海洋学报

深度/cm	测试材料	¹⁴C年龄/cal a BP	校正后日历年龄/cal a BP	有效年龄控制点/cal a BP
0	−	−	−	0
1～2	有机碳	2 840±30	1 486±142	150（1.5 cm）
20～21	有机碳	4 040±30	2 924±157	2 056（20.5 cm）
46～47	有机碳	5 260±30	4 522±177	4 663（46.5 cm）
132～134	有机碳	12 660±40	13 239±131	13 339（133 cm）
194～196	有机碳	20 910±70	23 629±285	19 622*（195 cm）
224～226	有机碳	25 400±100	28 141±312	25 722*（222 cm）
254～256	有机碳	30 810±160	33 698±320	33 698（255 cm）

深度/cm	测试材料	¹⁴C年龄/cal a BP	校正后日历年龄/cal a BP	有效年龄控制点/cal a BP
0	−	−	−	0
1～2	有机碳	2 840±30	1 486±142	150（1.5 cm）
20～21	有机碳	4 040±30	2 924±157	2 056（20.5 cm）
46～47	有机碳	5 260±30	4 522±177	4 663（46.5 cm）
132～134	有机碳	12 660±40	13 239±131	13 339（133 cm）
194～196	有机碳	20 910±70	23 629±285	19 622*（195 cm）
224～226	有机碳	25 400±100	28 141±312	25 722*（222 cm）
254～256	有机碳	30 810±160	33 698±320	33 698（255 cm）

3.4万年以来南极斯科舍海古生产力演变及其环境制约

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杨春丽 ¹^,² , 陈志华 ¹^,²^,^* , 肖文申 ³ , 王湘芹 ¹ , 鞠梦珊 ¹ , 崔迎春 ¹ , 黄元辉 ¹ , 唐正 ¹

海洋学报 | 论文 2021,43(3): 116-125

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海洋学报 | 论文 2021, 43(3): 116-125

3.4万年以来南极斯科舍海古生产力演变及其环境制约

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杨春丽¹^,², 陈志华¹^,²^,^*, 肖文申³, 王湘芹¹, 鞠梦珊¹, 崔迎春¹, 黄元辉¹, 唐正¹

作者信息

¹自然资源部第一海洋研究所自然资源部海洋地质与成矿作用重点实验室，山东青岛 266061

²青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室，山东青岛 266061

³同济大学海洋地质国家重点实验室，上海 200092

杨春丽（1994—），女，山东省潍坊市人，主要从事南极海洋沉积学研究。E-mail：13081605851@163.com

通讯作者:

陈志华，男，研究员，主要从事极地海洋沉积学与古海洋学研究。E-mail：chenzia@fio.org.cn

Paleoproductivity and its environmental constraints in the Scotia Sea, Antarctica since 34 ka BP

Chunli Yang¹^,², Zhihua Chen¹^,²^,^*, Wenshen Xiao³, Xiangqin Wang¹, Mengshan Ju¹, Yingchun Cui¹, Yuanhui Huang¹, Zheng Tang¹

Affiliations

¹Key Laboratory of Marine Geology and Metallogeny, First Institute of Oceanology, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China

²Laboratory for Marine Geology, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266061, China

³State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092, China

出版时间: 2021-03-25 doi: 10.12284/hyxb2021051

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摘要

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本文通过对南极斯科舍海东南部DC-11岩芯生物硅、有机氮、TFe₂O₃与有机氮同位素的年代学分析，重建了该海区3.4万年以来古生产力与环境演变历史。研究结果表明，生物硅、有机氮含量与南极温度变化基本一致，暖期高、冷期低；有机氮同位素值与南大洋海冰变化相吻合，暖期小、冷期大，冷期硝酸盐利用率大于暖期。从末次冰期、末次冰消期至全新世，研究区古生产力与环境变化显著，南极冷倒转等千年尺度的变化明显；海冰在气候、营养盐与古生产力之间起着重要的关联作用。冰期或冷期海冰的加强导致表层水层化加强，深层水及其营养盐的上涌减弱，表层海洋硝酸盐等相对匮乏，生产力降低。研究区现代与全新世铁供应充足，在风尘盛行的末次冰期和冰消期呈过剩状态，明显不同于亚南极。

关键词

南极 / 斯科舍海 / 古生产力 / 营养盐 / 海冰 / 表层水层化

Abstract

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Paleoproductivity and environmental evolution since 34 ka BP in the southeastern Scotia Sea, Antarctica were reconstructed by the chronological analyses of biogenic opal (BSiO₂), organic nitrogen (N_org), TFe₂O₃ and organic nitrogen isotopes (δ¹⁵N_org) in Core DC-11. Changes in BSiO₂ and N_org contents are basically consistent with the Antarctic temperature, being higher in warm times. δ¹⁵N_org is coincident with the Antarctic sea ice, being greater and reflecting enhanced nitrate utilization in surface water during cold periods. From Last Glacial, Last Deglaciation to Holocene, paleoproductivity and environment changed significantly, and the millennial variability such as the Antarctic Cold Reversal (ACR) is prominent in the study area. Sea ice plays an important role in correlations between the climate, nutrients and paleoproductivity. The increase of sea ice during the glacial or cold periods caused stronger stratification of surface waters, weaker upwelling of deep waters and their dissolved nutrients to the surface ocean, and then resulted in enhanced nitrate utilization and lower paleoproductivity in surface water. Iron supply in the study area is sufficient in present-day and Holocene while it is excessive during Last Glacial and Last Deglaciation due to more developed dust, which is obviously different from that in the Subantarctic Zone.

Key words

Antarctica / the Scotia Sea / paleoproductivity / nutrients / sea ice / stratification of surface waters

引用本文

杨春丽, 陈志华, 肖文申, 王湘芹, 鞠梦珊, 崔迎春, 黄元辉, 唐正. 3.4万年以来南极斯科舍海古生产力演变及其环境制约. 海洋学报, 2021 , 43 (3) : 116 -125 . DOI: 10.12284/hyxb2021051

Chunli Yang, Zhihua Chen, Wenshen Xiao, Xiangqin Wang, Mengshan Ju, Yingchun Cui, Yuanhui Huang, Zheng Tang. Paleoproductivity and its environmental constraints in the Scotia Sea, Antarctica since 34 ka BP[J]. Haiyang Xuebao, 2021 , 43 (3) : 116 -125 . DOI: 10.12284/hyxb2021051

正文

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1 引言

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末次冰期以来，南极冰芯的大气CO₂浓度与南极温度（氧同位素组成）记录高度耦合，存在明显的千年尺度的冷−暖旋回变化^[1]，这种变化被认为与南大洋海洋过程紧密相关^[2]。研究表明，在现代或全新世条件下，南极极锋（Antarctic Polar Front, APF）以南的南极区输出生产力超过亚南极，但在末次冰盛期（Last Glacial Maximum, LGM）情况发生了逆转，亚南极输出生产力远远超过南极区^[3-5]。Jaccard等^[6]研究发现，南极极锋两侧生产力的跷跷板模式是对整个晚更新世气候变化的规律性反映，但迄今为止还没有一种机制可以用来很好地解释它。研究认为，冰期亚南极古生产力高，与源自南美巴塔哥尼亚风尘的“铁施肥效应”有关^[3-5]，然而这一观点也存在争议，因为无论是在冰期还是间冰期，南大洋沉积物中大部分的陆源物质靠洋流和冰输运，而不是大气^[7-12]。

斯科舍海位处南极极锋以南，是南大洋海洋过程最为复杂、生产力最高的海域之一^[13-14]，底流及复杂的海底地形地貌与构造，导致海底沉积记录表现出明显的时空不连续和年代的不确定性^[15]。本文研究拟从DC-11岩芯生物硅（Biogenic Silica (opal)，BSiO₂或BSi）和有机氮（N_org）记录出发，重建斯科舍海东南部过去3.4万年以来古生产力的演化趋势，进而从营养盐等角度分析探讨与古生产力有关的环境变化。该研究对深入认识南大洋过去环境、气候变化具有重要意义。

2 区域背景

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斯科舍海西接德雷克海峡，东连南大西洋，北面以南佐治亚群岛为界，南邻南奥克尼群岛、南极半岛、威德尔海和鲍威尔海盆^[15-16]。研究区位处斯科舍海东南部陆隆区，介于布鲁斯浅滩与南发现浅滩之间，属鲁斯海道（Bruce Passage），是斯科舍海与威德尔海之间进行物质和能量交换的关键海域^[15-16]。从南极大陆边缘冰架裂解下来的冰山随南极沿岸流做逆时针运动，汇合来自南极半岛地区的冰山^[17-18]，然后随威德尔涡流（Weddell Gyre，WG）、威德尔海深层水（Weddell Sea Deep Water，WSDW）和威德尔海底层水（Weddell Sea Bottom Water，WSBW）等向北运动，进入斯科舍海，最终汇入南极绕极流（Antarctic Circumpolar Current，ACC）^[19-20]（图1）。与此同时，南极绕极流横穿斯科舍海北部，其南边界（Southern Boundary of ACC，SBACC）大体到达研究站位附近，因而研究区虽受南极绕极流主流影响小，但受与之有关的绕极底层水−深层水影响^[21]。相对于整个南大洋，斯科舍海生产力高，但表现出很强的纬向和经向梯度^{[13-14, 22]}，与表层海洋营养盐（包括溶解铁）、温度、海冰等要素密切相关^{[13-14, 22-25]}。如图2所示，风驱动的上升流不仅将绕极深层水带至南极区大洋表层，同时将硅酸盐、硝酸盐等营养盐输送至表层，为该地区海洋生产力提供了物质基础^[26-29]。

3 样品与方法

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3.1 样品

DC-11岩芯是2017–2018年“向阳红01”号船执行中国第34次南极考察航次采获的重力岩芯。岩芯取样位置位于斯科舍海东南部陆隆区（60°24′39.340″S，37°04′52.356″W，水深为2 162 m）。岩芯长422 cm，本文仅就上部年代框架较为准确的0～256 cm段进行分析。依据深海沉积物命名规范^[30]，该段可划分为3层（图3）。第一层为0～117 cm，黄绿色黏土硅质软泥，27～28 cm、72～76 cm处见深灰色纹层；第二层为117～195 cm，绿灰色硅质黏土，117～121 cm处见灰黑色纹层，140～145 cm处见深灰色斑块，161～167 cm处见灰黑色纹层，176～195 cm处存在深灰黑色纹层；第三层为195～256 cm，灰色含硅质黏土，235～245 cm处见浅灰色纹层包裹的灰黑色斑块。

3.2 方法

以1 cm为步长，通过GEOTEK多参数岩芯扫描仪获取磁化率等参数。以2 cm间距采样，间隔抽取样品（4 cm间距）进行BSiO₂、TFe₂O₃、N_org与氮同位素（δ¹⁵N_org）分析。BSiO₂采用1 mol/L的氢氧化钠溶液（NaOH）提取，用钼蓝比色法测定，相对分析精度对富生物硅样品优于2%^[32]。TFe₂O₃含量采用电感耦合等离子发射光谱仪（ICP-OES）测定，相对标准偏差小于5%。上述分析在自然资源部海洋地质与成矿作用重点实验室完成。N_org与δ¹⁵N_org分析在自然资源部海底科学重点实验室完成；取约1 g沉积物粉末样，加入过量1 mol/L盐酸去除碳酸盐，接着用去离子水洗涤至中性，冷冻干燥后用Thermo NE1112型元素分析仪与Delta Plus AD同位素质谱分析仪联机测试；N_org的相对标准偏差小于5%，δ¹⁵N_org值的重复误差为±0.2‰。样品AMS¹⁴C测年在Beta实验室完成，测年介质为酸不溶有机质。

3.3 年代框架

DC-11岩芯沉积物中未见有孔虫等钙质生物壳，岩芯年代框架的建立通过有机质的AMS¹⁴C测年及区域海陆风尘记录对比^[18,33-36]相结合的方法。

岩芯沉积物测年结果见表1。取1 300 a作为区域海洋碳库年龄（Delta R=（900±47）a）^[33,37]，经Calib 7.0.4软件校正，得到各点的日历年龄。考虑到岩芯顶部样品在取样过程中可能因倾倒等原因造成一定扰动，0～133 cm段年代框架的建立基于线性回归，先得到其平均沉积速率，然后再将深度换算成年龄（图3）。

末次冰期与冰消期南极与南大洋风尘沉积记录发育，前人研究表明，该时期斯科舍海岩芯沉积物的磁化率（MS）记录等与南极冰芯的风尘通量之间具有很好的对应关系^[18,33-36]，可用来厘定海洋沉积物年龄。如图3所示，通过DC-11岩芯磁化率曲线与EDML冰芯nssCa²⁺通量曲线^[31]对比，发现岩芯195 cm和222 cm处的两个磁化率峰值能够比较合理地对应于EDML冰芯19.622 ka BP和25.722 ka BP的nssCa²⁺通量峰值，据此作为岩芯的年代控制点。

基于上述两组年龄控制点，得到岩芯的年代框架见图3。岩芯0～133 cm段沉积速率为9.97 cm/ka，133～195 cm段为9.87 cm/ka，195～222 cm段为4.43 cm/ka，222～256 cm段为4.14 cm/ka，全新世和末次冰消期沉积速率较高，末次冰期沉积速率较低。

4 结果与讨论

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4.1 岩芯古生产力与营养盐记录

4.1.1 古生产力记录

本文从无机和有机两种生物成因组分来分析古生产力的变化。DC-11岩芯沉积物中BSiO₂的含量变化范围为8.04%～65.49%，平均值为38.64%；N_org的含量变化范围为0.039%～0.115%，平均值为0.079%。如图4a所示，岩芯BSiO₂含量与N_org含量变化趋势基本一致，自下而上大体可分为3段：（1）33.9～19.6 ka BP，对应末次冰期，BSiO₂与N_org含量低，略有起伏，最低值出现在28～24 ka BP和22～20 ka BP；（2）19.6～11.7 ka BP，对应末次冰消期，BSiO₂与N_org含量总体呈快速升高趋势，但在14.1～12.9 ka BP南极冷倒转期（Antarctic Cold Reversal, ACR）明显回落；（3）11.7～0 ka BP，对应全新世，BSiO₂与N_org含量高，变化平缓，略有起伏，且N_org含量更明显。海洋沉积物中BSiO₂的积累与上层水体的初级生产力有着密切的关系，故BSiO₂作为古生产力指标通常可用来直观反映海洋输出生产力的变化，在钙质生物易溶解、硅质生物保存较好的高纬度海区应用尤为普遍^[4-5,38]。DC-11岩芯位于南极绕极流南边界附近（图1），南大洋硅质带的南缘^[7]，其BSiO₂含量整体较高。海洋沉积物中的N_org可能有海源和陆源之分，且易受早期成岩作用影响^[39-41]；但从图4b来看，岩芯BSiO₂含量与N_org含量呈显著正相关，线性相关系数为0.88（n=64），说明研究区沉积物中的N_org与BSiO₂相似，以海源为主，且早期成岩作用对它们的影响小，未出现明显的离散现象；这种一致性反映出它们可能主要受控于南大洋的主要初级生产者——硅藻，即硅藻的壳体贡献了BSiO₂，而内裹有机质贡献了大部分的N_org。

4.1.2 铁记录

南大洋大部分海域以高营养盐、低叶绿素为特征，以风尘为主的自然铁供应成为制约其海洋生产力的重要因素之一^[23]。如图4a所示，DC-11岩芯沉积物中TFe₂O₃含量范围为1.93%～6.58%，平均值为1.93%，其变化与海洋经典风尘替代指标——磁化率^[18,32-35]的变化相似，在末次冰期高，在末次冰消期起始阶段最高，至15.5 ka BP后趋于平缓，全新世含量低。这种变化与古生产力的高低变化正好相反。如图4c所示，岩芯TFe₂O₃含量与BSiO₂含量呈明显负相关，线性相关系数为0.91（n=64）。对斯科舍海现代海洋溶解铁与海洋生产力的研究表明，该海区铁限制与高营养盐−低叶绿素现象主要出现在斯科舍海西部（大约50ºW以西）和中部（南佐治亚群岛以南、南极绕极流南边界以北），而岩芯所在的东南部海域，由于靠近南奥克尼群岛，加上海冰的季节性消退，溶解铁含量高，并支撑了其局部高生产力^[23-25]。从岩芯记录来看，末次冰期和冰消期风尘加强，使研究区铁供应过剩，但并未表现出对生产力的促进作用。

4.1.3 δ¹⁵N_org营养盐记录

沉积物中的δ¹⁵N_org记录可以反映过去表层海水中硝酸盐的消耗度或利用率^[42-43]。DC-11岩芯δ¹⁵N_org比值范围为2.84%～5.85‰，平均值为4.09‰。如图4a所示，δ¹⁵N_org值在末次冰期大，略有起伏，在28～24 ka BP有一个小平台期；末次冰消期初始阶段δ¹⁵N_org达最大值，然后迅速下降，直至14.1～12.9 ka BP南极冷倒转期又明显增大；全新世早期至中期，δ¹⁵N_org值小，略有下降和起伏，至全新世晚期趋于平稳。前人对南大洋沉降、悬浮物和表层沉积物中δ¹⁵N的对比研究表明，海底沉积物全样的δ¹⁵N值虽然可能因早期成岩作用而变大^[43]，但在大陆边缘等高沉积速率区，大体与沉降组分或真光层下硝酸盐的δ¹⁵N值相同，没有明显变化^[44]。DC-11岩芯位处南奥尼克群岛北侧陆隆区，末次冰期以来沉积速率大于4 cm/ka，属于典型的快速富生物硅沉积，因而沉积物中δ¹⁵N_org遭受早期成岩改造的可能性小。从前面BSiO₂与N_org的高度正相关（相关系数为0.88，n=6）推断，N_org可能以硅藻包裹为主。对比前人在大西洋中部的研究数据，末次盛冰期硅藻包裹氮同位素组成δ¹⁵N_diat为6‰左右，全新世为2.5‰^[45]，大体与DC-11岩芯δ¹⁵N_org值相当。综上所述，推测DC-11岩芯沉积物中δ¹⁵N_org值受早期成岩作用影响小，其变化较为真实地记录了过去水体的生产力和营养盐状况。海洋中，大多数自养生物以合成氮为生长基质，使NO₃^–池成为生物群落氮同位素组成的关键决定因素；在真光层，浮游植物偏向于吸收¹⁴NO₃^–，导致光合作用的产物相对富集¹⁴N，残留海水富集¹⁵N，从而形成的有机质的δ¹⁵N值会随着浮游植物对海水中营养盐利用率的提升而增大^[43]。从DC-11岩芯记录来看，末次冰期、末次冰消期δ¹⁵N_org平均值分别为4.64‰和4.56‰，明显大于全新世的3.48‰，说明末次冰期与冰消期表层海水中硝酸盐的生物吸收大于物理输入，导致营养盐水平明显低于全新世。类似发现亦见于前人研究，认为高纬度地区冰期海冰增强，表层海水随之层化加强，硝酸盐等因得不到大洋深部的及时补充，逐渐被消耗，致使表层营养盐池变小，输出生产力降低^[46-49]。

4.2 3.4万年以来斯科舍海东南部古生产力及环境演化

4.2.1 古生产力与环境演变历史

如图5所示，斯科舍海东南部DC-11岩芯古海洋记录不仅与斯科舍海区域记录、南极冰芯等具有很好的一致性，同时与格陵兰冰芯、北大西洋古海洋记录等耦合紧密。3.4万年以来，研究区古生产力与环境不仅经历了末次冰期、末次冰消期到全新世的显著变化，同时经历了一些千年尺度的次级变化。

西南极WDC冰芯记录表明，末次冰期（34～19.6 ka BP）南极气温低（图5c），南大洋海冰增强（图5f）^[50-52]，斯科舍海东南部DC-11岩芯（图5k，图5l）与北部PS67/197-1岩芯（位置见图1）相一致（图5i）^[53]反映极锋以南海域古生产力低。其时，斯科舍海冬季海冰可达53°S，夏季达55°S^[54]，因而推测DC-11岩芯位置很长一段时间处于永久性海冰或密集海冰覆盖之下，而PS67/197-1岩芯附近海域夏季表层海水温度较全新世低1～2°C（图5h），冬季海冰覆盖度维持在80%左右（图5g）^[53]。海冰覆盖度、厚度、冰融水、风等共同作用使表层海洋混合减弱，层化增强，水体和营养盐的垂向交换减弱^[46,52]，导致表层海洋营养盐的物理补给跟不上生物的同化吸收，生产力降低，输出有机质的δ¹⁵N值增大（图5j）。从WDC冰芯记录来看，28～24 ka BP气候偏冷，南大洋海冰明显增强（图5c，图5f）^[50-51]，对应DC-11岩芯δ¹⁵N_org记录有一个明显的高值小平台（图5j），相应古生产力也有小幅降低（图5k，图5l）。

在南极，末次冰消期的开始时间大约在20～18 ka BP之间，西南极可能较东南极早约2 ka（图5c，图5d）^[51]；准确厘定岩芯的冰消期开始时间也很困难，但从海陆风尘记录的一致性来看，其开始时间大约为19.6 ka BP，即伴随着南半球风尘从顶峰开始回落（图5e）^[37]，就进入末次冰消期。末次冰消期DC-11岩芯BSiO₂含量与N_org含量总体呈上升趋势，δ¹⁵N_org值总体呈下降趋势，但在14.1～12.9 ka BP南极冷倒转期信号出现反转（图5l，图5k，图5j），与WDC冰芯δ¹⁸O温度记录^[51]相吻合(图5c)，与北半球NGRIP 冰芯 δ¹⁸O温度记录（图5a）^[55]相反，体现出对南、北半球“跷跷板”式气候变化的响应^[56-58]。冰消期早期，气候快速回暖，北半球出现HS1期（Heinrich Stadial 1, 18～14.6 ka BP），北大西洋GGC5岩芯²³¹Pa/²³⁰Th比值的抬升（图5b）等证实期间北大西洋深层水的形成受阻，大西洋经向翻转流减弱^[59-60]。大西洋经向翻转流的减弱导致热量在南大洋快速积累，极地与赤道之间的温度梯度减小，西风带与上升流区向南移动，环南极海冰逐渐消退，与之相关的表层海水层化减弱，深层水上涌增强^[56-58]，其携带的丰富的营养盐使表层海水硝酸盐含量升高，并支撑了较高的生产力，体现在DC-11岩芯δ¹⁵N_org值逐渐降低，BSiO₂与N_org含量升高。随着HS1事件的结束，北半球进入B/A暖期（the Bølling–Allerød interval, 14.6～12.8 ka BP），南半球进入南极冷倒转期（14.1～12.9 ka BP）^[58]。北大西洋深层水迅速恢复，大西洋经向翻转流重新活跃，大洋热量发生损失^[56-58]，WDC冰芯δ¹⁸O指示南极气温快速下降（图5c），ssNa⁺通量指示南大洋海冰扩张（图5f）^[51]，斯科舍海北部夏季表层水温下降（图5h），冬季海冰覆盖度迅速增大（图5g）^[53]，这种环境有利于表层海水层化，但不利于深层水及其营养盐的上涌，因而DC-11岩芯δ¹⁵N_org值变大（图5j），古生产力下降（图5k，图5l）。随后，北半球进入新仙女木期（the Younger Dryas Interval, 12.8～11.5 ka BP）（图5a），南极气候快速回暖，海冰减弱^[50-51,58]，表层硝酸盐等供应增加，研究区生产力快速升高。

进入全新世（11.7～0 ka BP），南极气温大体与现在相当（图5c，图5d），南大洋冬、夏季海冰回落到低位（图5f）^[50-51]，风尘铁供应降到低位（图5e）^[31]，区域铁供应的不平衡导致生产力不平衡^{[13-14, 22-25]}。斯科舍海东南部DC-11岩芯记录显示全新世该区海洋生产力长期维持在高位（图5l，图5k），但北部的PS67/197-1岩芯显示其生产力在全新世早期快速下降，大约9.7 ka BP以来一直维持在一个不太高的水平上（图5i）^[53]，这与斯科舍海现代海洋溶解铁与生产力的分布^{[13-14, 22-25]}相吻合。

4.2.2 环境对古生产力的综合制约

南大洋海洋生产力受营养盐、海冰、温度、光照、环流等环境条件制约^{[13-14, 49,61]}。从图5及上述讨论来看，3.4万年以来南大洋海冰强度变化与南极温度变化趋势相反^[50-51]，与DC-11岩芯BSiO₂和N_org等古生产力指标的变化相反，与δ¹⁵N_org值的高低变化一致，海冰在研究区气候、营养盐与古生产力之间起着重要的关联作用。首先，海冰和温度密不可分，两者在古气候演化进程中此消彼长^[51-52]。冰期或冷期南极温度低，海冰覆盖范围、覆盖度、厚度、持续时间等加大，导致研究区光照受限，生产力季节变短，在一定程度上使生产力下降^[52-54]；而全新世或暖期，随着温度变暖，海冰消退，光照条件明显改善，生产力季节延长，从而有利于生产力的提高^[52-54]；与此同时，温度本身对生产力的促进作用也不可忽略，研究表明温度从1.8ºC升高到4.5ºC，南极浮游植物初级生产力可增加约30%^[62]。第二，海冰减弱了风对海表的作用，使海表密度层化加强，因而受风和密度驱动的深层水上涌减弱，使那些因降解而富集在大洋深部的硅酸盐、硝酸盐等难以高效地输送至表层^[6,45-46,49]，造成表层海洋中硝酸盐等相对匮乏，在一定程度上限制了海洋生产力^[42-45]，体现在冰期或冷期DC-11岩芯δ¹⁵N_org值增大，硝酸盐的生物吸收大于物理补给，生产力降低。对大部分高营养盐、低叶绿素海区来说，铁的供应是制约海洋生产力的关键因素^[23]，但对于铁含量较高的斯科舍海，特别是其东南部研究区来说，由于南奥克尼群岛岛架沉积物和威德尔海冰山通道区融冰将大量铁释放到表层海水中，铁的供应在现代^[23]和全新世充足，在风尘盛行的末次冰期和冰消期呈现出过剩状态，因而DC-11岩芯TFe₂O₃与古生产力的高低变化正好相反；从过去3.4万年记录来看，气候变冷有利于该地区风尘和海冰的发育，但风尘铁的供应对研究区古生产力没有促进作用，这明显不同于北部海域，特别是亚南极海域^[3-5]。

5 结论

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（1）3.4万年以来，南极斯科舍海东南部海域DC-11岩芯BSiO₂、N_org含量暖期高，冷期低，与TFe₂O₃含量和δ¹⁵N_org值呈反相关系。海冰在气候、营养盐与古生产力之间起着重要的关联作用。

（2）末次冰期气温低，南大洋海冰增强，斯科舍海东南部海域为永久或密集海冰所覆盖，导致表层海水被层化，深层水及其营养盐的上涌减弱，表层海洋硝酸盐供应不足，因而岩芯δ¹⁵N_org值大，BSiO₂含量与N_org含量低。末次冰消期BSiO₂含量与N_org含量升中有降，δ¹⁵N_org值降中有升，南极冷倒转期信号明显，海区营养盐与生产力对南北半球间跷跷板式气候变化响应敏感。全新世气候温暖，海冰大致已退缩到现代状态，表层海洋丰富的营养盐及局部充足的铁供应使研究区生产力高。

致谢：感谢中国第34次南极科学考察队及“向阳红01”号考察船为样品的采集付出了艰辛的劳动。感谢极地沉积物样品库提供样品；感谢自然资源部极地考察办公室与中国极地研究中心给予的支持和帮助。

基金

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国家自然科学基金（41676191）；南极重点海域对气候变化的响应与反馈（RFSOCC2020-2025）

参考文献

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2021年第43卷第3期

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文章信息

doi: 10.12284/hyxb2021051

接收时间：2020-01-08
首发时间：2026-02-26
出版时间：2021-03-25

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作者

出版历史

收稿日期：2020-01-08
修回日期：2020-04-13

基金

国家自然科学基金（41676191）；南极重点海域对气候变化的响应与反馈（RFSOCC2020-2025）

作者信息

¹自然资源部第一海洋研究所自然资源部海洋地质与成矿作用重点实验室，山东青岛 266061

²青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室，山东青岛 266061

³同济大学海洋地质国家重点实验室，上海 200092

通讯作者:

陈志华，男，研究员，主要从事极地海洋沉积学与古海洋学研究。E-mail：chenzia@fio.org.cn

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/hyxb/CN/10.12284/hyxb2021051

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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