浮游有孔蟲殼體重量的古海洋學應用

秦秉斌，熊志方,2，李鐵剛,2

1. 自然資源部第一海洋研究所海洋地質與成礦作用重點實驗室，青島 266061

2. 嶗山實驗室海洋地質過程與環(huán)境功能實驗室，青島 266237

作為一種古海洋代用指標，浮游有孔蟲殼體重量具體是指限定粒徑范圍內浮游有孔蟲單種一定數量殼體的單枚平均重量，可代表樣品中浮游有孔蟲殼體的殼壁厚度。該指標首先由Lohmann[1]提出，其發(fā)現特定海區(qū)內表層沉積物樣品中浮游有孔蟲殼體重量隨著樣品水深的增加而減小，認為殼體重量實際上反映了深海碳酸鈣溶解作用，即浮游有孔蟲殼體受到溶解作用影響后殼壁變薄，表現為殼體重量變輕。從原理上，深海碳酸鈣溶解作用受海水碳酸鈣飽和程度（Ω= [Ca2+][CO32-]/K*sp，K*sp為溶解常數）的控制，理論上當Ω＜1 時溶解作用發(fā)生[2]。由于現代海水[Ca2+]基本保持恒定[3]，所以Ω可近似= [CO32-]/K*sp，因此，浮游有孔蟲殼體重量可作為一種潛在的深海[CO32-]指標。海水[CO32-]與溶解無機碳含量（DIC）、堿度（ALK）等海洋碳酸鹽系統(tǒng)參數相關，海水[CO32-]重建是目前量化海洋碳循環(huán)過程演化的主要手段之一[4]。

Broecker 等[5]首次嘗試建立浮游有孔蟲殼體重量與深海[CO32-]的經驗關系，通過對熱帶大洋表層沉積物樣品進行研究，發(fā)現浮游有孔蟲Pulleniatina obliquiloculata、Neogloboquadrina dutertrei和Trilobatus sacculifer殼體重量與當地深海碳酸根離子飽和程度（Δ[CO32-] = [CO32-] - [CO32-]/Ω）呈線性正相關，確證了浮游有孔蟲殼體重量可作為一種深海[CO32-]代用指標。但是，上述現代過程校準結果也存在如下問題：在Δ[CO32-]高值時，殼體重量與其相關性較差；不同海區(qū)之間殼體重量與Δ[CO32-]的關系有偏差。這意味著沉積物中浮游有孔蟲殼體重量還應受到其他因素的影響。

隨后，另一項現代過程校準工作指出了上述問題的癥結所在[6]。北大西洋表層沉積物中浮游有孔蟲殼體重量與表層海水溫度、碳酸鹽系統(tǒng)參數存在顯著相關性，認為此時殼體重量反映了浮游有孔蟲在上層海洋生長過程中的鈣化程度。海洋生物的鈣化過程指浮游有孔蟲、顆石藻等鈣化生物根據方程Ca2++2HCO3-→CaCO3+CO2+H2O，形成 CaCO3殼體，鈣化程度強弱也控制著浮游有孔蟲殼體的殼壁厚度（即殼體重量）。于是，浮游有孔蟲殼體重量開始被用作一種指示鈣化程度的指標[7-8]。但是，在這一思路下利用該指標進行長時間尺度古海洋重建時又遇到了問題?，F代北大西洋深海水團年齡較輕（含更少的呼吸CO2），其深海碳酸鈣溶解作用較弱，表層沉積物中浮游有孔蟲殼體重量更多反映其鈣化程度。但是在地質歷史中，碳酸鈣溶解作用有可能劇烈下降，比如在約200～600 ka 的中布容溶解事件中，北大西洋沉積物柱狀樣中Globigerina bulloides殼體重量明顯下降，事件中殼體重量的變化實際上更多反映了深海溶解作用變化，而非浮游有孔蟲的鈣化程度[9]。

無法區(qū)分沉積物中浮游有孔蟲殼體重量中包含的鈣化信息以及溶解信息，是限制該指標古海洋學應用的主要原因。浮游有孔蟲在上層海洋生長鈣化，死亡后沉降至深海沉積物中埋藏，其殼體重量中鈣化信息即浮游有孔蟲死亡沉降前的初始殼體重量，而溶解信息即初始殼體重量受到深海溶解作用后的減輕部分。浮游有孔蟲殼體重量可作為一種古海洋指標（鈣化程度或深海Δ[CO32-]）的前提在于保證其在指定時間尺度下只受到初始殼體重量變化或深海溶解作用單一因素的影響。這需要回答以下核心科學問題：浮游有孔蟲殼體開始受到溶解作用影響的環(huán)境條件是什么？浮游有孔蟲殼體重量對鈣化過程、溶解過程的響應敏感度是怎樣的？

1 基于全球熱帶大洋表層沉積物的現代過程校準

1.1 P. obliquiloculata 殼體重量受控鈣化作用和溶解作用

基于表層沉積物的現代過程校準是建立古海洋指標的核心基礎。目前，在中低緯海洋，互相之間可類比的能兼顧不同水深的表層沉積物浮游有孔蟲殼體重量資料主要來自全球熱帶大洋——翁通爪哇海臺（Ontong Java Plateau）[5,10]、帕勞海脊（Palau Ridge）[10]、東經九十度海脊（Ninetyeast Ridge）和塞阿拉高地（Ceara Rise）[5]（圖1A），涉及的浮游有孔蟲屬種包括P. obliquiloculata、N. dutertrei和T.sacculifer，殼體的粒徑范圍為355～400 μm。首先來看P. obliquiloculata，毫無疑問，在全球范圍內，其殼體重量與深海Δ[CO32-]存在線性關系，但是這一相關性（r= 0.52）并不高（圖1B）。也就是說深海溶解作用只是控制P. obliquiloculata殼體重量的因素之一。細化到單一海區(qū)，翁通爪哇海臺、帕勞海脊和東經九十度海脊區(qū)P. obliquiloculata殼體重量與深海Δ[CO32-]高度正相關（圖1C），表明在上述單一海域，深海Δ[CO32-] / 溶解作用是控制表層沉積物中P.obliquiloculata殼體重量的唯一主導因素。而在大西洋塞阿拉高地，整體上殼體重量與深海Δ[CO32-]相關性并不好，原因在于大西洋深海的弱溶解作用（高Δ[CO32-]值）。當剔除深海Δ[CO32-] ＞20 μmol·kg-1的站位后，塞阿拉高地P. obliquiloculata殼體重量就和Δ[CO32-]呈現了明顯正相關性（圖1C）。

圖1 全球熱帶大洋表層沉積物P. obliquiloculata 殼體重量與深海Δ[CO32-]的關系[14]A: 表層沉積物站位圖，B-C: 全球熱帶大洋以及單一海區(qū)中P. obliquiloculata 殼體重量與深海Δ[CO32-]的關系。圖C 中陰影部分代表線性擬合的95 %置信區(qū)間。Fig.1 Shell weights of P. obliquiloculata from global tropical surface-sediment samples versus deep-ocean Δ[CO32-] [14]A: sites of surface-sediment sampling, B-C: relationships between P. obliquiloculata shell weight and deep-ocean Δ[CO32-] in the global tropical oceans (B) and in specific regions (C). Shaded areas in (C) denote 95% confidence intervals.

全球范圍內P. obliquiloculata殼體重量與深海Δ[CO32-]的關系提供了以下關鍵信息。首先，Δ[CO32-] =20 μmol·kg-1似乎是深海溶解作用開始影響浮游有孔蟲殼體的閾值，與前人基于培養(yǎng)實驗得出的結論一致[11-12]。理論上來說，海洋中碳酸鈣質殼體應該在Ω＜1（即Δ[CO32-]＜0 μmol·kg-1）時才會開始受到溶解作用的影響。但是實際上，這一Δ[CO32-]閾值高達20 μmol·kg-1，其中的原因應在于浮游有孔蟲殼體實際上不是純CaCO3質，含有其他元素（特別是Mg）會導致其更容易受到溶解作用的影響[13]。另外，樣品涉及四個海區(qū)內P. obliquiloculata殼體重量與深海Δ[CO32-]的線性擬合方程體現了基本一致的斜率值（Δ[CO32-]每降低1 μmol·kg-1時殼體重量的下降值），只不過線性擬合方程的截距有顯著差別。具體來說，當固定深海Δ[CO32-]值時，4 個海區(qū)P. obliquiloculata殼體重量有著明顯差別，從重到輕依次為翁通爪哇海臺、帕勞海脊、塞阿拉高地和東經九十度海脊。以上說明，初始殼體重量不同是導致4 個海區(qū)之間殼體重量-深海Δ[CO32-]關系差別的主要原因，而且，P. obliquiloculata初始殼體重量信息在受到溶解作用影響后依然能完好保留下來。簡而言之，沉積物中P. obliquiloculata殼體重量應同時包含鈣化作用信息和溶解作用信息。

1.2 N. dutertrei 殼體重量主要受控溶解作用

全球范圍內N. dutertrei殼體重量與深海Δ[CO32-]同樣存在顯著的線性關系，不過其相關性（r=0.88）明顯高于P. obliquiloculata的情況（r=0.52）（圖2A）。類似的，單一海區(qū)內，N. dutertrei殼體重量與深海Δ[CO32-]的線性擬合方程體現了基本一致的斜率值，相比于P. obliquiloculata，線性擬合方程的截距差距較小。也就是說，對比P. obliquiloculata，沉積物中N. dutertrei殼體重量對深海Δ[CO32-] / 溶解作用的敏感度更高，原因應在于P. obliquiloculata的抗溶性高于N. dutertrei[15]。簡而言之，沉積物中N.dutertrei殼體重量主要受到深海Δ[CO32-] / 溶解作用的控制，相對來說鈣化作用控制的初始殼體重量變化對其影響較小，N. dutertrei殼體重量可作為一種潛在的深海Δ[CO32-] / 溶解作用代用指標。

圖2 全球熱帶大洋（A）以及單一海區(qū)中（B）表層沉積物N. dutertrei 殼體重量與深海Δ[CO32-]的關系[14]圖B 中陰影部分代表線性擬合的95 %置信區(qū)間。Fig.2 Relationships between shell weights of N. dutertrei in surface-sediment samples from global tropical (A) or specific regions (B) and deep-ocean Δ[CO32-] [14]Shaded areas in (B) denote 95% confidence intervals.

1.3 T.sacculifer 殼體重量受控溶解作用

T. sacculifer是典型的易溶種，其抗溶性遠弱于P. obliquiloculata和N. dutertrei[15]。不出意料，T.sacculifer殼體重量與深海Δ[CO32-]的相關性最好（剔除深海Δ[CO32-]＞20 μmol·kg-1的站位后）（圖3）。單一海區(qū)內，T. sacculifer殼體重量與深海Δ[CO32-]的線性擬合方程體現了基本一致的斜率值，更重要的是，四個海區(qū)的線性擬合方程的截距幾乎沒有差別（圖3B）。這四個海區(qū)不同的上層海洋環(huán)境必定導致T. sacculifer的初始殼體重量不同，證據一是這些海區(qū)中P. obliquiloculata和N. dutertrei的初始殼體重量就存在顯著差距（圖1-2），證據二則是當Δ[CO32-]＞20 μmol·kg-1時（此時殼體重量等同于初始殼體重量），T. sacculifer的（初始）殼體重量存在明顯的變化幅度（圖3）。但是，一旦T. sacculifer殼體開始受到溶解作用（Δ[CO32-]＜20 μmol·kg-1），其初始殼體重量信號幾乎被迅速抹除。也就是說，易溶種T. sacculifer的殼體對深海Δ[CO32-] / 溶解作用極其敏感，在深海Δ[CO32-]＜20 μmol·kg-1的情況下，其殼體重量基本只反映溶解信號。也就是說，T.sacculifer殼體重量是一種絕佳的深海Δ[CO32-] / 溶解作用代用指標。

圖3 全球熱帶大洋（A）及單一海區(qū)中（B）表層沉積物T. sacculifer 殼體重量與深海Δ[CO32-]的關系圖B 中陰影部分代表線性擬合的95%置信區(qū)間。Fig.3 Relationships between shell weights of T. sacculifer from global tropical (A) surface-sediment or specific regions (B) and deep-ocean Δ[CO32-] [14]Shaded areas in (B) denote 95% confidence intervals.

2 基于南大洋南極帶表層沉積物的現代過程校準

浮游有孔蟲Neogloboquadrina pachyderma（sinistral）是一種典型的中高緯度種，在南大洋是當地的絕對優(yōu)勢種[16]?；诎⒚缮＃ˋmundsen Sea）、羅斯海（Ross Sea）和普里茲灣（Prydz Bay）表層沉積物的現代過程校準工作評估了南大洋南極帶浮游有孔蟲N. pachyderma（sin.）殼體重量指標的環(huán)境指示意義[17]。出乎意料的是，校準結果與前述熱帶大洋浮游有孔蟲P. obliquiloculata、N. dutertrei和T.sacculifer的情況并不完全一致。當站位深海Δ[CO32-]＞20 μmol·kg-1時, 三個海區(qū)N. pachyderma（sin.）殼體重量變化幅度較大（圖4），表明其記錄了復雜的上層海洋鈣化作用信號，這和熱帶大洋的研究結果一致。但是，當站位深海Δ[CO32-]＜20 μmol·kg-1時，除了300～355 μm 殼體粒徑范圍以外，N. pachyderma（sin.）殼體重量與深海Δ[CO32-]并無顯著相關性。甚至在300～355 μm 殼體粒徑范圍內，由于統(tǒng)計范圍內只包含3 個數據點，其形成的殼體重量-Δ[CO32-]線性擬合關系也并不十分可靠。

圖4 南大洋南極帶表層沉積物N. pachyderma（sin.）殼體重量與深海Δ[CO32-]的關系[17]A：表層沉積物站位圖，B-D：分別為3 種不同粒徑范圍200～250、250～300 和300～355 μm 的結果。Fig.4 Relationships between shell weights of N. pachyderma (sin.) from Antarctic Zone surface-sediment samples and deep-ocean Δ[CO32-] [17]A: sites of surface-sediment samples; B-D: results for three different shell size ranges 200～250 μm (B), 250～300 μm (C), and 300～355 μm (D)

由此可以推斷，南大洋南極帶沉積物中N.pachyderma（sin.）殼體重量主要顯示了上層海洋的鈣化過程信號，而非深海的碳酸鈣溶解作用。其中的原因可能是：相比于熱帶大洋，高緯海洋環(huán)境并不適宜浮游有孔蟲的生長鈣化，具體表現為高緯海洋浮游有孔蟲的數量以及分異度都顯著低于中低緯，在這種極端環(huán)境下，浮游有孔蟲對上層海洋生長環(huán)境變化更加敏感；另外，南極帶極端海洋環(huán)境下N. pachyderma（sin.）初始殼體比較脆弱（殼壁薄、重量輕），當其受到溶解作用影響后極易破碎，這導致沉積物中剩余的完整殼體可能并不具備整體代表性（只有少數重量偏重的殼體能保存下來），因此，殼體重量與深海溶解作用的相關性不高。以上可能共同導致南大洋南極帶沉積物中N. pachyderma（sin.）殼體重量主要反映初始殼體重量，因此，可作為鈣化程度指標。

3 浮游有孔蟲殼體重量的古海洋應用模式

基于上述現代過程校準結果：深海溶解作用開始影響沉積物中浮游有孔蟲殼體重量的閾值為Δ[CO32-] = 20 μmol·kg-1，因此當地質歷史中研究站位的深海Δ[CO32-]始終＞20 μmol·kg-1時，殼體重量可作為浮游有孔蟲鈣化程度指標；在受到溶解作用影響后（Δ[CO32-]＜20 μmol·kg-1），不同浮游有孔蟲種殼體重量對Δ[CO32-]響應敏感度并不一致，相對來說，易溶種，比如T. sacculifer，其殼體重量更適合作為深海Δ[CO32-]代用指標。

3.1 浮游有孔蟲殼體重量反映鈣化程度

浮游有孔蟲、顆石藻等海洋生物的鈣化過程以1∶2 的比例消耗上層海水中的DIC 和ALK，總體將導致上層海水pH 下降、pCO2上升[2]，因此該過程在海洋碳循環(huán)領域具有重要的研究意義。目前使用浮游有孔蟲殼體重量作為鈣化程度指標的研究多位于大西洋，因為大西洋深海的Δ[CO32-]較高、碳酸鈣溶解作用較弱。因此大西洋基于殼體重量的古海洋研究多探討浮游有孔蟲鈣化程度的受控機制。

末次冰期以來北大西洋浮游有孔蟲G. bulloides殼體重量隨著大氣pCO2升高/海洋酸化而下降，意味著該種的鈣化過程可能受控海水碳酸鹽系統(tǒng)[6]。這一結論得到了一系列培養(yǎng)實驗和現代過程調查的支持[7,18-22]，這些研究均發(fā)現特定浮游有孔蟲鈣化程度變化與其生活水深的海水pH/[CO32-]正相關，因此在海-氣CO2平衡海區(qū)，大氣pCO2升高引發(fā)的上層海洋酸化會導致浮游有孔蟲鈣化程度減弱，反映為殼體重量下降。然而，隨著在全球各海區(qū)針對不同浮游有孔蟲種開展研究，逐漸認識到無論是在現代還是地質歷史中，浮游有孔蟲鈣化過程機制遠比我們想象的復雜，除了海水碳酸鹽系統(tǒng)，海水溫度[14,17,23]、鹽度[24-25]以及營養(yǎng)鹽濃度[26]等其他環(huán)境參數也是潛在的影響因素，其中溫度的影響甚至被認為和海水碳酸鹽系統(tǒng)的影響相當[27]。比如，利用深海Δ[CO32-]校正得到的P. obliquiloculata初始殼體重量結果顯示無論在現代還是地質歷史中，P.obliquiloculata鈣化程度變化均與上層海水溫度顯著正相關，而和海水碳酸鹽系統(tǒng)參數并無關聯[14]。類似地，在南大洋南極帶，表層沉積物中N.pachyderma（sin.）的初始殼體重量也與現代上層海水溫度呈正相關[17]。這些研究指出，至少對于P.obliquiloculata和N. pachyderma（sin.），其鈣化程度主要受控于海水溫度而非海洋酸化。以上可以看出，浮游有孔蟲鈣化作用對海洋環(huán)境要素的響應方式應存在明顯的種間差異。

3.2 浮游有孔蟲殼體重量重建深海碳酸鹽系統(tǒng)

海水碳酸鹽系統(tǒng)中[CO32-]反映了海水ALK 和DIC 的變化，ALK 代表海水碳酸鹽系統(tǒng)的緩沖能力，DIC 則代表當前海水儲碳量狀況。目前，古深海[CO32-]指標是探索海洋碳儲庫演化的主要手段之一。正如前文（1.2 節(jié)和1.3 節(jié)）所述，當深海Δ[CO32-]＜20 μmol·kg-1時，浮游有孔蟲N. dutertrei和T.sacculifer殼體重量可作為可靠的Δ[CO32-]代用指標。于是，Qin 等[28]基于全球熱帶大洋表層沉積物樣品建立了N. dutertrei和T. sacculifer的殼體重量-深海Δ[CO32-]經驗校準公式（圖5）。

圖5 T. sacculifer 和N. dutertrei 的殼體重量-深海Δ[CO32-]的經驗校準公式[28]殼體重量數據來自355～400 μm 粒徑范圍[28]。Fig.5 Empirical calibration equations of shell weight and deep-ocean Δ[CO32-] of T. sacculifer and N. dutertrei from the 355～400 μm size range[28]

正是通過N. dutertrei和T. sacculifer殼體重量，重建了熱帶西太平洋上新世以來不同時間尺度上深海Δ[CO32-]變化[10,28-30]。熱帶太平洋適合開展該指標古海洋學應用的原因在于：該海區(qū)沉積物中含有豐富的浮游有孔蟲；另外太平洋的深海Δ[CO32-]足夠低，至少可以保證上新世以來Δ[CO32-]始終顯著低于20 μmol·kg-1?；讦CO32-] ≈ ALK - DIC 的關系[31]，深海Δ[CO32-]記錄可用來探討地質歷史中深海碳儲庫/碳循環(huán)演化過程。熱帶西太平洋這一系列深海Δ[CO32-]記錄揭示了如下結論：冰期旋回中太平洋深海碳酸鹽系統(tǒng)通過碳酸鈣補償機制響應海平面控制的陸架珊瑚礁碳酸鈣埋藏量變化[10,32]；量化了中布容溶解事件中太平洋深海Δ[CO32-]的下降幅度[29]；中更新世氣候轉型期間太平洋深海DIC 儲庫顯著增強[28,33]；南極冰蓋/海冰擴張有利于太平洋深海儲碳，而AMOC 主要調節(jié)大西洋和太平洋深海的DIC 分配模式[30]等。

4 浮游有孔蟲殼體重量指標的優(yōu)劣勢以及未來展望

當用來反映鈣化程度，浮游有孔蟲殼體重量指標的應用前提為保證樣品始終不受到溶解作用的影響，即需要深海Δ[CO32-]＞20 μmol·kg-1。圖1 可以看到，即使對于典型抗溶種P. obliquiloculata，一旦Δ[CO32-]＜20 μmol·kg-1，其殼體重量會開始顯著下降。因此，在指標使用中，可通過底棲有孔蟲B/Ca比值等手段恢復研究時段內深海Δ[CO32-]變化；或者基于站位現代深海Δ[CO32-]數據以及預估研究時段中Δ[CO32-]的可能變化幅度，來校準或排除溶解作用的干擾。

目前成熟的深海Δ[CO32-]代用指標主要包括特定浮游有孔蟲殼體重量和底棲有孔蟲B/Ca 比值[31]，兩者均基于全球大洋表層沉積物建立的經驗校準公式。底棲有孔蟲B/Ca 比值指標的優(yōu)勢在于其Δ[CO32-]適用范圍高達-20～80 μmol·kg-1，該指標幾乎可應用于所有海區(qū)，特別是Δ[CO32-]普遍較高的大西洋。相比之下，浮游有孔蟲殼體重量指標的Δ[CO32-]適用范圍只有-20～20 μmol·kg-1，目前來看，該指標適合于全球平均深海Δ[CO32-]最低的太平洋，以及其他海域水深較深的站位。殼體重量指標的優(yōu)勢則在于浮游有孔蟲（相較于底棲有孔蟲）的易獲取性，這意味著在有孔蟲含量豐富的站位，該指標可形成高分辨率的重建記錄。

以上關于浮游有孔蟲殼體重量指標的認識主要來自于表層沉積物的現代過程校準結果，未來建議進一步加強基于現場觀測、實驗室培養(yǎng)等方式的浮游有孔蟲生長鈣化和溶解過程機制研究。比如，浮游有孔蟲在生長鈣化過程中會在殼體內以及周圍形成一個獨特的“微環(huán)境”，并能通過生命效應以提高微環(huán)境中pH 以及[CO32-]來促進生長鈣化[34]，這種生命效應過程目前對學界而言仍是一個“黑盒子”；浮游有孔蟲在不同生長階段的鈣化過程對海洋環(huán)境的響應方式可能存在顯著差異，處于成長期（小尺寸）時由于只能吸收有限體積海水中的離子進行鈣化，其鈣化作用反而會在高DIC 濃度（低pH 值）環(huán)境下增強[21]；現代觀測研究指出相當一部分上層海洋生產的CaCO3會在淺水透光層被溶解，其機制可能與透光層大量有機碳降解導致的海洋酸化有關[35-36]，而這一特殊溶解機制對沉積物中浮游有孔蟲殼體的影響尚不清楚。上述這些細節(jié)問題無疑需要更加精細的觀測與培養(yǎng)研究來解決。

5 總結

基于目前已有的全球大洋表層沉積物數據，綜述了浮游有孔蟲殼體重量作為鈣化程度或者深海Δ[CO32-]指標的現代過程校準結果。深海溶解作用開始影響浮游有孔蟲殼體的閾值是Δ[CO32-]=20 μmol·kg-1，在此閾值以上，殼體重量可用來反映浮游有孔蟲鈣化程度變化。在此閾值以下，浮游有孔蟲易溶種T. sacculifer和N. dutertrei的殼體重量可作為深海Δ[CO32-]代用指標。目前基于浮游有孔蟲殼體重量指標的古海洋研究顯示：在鈣化過程受控機制方面，海水碳酸鹽系統(tǒng)和溫度是影響浮游有孔蟲鈣化作用的主導因素，不同浮游有孔蟲種鈣化過程對海洋環(huán)境要素的響應方式存在明顯差異；在深海Δ[CO32-]重建方面，海平面、南大洋冰蓋/海冰以及全球溫鹽環(huán)流變化是控制上新世以來太平洋深海碳循環(huán)的主導因素。