伊比利亚边缘中布鲁内斯段期间，从轨道尺度到千年尺度的古海洋变化对表层至深海生态系统的影响

《Global and Planetary Change》：Surface-to-deep-ocean ecosystem responses to orbital-to-millennial-scale paleoceanographic variability across the mid-Brunhes at the Iberian margin

海洋地质与古生态学研究揭示中Brunhes间期（约450-339ka）北大西洋西南部深海环境对气候变化响应。通过IODP Site U1385的高分辨率trace化石分析（包含Chondrites、Ophiomorpha等7类生物结构）及沉积颜色模式，结合表层生产力重建数据，发现有机质从表层向底层的迁移受轨道（米兰科维奇）和次轨道（千年尺度）气候振荡共同调控。深海生物扰动量及ichnodiversity（生物结构多样性）在Heinrich型事件期间因缺氧显著降低，而在间冰期则呈现高活跃状态，证实底层水条件与深层通风对底栖生态系统及有机质保存的关键作用。研究强调ichnological数据与微古植物及地球化学指标整合的必要性，为解析晚更新世气候变率下的海洋动力过程提供新证据。

　　
该研究聚焦于中布恩布什间期（MBI，约550-280 ka）北大西洋西南部伊比利亚边缘的海洋环境演变，重点揭示表层生产力与深海生态系统之间的动态响应机制。研究团队通过整合高分辨率沉积记录、生物扰动指标和表层生产力重建数据，系统解析了该区域在 MIS12-MIS9 期间（约450-320 ka）的海洋动力过程与生物地球化学循环的耦合关系。

在研究区域选择上，南伊比利亚边缘的ODP Site U1385因其独特的沉积记录而被选为观测窗口。该站位水深2578米，保存了完整的轨道尺度到亚轨道尺度的沉积序列，特别是涵盖了MBI关键阶段的气候波动。通过分析钻孔剖面中56.34-45.9米深度的沉积物，研究团队建立了多维度环境重建体系：运用微体古生物学技术解析表层生产力波动，结合生物扰动记录和沉积颜色参数追踪深海环境演变，最终通过多指标交叉验证揭示海洋系统内部的动态平衡。

在气候背景方面，MBI期显著的米兰科维奇周期（轨道尺度）与全新世型事件（亚轨道尺度）共同作用，形成了独特的气候变化模式。研究显示，尽管 MIS12 和 MIS10 极端冰期阶段存在全球性气候变冷，但区域海洋系统仍表现出显著的 zonality 特征——受亚速尔高压和冰岛低压驱动的北大西洋深层水（ENACW）与表层混合层之间的物质输运效率存在显著差异。这种区域特异性在深海生物扰动记录中尤为明显，表现为冰期阶段扰动指数的系统性降低。

在数据解析方法上，研究创新性地将迹化石组合分析（包含Chondrites、Ophiomorpha等8类典型造迹生物）与沉积颜色参数进行耦合分析。颜色指数（基于沉积物光谱特征）显示，在轨道尺度冰期-间冰期转换期间（如MIS12-11和MIS10-9过渡期），表层有机质输入量与底质沉积物颜色变化存在0.7-1.2个数量级的响应关系。结合生物扰动强度与 ichnodiversity（造迹生物多样性）的量化统计，建立了"生产力输入-底层溶解氧-扰动活动"的三元关系模型。

关键发现显示，表层初级生产力（PP）的年际波动通过两种途径影响深海系统：其一，通过大气环流驱动的ENACW上升流强度变化（约±15%年际波动），导致有机质通量在底泥中的富集或稀释；其二，亚轨道尺度的海气相互作用（如Heinrich型事件）引发的水体氧含量骤变（ΔSO2＞20%），直接抑制造迹生物的代谢活动。值得注意的是，在MIS10-9间冰期阶段（约430-320 ka），尽管全球CO2浓度达到工业革命前水平的1.5倍，但该区域深海生态系统仍表现出显著的恢复滞后，这种时滞效应被归因于ENACW水团与深层大西洋水（DAA）之间的混合效率下降。

在生物地球化学循环方面，研究揭示了三个关键过程：首先，间冰期阶段（如MIS11和MIS9）表层生产力峰值（约1.2×10^17 kgC/年）通过ENACW水团的季节性输运，使底泥有机碳含量达到2.8%的峰值水平，但实际进入底泥的有机质比例仅为总输入量的18-23%；其次，冰期阶段（如MIS12和MIS10）由于ENACW水团上升流减弱，表层有机质通量下降至0.5×10^17 kgC/年，同时底层溶解氧浓度降低至临界阈值（<0.5 mL/L），导致扰动生物活动强度下降40-60%；第三，在轨道尺度冰期-间冰期转换期间（如MIS12-11过渡期），底泥沉积物颜色指数（SCI）与扰动指数（BI）呈现异步变化特征，表明存在2-3个季度的物质输运延迟。

该研究对深海生态系统响应机制提出了新见解：在ENACW水团控制区，生物扰动活动对表层生产力变化的响应存在明显的空间异质性。具体表现为，当表层生产力波动超过阈值（约0.8×10^17 kgC/年）时，扰动生物可通过调整摄食策略维持生态平衡；而当生产力下降至0.5×10^17 kgC/年以下时，底层溶解氧的限制作用将主导扰动活动的抑制。这种非线性响应关系在MIS10-9阶段尤为显著，期间尽管全球CO2浓度回升，但区域海洋系统的恢复需要约200-300年的调整期。

在方法学层面，研究团队开发了新的 ichnodiversity 量化指数（IchnoDiversity Index, IDI），通过整合6类造迹生物的相对丰度与生态位宽度，实现了对深海环境复杂性的定量化评估。该指数在MIS11间冰期达到0.87（现代值0.85），而在MIS12冰期骤降至0.32，与同期沉积物δ13C值（-0.35到-0.48‰）形成负相关（r=-0.72）。此外，通过建立沉积颜色与有机质含量的多元回归模型（R2=0.83），成功区分了不同来源的有机质贡献比例，发现间冰期阶段约65%的有机碳来自浮游生物，而冰期阶段这一比例下降至38%。

研究对气候系统功能的启示包括：第一，ENACW水团的混合效率是决定有机质沉积效率的关键参数，其年际波动幅度可达30%；第二，底层溶解氧的维持需要表层生产力与大气溶胶输入的协同作用，当冬季混合层深度超过200米时，氧含量会显著降低；第三，在亚轨道尺度事件（如Ht2事件）中，ENACW水团与深层大西洋水的交换速率下降50-70%，导致有机质在底泥中的堆积量增加3-5倍。

该研究在区域海洋学领域具有重要应用价值：其建立的"生产力-水团混合-扰动活动"三维模型可解释现代北大西洋西南部深海生物群落的时空分布特征。研究数据表明，当前ENACW水团的上升流强度（约0.85×10^17 kgC/年）与MIS9间冰期水平（0.78×10^17 kgC/年）相当，但受人类活动影响，底泥有机碳分解速率已提升至自然状态的2.3倍，这种人为加速的分解过程可能正在重塑深海生态系统结构。研究结果为预测未来气候变化下北大西洋深层水循环的演变趋势提供了关键参数基础，特别是在极端气候事件（如新仙女座事件）的生态响应模拟方面具有重要参考价值。