第四纪研究  2015, Vol.35 Issue (6): 1354-1365   PDF    
南海沉降颗粒物U37K'指标的影响因素初探
张静静, 李宏亮 , 陈建芳, M.G.Wiesner, 金海燕, 冉莉华    
(① 国家海洋局第二海洋研究所, 国家海洋局海洋生态系统和生物地球化学重点实验室, 杭州 310012; ② 德国汉堡大学地质研究所, 汉堡 D-20146)
摘要    根据南海不同海区的时间序列沉降颗粒物的U37K'指标及基于该指标估算的海表温度(Sea Surface Temperature, 简称SST), 试图探讨现代过程对地球化学古环境参数的改造。结果表明, 通过沉降颗粒物中U37K'估算的SST与卫星测算的SST在大多数时段并不一致。其中, 颗粒物的侧向运动可能会使得U37K'估算的SST与遥感SST不一致, 而颗石藻的层位效应可能使U37K'估算的SST低于遥感SST。另外, 沉降过程中U37K'指标并无明显的改变, 表明有机质沉降过程中的降解作用对U37K'温度估算影响较小。然而已有的研究表明, 南海表层沉积物U37K'估算的SST与上层多年平均的实测温度有较好的相关性, 表明代表几十至几百年的表层沉积物, 能够对短时间和局地的差异进行"平滑"。综上所述, 局部的差异(捕获器样品)并不与全局的变化趋势(表层沉积物)相矛盾, U37K'指标仍是研究南海古温度的良好替代指标, 但为提高U37K'估算温度和解释现象的可靠性, 现代过程的研究仍然有重要意义。
主题词     古环境替代指标    U37K'温度    沉积物捕获器    南海    
中图分类号     P722.7;P734.4+3                    文献标识码    A

1 引言

利用长链不饱和烯酮(C37~39)准确估算海洋上层古温度是研究古气候的有效途径之一。颗石藻(主要是Emiliania huxleyi和Gephyrocapsa oceanica)合成长链不饱和烯酮时,其不饱和度(UK37指标,即2个碳-碳双键的长链烯酮占烯酮总量的比例)与其母源藻类生长环境的温度相关[1, 2, 3]。全球不同纬度表层沉积物的UK′37指标与表层水体年平均温度的对比研究发现,两者之间确实存在良好的线性关系[4, 5, 6]。同时,UK′37指标已在不同时间尺度的海洋古温度重建研究中得到广泛应用[7, 8, 9]

但是,随着UK′37指标的广泛应用,人们也发现了该方法无法解释的一些现象。比如,根据不同条件的培养实验得出的UK′37-温度关系式与Müller等[10]基于表层沉积物的UK′37-海表温度关系式有很大不同,而且关系式随藻类种类及其生态和环境特征而变。现场的校正也表明UK′37-温度关系式随海域不同而有很大差异[11]。基于培养实验和全球大尺度表层沉积物的古温度公式[6, 12]是否适用于温度范围(如热带和极地海域)和环境条件不同(如硅质泵与钙质泵、 高生产力区与寡营养区)的海域?有哪些因素会影响温度估算的可靠性?要弄清这些问题,只能从颗石藻的受控生态培养、 悬浮和沉降颗粒物UK′37温度与实测温度的对比、 不同纬度表层沉积物UK′37温度与上层多年平均温度的对比等现代过程的研究来一一澄清。目前,从受控生态培养[3, 4, 12, 13, 14]和表层沉积物[6]出发,来评估和校正UK′37古温度估算已有较多的工作。同时,已在全球范围内从时间系列沉积物捕获器样品出发,进行现代过程对UK′37指标影响的工作[15, 16, 17, 18]

南海位于西太暖池和青藏高原之间,是世界上最大的热带边缘海之一。近几十年来,利用沉积记录中微体生物(有孔虫、 放射虫和硅藻等)的丰度、 同位素(δ18O等)、 壳体的元素比值(Mg/Ca等)和有机标志化合物等相关指标已开展了多种时间尺度的古海洋、 古气候研究的研究[19, 20, 21, 22, 23]。Pelejero和Grimalt[24]基于表层沉积物对南海UK′37估温进行了校正,发现在温度24~29℃,UK′37估温范围的上限附近,UK′37与多年平均的表层海水实测温度有很好的线性关系,并在此基础上建立了南海区域的UK′37-SST经验公式。自此以后,利用UK′37指标重建南海古温度便在南海得到了广泛的应用[25, 26, 27, 28, 29]。这些研究将计算得到的UK′37-SST与有孔虫氧同位素或其他生物标志物估算的温度进行对比研究[23],肯定了UK′37指标重建南海古温度的可靠性[25],探讨了冰期/间冰期旋回中的温度变化特征以及其对东亚东北季风的响应[26, 27, 28, 29]。此外,由于UK′37温度对长链烯酮母源生物生长季节比较敏感,因此沉积记录中的UK′37指标反演的SST可能主要代表冬季上层水体的温度[30]。然而,利用沉降颗粒物UK′37指标反演高时间分辨率的现代海水表层温度的研究仍未有报道。本文根据南海时间序列沉积物捕获器样品UK′37的分析,结合卫星遥感SST,评估南海现代过程可能对UK′37指标存在的影响。

2 材料与方法 2.1 样品采集

本文所用的样品分别来自于中德合作项目于南海北部(SCS-N,3套),南海中部(SCS-C,4套),越南岸外(SCS-SW,1套)和吕宋岸外(SCS-NE,3套)4个站点布放的11套沉积物捕获器(图 1)。捕获器回收的周期通常为1年左右,每个样品杯的采样间隔则为15天或28天,每个站位同时布放1~3层,其中,上层一般为1000~1200m,中层为1700~2250m左右,底层一般离海底数百米,样品信息详见表 1

在布放之前,沉积物捕获器的每个样品杯用布放时同等深度的海水装满,然后按3.33g/L和33.3g/L分别加入HgCl2和NaCl以防止微生物的降解作用,并使得对流交换影响最小化。捕获器回收至甲板后,一般先对样品进行描述、 照相与记录,然后在4℃下冷藏避光保存。样品处理之前先过1mm筛,以除去非自然沉降的游泳生物,小于1mm部分用旋转液体分样器均匀分成若干份,用于分析不同参数。开展地球化学分析的样品经过冷冻干燥,均质化后,避光保存[31, 32]

图 1 研究区站位图 SCS-N——南海北部(Northern SCS),SCS-NE——吕宋岸外 (Luzon offshore),SCS-C——南海中部(Central SCS), SCS-SW——越南岸外(Vietnam offshore) Fig. 1 Stationsin the South China Sea(SCS)

表 1 南海沉积物捕获器布放信息 Table 1 Deployment messages of sediment traps in the SCS
2.2 样品分析

沉降颗粒物中长链烯酮的定性和定量分析采用中国科学院广州地球化学研究所胡建芳和彭平安[33]提出的冷抽提方法。提取分离的前处理简述如下: 将沉积物捕获器样品冷冻干燥、 研成粉末和均质化后取约100mg,加入30μL的nC36 烷(n-Hexatriacontane)作为内标,再加适量二氯甲烷进行萃取,重复若干次,上清液在旋转蒸发仪上浓缩至干,用甲醇溶液转移样品后,加入1ml KOH-CH3 OH 溶液(5%w/v)进行皂化反应,除去酸和酯。再用正己烷萃取(重复3次),上清液过硅胶柱,用10ml CH2 Cl2/C6 H14溶液(8︰2 v︰v)淋洗后浓缩至干,用正己烷把样品转移至2ml 细胞瓶中,最后在高纯N2下吹至<0.5ml,密封放入-20℃冰箱中以待GC 分析。色谱上机分析条件如下:HP-5 硅熔毛细管色谱柱,柱长30m,内径0.25mm,涂层0.25μm。检测器温度为300℃。两段式程序升温: 初始温度为80℃,保持2分钟,10℃/分钟升温至150℃,再以4℃/分钟升温至300℃,保持30分钟,采用无分馏进样,载气为N2,流速0.8ml/分钟。含量通过目标峰值与内标峰值的比较来计算(图 2)。

图 2 南海长链烯酮分析的典型色谱图 框图内前一个比较矮的峰为C37︰3烯酮,后一个比较高的峰为C37:2, 在热带海域一般缺失C37︰4峰; IS为内标nC36烷 Fig. 2 Typical chromatogram of alkenone on sinking particles in the South China Sea
2.3 数据及计算

由于南海颗石藻较少合成4个碳-碳双键的长链烯酮(C37︰4)[12],本研究长链烯酮的浓度为2个碳-碳双键的长链烯酮(C37︰2)与3个碳-碳双键的长链烯酮(C37︰3)的浓度之和。同时UK′37指标的计算使用简化的公式:UK′37=C37︰2/(C37︰2+C37︰3)[34]

Pelejero和Grimalt[24]发现在温度24~29℃,UK′37估温范围的温度上限附近,南海表层沉积物UK′37和多年平均的实测温度呈线性关系,线性公式为UK′37=0.031SST+0.092。本文对南海时间系列沉积物捕获器样品的UK′37进行分析,并将Pelejero和Grimalt[24]基础上估算的南海表层水温与卫星遥感SST进行对比。其中遥感SST为对应各样品采样周期的日平均数据,每日的SST下载自NOAA国家气候数据中心网站,其空间分辨率为 0.25°×0.25°,下载地址为:http://apdrc.soest.hawaii.edudodspublic_data。

3 结果 3.1 沉降颗粒物中长链烯酮浓度的变化

本研究测定了南海海区SCS-NE、 SCS-C和SCS-SW站位沉降颗粒物中长链烯酮的浓度(SCS-N站位的UK′37数据是由德国汉堡大学提供,并未提供烯酮浓度的数据)。结果表明,吕宋岸外1998~1999年浅层沉积物捕获器样品中(SCS-NE2SH)长链烯酮浓度的变化范围为0.91~8.02mg/g,平均3.50mg/g,中层(SCS-NE2MD)变化范围为1.33~7.31mg/g,平均3.08mg/g,深层(SCS-NE1DP和 SCS-NE2DP) 变化范围为0.09~6.44mg/g,平均2.59mg/g。 SCS-NE2SH 冬半年平均浓度4.72mg/g,夏半年平均浓度为1.62mg/g; SCS-NE2MD 冬半年平均浓度3.90mg/g,夏半年平均浓度为1.85mg/g; SCS-NE2DP 冬半年平均浓度2.49mg/g,夏半年平均浓度为2.71mg/g。即 SCS-NE 站浅层和中层冬半年长链烯酮的平均浓度显著高于夏半年,但深层却相反,夏半年略高于冬半年(表 2)。

表 2 SCS-NE站位长链烯酮浓度、 UK′37及UK′37温度估算 Table 2 Alkenone concentration,UK′37,UK′37 temperature of the samples from sediment traps in SCS-NE

南海中部1995~1996年中层沉积物捕获器样品中(SCS-C5MD)长链烯酮浓度的变化范围为1.32~4.23mg/g,平均2.64mg/g,深层(SCS-C5DP)变化范围为1.20~6.23mg/g; 平均2.66mg/g。 南海中部1998~1999年浅层沉积物捕获器样品中(SCS-C7SH)长链烯酮浓度的变化范围为0.84~4.34mg/g,平均2.13mg/g,深层(SCS-C7DP)变化范围为0.90~2.76mg/g,平均1.74mg/g。SCS-C5MD冬半年平均浓度2.87mg/g,夏半年平均浓度为2.41mg/g; SCS-C5DP冬半年平均浓度1.95mg/g,夏半年平均浓度为2.90mg/g; SCS-C7SH 冬半年平均浓度2.01mg/g,夏半年平均浓度为2.38mg/g; SCS-C7DP冬半年平均浓度1.66mg/g,夏半年平均浓度为1.82mg/g。除SCS-C5MD外,SCS-C站位夏半年长链烯酮的平均浓度均略高于冬半年(表 3)。

表 3 SCS-C站位长链烯酮浓度、 UK′37及UK′37温度估算 Table 3 Alkenone concentration,UK′37,UK′37 temperature of the samples from sediment traps in SCS-C

越南岸外1998~1999年冬半年浅层沉积物捕获器样品中(SCS-SW1SH)长链烯酮浓度的变化范围为0.09~8.76mg/g,平均3.41mg/g; 尽管SCS-SW站浅层仅有冬半年长链烯酮的平均浓度,但明显低于SCS-NE站浅层冬季,高于SCS-C站浅层冬季(表 4)。

表 4 SCS-SW站位长链烯酮浓度、 UK′37及UK′37温度估算 Table 4 Alkenone concentration,UK′37,UK′37 temperature of the samples from sediment traps in SCS-SW

综上所述,尽管以上3个站位的采样时间与采样周期并不完全一致,南海海区长链烯酮浓度仍存在较为明显的区域差异与层位差异,各站位每层长链烯酮浓度也存在较为明显的季节性差异(图 3)。与此同时,长链烯酮浓度的变化幅度随深度的增加而减小。

图 3 南海沉积物捕获器样品中长链烯酮的时间序列变化 Fig. 3 Time-series variability of alkenone concentrations of the samples from sediment traps in the SCS
3.2 基于沉积物捕获器样品估算的UK′37及UK′37温度

本文计算了南海沉积物捕获器样品中的UK′37,同时将该数值代入Pelejero和Grimalt[24]修正的适用于南海的UK′37与SST关系式(详见2.3)得到对应的UK′37温度(表 2~5)。结果表明,南海海区沉降颗粒物中UK′37变化范围为0.67~1,对应的UK′37温度变化范围为18.6~29.3℃。其中,南海北部沉积物捕获器浅层(SCS-N1SH)和深层(SCS-N1DP和SCS-N2DP)沉降颗粒物中UK′37分别分布在0.72~0.94和0.67~0.99范围内,对应的UK′37温度为20.3~27.4℃和18.6~29.0℃,年平均水温为25.3℃。SCS-SW1SH沉降颗粒物中UK′37分别在0.93~1.00,对应的UK′37温度为27.1~29.3℃,平均水温为28.1℃。SCS-NE2SH、 SCS-NE2MD和SCS-NE2DP沉降颗粒物中UK′37分别分布在0.90~1.00、 0.94~1.00和0.85~0.98范围内,对应的UK′37温度为26.2~29.3℃、 27.2~29.3℃和24.5~28.5℃,平均水温为27.8℃。SCS-C5MD和SCS-C5DP沉降颗粒物中UK′37分别分布在0.93~1.00和0.95~1.00范围内,对应的UK′37温度为26.9~29.3℃和27.5~29.3℃; SCS-C7SH和SCS-C7DP沉降颗粒物中UK′37分别分布在0.97~1.00和0.87~1.00范围内,对应的UK′37温度为28.3~29.3℃和25.6~29.3℃。

表 5 SCS-N站位UK′37及UK′37温度估算 Table 5 UK′37 and UK′37 temperature of the samples from sediment traps in SCS-N
4 讨论 4.1 沉积物捕获器样品UK′37温度和遥感SST 的关系

图 4是吕宋岸外、 越南岸外、 南海中部和南海北部部分沉降颗粒物UK′37温度与表层遥感SST的比较。在吕宋岸外SCS-NW站,1998年11月~1999 年4月初浅、 中、 深三层沉降颗粒物的UK′37温度均与表层遥感SST 较为接近,然而两者并不存在显著的相关性(r=0.129,p=0.490)。在越南岸外SCS-SW1站,尽管温度的绝对值最多可以相差1.8℃,但总的变化趋势较为一致(r=0.658,p=0.156)。而在南海中部SCS-C站,多个月份的UK′37均为1,去除这些数据后,发现UK′37温度与遥感SST之间相关性仍然较弱(r=0.238,p=0.298)。其中,1995 年9 月~1996 年4月中层UK′37温度始终略高于遥感SST,1998年6~10月浅层UK′37温度低于遥感SST,而1998年12月~1999年2月浅层UK′37温度却高于遥感SST。南海北部SCS-N浅层的UK′37温度与表层遥感SST 有比较好的相关性(r=0.767,p<0.05),深层两者的相关性较差(p>0.7),但去除1987年9月~1988年1月时段的结果,两者的相关性可达到r=0.746(p<0.05)。另外一个值得注意的现象是某些时候UK′37温度要高于遥感SST,而有时却又反过来。然而除了南海北部的SCS-N站,其他站位的年平均UK′37温度与卫星遥感SST较为相近(见表 2),两者的差异在UK′37估温法的误差范围之内(≦1℃)[2, 35]。 这表明,在季节尺度上,由于南海现代过程的影响,沉降颗粒物的UK′37温度并不能完全反映表层水体SST的变化。尽管如此,这些现代过程的记录在年际尺度上被平滑掉了,使得表层沉积物中的UK′37温度与上层水体的温度仍存在较好的相关性[23, 24]

图 4 南海沉积物捕获器样品UK′37温度季节性变化和遥感SST的关系 Fig. 4 Seasonal variation of UK′37 temperature and its correlation with remote sensing SST
4.2 现代过程对UK′37指标的影响 4.2.1 颗粒物的侧向漂移

图 4所示,UK′37温度在大多数时间段与遥感SST并不一致,比如SCS-SW1 和SCS-C5 等很多时段UK′37温度比遥感SST高,最多可以高2.0~3.5℃,而SCS-NE、 SCS-C7以及SCS-N的很多时间段,UK′37温度又比遥感SST低。这可能由颗粒物的侧向移动造成,也就是说,在水柱(1000~3750m)采集到的沉降颗粒物,很可能是从比较暖或者比较冷的海区漂移而来。Hwang和Chen[36]利用漂流浮标的资料证明,西菲律宾的表层水可以在几个月之内从南海东北部沿着海盆2000m等深线输送至湄公河口外的巽他陆架; 巴拉望岛北外的浮标也可以在17 天内输送到吕宋北部岸外; 在南海中部,一个浮标在52 天内可向北输送4~5个纬度。不仅如此,ADCP 测流资料也证明,南海上层存在比较强的水平流[37]。在吕宋北部到越南南部,冬季南海存在一个很强的温度锋面[38],我们布放的其中3个南海捕获器(SCS-SW、 SCS-C和SCS-NE)即是沿着这个温度锋面。在锋面两侧1~2 个纬度内,温度可以差2~3℃,因此,任何穿越锋面的颗粒物输运,就可以产生温度的较大异常,使得UK′37温度高于或者低于遥感SST。

除了上层捕获器UK′37温度与遥感SST 有时候不一致外,沉降颗粒上、 下层位之间UK′37温度也不一致(如图 5a)。如果颗粒物质垂直沉降,又没有选择性的降解作用引起C37:2、 C37:3不成比例的降解,两者应该是一致的。因此,这种不一致应是由于上、 下层位间颗粒物的侧向运动引起的,因为在南海,上下通量变化的不一致,甚至下层捕获器反而高于上层的现象是比较普遍的[39]。与我们的结果不同,Harada等[16]在开展的赤道中太平洋同类工作中发现,尽管捕获器样品的UK′37温度与上层SST 也不一致,但其上(1000m)、 下(4220m)捕获器样品的UK′37温度吻合得很好。这可能是因为他们的捕获器布放站位于赤道,介于南北赤道流中间,有温度梯度的水平流影响较小。但有意思的是,南海北部捕获器样品浮游有孔虫氧同位素的分析表明,上、 下捕获器样品的结果相当一致[40](图 5b)。这表明,尽管普遍认为颗粒物的沉降是一种类似“海洋雪”的颗粒物共同沉降机制,但有时候同期产生的较小的颗石藻和粒径较大的有孔虫并不以相同的速率沉降。有孔虫沉降快速,侧向运动小,而颗石藻及其产生的有机物受侧向漂移影响较大。

图 5 同一样品UK′37温度(a)和浮游有孔虫氧同位素(b)的上下层关系图 浮游有孔虫氧同位素资料来自Zheng等[40] Fig. 5 Relationship between shallow layer and deep layer of UK′37 temperature and G. saculiferδ18O[40] which are analysed of the same sample
4.2.2 种群及其层位效应

长链烯酮的两个主要来源种E. huxleyiG. oceanica 合成的长链烯酮的UK′37指标,与温度的关系式并不一致[41, 42],因此,UK′37古温度会随着两种藻类的组合不同而有所变化。所以,沉降颗粒物的UK′37温度与遥感SST不一致的一种可能是因为两者反映的水温有层位上的差异: 遥感SST 主要是海水“表面”温度,而UK′37温度实际上是颗石藻生活水层的温度即“生活温度”,且是多种能产长链烯酮的颗石藻的平均生活温度。现代生态学研究表明,颗石藻主要生活在真光层上层水体,但也有一些种类如Florisphaera profunda(F. profunda)可以生活在营养盐跃层附近50~70m[43]。但是Pelejero等[25]根据沉积柱状样长链烯酮增加,F. profunda反而下降判断F. profunda不产烯酮。然而不排除其他生产烯酮的少数种群存在。在E.huxleyi相对丰度很小的情况下,如果样品中同时混有多种长链烯酮母源生物,或者同一种颗石藻生活的水深有较大变化的时候,UK′37温度实际上反映的更应该是上层水的混合温度。

尽管南海上层水体中颗石藻以E.huxleyi为主[44],表层沉积物中颗石藻的绝对优势种却是F. profunda[45, 46]。这表明沉降过程中CaCO3溶解作用对钙质生物进行了改造。颗石藻鉴定(与UK′37分析同一批的沉积物捕获器样品)结果也表明,生活在下透光带的F. profunda为绝对优势种,大约占85%~95%,其次为小型GephyrocapsaG. oceanica,分别大约占3%~20%,而E. huxleyi一般均在5%以下,个别站位甚至很罕见(刘传联,未发表数据)。因此,南海长链烯酮的主要生产者可能是G.oceanica或其他一些颗石藻,如Gephyrocapsa科的其他小型种等。一般来说,南海混合层(水柱温度相对均匀)厚度在20~90m[47],如果多数颗石藻生活在混合层以上,UK′37温度与遥感SST应该没有“层位效应”,或者这种影响较小,但如果颗石藻有时生活在混合层以下,这种“层位效应”就不能忽视。图 4中,在很多时段,UK′37温度低于遥感SST 可能归于“层位效应”。

4.2.3 有机质垂向降解

UK′37指标在沉降与沉积过程中是否发生改变,也是评价UK′37估温可靠性的一个重要方面[1, 17, 18]。尽管在早期工作中,一般认为UK′37指标不被降解作用所影响[48, 49],但从有机化合物的化学稳定性来讲,不饱和度高的长链烯酮(C37:3和C37:4)比不饱和度低的长链烯酮(C37:2)应更易于降解。Hoefs等[50]在研究沉积过程长链烯酮降解作用时发现,这种选择性的降解作用可引起UK′37增高0.17个单位,相当于温度上升5℃。我们的结果却与前者相反(图 6),即UK′37指标在下层捕获器中反而比上层低,沉积物中比沉降颗粒中反而降低,降低的幅度在0.010~0.027之间,相当于在沉积物中降低0.3~0.9℃。这除了与颗粒物的侧向运动(针对上下层颗粒物而言)外,还可能与我们SCS-C7、 SCS-NE钻位捕获器布放期间是1998~1999年,正值E1 Nio暖事件[51, 52],温度在一年之内正异常0.5~1.5℃有关(针对沉降颗粒物和沉积物的差异而言)。如果去掉暖事件的温度异常效应,由于降解作用引起的温度升高大约在0.5℃左右。尽管这些估计有些粗略,但这一结果表明,在南海由于有机质降解作用引起的干扰是不大的。

图 6 SCS-C和SCS-NE站位UK′37平均指标在沉降过程中的变化 Fig. 6 Change of average UK′37 index during particle sinking processes in water column of SCS-C and SCS-NE
5 结论

对全世界大洋从高纬到低纬度的表层沉积物的UK′37分析和多年平均的遥感SST 的相关性分析,无可辩驳地证实UK′37与温度的线性关系[35]。南海已有的研究也指出,表层沉积物中的UK′37指标能够较好的反演上层水体的温度[24, 25, 30],但南海沉降颗粒物中的UK′37信号与表层卫星遥感的SST 在大多数时段不一致,在同一时段上、 下层位间也有很大的不同。这表明,南海颗粒物的现代海洋过程对UK′37温度信号的保存和记录有所影响。如: 同一种颗石藻发育的季节在不同海域有所不同,而且海水中营养盐跃层(nutricline)的深度也随海水上层结构而变化,颗石藻的生产力又有与之相关,所以UK′37温度还受不同海域海洋学条件差异的影响。以目前的了解,在南海的颗石藻优势种为F. profunda,而两大已知的长链烯酮产源E. huxleyi和G.oceanica又占很小比例,这种情况下颗石藻种群的时空变化(产长链烯酮的主要优势如G. oceanica在什么季节比较多?一般生活在什么深度?)对UK′37温度估算有很大影响。此外,颗粒物的侧向运动也是一个因素。但是如果从沉积记录反演来讲,由于沉积物样品代表的是几十乃至几百、 上千年的时间,这种侧向运动的影响很可能在长期的过程中被平均掉(即从暖区输移到冷区和反过来输运机会均等),因此,沉积记录中的UK′37信号仍然是一种有力的南海古海洋工具。不过这种平均化也有负面效应: 如果地质历史上冬、 夏季节温差加大,而颗石藻的季节性分布又比较均匀,这种明显的季节性气候变化的信息也会在沉积物UK′37温度记录中减弱或者消失。总之,为提高UK′37估算温度和解释现象的可靠性,现代过程研究仍然有重要意义。

致谢 感谢中国科学院广州地球化学研究所彭平安研究员、 贾国东研究员提供实验分析方面的协助,感谢国家海洋局第二海洋研究所郑连福研究员、 陈荣华研究员提供有孔虫氧同位素数据,感谢同济大学刘传联教授帮助鉴定颗石藻。

参考文献(References)
1 Conte M H, Eglinton G, Madureira L A S. Long-chain alkenones and alkyl alkenoates as palaeotemperature indicators:Their production, flux and early sedimentary diagenesis in the eastern North Atlantic. Organic Geochemistry, 1992,19(1):287~298
2 Prahl F G, Muehlhausen L A, Zahnle D L. Further evaluation of long-chain alkenones as indicators of paleoceanographic conditions. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1988,52(9):2303~2310
3 Yamamoto M, Shiraiwa Y, Inouye I. Physiological responses of lipids in Emiliania huxleyi and Gephyrocapsa oceanic (Haptophyceae) to growth status and their implications for alkenone paleothermometry. Organic Geochemistry, 2000,31(9):799~811
4 Conte M H, Thompson A, Lesley D et al. Genetic and physiological influences on the alkenone/alkenoate versus growth temperature relationship in Emiliania huxleyi and Gephyrocapsa oceanic. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1998,62(1):51~68
5 Conte M H, Sicre M A, Rühlemann C et al. Global temperature calibration of the alkenone unsaturation index(U37K') in surface waters and comparison with surface sediments. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2006, 7(2):Q02005, doi:10.1029/2005GC001054
6 Herbert T D. Alkenone Paleotemperature Determinations. In:Elderfield H, Turekian K K eds. Treatise in Marine Geochemistry. Elsevier:Amsterdam, 2003. 3913~432
7 RosellMelé A, Bard E, Emeis K C et al. Sea surface temperature anomalies in the oceans at the LGM estimated from the alkenone-U37K' index:Comparison with GCMs. Geophysical Research Letters, 2004,31(3):L03208, doi:10.1029/2003GL018151
8 Plancq J, Mattioli E, Pittet B et al. Productivity and sea-surface temperature changes recorded during the Late Eocene-Early Oligocene at DSDP Site 511(South Atlantic).Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2014,407(1):34~44
9 Herbert T D. Review of alkenone calibrations(culture, water column and sediments). Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2001,2(2):1055, doi:10.1029/2000GC000055
10 Müller P J, Kirst G, Ruhland G et al. Calibration of the alkenone paleotemperature index U37K based on core-tops from the eastern South Atlantic and the global ocean(60°N-60°S). Geochimica et Cosmochimica Acta, 1998,62(10):1757~1772
11 Sikes E L, Volkman J K. Calibration of alkenone unsaturation ratio(U37K) for paleotemperature estimation in cold waters. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1993,57(8):1883~1889
12 Prahl F G, Wakeham S G. Calibration of unsaturation patterns in long-chain ketone compositions for paleotemperature assessment. Nature, 1987,330(6146):367~369
13 Popp B N, Laws E A, Bidigare R R. Effect of phytoplankton cell geometry on carbon isotopic fractionation. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1998,62(1):69~77
14 Epstein B L, Hondt S D, Quinn J G. An effect of dissolved nutrient concentrations on alkenone based temperature estimates. Paleoceanography, 1998,13(2):122~126
15 Ternois Y, Sicre A A, Boireau M H et al. Evaluation of long-chain alkenones as paleotemperature indicators in the Mediterranean Sea.Deep Sea Research Part Ⅰ:Oceanographic Research Papers, 1997,44(2):271~286
16 Harada N, Handa N, Harada K et al. Alkenones and particulate fluxes in sediment traps from the central equatorial pacific.Deep Sea Research Part Ⅰ:Oceanographic Research Papers, 2001,48(3):891~907
17 Rosell-Melé A, Prahl F G. Seasonality of U37K' temperature estimates as inferred from sediment trap data. Quaternary Science Reviews, 2013,72:128~136
18 Mollenhauer G, Basse A, Kim J H et al. A four-year record of U37K'-and TEX 86-derived sea surface temperature estimates from sinking particles in the filamentous upwelling region off Cape Blanc, Mauritania. Deep Sea Research Part Ⅰ:Oceanographic Research Papers, 2015,97:67~79
19 郑洪波, 杨文光, 贺娟等. 南海的氧同位素3期. 第四纪研究, 2008,28(1):68~78
Zheng Hongbo, Yang Wenguang, He Juan et al. Marine isotope stage 3(MIS3) of South China Sea. Quaternary Sciences, 2008,28(1):68~78
20 周斌, 郑洪波, 杨文光等. 末次冰期以来南海北部物源及古环境变化的有机地球化学记录. 第四纪研究, 2008,28(3):407~413
Zhou Bin, Zheng Hongbo, Yang Wenguang et al. Provenance and paleo-environment changes in the northern part of South China Sea since the last glacial period as recorded by organic geochemistry proxies. Quaternary Sciences, 2008,28(3):407~413
21 陈木宏, 张兰兰, 张强等. 南海放射虫与海表古温度转换函数的建立与检验. 第四纪研究, 2013,33(6):1111~1121
Chen Muhong, Zhang Lanlan, Zhang Qiang et al. Radiolarian-based transfer functions for estimating palaeotemperature in the South China Sea. Quaternary Sciences, 2013,33(6):1111~1121
22 黄宝琦, 翦知湣. 越南岸外晚第四纪上升流与东亚夏季风变迁. 第四纪研究, 1999,(6):518~525
Huang Baoqi, Jian Zhimin. Late Quaternary coastal upwelling and variations of the East Asian summer monsoon off the Vietnam coast. Quaternary Sciences, 1999,(6):518~525
23 Jia Guodong, Zhang Jie, Chen Jianfang et al. Archaeal tetraether lipids record subsurface water temperature in the South China Sea. Organic Geochemistry, 2012,50(3):68~77
24 Pelejero C, Grimalt J O. The correlation between the U37K index and sea surface temperature in the warm boundary:The South China Sea. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1997,61(22):4789~4797
25 Pelejero C, Grimalt J O, Heilig S et al. High resolution U37K' temperature reconstructions in the South China Sea over the last 220 kyrs. Paleoceanography, 1999,14(2):224~231
26 Zhao Meixun, Huang Chi-Yue, Wang Chia-Chun et al. A millennial-scale U37K' sea-surface temperature record from the South China Sea(8°N) over the last 150 kyr:Monsoon and sea-level influence. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2006,236(1~2):39~55
27 Jia Guodong, Chen Fajin, Peng Pingan. Sea surface temperature differences between the western equatorial Pacific and northern South China Sea since the Pliocene and their paleoclimatic implications. Geophysical Research Letters, 2008,35(18):80~86
28 宋建中, 于赤灵, 贾国东等. 南海北部4Ma B.P. 以来古海洋变迁的长链烯酮记录. 第四纪研究, 2003,23(5):512~520
Song Jianzhong, Yu Chiling, Jia Guodong et al. Long-chain alkenone records of paleoceanography in the northern South China Sea since 4Ma B.P. Quaternary Sciences, 2003,23(5):512~520
29 贺娟, 赵美训, 李丽等. 南海北部MD05~2904沉积柱状样26万年以来表层海水温度及陆源生物标记物记录. 科学通报, 2008,53(11):1324~1331
He Juan, Zhao Meixun, Li Li et al. Sea surface temperature and terrestrial biomarker records of the last 260ka of the core MD05~2904
form the northern South China Sea. Chinese Science Bulletin, 2008,53(11):1324~1331
30 张静静, 陈建芳, 李宏亮等. 南海沉积记录中U37K'指标与颗石藻生长季节对应性的探讨. 海洋学研究, 2015,33(1):25~32
Zhang Jingjing, Chen Jianfang, Li Hongliang et al. Correspondence between sedimentary U37K' index and seasonal coccolith production. Journal of Marine Sciences, 2015,33(1):25~32
31 陈建芳, 郑连福. 沉积物捕获器与全球变化研究. 海洋通报, 1996,15(1):41~47
Chen Jianfang, Zheng Lianfu. Sediment trap and global change study. Marine Science Bulletin, 1996,15(1):41~47
32 Wiesner M G, Zheng L F, Wong H K et al. Fluxes of particulate matter in the South China Sea. In:Ittekkot V, Schäfer P, Honjo S eds. Particle Flux in the Ocean. New York:John Wiley & Sons, 1996. 293~312
33 胡建芳, 彭平安. 一种适用于高分辨分子地层学研究的有机质分离及定量方法. 分析化学, 2000,28(3):283~287
Hu Jianfang, Peng Ping'an. A quantitative method applicable to high resolution molecular stratigraphy. Analysis Chemistry, 2000,28(3):283~287
34 Brassell S C, Eglinton G, Marlowe I T et al. Molecular stratigraphy:A new tool for climatic assessment. Nature, 1986,320(6058):129~133
35 Müller P J, Fischer G. C37-alkenones as paleotemperature tool:Fundamentals based on sediment traps and surface sediments from the South Atlantic Ocean. In:The South Atlantic in the Late Quaternary. Berlin:Springer Berlin Heidelberg, 2003. 167~193
36 Hwang C, Chen S. Circulation and eddies over South China Sea from TOPEX/Poseidon altimetry. ournal of Geophysical Research, 2000,105(C10):23943~23965
37 Fang W, Fang G, Shi P et al. Seasonal structures of upper layer circulation in the southern South China Sea from in situ observations. Journal of Geophysical Research, 2002,107(C11):23~1-23~12
38 Chu P C, Wang G H. Seasonal variability of thermohaline front in the central South China Sea. Journal of Oceanography, 2003,59(1):65~78
39 Chen J F, Wiesner M G, Wong H K et al. Vertical changes of POC flux and indicators of early degradation of organic matter in the South China Sea. Science in China(Series D), 1999,42(2):120~128
40 Zheng L F, Zheng Y L, Erlenkeuser H et al. Seasonal variation in the flux and isotopic composition of planktonic foraminifera in the Northern South China Sea. Oceanography in China, 2002,14(23):17~22
41 Volkman J K, Barrett S M, Blackburn S I et al. Alkenones in Gephyrocapsa oceanica: Implications for studies of paleoclimate. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1995,59(3):513~520
42 Sawada K, Handa N, Shiraiwa Y et al. Long-chain alkenones and alkyl alkenoates in the coastal and pelagic sediments of the northwest North Pacific, with special reference to the reconstruction of Emiliania huxleyi and Gephyrocapsa oceanic ratios. Organic Geochemistry, 1996,24(8):751~764
43 Brand L E. Physiological ecology of marine coccolithophores. In:Winter A, Siesser W G eds. Coccolithophores. Cambridge:Cambridge University Press, 1994. 39~49
44 Chen L Y L. Spatial and seasonal variations of nitrate-based new production and primary production in the South China Sea.Deep Sea Research Part Ⅰ:Oceanographic Research Papers, 2005,52(2):319~340
45 刘传联, 邵磊, 陈荣华等. 南海东北部表层沉积中钙质超微化石的分布. 海洋地质与第四纪地质, 2001,21(3):24~28
Liu Chanlian, Shao Lei, Chen Ronghua et al. Distribution of calcareous nannoplankton in surface sediments of the northeastern parts of the South China Sea. Marine Geology & Quaternary Geology, 2001,21(3):24~28
46 陈芳, 黄永样, 段威武等. 南海西部表层沉积中的钙质超微化石. 海洋地质与第四纪地质, 2002,22(3):35~39
Chen Fang, Huang Yongxiang, Duan Weiwu et al. Calcareous nannoplankton in surface sediments in the west of the South China Sea. Marine Geology & Quaternary Geology, 2002,22(3):35~39
47 Tseng C M, Wong G T F, Lin I I et al. A unique seasonal pattern in phytoplankton biomass in low-latitude waters in the South China Sea. Geophysical Research Letters, 2005,32(8):487~500
48 Prahl F G, De Lange G J, Lyle M et al. Post-depositional stability of long-chain alkenones undercontrasting redox conditions. Nature, 1989,341(6241):434~437
49 Sikes E L, Farrington J W, Keigwin L D. Use of alkenone unsaturation ratios(U37K') to determine past seasurface temperature:Core top SST calibrations and methodology considerations. Earth and Planetary Science Letters, 1991,104(1):36~47
50 Hoefs M J L, Versteegh G J M, Rijpstra W I C et al. Postdepositional oxic degradation of alkenones:Implications for the measurement of paleo sea surface temperatures. Paleoceanography, 1998,13(1):42~49
51 Lan J, Wang Y, Bao Y. Response of the South China Sea upper layer circulation to monsoon anomalies during 1997/1998 El Niño event. Aquatic Ecosystem Heath & Management, 2012,15(1):6~13
52 Qu T, Kim Y Y, Yaremchuk M et al. Can Luzon strait transport play a role in conveying the impact of ENSO to the South China Sea. Journal of Climate, 2004,17:3644~3657
Influencing factors of U K'37 index in sinking particles in the South China Sea
Zhang Jingjing, Li Hongliang , Chen Jianfang, M.G.Wiesner, Jin Haiyan, Ran Lihua    
(① Key Laboratory of Marine Ecosystem and Biogeochemistry, Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012; ② Institute of Geology, University of Hamburg, Hamburg D-20146)

Abstract

The U37K' index derived from alkenone produced by haptophytes has been wildly used to reconstruct the paleosea surface temperature(SST). In this study, the alkenone concentration and U37K' index of sinking particulate matter collected by time series sediment trap in the South China Sea(SCS) from 1995 to 1999 were analyzed, to discuss potential modification of U37K' index by modern oceanic processes. The sediment traps were deployed at four sites, namely SCS-N station(18.5°N, 116.0°E) in the northern basin, SCS-C station(14.7°N, 115.1°E) in the central basin, SCS-SW station(11.9°N, 110.0°E) in the southwestern basin and SCS-NE station(17.3°N, 119.5°E) in the northeastern basin, respectively. The SST estimated by U37K' index of sinking particle varied from 18.6℃ to 29.3℃, which are highly differed from the SST derived from remote sensing. Also there was decoupling of SST derived from shallow and deep trap particles during the same periods. The discrepancies were mainly attributed to the advection of sinking particle, which is related to the upper ocean circulation of the SCS basin. Moreover, the variability in living depth of originated algae of alkenone could also account for a lower SST from U37K' index than that from remote sensing. On the other hand, no significant change of U37K' index of particles during settling process in the water column suggested few effect of organic matter degradation on U37K' index. However, a good correlation between the SST estimated by U37K' of surface sediment and the annual average temperature from the upper layer(30m) in the SCS suggested a long term sediment record(decadal to millennial) may smooth the short term and local fluctuations of environment signals. Although the U37K' index is a good proxy to study the paleo-temperature of SCS, more attention should be paid to quantify the modification of biomarker proxy by physical and biogeochemical processes in the future.

Key words     paleo-environment proxy    U37K' index    sinking particles    sediment trap    South China Sea