2017, Vol.37
晚全新世，尤其是最近2000年，是过去全球变化研究的重点时段[1~4]。虽然目前在全球大陆地区已有大量基于树轮、石笋、湖泊沉积物等载体的晚全新世高分辨率气候记录被报道[5~9]，但在占地球面积超过70 %的广大海洋，能够准确定量过去2000年气候变化的高分辨率记录还很少[10~14]。海洋沉积物是海洋中最常用的古气候古环境研究载体，但是其沉积速率通常较低，在大部分海域都难以满足晚全新世高分辨率研究的要求[15, 16]。在这种背景下，开发和使用具有高分辨率特征的海洋生物碳酸盐(如珊瑚和双壳类贝壳)载体对于重建晚全新世气候变化具有重要的补充意义。此外，海洋生物碳酸盐记录的高分辨率特征(月甚至更高分辨率)对于了解气候的季节性变化(包括气候的季节振幅、极端气候等)具有独特的优势[2, 17~19]。
基于上述全球变化研究的实际需求，自20世纪起，以珊瑚为代表的高分辨率海洋生物碳酸盐古气候古环境重建日趋兴起，在一定程度上弥补了海洋晚全新世高分辨率古气候记录不足的现状，比如在我国南海就有大量相关工作被报道[18, 20~33]。但是由于珊瑚样品的分布区域有限，以及不同时段的珊瑚样品的采集具有较大的随机性，导致目前能够有效接合起来覆盖晩全新世的连续珊瑚气候记录依然非常缺乏。为了弥补这一不足，在最近的十多年里，海洋双壳类贝壳(如砗磲、蛤蜊等)古气候研究逐渐兴起，并在高分辨率气候变化重建方面取得了一些重要进展[34~43]。这些研究表明，砗磲、蛤蜊等双壳类贝壳在生长过程中，它们的碳酸盐壳体能够形成类似于珊瑚的年生长纹层，并且这些壳体的一些地球化学参数(如δ18O、Sr/Ca、Mg/Ca等)可以很好地反应贝壳生长期间的气候环境信息[2, 34, 36, 39, 44]，是非常有潜力的高分辨率古气候载体。而且双壳类贝壳广泛分布于全球海洋，它可以与热带珊瑚结合起来，重建不同纬度海洋区域的高分辨率气候变化历史，对当前晚全新世高分辨率气候变化重建有很好的补充作用[2, 34, 41]。
作为高分辨率海洋双壳类生物碳酸盐的代表，砗磲的地球化学特征及其在古气候古环境研究中的潜力近年来正在逐步被开发出来，也吸引了越来越多的关注[2, 36, 45~50]。本文就砗磲的分布范围、生理特点、碳酸盐壳体的结构、地球化学特征以及砗磲在海洋古气候古环境研究中的应用进行综述，旨在对这种较为新颖的第四纪研究载体进行全面介绍，并就未来的研究预期进行展望。同时对中国科学院地球环境研究所热带气候变化实验室目前采集到的砗磲样本进行简单介绍，欢迎感兴趣的同行就此开展合作研究。
2 砗磲简介砗磲是全球最大的双壳类动物，自始新世以来便一直是热带印度洋、太平洋珊瑚礁中的重要组成部分(图 1a)[51]。砗磲科共有两属，分别为砗磲属(Tridacna)和砗蚝属(Hippopus)。其中砗磲属有5种，分别为大砗磲(Tridacna gigas，又名库氏砗磲)、鳞砗磲(Tridacna squamosa)、番红砗磲(Tridacna crocea)、无鳞砗磲(Tridacna derasa，又名扇砗磲)和长砗磲(Tridacna maxima)；砗蚝属只有砗蚝(Hippopus hippopus)这一种。砗磲主要生活在珊瑚礁系统中，与虫黄藻共生[51, 52]。砗磲壳体长度能达到1m以上，寿命能达到甚至超过100年，砗磲壳体的生长速度非常快，在发育早期壳体厚度年增长量最大能达到几厘米，在成年后每年能达到几毫米[4, 53~55]；砗磲壳体通常具有年生长线甚至日生长线，是一种非常理想的高分辨率古气候载体[47, 49, 55, 56]。此外，砗磲幼体在珊瑚礁盘上固定下来后，整个生命过程中都不会再移动(图 1b~1d)，这也为砗磲壳体记录海洋气候环境信息提供了比较稳定的背景，减少了生命活动的影响。
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图 1 砗磲分布及外貌结构 (a)砗磲的大致分布范围；(b)活体砗磲照片；(c，d)死亡砗磲壳体；(e)砗磲样品切片 Fig. 1 The distribution and structure of the Tridacna. (a)The distribution of the Tridacna, (b)the photo of alive Tridacna, (c, d)dead Tridacna shell and (e) the section of the Tridacna shell |
从图 1e砗磲样品的切片可以看出，砗磲具有清晰的年生长纹层，明暗相间，并且存在3个有明显界限的生长区，分别为内层、外层和转换层。Elliot等[36]对采自澳大利亚的3个现代大砗磲(Tridacna gigas)的研究表明，大砗磲转换层的生长速率最慢，内层生长速率比转换层快，外层则是生长最为迅速的区域；并且内层、外层和转换层均存在幼年时期生长速率大于成年时期的现象，例如，其中一个大砗磲，转换层平均生长速率在幼年期时为6.1mm/a，到成年时迅速降为1.6mm/a[36]。Yamanashi等[46]对3个采自琉球群岛(Ryukyu Archipelage)的无鳞砗磲(Tridacna derasa)样品分析也发现砗磲在幼年期和成年期的生长速率快于砗磲的衰老期。但是，也有研究表明这种生长速率随着年龄而下降的现象(生长趋势)并不是存在于所有砗磲中，Yan等[44, 57]对采自南海西沙群岛附近的4个大砗磲，2个无鳞砗磲以及2个砗蚝的生长速率进行了研究，结果发现其中3个大砗磲和1个无鳞砗磲生长速率不存在明显的生长趋势，另外1个大砗磲和1个无鳞砗磲生长速率却存在生长趋势，而两个砗蚝样品甚至没有观察到清晰的年生长纹层。因此，砗磲生长速率在幼年与成年时期有无差异，是否存在生长趋势，可能也存在一定的个体差异。
3 砗磲高分辨率地球化学特征有关砗磲地球化学的研究开始于20世纪80年代，Aharon等[58]首次对砗磲壳体δ18O、δ13C进行了研究，并将其用于第四纪古气候研究。在此之后，砗磲的地球化学特征逐渐得到关注，并逐步由δ18O和δ13C扩展至Sr/Ca、Mg/Ca、Ba/Ca、B/Ca等元素比值的研究[44, 46, 47, 49]。
3.1 砗磲δ18O在1980年Aharon等[58]就提出砗磲壳体的δ18O主要受到温度和周围海水18O的控制，且从δ18O序列中能明显分辨出季节性变化周期。在此之后，相继有不少研究聚焦于砗磲壳体的高分辨率δ18O序列，并且都发现了类似的季节性周期变化[35, 36, 41~44, 55, 56]。Elliot等[36]对采自澳大利亚东北部的现代大砗磲样品的研究表明，砗磲的外层、内层和转换层高分辨率δ18O序列都有明显的年周期变化(图 2)，将砗磲各层置于相同年龄标尺下进行比较，发现外层、内层和转换层的δ18O具有较好的一致性(图 2f)。虽然部分大砗磲幼年期与成年期生长速率不同，但生长速率对大砗磲δ18O并无明显影响(图 2)，即砗磲的δ18O并不存在明显的生长效应[41, 44]。
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图 2 砗磲δ18O序列 (a，b，c)澳大利亚东北部Great Palm Island大砗磲外层、转换层和内层[36]；(d)中国南海西沙大砗磲内层[44]；(e)日本Ryukyu Islands无鳞砗磲内层[46]；(f)同一时间标尺下澳大利亚东北部Great Palm Island大砗磲外层、转换层和内层[36] Fig. 2 The δ18O of Tridacna shell. (a), (b)and (c) are the outer, hinge and inner layers of Tridacna shell from the Great Palm Island of Northeastern Australia[36], respectively; (d)The inner layer of Tridacna shell from Xisha Islands of the South China Sea[44]; (e)The inner layer of Tridacna derasa shell from Ryukyu Islands of Japan[46]; (f)The outer, hinge, and inner layers of Tridacna shell from the Great Palm Island of Northeastern Australia plotted against the age[36] |
总结已有的研究工作，发现几乎所有有关砗磲壳体δ18O的研究均证明砗磲壳体的碳酸盐在形成过程中与周围海水达到了分馏平衡，其δ18O值受海水温度和海水δ18O值共同控制，与珊瑚δ18O的情况类似，δ18O最小值一般出现在最热的季节，最大值一般出现在温度最低的季节[44, 46, 50, 56, 59, 60]。根据不同区域砗磲δ18O的测试结果，相继有一些砗磲高分辨率δ18O与温度及海水δ18O之间的校准方程被报道，如Aharon[59]利用新几内亚砗磲研究结果得到分馏方程：T(℃)=21.30-4.42(δ18OC-δ18OW)，砗磲氧同位素相对温度的变化率为-0.226 ‰ /℃。Watanabe和Oba[56]根据日本石垣岛砗蚝得到分馏方程：T (℃)=22.40-3.91(δ18OC-δ18OW)，砗蚝氧同位素相对温度的变化为-0.256 ‰ /℃。除此以外，还有一些研究表明砗磲δ18O符合Grossman和Ku[61]建立的双壳类文石碳酸盐壳体通用分馏方程：T(℃)=21.8-4.69(δ18OC-δ18OW)，该方程显示，氧同位素相对温度的变化为-0.213 ‰ /℃。这些方程本质上是一致的，主要的差异来自δ18O、温度、海水δ18O的测试误差以及δ18O与温度对应时产生的年代学偏差。后续的研究有必要在足够精度的δ18O、温度、海水δ18O测试基础上以及准确的年代学框架下，建立适合所有砗磲的通用δ18O分馏方程，以便在古气候研究中进行应用。
3.2 砗磲δ13C虽然砗磲δ18O在不同层位差异不大，具有较好的可重复性，但砗磲δ13C在外层、内层和转换层存在明显的差异。Elliot等[36]的研究表明，采自澳大利亚东北部的砗磲样品外层的δ13C值与内层及转换层有着明显的差别，内层与转换层δ13C不存在明显生长趋势，外层δ13C则存在明显的生长趋势。这种δ13C值的生长效应在其他一些海洋双壳类中也有发现[62~64]，如北极蛤成年前的壳体δ13C值受生长速率和年龄影响，两者显著相关，而在成年后则不再受年龄和生长速率的影响[65]。
砗磲与虫黄藻共生，砗磲活动所需要的养料与虫黄藻光合作用的有机碳有关，而光合作用又随季节性光照强度的变化而变化[46, 66]。但是，已有的研究表明砗磲δ13C的季节性周期并不是很明显(图 3b和3c)[36, 46]。Aharon等[58]对砗磲壳体C、O同位素的研究中发现，δ18O序列会因温度变化而出现显著差异，但是这一现象在δ13C序列并不明显；并认为相比于砗磲δ18O，砗磲δ13C受温度的影响要比δ18O受温度的影响小3到6倍，且δ13C更多地受到局地13C的影响。砗磲δ13C与δ18O之间相关关系较弱或不明显[46, 58, 67]，说明砗磲C、O分馏机制存在显著差异。然而，Watanabe等[43]对采自日本琉球群岛的久米岛(Ryukyu Islands)中全新世大砗磲化石进行研究，发现该砗磲δ13C与δ18O具有显著的正相关关系，明显受到了气候因子的周期性变化控制(图 3a)。总的来讲，目前关于砗磲δ13C的研究还不甚清楚，普遍认为砗磲δ13C可能受到自身代谢、共生虫黄藻、光照量及二氧化碳浓度等因子的共同影响，与珊瑚、海扇等生物碳酸盐的C同位素情况较为类似[62, 68]。
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图 3 砗磲中的δ13C记录 (a)日本Ryukyu Islands大砗磲化石[43]；(b)日本Ryukyu Islands现代无鳞砗磲[46]；(c)澳大利亚东北部Great Palm Island现代大砗磲[36] Fig. 3 Theδ13C of Tridacna shell. (a)The fossil Tridacna shell from Ryukyu Islands of Japan[43], (b)the modern Tridacna derasa shell from Ryukyu Islands of Japan[46], and (c) the modern Tridacna shell from the Great Palm Island of Northeastern Australia[36] |
虽然砗磲等海洋生物碳酸盐在形成过程中达到了氧同位素分馏平衡，但是其δ18O同时受到温度和海水δ18O(与盐度有关)两个变量影响，导致在古气候重建中很难从生物碳酸盐δ18O序列中提取出单一的气候变量序列。虽然有些研究[69]将海洋生物碳酸盐δ18O的变化主要归因于温度，认为海水δ18O的变化较小可以近似忽略不计，并据此用海洋生物碳酸盐δ18O序列讨论过去温度变化。但是这种做法通常还是存在较大的不确定性，因为海水δ18O会受到局地降水、海表环流、上升流等多个因素的影响[72, 73]。因此寻找能直接重建海水古温度变化的独立地球化学指标是非常重要的，比如珊瑚研究中常用的Sr/Ca比值。大量的研究表明，在非上升流区域，珊瑚Sr/Ca比值可以准确的反映海表面温度(SST)的变化(精度可达1℃之内)而不受盐度变化的影响[72, 74]；此外，由于Sr和Ca在海洋的存留时间很长(约4Ma)，因此珊瑚Sr/Ca温度计基本不用考虑海水Sr/Ca的长期变化 。到目前为止，基于珊瑚Sr/Ca比值重建的古海温记录已经被大量报道[22, 23, 28, 30]，这些高分辨率的海温记录为理解地球气候历史及其机制做出了重要贡献。此外，Sr/Ca和氧同位素的结合还能将海水δ18O的信号从珊瑚碳酸盐δ18O中分离出来，从而达到分别重建过去海洋温度和海水δ18O的目的[71, 75, 76]。
基于Sr/Ca比值在珊瑚研究中的成功应用，在最近十多年里，不少研究者也尝试将Sr/Ca应用于砗磲研究，试图建立砗磲的独立温度计。有多种仪器及分析方法，如LA-ICP-MS法(激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪，Laser Ablation Inductively coupled plasma mass spectrometry)，ICP-OES法(Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry——电感耦合等离子体发射光谱)和NanoSIMS法(二次离子质谱仪，Secondary Ion Mass Spectroscopy，NanoSIMS)，相继被用于砗磲高分辨率Sr/Ca比值的分析。
早期有关砗磲Sr/Ca的工作大部分都是基于LA-ICP-MS的结果[36, 41]，LA-ICP-MS具有分辨率高、分析速度快等特点。但是这些通过LA-ICP-MS分析得到的砗磲Sr/Ca比值序列基本都不存在非常清晰的季节性周期(图 4a、4b和4c)，无法跟SST对应起来，与珊瑚研究结果有很大的差别。如Elliot等[36]利用LA-ICP-MS对采自热带西太平洋-印度洋地区Great Palm Island、Cocos Island和Huon Peninsula的3个现代大砗磲Sr/Ca进行了测试，结果发现砗磲内层和外层Sr/Ca均呈现出无规律性，不存在如珊瑚一样明显的季节性周期(图 4a、4b和4c)。但是从Elliot等[36]研究的3个砗磲以及其他一些研究得到的基于LA-ICP-MS的砗磲Sr/Ca结果来看，我们还是能隐约观察到年周期信号，只是可能受到其他因素影响，这些年周期信号并不是很清晰。
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图 4 现代砗磲中的Sr/Ca记录 (a，b，c)澳大利亚东北部Great Palm Island大砗磲转换层、外层和内层的Sr/Ca序列(LA-ICP-MS测试结果)[36]；(d，e)中国南海西沙大砗磲[44]、无鳞砗磲[57]Sr/Ca序列(ICP-OES测试结果)；(f)日本Ryukyu Archipelago无鳞砗磲Sr/Ca序列(NanoSIMS测试结果)[49] Fig. 4 The Sr/Ca of Tridacna shell. (a), (b)and (c) are the hinge, outer and inner layers of Tridacna shell from the Great Palm Island of Northeastern Australia[36]respectively; (d)and (e) are Tridacna shell from Xisha Islands of the South China Sea[44, 57]; (f)Tridacna derasa shell from Ryukyu Archipelago of Japan[49] |
虽然早期基于LA-ICP-MS的研究没有在砗磲Sr/Ca序列中发现清晰的年周期，但是近期基于NanoSIMS和ICP-MS/OES的测试结果则得到了与之相反的结论。如Sano等[49]利用NanoSIMS与ICP-MS对采自Ryukyu Archipelage的现代无鳞砗磲Sr/Ca进行研究，发现砗磲内层Sr/Ca存在明显的季节性周期甚至日周期(图 4f)，表明环境因素，如太阳辐射强度、温度等与砗磲Sr/Ca有密切联系。Yan等[44, 57]利用ICP-OES对采自南海西沙的多个现代砗磲和化石砗磲进行Sr/Ca研究，结果均显示砗磲内层Sr/Ca具有明显的季节性周期(图 4d、4e和图 5b)，与SST的变化相对应(图 5c)。
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图 5 南海西沙群岛大砗磲Sr/Ca序列两种测试方法LA-ICP-MS (a)和ICP-OES (b)的比较[44]以及(c)西沙大砗磲Sr/Ca(ICP-OES)(红色)与SST的比较(黑色)[44] Fig. 5 Sr/Ca profiles of Tridacna shell from Xisha Islands of the South China Sea derived by LA-ICP-MS(a) and ICP-OES(b)[44], and (c) relationship between ICP-OES Sr/Ca(red)and SST(black)[44] |
为了探讨不同分析测试方法是否会造成砗磲Sr/Ca比值序列出现偏差，Yan等[44]利用ICP-OES和LA-ICP-MS两种方法对西沙砗磲Sr/Ca进行了分析，发现利用LA-ICP-MS得到的Sr/Ca比值序列(图 5a)的季节性周期明显要弱于ICP-OES测试得到的Sr/Ca序列(图 5b)。LA-ICP-MS与ICP-OES分析结果的差异可能有以下几个原因：1) 砗磲壳体中有机质影响测试结果。在双壳类壳体形成时，有机质成分会参与生物矿化过程[77]，最终会有部分有机质残留在贝壳的碳酸盐晶体内部和碳酸盐晶体之间[78, 79]。因此，得到的双壳类壳体实际上含有两部分：碳酸盐晶体和有机质组分。有研究表明，碳酸盐晶体和有机质组分中的某些元素(如Mg和Sr)浓度是存在较大差别的[80]。当使用LA-ICP-MS进行测试的时候，激光融样过程中，碳酸盐晶体和有机质组分会同时进入测试系统，因此，最终测试得到的是两者平均后的元素浓度，而不仅仅是碳酸盐晶体中元素的浓度；由于两组分之间的元素浓度存在较大的差异，因此这种测试方法得到的Sr/Ca结果会偏离碳酸盐晶体Sr/Ca比值[44, 80]。当使用ICP-OES进行分析的时候，取出的碳酸盐样品会先用稀酸进行溶解，然后再利用光谱测试溶液中的离子浓度。在这个过程中，双壳类壳体中的有机质大分子不会被稀酸溶解，因此它对测试结果的干扰会大大降低，这种方法得到的Sr/Ca比值也会更接近于真正的碳酸盐晶体Sr/Ca比值[80]。因此，在测试双壳类贝壳Sr/Ca比值的时候，ICP-OES的结果可能更为可靠[44]。2) 砗磲壳体有机质含量分布的不均匀可能也是原因之一。Yan等[44]对同一砗磲层沿生长方向取两条平行采样通道进行LA-ICP-MS测试，发现Sr/Ca结果存在明显差异。推测可能的原因就是有机质在砗磲壳体中分布不均匀，这不仅会导致LA-ICP-MS测试结果周期性不清晰，还会使得LA-ICP-MS测试的Sr/Ca结果可重复性较差。3) 测试分辨率影响。根据NanoSIMS的测试结果[49]，砗磲Sr/Ca不仅具有年周期，甚至有日周期变化。ICP-OES得到的更多是一个近似月平均的结果，日周期的变化不会显著影响测试结果。但是LA-ICP-MS由于高分辨率的原因，可能会出现不同采样点处于日周期的不同位置而导致的差异。4) 实验误差。Yan等[44]认为不同测试方法的实验误差可能也是实验结果差异的原因，例如LA-ICP-MS存在“峰值效应”，在碳酸盐中比较难以获得准确的Ca值，从而导致测试得到的Sr/Ca不准确[44]。
Yan等[44]的进一步研究发现，在已测试的几个现代砗磲及化石砗磲Sr/Ca序列中，砗磲年龄、生长速率及新陈代谢基本没有对砗磲Sr/Ca造成明显影响，砗磲的高分辨率Sr/Ca序列呈现出与珊瑚类似的情况，即基本上只受温度变化的影响，可以作为独立的温度计使用(图 5c)；但是对不同种类砗磲Sr/Ca的种间种内效应分析表明，不同种属之间的砗磲Sr/Ca比值存在明显差异，大砗磲Sr/Ca比值整体要高于无鳞砗磲和砗蚝，而同一种类砗磲不同个体之间则没有发现显著差异，具有较好的可重复性[57]。说明在进行古气候重建工作前，首先需要进行砗磲种属鉴定，同一种类的砗磲才能利用统一的校准方程进行SST重建和相互比较。
3.4 砗磲Mg/Ca除Sr/Ca外，Mg/Ca也是珊瑚、有孔虫等海洋生物碳酸盐中常用的一种温度替代性指标。近年来，有关砗磲高分辨率Mg/Ca的研究也陆续被报道[36, 41, 48, 49]，主要的测试手段为LA-ICP-MS。这些研究显示利用LA-ICP-MS得到的砗磲Mg/Ca具有如下几个特点[36, 41, 48, 49]：1) 砗磲内层Mg/Ca没有显示出如珊瑚一样清晰的年周期变化(图 6)；2) 砗磲Mg/Ca比值存在生长趋势(图 6)，一般在砗磲生长早期Mg/Ca比值低于生长晚期。如Elliot等[36]的研究表明，采自澳大利亚东北部的砗磲内层Mg/Ca幼年时期大约为1~2mmol/mol，成年后约为4~6mmol/mol(图 6b)；3) Mg/Ca比值在生长晚期振幅普遍大于早期(图 6)[36, 41, 48]，如采自Huon Peninsula的砗磲Mg/Ca，在幼年时期的季节振幅大约为0.6mmol/mol，在成年后季节振幅接近1.5mmol/mol甚至更高(图 6a)[48]；4) 砗磲内层Mg/Ca比值相对于外层、转换层显著偏高[36]。这些特征的出现说明砗磲Mg/Ca可能更容易受到生物效应的影响[48, 49]。但是，现有研究也表明，气候因素依然是砗磲Mg/Ca值的一个重要贡献因子。如Sano等[49]利用NanoSIMS对采自Ryukyu Archipelage砗磲的分析表明，砗磲Mg/Ca也具有跟Sr/Ca类似的周期变化，只是不如Sr/Ca周期清晰、稳定；同时一些基于LA-ICP-MS的研究也显示去趋势后的砗磲内层Mg/Ca与δ18O存在明显的负相关关系，且生长晚期Mg/Ca与δ18O的相关性比早期更强[36, 41]。
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图 6 现代砗磲中的Mg/Ca记录 (a)采自Huon Peninsula大砗磲内层Mg/Ca序列[48]；(b)采自Great Palm Island大砗磲内层Mg/Ca序列[36] Fig. 6 Mg/Ca profiles of Tridacna shell from Huon Peninsula of Papua New Guinea[48]and Great Palm Island of Northeastern Australia[36] |
总的来说，目前有关砗磲高分辨率Mg/Ca的研究主要都是基于LA-ICP-MS开展的，测试得到的Mg/Ca序列体现出了比较明显的生物效应，但是依然可以观测到气候因素对于砗磲Mg/Ca的贡献[36, 48]。由于目前已尝试的测试方法比较单一，暂时无法确认这些生物效应是直接作用到了砗磲碳酸盐晶体中的Mg/Ca比值，还是通过其他方式干扰了LA-ICP-MS的测试(如类似于Sr/Ca测试时的有机质掺杂)。后续的工作需要利用多种测试方法开展研究，确认到底是什么原因导致LA-ICP-MS测试得到的Mg/Ca序列具有明显的生物效应，并努力开发新技术新方法将生物效应进行剥离，得到我们需要的气候环境信号。
3.5 砗磲Ba/Ca除Sr/Ca、Mg/Ca的研究外，有关砗磲壳体的其他高分辨率地球化学指标也在进一步发展中，如Ba/Ca、B/Ca、Mn/Ca、Pb/Ca等[36, 47, 49]，其中Ba/Ca是其中讨论较多的一种。利用NanoSIMS对采自日本Ryukyu Archipelago现代无鳞砗磲的分析表明[49]，砗磲Ba/Ca振幅较大，但没有明显的日周期变化(图 7e)；而Warter等[47]利用LA-ICP-MS对采自Borneo东部海岸的化石砗磲测试结果显示，虽然Ba/Ca的日周期不如Sr/Ca序列的日周期规则有序，但在平滑处理后依然能辨别出周期性(图 7d)。Elliot等[36]利用LA-ICP-MS对采自澳大利亚东北部的砗磲的研究发现，砗磲内层、外层、转换层的Ba/Ca比较一致，在不同层区之间具有较好的可重复性，且存在比Sr/Ca和Mg/Ca更强的峰值(图 7a、7b和7c)。研究者认为砗磲Ba/Ca主要记录了海水中Ba含量的变化，而海水中Ba的变化主要与珊瑚礁内营养物质水平有关，是反映生产力变化的一种指标，通常与周围河流淡水注入和局地上升流带入的营养物质有关[49]；此外，Elliot等[36]还发现，在某些区域如Cocos Island，砗磲Ba/Ca与当地叶绿素浓度(chlorophyll concentrations)有关，Ba/Ca峰值与叶绿素浓度峰值对应，但两者平均状态并没有明显关联。这说明Ba/Ca峰值与当地初级生产力的季节性变化有关，但其背景状态应该是受其他因素控制。
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图 7 砗磲中的Ba/Ca记录 (a，b，c)采自澳大利亚东北部Great Palm Island大砗磲转换层、外层和内层Ba/Ca序列[36]；(d)采自Borneo东部海岸化石砗磲Ba/Ca序列[47]；(e)采自日本Ryukyu Islands无鳞砗磲Ba/Ca序列[49] Fig. 7 Ba/Ca profiles of Tridacna shell from Great Palm Island of Northeastern Australia[36], eastern coast of Borneo[47], and Ryukyu Islands of Japan[49] |
自20世纪80年代Aharon等[58]首次利用砗磲δ18O研究末次间冰期(105~140cal.ka B.P.)期间新几内亚附近海平面高度变化以来，砗磲在古气候研究中的应用逐步展开，并在最近的十多年里进展迅速。砗磲的高分辨率特点(月甚至日)使得砗磲在研究气候的年际-季节内特征方面具有优势[2, 45, 81, 82]。相比于外层和转换层，砗磲内层碳酸盐沉积通常更为稳定，且不容易受到外界侵蚀，因此在做古气候研究时，选取砗磲内层作为研究材料更为合适，这也是目前大部分砗磲古气候研究工作的做法[43, 45, 46, 48, 50, 82, 83]。
4.1 砗磲记录气候季节性变化气候季节性差异是地球气候系统的一个重要方面，对局地乃至全球生态环境都有重要影响。然而，目前大多数古气候代用指标都因时间分辨率不高而难以进行气候季节性变化的讨论。砗磲分辨率能达到月以上，它与珊瑚结合起来，在研究过去气候季节性变化方面具有天然的优势。
Yan等[81]利用砗磲Sr/Ca研究了南海西沙中晚全新世SST的季节性变化，发现2165±75 BC的SST季节性差异(4.46±1.41℃)与当前较为相似(1994~2005A.D.期间季节性差异为4.41±0.82℃)，但是在50±40A.D.(3.69±1.37℃)与990±40A.D.(3.64±0.87℃)期间，南海北部气候的季节性差异明显减小。Yan等[2]综合目前已报道的南海北部珊瑚和砗磲高分辨率Sr/Ca记录，对过去2500年的SST进行了分析，发现南海北部在过去2500年冬夏温度的变幅是不一致的，冬季温度的变化幅度明显大于夏季温度的变化(图 8)。具体表现为在升温的时候，冬季温度上升明显，夏季温度变化较小；在降温的时候冬季温度降幅显著，夏季温度降幅较小(图 8)[2]。这一现象导致南海北部气候季节性(冬夏温差)在温暖期显著小于寒冷期[2]。Yan等[2]认为这种季节性差异主要是由南海北部冬夏温度的控制因子不一致所导致的。南海北部夏季温度主要受控于西太暖池，而暖池是一个相对比较稳定的系统，在长时间尺度气候变化中变幅也较小；到了冬季，受东亚冬季风的影响，中高纬度冷水南移，在南海北部形成“冷舌”，导致南海北部比同纬度的开放海洋区域(如菲律宾东部)温度一般要低3~5℃；东亚冬季风通常以寒潮的形式影响南海北部，在寒潮来时，南海北部温度通常会快速下降超过5℃，但在寒潮消散后又迅速恢复，因此在冬季风的作用下南海北部冬季温度具有极大的不稳定性和变率[2]。
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图 8 南海北部晚全新世生物碳酸盐SST记录(珊瑚和砗磲综合) 图中3条曲线分别为全年SST(虚线)、夏季SST(黑色实线)和冬季SST(灰色实线)变化[2] Fig. 8 The composite proxy-SST records (synthetic coral and Tridacna)in the northern South China Sea. Winter(triangles connected by gray curve), summer(triangles connected by black curve)and annual-mean(diamonds connected by dot curve)SSTs during the Late Holocene are indicated[2] |
这种暖期季节性差异减小、冷期季节性差异增大的现象也在其他地区的高分辨率海洋生物碳酸盐记录中也得到了验证。Wanamaker等[42]利用采自西北太平洋的北极蛤δ18O重建季节SST，发现相比于小冰期早期(大约1321~1391A.D.)和19世纪晚期(大约1864~1886A.D.)，中世纪(大约1033~1062A.D.)缅因湾季节性温度振幅偏小。Ferguson等[19]利用地中海西部帽贝中Mg/Ca与δ18O记录重建SST，也发现季节性差异在末次盛冰期时由于冬季温度的降低而增大。
4.2 砗磲记录的ENSO活动ENSO是全球气候年际异常的最强信号，了解它的变化规律及机制对于预测未来全球气候变化有重要意义[84~86]。但是由于器测资料时段较短，导致我们对于ENSO的理解仍然相当有限。因此，如何通过古气候载体重建过去ENSO变化，并分析其规律和机制，成为了当前全球变化研究的一个重要问题。由于砗磲在热带太平洋海洋珊瑚礁系统中广泛分布，再加上其较高的分辨率，灵敏的δ18O、Sr/Ca等地球化学-古气候指标，使得砗磲成为探讨过去ENSO变化的优良载体，并在近年来多次被用于相关研究[48, 50, 83]。
Welsh等[50]对巴布亚新几内亚北部海岸的现代砗磲δ18O序列分析显示，1986~2003年期间发生的厄尔尼诺事件都在砗磲δ18O序列中得以记录，说明利用砗磲δ18O序列对过去ENSO事件进行重建是可靠的。Driscoll等[83]利用Papua New Guinea砗磲化石进行了古ENSO重建，研究者将δ18O方差年际尺度上的异常(δ18OA)作为一个ENSO活动的判别标准，并将砗磲化石δ18OA与现代砗磲δ18OA进行比较分析，结果发现3个生活在早全新世的大砗磲δ18OA序列与现代砗磲δ18OA序列相比振幅明显偏小，并无任何一条序列的振幅类似或者强于现代序列，即表明早全新世的3个时间片段的ENSO现象均比现代弱。处于MIS 3期的9个鳞砗磲中，处于30~40cal.ka B.P.的4个砗磲δ18OA序列振幅明显比现代δ18OA偏小，但是40~60cal.ka B.P.期间的5个砗磲δ18OA并不一致，其中一条δ18OA振幅大于现代砗磲δ18OA，说明像现在一样强度的ENSO活动虽然在过去比较少见，但也并非前所未有[83]。Yan等[45]利用采自南海西沙的化石砗磲δ18O对50(±40) A.D.附近50年内的ENSO活动进行了定量重建，定量重建结果显示，该时段ENSO活动与现在活动频率类似，50年间，总共出现了11次厄尔尼诺事件，12次拉尼娜事件；Ayling等[48]在Papua New Guinea采得化石砗磲，该砗磲恰好处于地球轨道参数与全新世较为类似、气候相对温暖的MIS 11期。根据现代ENSO指数与现代砗磲δ18O之间的校准关系，确定了用δ18O指示ENSO活动的阈值，并将该阈值应用到化石砗磲δ18O序列，从而在MIS 11期化石砗磲δ18O序列35年的记录中检出5次厄尔尼诺(14次/世纪)与5次拉尼娜(14次/世纪)，这样的ENSO活动频率相比最近ENSO活动频率显著偏低[48](最近60年ENSO活动频率：厄尔尼诺：30次/世纪，拉尼娜：27次/世纪)。
4.3 利用砗磲进行古温度定量重建由于早期的研究并没有开发出砗磲独立的温度替代性指标，而δ18O又同时受到温度和海水δ18O的影响，无法准确定量重建温度变化，因此利用砗磲进行古温度定量重建的工作一直没有得到有效开展。直到最近几年，砗磲Sr/Ca逐渐被开发为独立的温度替代性指标，并被证明可以有效规避种内种间差异而在古气候研究中进行有效利用，才使得利用砗磲进行古温度定量重建成为可能[44, 57]。Yan等[82]尝试利用砗磲Sr/Ca对南海西沙晚全新世温度进行了定量重建，发现990(±40) A.D.附近(中世纪气候异常期)平均温度为28.1℃，比1994~2005年期间平均温度还要高约0.7℃，这一结果也得到了δ18O数据的支持，990(±40) A.D.附近的砗磲δ18O相对于现代砗磲也要偏负。此外，这个结论也与来自中国大陆的众多古气候记录，如中国东部物候记录[87, 88]、青藏高原东北部树轮[89]、青藏高原湖泊沉积物[90]等保持一致，说明至少在东亚地区，存在一个相对较为温暖的中世纪气候异常期(Medieval Climate Anomaly，简称MCA)[82, 91]。
5 中国科学院地球环境研究所热带气候变化实验室砗磲样品采集和储备情况过去5年，中国科学院地球环境研究所热带气候变化实验室对西太平洋地区的砗磲样品进行了多次野外采集，储备了大量现代砗磲样品和化石砗磲样品(图 9)，建立了目前全球最大的砗磲样本库，并相继发表了一批研究论文[2, 44, 45, 57, 81, 82]，成为砗磲地球化学及古气候领域国际领先的研究小组。其中现代砗磲样品主要采自南海西沙群岛的永兴岛、东岛、琛航岛、北礁等多个珊瑚礁盘(图 9-a)，南海南沙的安达礁(图 9-b)和渚碧礁(图 9-c)，西太平洋的帕劳群岛(图 9-d)，以及印度尼西亚与澳大利亚之间的帝汶海(图 9-e)。采集的现代砗磲样品种类包括大砗磲、鳞砗磲、无鳞砗磲等；化石砗磲样品的大量采集主要集中在南海的3个珊瑚礁盘，其中南海西沙北礁采集有约4000个化石砗磲样本，渚碧礁采集有约3000个化石砗磲样本，安达礁采集有约3000个化石砗磲样本。这些砗磲样品将为我们开发砗磲古气候古环境替代性指标，探索南海及西太平洋过去气候环境变化提供宝贵材料。
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图 9 中国科学院地球环境研究所热带气候变化实验室砗磲样品储备 左：现代砗磲样品采集点南海西沙群岛(a)、南海南沙安达礁(b)和渚碧礁(c)、帕劳群岛(d)、帝汶海(e)；右：化石砗磲样品采集点南海西沙北礁(a)、南海南沙安达礁(b)和渚碧礁(c) Fig. 9 The collected Tridacna samples in Tropical Climate Change Lab of Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences. Left: sampling sites of the alive Tridacna specimens. Right: sampling sites of the fossil Tridacna specimens |
砗磲生长在珊瑚礁盘，死亡后大部分也会沉积在珊瑚礁盘里面，因此在一个珊瑚礁盘里从上往下采集化石砗磲，得到的化石砗磲理论上应具有时间次序和连续性。从我们在南海西沙北礁采集的化石砗磲样品定年(采用AMS14C定年方法)的结果来看，除了表层500年的样品由于渔民的采集现存较少外，后续的样品基本能连接至距今5000年左右(图 10)，因此在同一珊瑚礁盘内利用采集的砗磲接合起连续序列还是具有较强的可行性的。对采自于南海西沙北礁的20个现代砗磲进行定年，发现该区域砗磲样品基本不存在储库效应，这一结果可以有效降低由于储库效应导致的砗磲AMS14C定年的不确定性。
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图 10 南海西沙北礁部分砗磲样品定年结果约有200个已定年砗磲落于过去5000年 Fig. 10 The dating results(AMS14C)of the fossil Tridacna samples from the Xisha Islands of the South China Sea |
作为海洋高分辨率双壳类生物碳酸盐的代表，砗磲具有稳定的生长环境(生命期间生长位置固定不移动)、高分辨率碳酸盐沉积(可到月甚至日分辨率)、多种可用的地球化学替代性指标(δ18O、Sr/Ca等)等特征，是海洋高分辨率第四纪研究的一种优良载体，其在古气候古环境研究中的潜力近年来正在逐步被开发出来，也吸引了越来越多的关注。虽然早期的研究主要利用砗磲高分辨率δ18O开展定性方面的研究，但是近期的研究进展表明，砗磲Sr/Ca是一种稳定可靠的温度替代性指标，这一研究成果推进了砗磲古气候古环境定量研究，尤其是在年际-季节气候变化方面，如探讨ENSO活动、气候季节性变化等。但是，目前有关砗磲地球化学及古气候学的研究仍然处于起步阶段，目前的理解还相当有限，近期的研究如果能在以下几个方面取得突破，将会极大的推动砗磲古气候古环境研究的发展。
(1) 继续开展现代过程研究，包括实验室控制条件下的培育，进一步明确砗磲Sr/Ca、Mg/Ca等温度替代性指标的意义和可靠性，为利用砗磲开展海洋古温度，尤其是季节变化，定量重建奠定坚实的基础。
(2) 在已有δ18O和Sr/Ca指标的基础上，开发其他地球化学指标，如δ13C、δ14C、Ba/Ca、B/Ca、Li/Ca、I/Ca、非传统稳定同位素等，进而据此开展海洋古环境如海水PH值、海洋生产力、碳循环、洋流变化等的研究。
(3) 利用NanoSIMS等技术，实现超高分辨率气候环境记录的重建(小时分辨率，能检测出完整日周期变化)，并据此对不同时期、不同气候背景下气候季节内特征进行分析，如云量变化、海温和降雨的季节分配、昼夜温差、每年台风发生的准确频次等。这种基于小时分辨率重建记录基础上探讨过去气候变化的方法将是古气候领域的一个重大突破。
(4) 由于每个砗磲只能提供几十年至上百年的记录，想要得到连续的长时间序列，必须将多个砗磲进行拼接。怎样在AMS14C定年的基础上，发展类似于树轮年表的研究方法，得到连续的高分辨率砗磲序列，也是未来研究的重点问题。
致谢: 需要指出的是，利用砗磲开展高分辨率古气候研究是本人(晏宏)博士期间在导师中国科学技术大学孙立广教授的授意下开始起步的，因此孙老师才是国内开展砗磲高分辨率古气候研究工作的首倡者；同时，近年来的研究工作得到了中国科学技术大学刘晓东教授、中国科学院广州地球化学研究所韦刚健研究员、广西大学余克服教授、中国科学院地球环境研究所安芷生院士等老师的指导，在此一并表示感谢！本研究得到中国科学院前沿科学重点研究项目(批准号：QYZDB-SSW-DQC001)、青岛海洋科学与技术国家实验室开放项目(批准号：QNLM2016ORP0202) 和国家自然科学基金项目(批准号：41522305和41403018) 共同资助。
| 1 |
Consortium P K. Continental-scale temperature variability during the past two millennia. Nature Geoscience, 2013, 6(6): 339-346. |
| 2 |
Yan H, Soon W, Wang Y. A composite sea surface temperature record of the northern South China Sea for the past 2500 years:A unique look into seasonality and seasonal climate changes during warm and cold periods. Earth-Science Reviews, 2015, 141: 122-135. DOI:10.1016/j.earscirev.2014.12.003 |
| 3 |
Mann M E, Zhang Z, Hughes M K, et al. Proxy-based reconstructions of hemispheric and global surface temperature variations over the past two millennia. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2008, 105(36): 13252-13257. DOI:10.1073/pnas.0805721105 |
| 4 |
Mann M E. Climate over the past two millennia. Annual Review of Earth & Planetary Sciences, 2007, 35(1): 111-136. |
| 5 |
Esper J, Cook E R, Schweingruber F H. Low-frequency signals in long tree-ring chronologies for reconstructing past temperature variability. Science, 2002, 295(5563): 2250-2253. DOI:10.1126/science.1066208 |
| 6 |
Soon W, Baliunas S, Idso C, et al. Reconstructing climatic and environmental changes of the past 1000 years:A reappraisal. Energy & Environment, 2003, 14(2): 233-296. |
| 7 |
Jones P D, Briffa K R, Osborn T J, et al. High-resolution palaeoclimatology of the last millennium:A review of current status and future prospects. The Holocene, 2009, 19(19): 3-49. |
| 8 |
Yang B, Braeuning A, Johnson K R, et al. General characteristics of temperature variation in China during the last two millennia. Geophysical Research Letters, 2002, 29(9): 38-1-38-4. |
| 9 |
Moberg A, Sonechkin D, Holmgren K, et al. Highly variable Northern Hemisphere temperatures reconstructed from low-and high-resolution proxy data. Nature, 2005, 433(7026): 613-617. DOI:10.1038/nature03265 |
| 10 |
Wanamaker A D, Scourse J, Richardson C, et al. Absolute chronologies from the ocean:Records from the longest-lived, non-colonial animals on Earth. PAGES News, 2008, 16(3): 4-6. |
| 11 |
IP CC. Climate Change 2007——The Physical Science Basis 2007. Cambridge: Cambridge University Press, 2007, 433-488.
|
| 12 |
Jones P, Mann M. Climate over past millennia. Reviews of Geophysics, 2004, 42(2): 1-42. |
| 13 |
Yan H, Sun L, Oppo D W, et al. South China Sea hydrological changes and Pacific Walker Circulation variations over the last millennium. Nature Communications, 2011, 2(1): 293. |
| 14 |
Yan H, Sun L, Wang Y, et al. A record of the Southern Oscillation Index for the past 2, 000 years from precipitation proxies. Nature Geoscience, 2011, 4(9): 611-614. DOI:10.1038/ngeo1231 |
| 15 |
McGregor H V, Evans M N, Goosse H, et al. Robust global ocean cooling trend for the pre-industrial Common Era. Nature Geoscience, 2015, 8(9): 671-677. DOI:10.1038/ngeo2510 |
| 16 |
Wanner H, Mercolli L, Grosjean M, et al. Holocene climate variability and change:A data-based review. Journal of the Geological Society, 2014, 172(2): 254-263. |
| 17 |
Wang T, Surge D, Walker K J. Seasonal climate change across the Roman Warm Period/Vandal Minimum transition using isotope sclerochronology in archaeological shells and otoliths, southwest Florida, USA. Quaternary International, 2013, 308~309(11): 230-241. |
| 18 |
Sun D H, Gagan M K, Cheng H, et al. Seasonal and interannual variability of the Mid-Holocene East Asian monsoon in coral delta O-18 records from the South China Sea. Earth and Planetary Science Letters, 2005, 237(1~2): 69-84. |
| 19 |
Ferguson J E, Henderson G M, Fa D A, et al. Increased seasonality in the Western Mediterranean during the Last Glacial from limpet shell geochemistry. Earth and Planetary Science Letters, 2011, 308(3~4): 325-333. |
| 20 |
Su R, Sun D, Chen H, et al. Evolution of Asian monsoon variability revealed by oxygen isotopic record of Middle Holocene massive coral in the northern South China Sea. Quaternary International, 2010, 213(1~2): 56-68. |
| 21 |
Deng W F, Wei G J, Li X H, et al. Paleoprecipitation record from coral Sr/Ca and delta18O during the mid Holocene in the northern South China Sea. The Holocene, 2009, 19(6): 811-821. DOI:10.1177/0959683609337355 |
| 22 |
Wei G J, Deng W F, Yu K F, et al. Sea surface temperature records in the northern South China Sea from mid-Holocene coral Sr/Ca ratios. Paleoceanography, 2007, 22(3): 2816-2820. |
| 23 |
Yu K F, Zhao J X. Holocene climate records in coral reefs from the South China Sea. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2006, 70(18): A726-A726. |
| 24 |
Sun Y L, Sun M, Wei G J, et al. Strontium contents of a Porites coral from Xisha Island, South China Sea:A proxy for sea-surface temperature of the 20th century. Paleoceanography, 2004, 19(2): 157-175. |
| 25 |
Shen C D, Yi W X, Yu K F, et al. Holocene megathermal abrupt environmental changes derived from14C dating of a coral reef at Leizhou Peninsula, South China Sea. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B-Beam Interactions with Materials and Atoms, 2004, 223: 416-419. |
| 26 |
Zhao J X, Yu K F. Timing of Holocene sea-level highstands by mass spectrometric U-series ages of a coral reef from Leizhou Peninsula, South China Sea. Chinese Science Bulletin, 2002, 47(4): 348-352. |
| 27 |
Yu K F, Liu D S, Shen C D, et al. High-frequency climatic oscillations recorded in a Holocene coral reef at Leizhou Peninsula, South China sea. Science in China (Series D):Earth Sciences, 2002, 45(12): 1057-1067. DOI:10.1360/02yd9103 |
| 28 |
Wei G J, Sun M, Li X H, et al. Mg/Ca, Sr/Ca and U/Ca ratios of a Porites coral from Sanya Bay, Hainan Island, South China Sea and their relationships to sea surface temperature. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2000, 162(1-2): 59-74. DOI:10.1016/S0031-0182(00)00105-X |
| 29 |
Song Y, Yu K, Zhao J, et al. Past 140-year environmental record in the northern South China Sea:Evidence from coral skeletal trace metal variations. Environmental Pollution, 2014, 185(4): 97-106. |
| 30 |
韦刚健, 余克服, 李献华, 等. 南海北部珊瑚Sr/Ca和Mg/Ca温度计及高分辨率SST记录重建尝试. 第四纪研究, 2004, 24(3): 325-331. Wei Gangjian, Yu Kefu, Li Xianhua, et al. Coralline Sr/Ca and Mg/Ca thermometer for the northern South China Sea:Calibration and primary application on high-resolution SST reconstructing. Quaternary Sciences, 2004, 24(3): 325-331. |
| 31 |
陈天然, 余克服. 南海相对高纬度珊瑚对海洋环境变化的响应和高分辨率记录. 第四纪研究, 2014, 34(6): 1288-1295. Chen Tianran, Yu Kefu. Responses and high-resolution records for marine environment changes in the relatively high-latitude corals from the South China Sea. Quaternary Sciences, 2014, 34(6): 1288-1295. |
| 32 |
张会领, 余克服, 施祺, 等. 利用珊瑚生长率重建西沙海域中晚全新世海温变化. 第四纪研究, 2014, 34(6): 1296-1305. Zhang Huiling, Yu Kefu, Shi Qi, et al. Sea surface temperature variations during the Mid-Late Holocene reconstructed by Porites coral growth rates in the Xisha Islands. Quaternary Sciences, 2014, 34(6): 1296-1305. |
| 33 |
杨红强, 余克服. 微环礁的高分辨率海平面指示意义. 第四纪研究, 2015, 35(2): 354-362. Yang Hongqiang, Yu Kefu. High-resolution sea level changes indicative implications of microatoll. Quaternary Sciences, 2015, 35(2): 354-362. DOI:10.11928/j.issn.1001-7410.2015.02.10 |
| 34 |
Schöne B R, Fiebig J, Pfeiffer M, et al. Climate records from a bivalved Methuselah(Arctica islandica, Mollusca; Iceland). Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2005, 228(1~2): 130-148. |
| 35 |
Aubert A, Lazareth C, Cabioch G, et al. The tropical giant clam Hippopus hippopus shell, a new archive of environmental conditions as revealed by sclerochronological and δ18O profiles. Coral Reefs, 2009, 28(4): 989-998. DOI:10.1007/s00338-009-0538-0 |
| 36 |
Elliot M, Welsh K, Chilcott C, et al. Profiles of trace elements and stable isotopes derived from giant long-lived Tridacna gigas bivalves:Potential applications in paleoclimate studies. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2009, 280(1): 132-142. |
| 37 |
Maier E, Titschack J. Spondylus gaederopus:A new Mediterranean climate archive——Based on high-resolution oxygen and carbon isotope analyses. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2010, 291(3): 228-238. |
| 38 |
Schöne B R, Dunca E, Mutvei H, et al. A 217 year record of summer air temperature reconstructed from fresh water pearl mussels(M. margarifitera, Sweden).. Quaternary Science Reviews, 2004, 23(16~17): 1803-1816. |
| 39 |
Schöne B R, Freyre Castro A D, Fiebig J, et al. Sea surface water temperatures over the period 1884-1983 reconstructed from oxygen isotope ratios of a bivalve mollusk shell(Arctica islandica, southern North Sea). Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2004, 212(3~4): 215-232. |
| 40 |
Wanamaker Jr A D, Kreutz K J, Schöne B R, et al. Coupled North Atlantic slope water forcing on Gulf of Maine temperatures over the past millennium. Climate Dynamics, 2008, 31(2): 183-194. |
| 41 |
Batenburg S J, Reichart G J, Jilbert T, et al. Interannual climate variability in the Miocene:High resolution trace element and stable isotope ratios in giant clams. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2011, 306(1-2): 75-81. DOI:10.1016/j.palaeo.2011.03.031 |
| 42 |
Wanamaker A D, Kreutz K J, Schöne B R, et al. Gulf of Maine shells reveal changes in seawater temperature seasonality during the Medieval Climate Anomaly and the Little Ice Age. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2011, 302(1): 43-51. |
| 43 |
Watanabe T, Suzuki A, Kawahata H, et al. A 60-year isotopic record from a mid-Holocene fossil giant clam(Tridacna gigas)in the Ryukyu Islands:Physiological and paleoclimatic implications. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2004, 212(3~4): 343-354. |
| 44 |
Yan H, Shao D, Wang Y, et al. Sr/Ca profile of long-lived Tridacna gigas bivalves from South China Sea:A new high-resolution SST proxy. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2013, 112(3): 52-65. |
| 45 |
Yan H, Liu C, Zhang W, et al. ENSO variability around 2000 years ago recorded by Tridacna gigas δ18O from the South China Sea. Quaternary International, 2017, 452: 148-154. DOI:10.1016/j.quaint.2016.05.011 |
| 46 |
Yamanashi J, Takayanagi H, Isaji A, et al. Carbon and oxygen isotope records from Tridacna derasa shells:Toward establishing a reliable proxy for sea surface environments. PLOS ONE, 2016, 11(6): e0157659. DOI:10.1371/journal.pone.0157659 |
| 47 |
Warter V, Müller W. Daily growth and tidal rhythms in Miocene and modern giant clams revealed via ultra-high resolution LA-ICP-MS analysis——A novel methodological approach towards improved sclerochemistry. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2016, 465(Part B): 362-375. |
| 48 |
Ayling B F, Chappell J, Gagan M K, et al. ENSO variability during MIS, 11(424-374ka)from Tridacna gigas at Huon Peninsula, Papua New Guinea. Earth and Planetary Science Letters, 2015, 431: 236-246. DOI:10.1016/j.epsl.2015.09.037 |
| 49 |
Sano Y, Kobayashi S, Shirai K, et al. Past daily light cycle recorded in the strontium/calcium ratios of giant clam shells. Nature Communications, 2012, 3(2): 132-136. |
| 50 |
Welsh K, Elliot M, Tudhope A, et al. Giant bivalves(Tridacna gigas)as recorders of ENSO variability. Earth and Planetary Science Letters, 2011, 307(3): 266-270. |
| 51 |
Rosewater J. The Family Tridacnidae in the Indo-Pacific. Philadelphia:Department of Mollusks, Academy of Natural Sciences of Philadelphia, 1965, 347-396. |
| 52 |
Yonge C M. Mode of Life, Feeding, Digestion and Symbiosis with Zooxanthellae in the Tridacnidae. London:British Museum, 1936, 283-321. |
| 53 |
Beckvar N. Cultivation spawning, and growth of the giant clams Tridacna gigas, Tridacna derasa, and Tridacna squamosa in Palau, Caroline Islands. Aquaculture, 1981, 24(1-2): 21-30. |
| 54 |
Bonham K. Growth rate of giant clam Tridacna gigas at Bikini Atoll as revealed by radioautography. Science, 1965, 149(3681): 300-302. DOI:10.1126/science.149.3681.300 |
| 55 |
Pätzold J, Heinrichs J P, Wolschendorf K, et al. Correlation of stable oxygen isotope temperature record with light attenuation profiles in reef-dwelling Tridacna shells. Coral Reefs, 1991, 10(2): 65-69. DOI:10.1007/BF00571825 |
| 56 |
Watanabe T, Oba T. Daily reconstruction of water temperature from oxygen isotopic ratios of a modern Tridacna shell using a freezing microtome sampling technique. Journal of Geophysical Research:Atmospheres, 1999, 104(C9): 20667-20674. DOI:10.1029/1999JC900097 |
| 57 |
Yan H, Shao D, Wang Y, et al. Sr/Ca differences within and among three Tridacnidae species from the South China Sea:Implication for paleoclimate reconstruction. Chemical Geology, 2014, 390: 22-31. DOI:10.1016/j.chemgeo.2014.10.011 |
| 58 |
Aharon P, Chappell J, Compston W. Stable isotope and sea-level data from New Guinea supports Antarctic ice-surge theory of ice ages. Nature, 1980, 283(283): 649-651. |
| 59 |
Aharon P. 140, 000-yr isotope climatic record from raised coral reefs in New Guinea. Nature, 1983, 304(5928): 720-723. DOI:10.1038/304720a0 |
| 60 |
Aharon P, Chappell J. Oxygen isotopes, sea level changes and the temperature history of a coral reef environment in New Guinea over the last 105 years. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 1986, 56(3): 337-379. |
| 61 |
Grossman E L, Ku T L. Oxygen and carbon isotope fractionation in biogenic aragonite:Temperature effects. Chemical Geology Isotope Geoscience, 1986, 59(1): 59-74. |
| 62 |
Kennedy H, Richardson C, Duarte C, et al. Oxygen and carbon stable isotopic profiles of the fan mussel, Pinna nobilis, and reconstruction of sea surface temperatures in the Mediterranean. Marine Biology, 2001, 139(6): 1115-1124. DOI:10.1007/s002270100673 |
| 63 |
Keller N, Piero D D, Longinelli A. Isotopic composition, growth rates and biological behaviour of Chamelea gallina and Callista chione from the Bay of Trieste(Italy). Marine Biology, 2002, 140(1): 9-15. DOI:10.1007/s002270100660 |
| 64 |
Lorrain A, Paulet Y M, Chauvaud L, et al. δ13C variation in scallop shells:Increasing metabolic carbon contribution with body size?. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2004, 68(17): 3509-3519. DOI:10.1016/j.gca.2004.01.025 |
| 65 |
Butler P G, Wanamaker A D, Scourse J D, et al. Long-term stability of δ13C with respect to biological age in the aragonite shell of mature specimens of the bivalve mollusk Arctica islandica. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2011, 302(1~2): 21-30. |
| 66 |
Mcconnaughey T. 13C and18O isotopic disequilibrium in biological carbonates:Ⅰ. Patterns. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1989, 53(1): 151-162. DOI:10.1016/0016-7037(89)90282-2 |
| 67 |
Romanek C S, Jones D S, Williams D F, et al. Stable isotopic investigation of physiological and environmental changes recorded in shell carbonate from the giant clam Tridacna maxima. Marine Biology, 1987, 94(3): 385-393. DOI:10.1007/BF00428244 |
| 68 |
Allison N, Finch A A. A high resolution δ13C record in a modern Porites lobata coral:Insights into controls on skeletal δ13C. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2012, 84: 534-542. DOI:10.1016/j.gca.2012.02.004 |
| 69 |
Fenger T, Surge D, Schöne B, et al. Sclerochronology and geochemical variation in limpet shells(Patella vulgata):A new archive to reconstruct coastal sea surface temperature. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2013, 8(7): 3672-3672. |
| 70 |
Cole J E, Fairbanks R G, Shen G T. Recent variability in the Southern Oscillation:Isotopic results from a Tarawa Atoll coral. Science, 1993, 260(5115): 1790-1793. DOI:10.1126/science.260.5115.1790 |
| 71 |
Mcculloch M T, Gagan M K, Mortimer G E, et al. A high-resolution Sr/Ca and δ18O coral record from the Great Barrier Reef, Australia, and the 1982-1983 El Niño. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1994, 58(12): 2747-2754. DOI:10.1016/0016-7037(94)90142-2 |
| 72 |
Beck J, Edwards R, Ito E, et al. Sea-surface temperature from coral skeletal strontium/calcium ratios. Science, 1992, 257(5070): 644-647. DOI:10.1126/science.257.5070.644 |
| 73 |
Mitsuguchi T, Matsumoto E, Abe O, et al. Mg/Ca thermometry in coral skeletons. Science, 1996, 274(5289): 961-963. DOI:10.1126/science.274.5289.961 |
| 74 |
Smith S, Buddemeier R, Redalje R, et al. Strontium-calcium thermometry in coral skeletons. Science, 1979, 204(4931): 404-407. |
| 75 |
Gagan M, Ayliffe L, Hopley D, et al. Temperature and surface-ocean water balance of the mid-Holocene tropical western Pacific. Science, 1998, 279(5353): 1014-1018. DOI:10.1126/science.279.5353.1014 |
| 76 |
Hendy E J, Gagan M K, Alibert C A, et al. Abrupt decrease in tropical Pacific Sea surface salinity at end of Little Ice Age. Science, 2002, 295(5559): 1511-1514. DOI:10.1126/science.1067693 |
| 77 |
Veis A. Mineralization in organic matrix frameworks. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 2003, 54(1): 249-289. DOI:10.2113/0540249 |
| 78 |
Pokroy B, Fitch A N, Marin F, et al. Anisotropic lattice distortions in biogenic calcite induced by intra-crystalline organic molecules. Journal of Structural Biology, 2006, 155(1): 96-103. DOI:10.1016/j.jsb.2006.03.008 |
| 79 |
Jacob D E. High sensitivity analysis of trace element-poor geological reference glasses by Laser Ablation-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry(LA-ICP-MS). Geostandards and Geoanalytical Research, 2006, 30(3): 221-235. DOI:10.1111/ggr.2006.30.issue-3 |
| 80 |
Schöne B R, Zhang Z, Jacob D, et al. Effect of organic matrices on the determination of the trace element chemistry(Mg, Sr, Mg/Ca, Sr/Ca)of aragonitic bivalve shells(Arctica islandica)——Comparison of ICP-OES and LA-ICP-MS data. Geochemical Journal, 2010, 44(1): 23-37. DOI:10.2343/geochemj.1.0045 |
| 81 |
Yan H, Sun L, Shao D, et al. Seawater temperature seasonality in the South China Sea during the Late Holocene derived from high-resolution Sr/Ca ratios of Tridacna gigas. Quaternary Research, 2015, 83(2): 298-306. DOI:10.1016/j.yqres.2014.12.001 |
| 82 |
Yan H, Sun L, Shao D, et al. Higher sea surface temperature in the northern South China Sea during the natural warm periods of Late Holocene than recent decades. Chinese Science Bulletin, 2014, 59(59): 4115-4122. |
| 83 |
Driscoll R, Elliot M, Russon T, et al. ENSO reconstructions over the past 60ka using giant clams(Tridacna sp.)from Papua New Guinea. Geophysical Research Letters, 2014, 41(19): 6819-6825. DOI:10.1002/2014GL061446 |
| 84 |
Wang B, Chan J C L. How strong ENSO events affect tropical storm activity over the Western North Pacific. Journal of Climate, 2002, 15(13): 1643-1658. DOI:10.1175/1520-0442(2002)015<1643:HSEEAT>2.0.CO;2 |
| 85 |
Kumar K K, Rajagopalan B, Cane M A. On the weakening relationship between the Indian monsoon and ENSO. Science, 1999, 284(5423): 2156. DOI:10.1126/science.284.5423.2156 |
| 86 |
Stott L, Poulsen C, Lund S, et al. Super ENSO and global climate oscillations at millennial time scales. Science, 2002, 297(5579): 222-226. DOI:10.1126/science.1071627 |
| 87 |
Ge Q, Zheng J, Fang X, et al. Winter half-year temperature reconstruction for the middle and lower reaches of the Yellow River and Yangtze River, China, during the past 2000 years. The Holocene, 2003, 13(6): 933-940. |
| 88 |
郑景云, 葛全胜, 郝志新, 等. 历史文献中的气象记录与气候变化定量重建方法. 第四纪研究, 2014, 34(6): 1186-1196. Zheng Jingyun, Ge Quansheng, Hao Zhixin, et al. Paleoclimatology proxy recorded in historical documents and method for reconstruction on climate change. Quaternary Sciences, 2014, 34(6): 1186-1196. |
| 89 |
Liu Y, An Z, Linderholm H W, et al. Annual temperatures during the last 2485 years in the mid-eastern Tibetan Plateau inferred from tree rings. Science in China (Series D):Earth Sciences, 2009, 52(3): 348-359. DOI:10.1007/s11430-009-0025-z |
| 90 |
He Y, Liu W, Zhao C, et al. Solar influenced Late Holocene temperature changes on the northern Tibetan Plateau. Chinese Science Bulletin, 2013, 57(1): 1-7. |
| 91 |
王志远, 刘健. 过去2000年全球典型暖期特征与机制的模拟研究. 第四纪研究, 2014, 34(6): 1136-1145. Wang Zhiyuan, Liu Jian. Modeling study on the characteristics and mechanisms of global typical warm periods over the past 2000 years. Quaternary Sciences, 2014, 34(6): 1136-1145. |
Abstract
The marine bivalve, Tridacna spp., is the largest bivalve shell of the global ocean, it could grow to over 1m in length and live up to 100 years, and it has hard and dense aragonite shells with daily growth lines in their inner shell layer, an ideal material for high-resolution paleoclimate reconstructions. Tridacna shell was first used in paleoclimate research in 1980s and experienced a fast development in recent decades. In this study, the distribution, physiological characteristics and shell structure of the Tridacna are introduced, and the important results of geochemical and paleoclimate research obtained based on Tridacna shell are reviewed. The potential importance and availability of Tridacna shell are clarified, providing a reference for the Tridacna shell researches in the future. The δ18O of Tridacna spp. clams has been studied by many studies and the results demonstrated that the Tridacna shells formed essentially in isotopic equilibrium with surrounding seawater and their δ18O profiles have well-defined seasonal cycles and record the combined influence of seawater δ18O and sea surface temperature. The highly correlation between modern Tridacna Sr/Ca and instrumental SST reported by recent studies suggested that the Tridacna Sr/Ca also can be used as a high resolution SST proxy comparable to the coral Sr/Ca measure. Based on the development of these geochemical proxies, the δ18O and Sr/Ca of Tridacna spp. clams have been used more and more in paleoclimate researches, such as the investigating of the past temperature changes, the climate seasonality variations, the El Niño -Southern Oscillation variability, and so on.