhì)生物（如硅藻、放射蟲(chóng)等）死亡后的硅質(zhì)骨骼降解形成的無(wú)定型蛋白石，因此沉積物中生物硅含量的高低可以用來(lái)反映海洋表層硅質(zhì)生物的生產(chǎn)力[29]。海底沉積物中生物硅的含量主要受硅質(zhì)骨架的供給、水體中硅質(zhì)物質(zhì)的溶解以及來(lái)自陸源輸入物質(zhì)的稀釋作用影響。生物硅的沉積通量已排除了巖屑等陸源物質(zhì)對(duì)沉積物中生物硅的稀釋作用。Nelson等[4]認(rèn)為生物硅在上層100 m的海水中至少溶解了50%，而在1 000～3 000 m水深范圍則相當(dāng)恒定，且硅質(zhì)生物的溶解與鈣質(zhì)生物不同，不存在完全溶解的蛋白石補(bǔ)償深度[30]。以前的研究[31]也證實(shí)，水體中只有很少比例的硅質(zhì)骨骼發(fā)生溶解。前人的分析發(fā)現(xiàn)，海水中SiO2的溶解主要受溫度和壓力的影響，水溫越高溶解度越大，壓力越高溶解度越小[32]。U1446站位水深變化很小，因而壓力的因素可以忽略，而該站位920～370 ka期間生物硅通量表現(xiàn)為間冰期時(shí)高冰期時(shí)低的特點(diǎn)，即水溫越高生物硅通量越大（圖5），指示溶解作用并沒(méi)有對(duì)沉積物中生物硅通量的波動(dòng)產(chǎn)生影響，推測(cè)該站位生物硅通量的變化主要受硅質(zhì)生物生產(chǎn)力的控制。以前的研究也認(rèn)為孟加拉灣地區(qū)的生物硅沉積通量是很好的表層海水硅質(zhì)生產(chǎn)力指標(biāo)[11,33]。

圖4 U1446站位920～370 ka沉積速率、生物硅含量及通量與δ18O/‰(VPDB)的對(duì)比Fig.4 Comparison in sedimentation rate, biogenic silica content, fluxes, and δ18O/‰ (VPDB) of Site U1446, 920～370 ka

圖5 季風(fēng)指標(biāo)與生物硅通量的比較a. U1446站位δ18Osw值，b. U1446站位Rb/Ca比值，c. Tex86H 換算得到U1446站位表層古水溫變化，d. U1446站位生物硅通量，e. U1445站位生物硅通量。a-c數(shù)據(jù)來(lái)自于Clemens等[27]以及NOAA官網(wǎng)（https://www.ncei.noaa.gov/access/paleo-search/study/33213），e數(shù)據(jù)來(lái)源于Lee等[11]。Fig.5 Comparison of monsoon indicators to biogenic silica fluxesa: δ18Osw at Site U1446, b: Rb/Ca ratio at Site U1446, c: Variations in surface paleotemperature at Site U1446 from Tex86H converted data,d: biogenic silica fluxes (Data in a-c are from Clemens et al [27] and the NOAA official website (https://www. ncei.noaa.gov/access/paleo-search/study/33213)) ,e: data are from Lee et al[11].

U1446站位生物硅沉積通量反映研究區(qū)在920～370 ka期間硅質(zhì)生產(chǎn)力總體上呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)（圖4、5），其變化特征主要表現(xiàn)為：（1）在長(zhǎng)時(shí)間尺度上，MPT（920～700 ka）期間生物硅通量較低，在820 ka左右出現(xiàn)最小值，變化幅度也偏弱，指示硅質(zhì)生產(chǎn)力較低且波動(dòng)不是很強(qiáng)烈。在MPT之后，生物硅通量與沉積速率出現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì)，特別是在630 ka之后，硅質(zhì)生產(chǎn)力明顯增強(qiáng)且波動(dòng)明顯。相鄰U1445站位較U1446站位的研究時(shí)間分辨率較低，但同一階段的生物硅通量[11]也表現(xiàn)出類(lèi)似的變化趨勢(shì)，且該站位生物硅通量和有機(jī)碳通量變化趨勢(shì)一致[11]。（2）在軌道時(shí)間尺度上，U1446站位生物硅通量呈現(xiàn)出明顯的冰期間冰期旋回性：冰期時(shí)生物硅通量下降，指示表層硅質(zhì)生產(chǎn)力較低；而間冰期生物硅通量上升，指示表層硅質(zhì)生產(chǎn)力上升。且在MPT階段間冰期MIS17、MIS19、MIS21和冰期MIS18、MIS20、MIS22之間的古生產(chǎn)力差別較小，而在MPT之后，間冰期MIS11、MIS13、MIS15和 冰 期MIS12、MIS14、MIS16之間的古生產(chǎn)力差別迅速加大。位于西北孟加拉灣的19B站位80 ka以來(lái)的硅質(zhì)生產(chǎn)力變化[12]，雖然和本次研究不是同一個(gè)時(shí)間段，但也表現(xiàn)出同樣的冰期-間冰期旋回性。

5.2 西北孟加拉灣硅質(zhì)生產(chǎn)力對(duì)印度季風(fēng)活動(dòng)的響應(yīng)

西北孟加拉灣是印度季風(fēng)降水的核心區(qū)域，其表層海水鹽度、溫躍層深度、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)、表層水生產(chǎn)力的變化均與印度季風(fēng)活動(dòng)密切相關(guān)。印度夏季風(fēng)增強(qiáng)時(shí)，不僅海洋表面接受強(qiáng)烈的季風(fēng)降水，大量的降水也在陸地河流集水并由徑流帶入西北孟加拉灣，導(dǎo)致研究區(qū)表層海水鹽度下降。為討論U1446站位的古海水鹽度變化，本次研究使用去除了冰體積效應(yīng)和表層水溫度效應(yīng)的表層海水氧同位素指標(biāo)（δ18Osw），它與表層海水鹽度呈線性相關(guān)[33-34]，δ18Osw高值時(shí)指示表層水鹽度上升，低值時(shí)指示表層水鹽度下降，是孟加拉灣地區(qū)夏季風(fēng)降水的重要指標(biāo)[27]。

Rb（銣）是長(zhǎng)英石中常見(jiàn)的堿性金屬元素，它會(huì)隨著徑流量的提升、細(xì)粒巖屑物質(zhì)輸入量的增加而增加[27]。以前的研究發(fā)現(xiàn)，西北孟加拉灣碳酸鈣的沉積通量在印度夏季風(fēng)增強(qiáng)時(shí)下降，減弱時(shí)上升[9,26]，Phillips等[9]認(rèn)為是夏季風(fēng)增強(qiáng)引起的強(qiáng)降水使得孟加拉灣上層海水出現(xiàn)嚴(yán)重的分層現(xiàn)象，以致于海水垂直交換受阻，上升流活動(dòng)受到抑制，底層水的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)難以輸送到表層，導(dǎo)致鈣質(zhì)生物生產(chǎn)力下降。因此，孟加拉灣地區(qū)沉積物中的Rb/Ca比值隨夏季風(fēng)增強(qiáng)淡水徑流量增加而升高，夏季風(fēng)減弱淡水徑流減少而下降，也被作為印度夏季風(fēng)活動(dòng)的替代性指標(biāo)[27]。

U1446站位δ18Osw值和Rb/Ca比值[27]顯示（圖5），在MPT（920～700 ka）階段，δ18Osw值較重而Rb/Ca比值則較低，指示研究區(qū)表層水鹽度較高、陸表徑流量不大，表明該階段研究區(qū)印度夏季風(fēng)活動(dòng)較弱，而生物硅通量顯示的硅質(zhì)生物生產(chǎn)力較低。而在MPT之后的700～370 ka階段，δ18Osw值減輕，反映表層海水鹽度有下降的趨勢(shì)，且Rb/Ca比值明顯升高，指示陸表徑流量上升，顯示研究區(qū)印度夏季風(fēng)活動(dòng)增強(qiáng)，而生物硅通量則顯示硅質(zhì)生物生產(chǎn)力明顯上升。另外，U1446站位δ18Osw值和Rb/Ca比值[27]都顯示出明顯的冰期間冰期旋回性，與生物硅通量變化趨勢(shì)一致，指示間冰期夏季風(fēng)增強(qiáng)、降水和徑流量增加時(shí)硅質(zhì)生產(chǎn)力上升，冰期夏季風(fēng)減弱、降水和徑流量下降時(shí)硅質(zhì)生產(chǎn)力下降；且在MPT之后，硅質(zhì)生產(chǎn)力變化的幅度顯著加強(qiáng)，且整體高于MPT時(shí)期的平均值。

雖然太陽(yáng)輻射量、溫度、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、海水分層現(xiàn)象等都是造成大洋生產(chǎn)力高低變化的因素，但其中最關(guān)鍵的控制因素還是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的豐富程度。以前的研究指出，印度洋鈣質(zhì)生物生產(chǎn)力受營(yíng)養(yǎng)元素N的輸入量控制，當(dāng)印度夏季風(fēng)增強(qiáng)時(shí)，大量的淡水輸入導(dǎo)致海水分層，使得混合層深度淺于營(yíng)養(yǎng)躍層頂部，限制了下部富營(yíng)養(yǎng)元素N的海水混合和上升進(jìn)入透光帶，因而研究區(qū)鈣質(zhì)生產(chǎn)力下降[9,11,33]。然而，硅質(zhì)生產(chǎn)力則更多地受陸地徑流帶來(lái)的營(yíng)養(yǎng)元素Si和P的控制[33-34]，透光帶低的N/Si比值更有利于硅藻的發(fā)育[35]。

由于孟加拉灣周邊大量的河流匯入，河流帶來(lái)的淡水占據(jù)孟加拉灣總淡水量的60%[19]。在夏季，印度夏季風(fēng)所帶來(lái)的直接降水以及河流匯入水量占據(jù)研究區(qū)全年淡水量的90 %[36]。而G-B河系給孟加拉灣的營(yíng)養(yǎng)鹽供應(yīng)和全球河系的對(duì)比都非常顯著。每年通過(guò)G-B河系供應(yīng)給大洋的二氧化硅占全球河流輸入海洋的4%以上[37-38]。無(wú)機(jī)磷輸入的平均濃度高于全球河流的平均值，輸入到孟加拉灣的量占據(jù)全球河流年輸出的10 %[39]。匯入孟加拉灣的巨型河流會(huì)提供大量的溶解硅酸鹽[40]，硅酸鹽又是硅藻生長(zhǎng)繁殖的決定性因素[10]。因此，徑流輸入的營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)于孟加拉灣表層海水浮游生物的生長(zhǎng)繁殖起到重要的作用。印度夏季風(fēng)的增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致地表徑流顯著升高，伴隨而來(lái)的大量營(yíng)養(yǎng)鹽使得海水表層硅質(zhì)生物生產(chǎn)力升高。因此西北孟加拉灣地區(qū)常常出現(xiàn)碳酸鈣通量反映的鈣質(zhì)生物生產(chǎn)力和硅質(zhì)生物生產(chǎn)力變化呈現(xiàn)反相關(guān)關(guān)系[11-12]的特點(diǎn)。

若固守男女授受不親之禮，則不應(yīng)施以援手救嫂子；此時(shí)施以援手，則是權(quán)的體現(xiàn)。而孟子懂得通權(quán)達(dá)變，用權(quán)變思維處理嫂溺問(wèn)題。在孔子看來(lái)，當(dāng)處在道德兩難的特殊境遇時(shí)，道德主體可以暫時(shí)犧牲乃至違背較低層次的道德規(guī)范，以保證更高層次的道德規(guī)范的實(shí)現(xiàn)，而這種行為仍具有真正的道德價(jià)值，這就是“權(quán)”。在處理兩難問(wèn)題時(shí)，就需要靈活變通，不能固守于經(jīng)。權(quán)變是人的道德選擇，也是道德實(shí)踐的前提。

5.3 生物硅變化對(duì)軌道周期的響應(yīng)

通過(guò)對(duì)U1446站位920～370 ka整個(gè)階段以及MPT和MPT之后分階段的生物硅通量的頻譜分析結(jié)果表明，研究區(qū)生物硅通量整體上以100 ka偏心率周期占主導(dǎo)地位，41 ka的斜率周期不明顯，與降水以及徑流指標(biāo)（δ18Osw，Rb/Ca）的頻譜結(jié)果[27]比較一致。值得注意的是，δ18Osw有明顯的歲差周期，反映夏季風(fēng)降水的熱帶驅(qū)動(dòng)，生物硅通量23 ka的歲差周期也較為明顯（圖6）。在MPT（920～670 ka）階段，生物硅通量以偏心率周期為主導(dǎo)，斜率周期和歲差周期雖然置信度不高，但也都有出現(xiàn)。MPT之后（670～370 ka），仍以偏心率周期為主導(dǎo)，歲差周期也很明顯，二者置信度在90 %以上，但41 ka斜率周期不明顯。

對(duì)U1446站位920～370 ka期間連續(xù)小波分析的結(jié)果顯示（圖7），生物硅通量變化對(duì)軌道周期的響應(yīng)非常明顯，表現(xiàn)為偏心率周期連續(xù)，在650～500 ka之間較強(qiáng)，650 ka之前略有偏離；歲差周期貫穿始終，但不連續(xù)；斜率周期全程較弱，主要出現(xiàn)在920～850 ka，即MPT期間。

圖6 生物硅通量頻譜分析Fig.6 Spectrum analysis of biogenic silica flux

不同的軌道參數(shù)在不同的緯度作用不同。Short等[41]發(fā)現(xiàn)低緯區(qū)主要響應(yīng)23 ka的歲差周期，而偏心率則是通過(guò)對(duì)歲差的調(diào)幅作用進(jìn)入氣候系統(tǒng)，因此低緯地區(qū)受歲差和偏心率的綜合驅(qū)動(dòng)更大。

通過(guò)對(duì)比U1446站位920～370 ka期間生物硅通量和地球軌道參數(shù)、北緯15°夏季太陽(yáng)輻射量的變化（圖8）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)偏心率增大時(shí)，歲差變幅和太陽(yáng)輻射量也較大，這樣會(huì)導(dǎo)致地球氣候效應(yīng)即季節(jié)差異隨之加大，表現(xiàn)為全球季風(fēng)的變幅和強(qiáng)度的增加[42]，尤其是在偏心率、歲差和太陽(yáng)輻射量的周期同時(shí)出現(xiàn)高峰時(shí)，此時(shí)的生物硅通量呈上升趨勢(shì)且幅度劇烈。因而U1446站位出現(xiàn)冰期-間冰期硅質(zhì)生產(chǎn)力的明顯差異，且生物硅通量的小波分析圖中也明顯可見(jiàn)650～500 ka之間更清晰的偏心率周期（圖7）。另外，U1446站位生物硅通量出現(xiàn)更明顯的歲差周期，可能與藻類(lèi)的光合作用也受到太陽(yáng)輻射量的影響有關(guān)。

大量的研究發(fā)現(xiàn)降水與偏心率周期及太陽(yáng)輻射量密切相關(guān)，且對(duì)冰蓋的減少、溫室氣體的增多敏感[43-44]，西北孟加拉灣降水量和徑流量的最大值都發(fā)生在北半球夏季太陽(yáng)輻射量的最大值，以偏心率周期為主導(dǎo)[27]，降水和徑流量的提升使得匯入西北孟加拉灣的硅酸鹽含量增加，硅藻大量繁殖，生物硅含量及通量上升。

圖7 孟加拉灣U1446站位920～370 ka生物硅通量小波分析Fig.7 Wavelet analysis of biogenic silica fluxes at Site U1446,Bay of Bengal, 920～370 ka

前人對(duì)冰蓋的擴(kuò)張和收縮對(duì)沉積物中生物硅的影響已做過(guò)很多研究[45-46]，通過(guò)對(duì)比熱帶地區(qū)（孟加拉灣）與亞寒帶地區(qū)（白令海）的生物硅變化發(fā)現(xiàn)[11,44,46]，兩區(qū)域的生物硅通量都在MPT時(shí)期有顯著下降，雖然表面上看影響因素不同，例如亞寒帶生物硅在MPT時(shí)期下降的原因是由于冰蓋擴(kuò)張所導(dǎo)致的，而西北孟加拉灣則主要受季風(fēng)降水和徑流量的影響，但它們是否都與更新世地球軌道參數(shù)變化導(dǎo)致的全球冰體積和溫室氣體有關(guān)，其動(dòng)力機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

圖8 生物硅含量及通量和地球軌道參數(shù)的比較a. 歲差，b. 北緯15°夏季（7月）月均太陽(yáng)輻射，c. 偏心率，d. 沉積速率，e. 生物硅通量。a-c數(shù)據(jù)來(lái)源于Berger[47]，d-e數(shù)據(jù)均來(lái)自U1446孔。Fig.8 Comparison of biogenic silica content and fluxes and the Earth orbital parametersa: precession, b: average monthly solar radiation in summer (July) at 15°N, c: eccentricity, d: sedimentation rate, e: biogenic silica fluxes. Data in a-c are derived from Berger [47], d-e data are from Site U1446.

6 結(jié)論

（2）對(duì)比該站位印度夏季風(fēng)降水和徑流指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)夏季風(fēng)增強(qiáng)時(shí)硅質(zhì)生產(chǎn)力上升，減弱時(shí)硅質(zhì)生產(chǎn)力下降，指示該區(qū)硅質(zhì)生產(chǎn)力更多地受陸地徑流帶來(lái)的營(yíng)養(yǎng)元素Si和P的控制。夏季風(fēng)增強(qiáng)時(shí)導(dǎo)致孟加拉灣降水以及周邊河流徑流量劇增，河流提供的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)使得研究區(qū)硅質(zhì)生產(chǎn)力迅速升高，夏季風(fēng)減弱時(shí)營(yíng)養(yǎng)鹽的減少使得硅質(zhì)生產(chǎn)力下降。

（3）U1446站位生物硅通量的頻譜和小波分析結(jié)果顯示，生物硅通量不同程度上受到了地球軌道周期的控制，尤其是在MPT之后受到偏心率周期的調(diào)控較為明顯。

致謝：國(guó)際大洋鉆探IODP 353航次的全體科學(xué)家和工作人員的辛苦付出，中國(guó)IODP辦公室提供航次資助，同濟(jì)大學(xué)王汝建教授指導(dǎo)生物硅實(shí)驗(yàn)，在此一并致謝！