摘要
热带海洋是全球气候变化的调节器，在全球暖化进程中，热带海洋气候及内部循环机制的变化牵一发而动全身，对全球气候系统影响重大。珊瑚在热带海洋中分布广泛，其碳酸盐骨骼中蕴含了丰富的地球化学指标，在定量重建过去气候环境变化方面得到广泛应用。海温(sea surface temperature，SST)升高、海洋酸化及人类活动等进程在珊瑚生长纹层中都有所响应和记录。其中，珊瑚地球化学指标除了受外界环境变化控制外，在一定程度上还受珊瑚自身生理效应(vital effect)的影响。因此，在解读珊瑚地球化学指标蕴含的气候环境信息时，需要评估生理效应对地球化学指标的潜在影响。珊瑚δ18O可以用来指示外界海水水文变化;碳同位素和微量元素比值可以用来指示生理效应;而δ137/134Ba由于钡元素质量较大，可能受温度等外界环境以及珊瑚生理效应影响小，可以同以上指标联用来区分和评估珊瑚生理效应的潜在影响。滨珊瑚是主要的造礁珊瑚，也是古气候重建中最常用的种属。本研究主要选取了南海现代滨珊瑚地球化学指标δ18O，δ13C，Ba/Ca和δ137/134Ba，高分辨率，多指标，多记录研究南海珊瑚礁对气候环境变化响应、记录，研究全球暖化背景下珊瑚地球化学指标的变化特征、探究珊瑚指标记录的海-气相互作用与气候变化，并评估珊瑚生理效应对地球化学指标的潜在影响。特别是本研究获得了首个珊瑚月分辨率和年分辨率δ137/134Ba组成记录，为开拓珊瑚新的地球化学指标打下了基础。主要研究内容与结果如下: 1.黑潮上游流量重建 黑潮是西北太平洋上一支强大的大洋西边界流，是热带太平洋向高纬地区输送热量的主要环节和通道，同时也将大量的热量和水汽释放给大气，对我国、东亚乃至全球气候环境都有重要影响。由于观测资料很少，目前对黑潮的了解还十分有限。南海东北部的南台湾紧邻上游黑潮主轴，受黑潮影响上升流活动显著。我们发现黑潮流量变化会引起周围珊瑚δ18O改变。黑潮流量增加（减弱）时会产生较强（弱）的上升流，从而引起SST偏低（高）、珊瑚δ18O偏正（负）。我们利用台湾南部月分辨率珊瑚δ18O重建了1953-2004年间上游黑潮流量变化。结果表明，在年际和年代际尺度上，重建的上游黑潮流量与位于日本Tatsukushi湾附近的下游黑潮流量具有一致的变化趋势，两者可能受控于相同的驱动机制。研究还发现，虽然台湾东南部和东北部距离很近，但是黑潮流量在这两个区域附近变化却略有不同，在1990年前两地黑潮流量呈同相位变化，但是1990年后却变成反相位变化，全球暖化背景下亚热带西边界洋流的极向移动可能是出现这种情况的主要原因。 2.探究影响珊瑚δ13C变化的因素 影响珊瑚δ13C变化的因素十分复杂，目前国际上不同研究者，不同生长环境下珊瑚的δ13C指标的环境信息解读都不一致。我们在南海不同气候环境背景下（亚热带-热带气候和近岸-开放海域），在北部沿岸海域的龙湾、东北部紧靠西太平洋的台湾南湾和小琉球及南部热带海域的南沙美济礁选取了四个现代滨珊瑚样品，并进行月分辨率、周分辨率珊瑚δ13C分析，系统研究了影响南海珊瑚δ13C变化的主要因素。结果表明，影响近岸和开放海域珊瑚δ13C变化的因素并不一致，并且在季节尺度上，控制三个沿岸珊瑚δ13C变化的主导因素也不同。龙湾珊瑚附近有大量的河流陆源输入。陆源输入的碳相对于海水具有显著偏轻的δ13C组成，是影响龙湾珊瑚δ13C变化的主导因素，导致龙湾珊瑚δ13C最小值出现在秋季。而相对开放的南湾和小琉球附近没有河流输入，珊瑚δ13C主要受光合作用影响，最大值出现在夏季。美济礁珊瑚具有相对较慢的生长速率，由于位于赤道附近，生长环境一年四季都比较接近，δ13C变化主要受动力分馏控制。此外，在年际尺度上，龙湾、南湾和南沙珊瑚受人类活动排放CO2影响，δ13C具有减小的趋势。虽然小琉球和南湾相距只有80 km，但是小琉球珊瑚δ13C呈增加趋势，可能与珊瑚礁微环境、个体生理状况差异等因素有关，这一现象警示我们在以后利用珊瑚化石等研究历史时期海洋碳循环方面一定要综合全面考虑。 3.评估珊瑚Ba/Ca和δ137/134Ba指标在海洋钡循环中的应用 造礁珊瑚微量元素比值指标在研究气候环境变化领域备受关注，不过珊瑚Ba/Ca等微量元素比值指标也会受到珊瑚生理效应的影响。关于海水中Ba以何种方式进入珊瑚骨骼，还存在很大争议。我们在南海7个不同海域采集滨珊瑚样品，通过双稀释剂和多接收等离子体质谱仪技术，高精度、高分辨测定了珊瑚δ137/134Ba组成。结合海水钡同位素和珊瑚Ba/Ca指标，从横向（空间分布-现代不同海洋环境下）和纵向（时间序列）两个层面开展南海珊瑚钡同位素组成和Ba/Ca比值的影响因素和气候环境指示意义的研究。为加深对海洋钡循环理解，发展珊瑚新同位素体系在古海洋、古气候等研究领域的应用奠定基础。 (1)研究发现，除涠洲岛样品，南海珊瑚δ137/134Ba基本恒定变化范围很小0.18±0.03 ‰～0.31±0.03‰，平均值为0.25±0.06‰(N=21)。涠洲岛珊瑚位于浅的大陆架上，并且受强烈陆源输入影响，导致珊瑚δ137 /134Ba只有0.08±0.03 ‰，是目前浅海珊瑚报道的最低δ137/134Ba值。珊瑚δ137/134Ba与海水呈相对恒定的负的分馏现象。外界环境变化如降水、SST以及珊瑚生长率等对珊瑚δ137/134Ba影响很小。珊瑚δ137/134Ba与南海表层海水中悬浮颗粒物δ137/134Ba接近，可能受控于相同的同位素分馏机制。与δ137/134Ba相反，南海珊瑚Ba/Ca变化范围很大（2～14 μmol/mol），外界环境扰动（海水Ba浓度变化、SST、降水、生产力等）无法解释珊瑚Ba/Ca的大幅度变化现象。我们建立了珊瑚生物矿化过程中的瑞利分馏模型，该模型虽然可以解释珊瑚Ba/Ca记录的大幅度变化，但是无法同时解释珊瑚δ137/134Ba变化特征。分析证明，滨珊瑚δ137/134Ba的变化主要记录海水Ba组成方面的相关信息，并且和Ba/Ca指标相比，δ137/134Ba在记录陆源输入、上升流和海洋生产力变化等方面更为可靠，在今后研究古海洋钡循环方面应用前景广阔。 在此基础上我们分别对台湾南部南湾和北海涠洲岛采集现代滨珊瑚进行月分辨率Ba/Ca分析，并首次获得了珊瑚月分辨率δ137/134Ba组成记录。 (2)研究发现，在年际尺度上，受人类活动影响，陆源输入增加，导致南湾珊瑚Ba/Ca在1987-1996年间含量突增、基线升高。由于陆源输入的Ba相对于海水Ba具有较轻的钡同位素组成，随着珊瑚Ba/Ca含量增加，珊瑚δ137/134Ba呈减少趋势。但总体上δ137/134Ba变化幅度很小，其变化范围基本上在仪器测量误差范围内。这可能是由于在台湾南湾海域，无河流直接注入，湾内海水滞留时间相对较长。陆源钡在进入珊瑚骨骼前，较轻的Ba优先吸附在悬浮沉积物上，不断与海水中较重的Ba进行交换，处在一个反复的置换过程中。这一过程虽然引起南湾海水Ba含量增加，但是海水δ137/134Ba没有显著改变。此外，在季节时间尺度上，与之前大量研究报道的珊瑚Ba/Ca通常只有一个峰值不同，南湾珊瑚Ba/Ca具有春季和夏秋季两个峰值，冬季有一低谷值。分析发现SST、上升流、浮游植物活动、珊瑚繁殖都不是导致出现春季峰值的原因，具体影响因素还需要更多研究来探明;夏秋季降水多带来的陆源输入增加，是出现第二个峰值的主要原因。 (3)南海季风活动显著，并在一些沿岸海域会产生上升流，强烈影响热带海洋气候环境变化与人类生活。由于观测记录十分有限，而且具有时间和空间上的不连续性，限制了对季风和上升流的全面研究。本研究选取受季风和上升流活动影响显著的北海涠洲岛滨珊瑚样品，进行两月分辨率Ba/Ca分析，并结合新发展的δ137/134Ba指标，评估珊瑚Ba指标能否记录下南海季风和上升流活动。研究发现，与之前大部分研究观察到珊瑚Ba/Ca峰值出现在夏季不同，涠洲岛Ba/Ca峰值主要出现在冬季。涠洲岛位于大陆架上，水浅，冬季风强劲，海底沉积物被搅动带到表层，增加了表层海水Ba含量，进而进入珊瑚骨骼中被记录下来。此外，由于海底沉积物具有较低的δ137/134Ba组成，冬季风和上升流活动带来的再悬浮沉积物同时引起表层海水δ137/134Ba降低。涠洲岛珊瑚δ137/134Ba只有0.08‰，显著低于南海和其他海域珊瑚。我们发现珊瑚Ba/Ca和δ137/134Ba指标成功记录下南海季风和上升流活动，为今后更长时间尺度的季风和上升流的变化和机制研究提供了新的代用指标。
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