浮游有孔蟲表層水種不同形態(tài)類型殼體的Sr/Ca 記錄

賈奇，李鐵剛,2，熊志方,2，秦秉斌

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

浮游有孔蟲殼體元素組成作為重要的海洋環(huán)境參數替代性指標，在古海洋學研究中發(fā)揮著重要的作用。隨著浮游有孔蟲殼體元素比值測試技術的快速發(fā)展，通過對浮游有孔蟲殼體元素比值的分析，取得了一系列重要成果[1-3]。其中，Globigerinoides ruber（白色）和Trilobatus sacculifer殼體作為定量重建地質歷史時期表層海水溫度和鹽度的重要信息載體，得到了廣泛的研究和應用[1,4-5]。然而，在利用G. ruber和T. sacculifer殼體進行測試時，通常忽略G. ruber和T. sacculifer不同形態(tài)類型的殼體對重建結果的可能影響。

大部分海洋沉積物樣品中G. ruber殼體存在兩種形態(tài)類型，分別為狹義種（sensu stricto, s.s.）和廣義種（sensu lato, s.l.）。根據分類學標準，G. rubers.s.殼體的主要形態(tài)為：一個近球形房室對稱地生長于原有結構上，而形成具有高角度拱形的較大口孔；而G. rubers.l. 殼體具有相對緊湊的結構特征：一個扁平的房室不對稱地生長于原有結構之上，從而形成具有中等角度的拱形和相對較小的口孔[6]。研究發(fā)現浮游有孔蟲G.ruber殼體的兩種形態(tài)類型具有不同的穩(wěn)定同位素組成，且G. rubers.s.的生活水深淺于G. rubers.l.，因此兩種形態(tài)類型的G. ruber殼體記錄的海洋環(huán)境信息可能存在差異[4,7-8]。此外，也有研究發(fā)現熱帶和亞熱帶海區(qū)G. rubers.s.和G.rubers.l.殼體的元素比值也存在差異[4,9]。

T. sacculifer作為另外一個重要的浮游有孔蟲混合層水種，其殼體在古海洋學研究中也得到了廣泛的應用[10-11]。盡管從分類學角度來看，T. sacculifer的分類更加復雜，但其在形態(tài)方面的主要區(qū)分依據為是否具有最后一個似袋狀房室[12]。因此，T.sacculifer從形態(tài)學上可以分為T. sacculifer（with sac）和T. sacculifer（without sac）。Elderfield 等[11]和Anand 等[13]通過對取自大西洋的沉積巖芯以及沉積物捕獲器樣品的分析，發(fā)現T. sacculifer（with sac）和T. sacculifer（without sac）殼體的元素比值同樣存在一定的差異。

已有研究表明有孔蟲殼體的Sr/Ca 比值在第四紀以來存在著明顯的冰期-間冰期變化特征，可能是指示海水Sr/Ca 水平的潛在替代性指標[14-15]。此外，有孔蟲殼體Sr/Ca 比值的變化可能可以指示第四紀冰期旋回中的海平面變化[16]。也有研究發(fā)現浮游有孔蟲殼體的Sr/Ca 受海水溫度和鹽度等因素的影響[17]。因此，有孔蟲殼體Sr/Ca 是古海洋學研究的潛在指標之一。本文通過西菲律賓海MD06-3047B巖芯中G. rubers.s.和G. rubers.l.以及T. sacculifer（with sac）和T. sacculifer（without sac）殼體Sr/Ca 比值的測試分析，探討它們之間是否存在著顯著性差異，并分析不同形態(tài)類型殼體Sr/Ca 比的影響因素，為未來利用兩個浮游有孔蟲表層水種在該區(qū)域開展古海洋學工作提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究材料

MD06-3047B 巖芯（17°00.44′N、124°47.93′E）位于呂宋島以東約240 km 的西菲律賓海本哈姆高原（圖1a），水深2 510 m。該沉積巖芯沉積連續(xù), 沒有發(fā)現明顯的沉積間斷以及濁流沉積層，沉積柱狀樣主要由黃色粉砂質泥組成。根據前人研究，西菲律賓?，F代碳酸鹽溶躍面深度約為3 400 m[18]，MD06-3047B 孔位于海區(qū)溶躍面深度之上，因此該沉積物巖芯中有孔蟲保存程度較好[19]。在本次研究中，我們選取鉆孔巖芯上部60 cm，按4 cm 間隔取樣，取得15 個層位的樣品。每個層位樣品分別挑選30～50 枚粒徑范圍為250～300 μm 的G. rubers.s.、G. rubers.l.、T. sacculifer（with sac）和T. sacculifer（without sac）殼體（圖2）。并對這59 個有孔蟲樣品（G. rubers.s.有一層位缺失）進行Sr/Ca 比值測試。盡管G. ruber和T. sacculifer的生活水深存在差異，但兩者的平均鈣化深度均位于混合層內[7,13]，該層內海水溫度和鹽度隨深度的變化較小（圖1b）。

圖1 MD06-3047B 孔站位信息a：年均表層海水溫度信息，b：MD06-3047B 孔附近的垂向溫度與鹽度信息。數據引自WOA13[20]。Fig.1 The location of Site MD06-3047Ba: The annual mean sea surface temperature, b: profiles of water temperature and salinity around Site MD06-3047B.The data are from World Ocean Atlas 2013[20].

圖2 G. ruber 和T. sacculifer 不同形態(tài)類型殼體的顯微照片Fig.2 Microphotographs of G. ruber and T. sacculifer morphotypes

1.2 殼體元素測試

有孔蟲殼體的清洗主要依據Barker 等[21]的方法。首先，將有孔蟲殼體在顯微鏡下壓碎，保證每個房室均被打開；分別對每一個有孔蟲樣品用去離子水進行超聲清洗5 次、乙醇（優(yōu)級純）超聲清洗2次、去離子水清洗2 次，用以去除黏土等；用加熱的H2O2緩沖溶液進行氧化處理，并用去離子水進行清洗，以去除有機質等；在鏡下剔出非有孔蟲殼體碎片的雜物（暗色礦物、絮塵等）；轉移并進行淋洗保存等待上機測試。元素測試在中國科學院海洋研究所電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（ICP-OES）上進行。通過對標準溶液（Sr/Ca=1.20 mmol/mol）進行45 次重復測試分析，得到Sr/Ca 測試的標準偏差為1.1% (1σ)。

1.3 統計分析

為了從統計學角度分析G.ruber和T. sacculifer不同形態(tài)類型殼體的Sr/Ca 比值差異，我們依照Antonarakou 等[8]的方法，對MD06-3047B 巖芯中上述4 類有孔蟲殼體的Sr/Ca 測試結果進行韋爾奇檢驗。首先，假設相比較的兩組數據均值結果相當，如果G.rubers.s.和G. rubers.l.或T. sacculifer（with sac）和T. sacculifer（without sac）殼體的Sr/Ca 結果相當，即接受虛假設（H=H0），說明G.ruber或T.sacculifer不同形態(tài)類型的Sr/Ca 比值的差異不大；相反，如果對比結果存在顯著差異，即拒絕虛假設（H=Ha），說明不同形態(tài)類型殼體的Sr/Ca 存在顯著差異。

2 殼體Sr/Ca 結果

MD06-3047B 孔的年齡框架由Jia 等建立[19]，主要依據全球大洋底棲有孔蟲氧同位素堆疊曲線[22]，并輔以粉紅色G. ruber末現面（～120 ka）作為參考點[23]而確立。本次研究的樣品時間跨度約48 ka，覆蓋了MIS 3-1。圖3 所示為MD06-3047B 孔MIS 3 期以來的G.rubers.s. 和G. rubers.l. 以及T.sacculifer（with sac）和T. sacculifer（without sac）殼體的Sr/Ca 比值。48 ka 以來G.rubers.s.和G. rubers.l.殼體的Sr/Ca 整體上具有相同的變化趨勢，其差值變化范圍為-0.006～0.022 mmol/mol，平均差值約0.006 mmol/mol。G. ruber（白色）的兩種形態(tài)類型殼體的Sr/Ca 比值并沒有表現出明顯的階段性高低變化規(guī)律，但G.rubers.l.殼體Sr/Ca 波動幅度相對較大。T. sacculifer（with sac）和T. sacculifer（without sac）殼體Sr/Ca 比值存在差異，整體上T. sacculifer（with sac）殼體的Sr/Ca 比值相對較高，兩者的差值變化范圍為-0.008～0.034 mmol/mol，平均約0.017mmol/mol。

3 討論

3.1 G.ruber 和T. sacculifer 不同形態(tài)類型殼體Sr/Ca差異

如圖3 所示，G.rubers.s.和G. rubers.l.殼體Sr/Ca變化趨勢較為一致，平均差值僅約0.006 mmol/mol，小于Sr/ Ca 比值的測試誤差（± 0.011 mmol/mol）。T.sacculifer（with sac）和T. sacculifer（without sac）殼Sr/Ca 平均差值為約0.017 mmol/mol，大于測試誤差（± 0.011 mmol/mol）。同時，統計學韋爾奇檢驗結果也顯示G.rubers.s.和G. rubers.l. 殼體Sr/Ca 平均值差異結果不具有顯著差異；而T. sacculifer（with sac）和T. sacculifer（without sac）殼Sr/Ca 平均值差異顯著（p＜0.05， 表1） 。 綜上， 我們判斷在MD06-3047B 站位的附近海區(qū)G. ruber不同形態(tài)類型殼體Sr/ Ca 比值的差異較?。欢鳷. sacculifer不同形態(tài)類型殼體Sr/Ca 的差異較大。因此，在西菲律賓海區(qū)對浮游有孔蟲表層水種Sr/Ca 比值進行測試分析時，如在樣品量不足的情況下，可以選擇G. ruber的不同形態(tài)類型殼體，但需要盡量選擇T. sacculifer（with sac）或T. sacculifer（without sac）的單一形態(tài)類型殼體，以免造成結果偏差。

表1 MD06-3047B 孔G. ruber s.s.和G. ruber s.l.以及T. sacculifer（with sac）和T. sacculifer（without sac）殼體Sr/Ca 平均值（mmol/mol）以及韋爾奇檢驗結果（p＜0.05）Table 1 Mean shell Sr/Ca (mmol/mol) of G. ruber s.s., G. ruber s.l., T. sacculifer (with sac), and T. sacculifer (without sac) of Core MD06-3047B with the results of the Welch’s t-test at p＜0.05 level

3.2 不同形態(tài)類型殼體Sr/Ca 差異的影響因素

浮游有孔蟲殼體Sr/Ca 主要受到海水Sr/Ca、海水溫度、鹽度和溶解作用等因素的影響[17,24-27]。根據前人關于海水Sr/Ca 的冰期-間冰期變化特征的研究可知，海水Sr/Ca 在冰期時高，而在間冰期時低[28-29]。這一特征與我們的結果并不完全一致（圖4），特別是MIS 3 期的Sr/Ca 整體低于MIS 1 期。此外，不同形態(tài)類型殼體的Sr/Ca 變化并沒有表現出完全一致的變化，也說明其他因素在其中發(fā)揮作用。因此，海水Sr/Ca 可能不是影響研究區(qū)浮游有孔蟲殼體Sr/Ca 變化特征的唯一因素。有研究表明，G.ruber殼體Sr/Ca 可能受到海水溫度和鹽度的影響，而受pH 的影響較小[26]，隨著海水溫度和鹽度的升高，G.ruber殼體Sr/Ca 呈增大趨勢。T. sacculifer殼體Sr/Ca 同樣受到溫度和鹽度的影響[27]，海水溫度升高，T. sacculifer殼體Sr/Ca 越大，而鹽度越高，Sr/Ca越小。

圖4 MD06-3047B 孔G. ruber 和T. sacculifer 不同形態(tài)類型殼體Sr/Ca 與表層海水溫度和鹽度記錄[19]的對比MIS 為氧同位素期次，T-I 為末次冰消期。Fig.4 Comparison of shell Sr/Ca of G. ruber and T. sacculifer morphotypes with sea surface temperature and salinity[19] from Core MD06-3047BMIS: marine isotope stage, T-I: the last deglacial stage.

如圖3 和圖4 所示，同一粒徑范圍下，MIS 3 期以來G. ruber兩種形態(tài)類型的殼體Sr/ Ca 十分相似，說明兩者的變化可能受到相同影響因素的控制。而T. sacculifer（with sac）和T. sacculifer（without sac）殼體Sr/Ca 存在顯著差異（本文3.1 節(jié)），可能指示二者受不同因素的影響。進一步將G.rubers.s.、G. rubers.l.、T. sacculifer（with sac）和T. sacculifer（without sac）殼體Sr/Ca 進行對比可發(fā)現（圖4），G.rubers.s.、G. rubers.l.和T. sacculifer（without sac）殼體Sr/Ca 呈現較為一致的變化趨勢，并兩兩進行線性相關分析，發(fā)現三組記錄之間具有較好的相關性，因此這兩個種的3 種形態(tài)類型殼體Sr/Ca 的記錄可能受到相同因素的影響。為方便分析，將這三組記錄進行堆疊平均（Sr/Castack），并與同站位48 ka以來的表層海水溫度和鹽度等古海洋學記錄[19]進行對比和線性相關分析。結果顯示Sr/Castack與表層海水溫度呈現線性正相關（圖5a），從整體趨勢上，G.rubers.s.、G. rubers.l.和T. sacculifer（without sac）的Sr/Ca 的增大對應表層海水溫度的升高（圖4）。而Sr/Castack與表層海水鹽度替代性指標（δ18Osw-ice）之間不具有明顯的相關性（圖5b），并且G.rubers.s.、G. rubers.l.和T. sacculifer（without sac）殼體Sr/Ca 與表層海水鹽度的變化趨勢也存在較大差異（圖4）。因此，研究區(qū)G.rubers.s.、G. rubers.l.和T.sacculifer（without sac）殼體的Sr/Ca 變化可能主要受到表層海水溫度的影響，而受到鹽度的影響較小。其中，Sr/Ca 的高值并未完全出現在MIS 1 期，而整體出現在末次冰消期，即MIS 2 期向MIS 1 期的過渡階段（圖4）。這可能是由于太平洋區(qū)域存在顯著的末次冰消期表層海水溫度顯著增暖的特征[30]。此外，MD06-3047B 孔年齡框架由底棲有孔蟲氧同位素建立，而根據前人工作，研究區(qū)SST 在變化特征上超前于底棲有孔蟲氧同位素的變化[31]。

圖5 MD06-3047B 孔浮游有孔蟲表層水種Sr/Ca 與表層海水溫度和鹽度記錄[19]的線性相關分析SST 為表層海水溫度，δ18Osw-ice 為表層海水鹽度替代性指標（高值指示高鹽），Sr/Castack 為G.ruber s.s.、G. ruber s.l.和T. sacculifer（without sac）殼體Sr/Ca 記錄的堆疊結果。Fig.5 Linear correlation of shell Sr/Ca ratio of planktonic surface-water-dwelling foraminifer species and sea surface temperature and salinity[19] from Core MD06-3047BSST: sea surface temperature, δ18Osw-ice: the proxy of sea surface salinity (high δ18Osw-ice means higher salinity), Sr/Castack: the stack of Sr/Ca records of G.ruber s.s., G. ruber s.l., and T. sacculifer (without sac).

由于T. sacculifer（with sac）殼體Sr/Ca 與G.rubers.s.、G. rubers.l.和T. sacculifer（without sac）的變化趨勢存在明顯差異（圖4），故將其單獨進行分析。如圖5c 和圖5d 所示，T. sacculifer（with sac）殼體Sr/Ca 與表層海水溫度記錄無顯著相關性，而與表層海水鹽度呈反相關。因此，T. sacculifer（with sac）殼體的Sr/Ca 可能主要受表層海水鹽度的影響，這一關系與Dissard 等的研究結果一致[27]。

4 結論

通過對西太平洋暖池北部邊緣海區(qū)MD06-3047B 孔中浮游有孔蟲表層水種G.ruber（G.rubers.s.與G. rubers.l.）和T. sacculifer（T. sacculifer（with sac）與T. sacculifer（without sac））殼體的Sr/ Ca 進行分析，發(fā)現MIS 3 期以來，G. ruber不同形態(tài)類型殼體的Sr/ Ca 差異較小；而T. sacculifer不同形態(tài)類型殼體的Sr/ Ca 相差較大。因此，在利用G. ruber和T. sacculifer殼體的Sr/Ca 結果重建古海洋信息的過程中，如在樣品量有限的條件下，可以選擇G.ruber殼體不同形態(tài)類型進行測試，但應盡量選擇T.sacculifer單一形態(tài)類型殼體。不同形態(tài)類型殼體Sr/Ca 與海水溫度和鹽度古海洋學記錄對比顯示，研究區(qū)G.rubers.s.、G. rubers.l.和T. sacculifer（without sac）殼體Sr/Ca 可能主要受海水溫度的影響；T. sacculifer（with sac）殼體Sr/Ca 主要受到鹽度的影響。

致謝：感謝中法合作MARCO POLO 2 航次的全體工作人員在取樣過程中提供的幫助。