孤立环礁大规模珊瑚白化前的碳酸盐沉积物来源与特征解析

《Sedimentary Geology》：Carbonate sediment sources and characterisation prior to mass coral bleaching in an isolated atoll

　　

在热带珊瑚礁环境中，生物成因碳酸钙（CaCO₃）对于珊瑚礁生长和海滨沉积地貌（如海滩和珊瑚礁岛屿）的发育至关重要。珊瑚礁生态与地貌过程之间的耦合关系使得这些系统日益易受气候驱动干扰的影响，包括急性热异常（如海洋热浪）。为理解这种生态-地貌耦合关系，研究人员在2024–2025年大规模珊瑚白化事件发生前一年，对西澳大利亚西北珊瑚礁省陆架边缘环礁——Mermaid Reef的碳酸盐沉积物特征（组成、结构）及同期底栖群落组合进行了研究。结果表明，底栖珊瑚礁调查与沉积物组成之间存在高度一致性，揭示了四个分布空间分明、具有空间组织性的生物沉积相。珊瑚来源沉积物在所有生物沉积相中占主导地位（占沉积物的27–46%），凸显珊瑚是初级碳酸盐沉积物来源。然而，各沉积相之间的差异受次级碳酸盐生产者（包括软体动物、Halimeda、壳状珊瑚藻（CCA），以及较小程度的有孔虫）不成比例的贡献所控制。鉴于这些产碳酸盐类群对热异常高度敏感，在未来干扰轨迹下，底栖群落结构的变化可能会改变沉积物组成和这些生物沉积相的空间组织，进而对珊瑚礁生长和沉积地貌发育产生长期影响。这些发现为评估Mermaid Reef未来长时间尺度上的生态变化和沉积重构提供了关键的漂白前基准。

**论文解读：Mermaid Reef大规模珊瑚白化事件前的碳酸盐沉积物来源与生物沉积相特征**

**一、研究背景与科学问题**

在热带珊瑚礁系统中，生物成因碳酸钙（CaCO₃）是珊瑚礁框架堆积和相邻沉积地貌（如海滩和珊瑚礁岛屿）发育的基石。珊瑚礁生态过程与地貌过程之间存在紧密的正反馈耦合关系：底栖生物群落的动态影响沉积物生产和碳酸盐堆积，进而调控沉积物供给、地貌演变和水动力条件，最终又反作用于生态结构和功能。这种耦合使珊瑚礁系统在气候驱动干扰（尤其是海洋热浪引发的急性热异常）下表现得极为脆弱。然而，目前关于珊瑚礁来源碳酸盐沉积物的生产数据仍然匮乏，尤其在偏远环礁环境中，有效的干扰前基线记录极为稀缺，这严重制约了对未来生态与沉积响应的评估能力。

Rowley Shoals（含Mermaid、Clerke和Imperieuse三个环礁）位于西澳大利亚珊瑚礁省，历史上因生物地理隔离和局部水动力冷却机制而鲜受大规模珊瑚白化影响。然而，在2024–2025年澳大利亚夏季，该区域经历了有记录以来最严重的海洋热浪（MHW）和大规模珊瑚白化事件，Mermaid Reef首次遭受严重白化。该研究在事件发生前一年（2023年10月）完成了沉积物采样和底栖生态调查，为评估气候驱动干扰对偏远环礁沉积系统的影响提供了不可多得的参考基线。研究目标包括：（1）表征Mermaid Reef在严重干扰事件前的表层沉积物组成和碳酸盐生产来源；（2）建立该孤立环礁系统的干扰前生物沉积相；（3）为未来生态和沉积变化评估提供参考条件。

**二、研究技术方法概述**

研究人员于2023年10月14日至23日在Mermaid Reef采集了15个站点的表层沉积物样品，涵盖东部礁坡、礁顶、后礁、泻湖、西部礁坪及亚潮间带沙岛，每站采集约150 g表面以下10 cm内的沉积物，经去离子水冲洗并在60 ℃干燥24至48小时后，通过标准湿筛法分为七个粒级（>4000 μm至63 μm），使用Nikon SMZ-1500体视显微镜对≥250 μm粒级每个样品至少鉴定500颗颗粒，归入珊瑚、软体动物、Halimeda、壳状珊瑚藻（CCA）、有孔虫、棘皮动物、甲壳类、苔藓虫等生物来源类别，并利用GRADISTAT?软件Folk和Ward方法计算沉积物粒度和分选系数。底栖生态调查采用潜水员SCUBA沿5×50 m样带（间隔10 m）拍摄底栖照片，每米在底床上方50 cm处拍摄，每张图像5个点进行点计数（每50 m样带250个点），分类记录硬珊瑚、CCA、Halimeda、藻类、软珊瑚、海绵等底栖盖度，软体动物在样带内2 m宽范围内计数。统计方面运用PAST?软件（v.5.3）进行层次聚类分析（UPGMA，Bray-Curtis相似度>85%），基于分选系数（σ）和生物骨骼组分相对丰度构建相似性矩阵，并通过SIMPER分析确定驱动沉积相间异同性的关键因子。

**三、研究结果**

**3.1 礁体与岛屿沉积物粒径空间格局**

Mermaid Reef礁源沉积物以砂级（63 μm–2000 μm）为主（占84%），砾石级（>2000 μm）占13%，粉砂级（<63 μm）占3%。礁体沉积物平均粒径为584 μm（粗砂），分选系数平均为2.38 σ（分选差）。泻湖沉积物砂含量达81–87%，并含最高比例的细粒组分（4–9%）。东南礁坡（OR4-6 m）和礁顶（OR3-3 m）沉积物砾石比例最高（25%和33%），粒径最大且分选最差。沙岛沉积物以砂级为主（平均占90%），平均粒径812 μm（粗砂），分选程度为中等至中好（平均1.63 σ），沉积物外观保存完好，侵蚀痕迹极少。

**3.2 礁源和岛屿沉积物组成特征**

礁源沉积物中，珊瑚骨骼碎屑平均占32.7%±11.7%（标准误），软体动物占28.0%±7.2%，两者共同主导砾石和粗砂粒级。珊瑚颗粒浓度在东北礁顶和礁坡（3–6 m深度）最高（50–52%），在泻湖南部和南部后礁的砂质沉积物中最低（17–18%）。软体动物组分在泻湖、西部礁坪和南部后礁环境浓度最高（28–30%）。壳状珊瑚藻（CCA）平均占7.42%±4.8%（标准差），在西部礁坪含量最高（14%）。Halimeda spp.平均贡献16%±11.3%，东南礁顶含量最高（41%）。底栖有孔虫平均占4.88%±2.3%，主要分布于泻湖、后礁和西部礁坪。沙岛沉积物组成相似，以软体动物（37.5%±4.3%）和珊瑚（25.7%±8.7%）为主，次要组分包括Halimeda（11.6%±2.4%）、CCA（10.7%±4.6%）和底栖有孔虫（9.1%±1.8%）。

**3.3 Mermaid Reef生物沉积相**

层次聚类分析（Bray-Curtis相似度>85%）识别出四个生物沉积相，其差异主要由非软体动物组分的相对丰度和沉积物结构特征共同决定（累积贡献75%的总不相似度）。Cluster 1（n=3）：位于东部礁顶和礁坡环境，以珊瑚为主（46%），含软体动物（24%）、Halimeda（9%）和苔藓虫（3%），沉积物为中至粗砂，分选中等至差。Cluster 2（n=1）：位于东南泻湖后礁，以软体动物为主（40%），含珊瑚（18%）、棘皮动物（6.2%）、甲壳类（6%）等，沉积物为分选差的中砂。Cluster 3（n=9）：为分布最广的沉积相，涵盖泻湖、西部礁坪、北部后礁和沙岛区域，以软体动物（35%）、珊瑚（27%）、Halimeda（14%）、CCA（11%）和有孔虫（8%）为特征，分选中好至差，粒径中砂至粗砂。Cluster 4（n=2）：位于东南后礁和南部礁顶，以Halimeda为主（33%），含珊瑚（28%）和软体动物（22%），沉积物为中至粗砂，分选中等至差。

**3.4 生态生产分区**

底栖调查识别出三个生态生产区：泻湖、后礁和外礁缘。硬珊瑚在所有区域均占主导（26.6–39.4%盖度），外礁缘和后礁的珊瑚盖度较高（39.4%±11.3%和35.9%±15.7%），以Acropora（指状和伞房状）、Montipora和Favids为主；外礁缘还记录到极高丰度的非关节CCA（47.2%±7.4%）和中等密度的软体动物（17.1±14.5个体/100 m2）。后礁以Acropora多种形态为主，CCA盖度17.4%±5.8%，软体动物密度最高（55.7±57.1个体/100 m2）。泻湖环境以裸底为主，散布大型Porites珊瑚丘，珊瑚盖度（26.6%±2.6%）、CCA盖度（5.8%±4.1%）和软体动物密度（8.6±6.0个体/100 m2）均为最低，大型藻类盖度最高（37.3%±9.3%）。历史上的西部礁坡调查记录了40–50%的珊瑚盖度，以及Tridacna crocea等丰富的大型砗磲物种。

**四、讨论与结论**

该研究揭示了生态群落组成与沉积物特征之间的高度对应关系。东部外礁缘的珊瑚主导相反映了高珊瑚盖度与快速生长型Acropora类群的贡献，这类生境不仅是活跃的碳酸盐生产区，也是向邻近礁区输出珊瑚碎屑的重要沉积物工厂。分布最广的混合生物沉积相（泻湖、西部礁坪、北部后礁和沙岛）中，软体动物、CCA和有孔虫的富集可能指示跨区域沉积物运输（西礁前缘向东输送），尽管该连通性推断仍待直接沉积物运移测量验证。东南后礁及礁顶的Halimeda主导相表明，这种钙化绿藻在特定的遮蔽环境中是高效的沉积物生产者。鉴于珊瑚、软体动物和Halimeda等产碳酸盐生物对热异常高度敏感，未来气候驱动干扰下底栖群落结构的改变将很可能重组这些生物沉积相的空间格局和组分贡献，对珊瑚礁框架堆积、泻湖淤积和沙岛地貌稳定性产生长期影响。该研究建立的漂白前基线为监测Mermaid Reef在经历2024–2025年大规模白化事件后的生态-沉积演化提供了关键的参考基准，也强调了开展沉积物运移示踪（如¹⁴C放射性碳测年）和原位输运测量的必要性。