南海海洋生产力和碳循环在冰期与间冰期的变化：多指标综合分析

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Glacial-interglacial changes in marine productivity and carbon cycling in the South China Sea: A multi-proxy synthesis

　　

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  南中国海（SCS）的冰期-间冰期生产力变化在空间上是异质的。
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  季风作用、海平面和海洋环流影响着边缘海的生产力。
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  河流输入和黑潮（Kuroshio current）影响了营养物质的可用性和生物泵作用。
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  海洋生产力对边缘海的碳封存具有强烈的控制作用。

引言

碳循环是地球气候系统的基本调节器。作为大气中二氧化碳（CO₂的主要汇，海洋是地球表面系统中最大的活性碳库。海洋中的碳储量大约是大气中的50倍，这使得它成为全球碳循环和气候的核心（Shi et al., 2016; Jiao et al., 2016; Cartapanis et al., 2016）。海洋生物泵是驱动海洋吸收二氧化碳（CO₂）的关键机制，也是海洋碳循环的重要组成部分（Boyd et al., 2019; Sigman and Boyle, 2000）。这一过程主要由浮游植物光合作用驱动，浮游植物将溶解的无机碳（CO₂）转化为细胞内的有机碳（POC）。通过一系列生物地球化学过程，这些固定的碳从阳光充足的光合带转移到深海。生物泵的效率，体现在有机碳（POC）向下输送的量上，从根本上受到海洋表面碳固定速率的控制（Seibold and Berger, 2017）。实际上，地质时间尺度上大气中二氧化碳（CO₂水平的变化在很大程度上是由海洋初级生产力（PP）的变化所驱动的。研究表明，提高海洋生产力可以促进碳的输出和在海洋沉积物中的长期封存（Ni and Yao, 2004）。古生产力的变化与海表水条件、环流、季风作用和上升流强度密切相关（Jian et al., 1999）。因此，了解冰期-间冰期转换期间海洋生产力的演变和调节机制对于解码全球碳循环和预测未来气候状态至关重要（Wang, 2002）。

古生产力的可靠重建一直是古海洋学中的一个持久挑战。20世纪70年代，基于总有机碳（TOC）建立了估算古生产力的经验公式（Muller and Suess, 1979; Stein, 1986）。这些初步的关系后来被进一步完善，以量化有机碳通量、碳酸盐和初级生产力（PP）之间的联系（Brummer and van Eijden, 1992; van Kreveld et al., 1996）。此后，沉积物中底栖有孔虫的丰度、组合组成和物种丰富度被广泛用作估算古生产力变化的代理指标（Herguera, 1992; Kuhnt et al., 1999; Jorissen et al., 1995; Loubere, 1999）。在印度洋、西北太平洋、南大洋和大西洋西部边缘海，古生产力的追踪取得了进展（Liu et al., 2021; Zhang et al., 2022a, Zhang et al., 2022b; Liu et al., 2004; Charles et al., 1991; Ruth et al., 2007; Martin, 1990; Anderson et al., 2014; Sprenk et al., 2013）。南中国海（SCS）的古生产力研究始于20世纪80年代。在南中国海，使用了多种代理指标，包括有机碳通量、有孔虫碳同位素、浮游和底栖有孔虫组合以及蛋白石含量，记录了冰期-间冰期周期中的特征生产力信号（Ye and Wang, 1992）。虽然之前的研究主要集中在描述冰期-间冰期周期中的古生产力变化（Wang et al., 2020; Zhang et al., 2016; Wei et al., 2003），但已经记录到这些周期中南中国海生产力的空间异质性（Li and Wang, 2006; Huang et al., 2003; Jiwarungrueangkul et al., 2022）。

在上一个冰期，全球气候发生了显著变化（Zhou et al., 2020）。由于营养物质输入、海洋环流和海洋碳循环的变化，全球海洋生产力经历了明显的变化（Jaccard et al., 2013）。最后一个冰盛期（LGM，约23-18千年前）的全球平均海平面比现在低约130米（Mix et al., 2001），大气中的二氧化碳（CO₂浓度和表面温度分别比工业化前降低了80-100 ppm和约10-12°C（Long et al., 2024）。这些变化极大地改变了海洋生产力，导致LGM期间的碳封存机制发生变化。随后的冰川消退期以高频气候变化为特征，包括海因里希阶段1（HS1）、博林-阿勒罗德温暖期（B-A）、年轻干冷期（YD）和南极冷逆转（ACR）（Long et al., 2024）。在这段气候不稳定的时期，全球海洋生产力表现出巨大的波动性。随着全球气候系统进入温暖、更稳定的全新世（约10-0千年前），海洋生产力上升至间冰期峰值（Bentley et al., 2009）。先前的研究揭示，南中国海（SCS）的冰川尺度生产力波动是由多种因素共同驱动的，包括营养物质供应、海洋环流和光照条件的变化（Jia et al., 2002）。此外，LGM期间冷水体的扩张降低了表层水温，影响了浮游植物的生长和群落组成，进一步改变了海洋食物网的结构。同时，南中国海的水文状况也发生了变化，特别是在季风强度和上升流-下降流动态方面（Gao et al., 2025）。

尽管经过长期努力，但仍然尚未在统一的盆地范围内评估上一个冰期-间冰期过渡期间边缘海古生产力的变化。以前的研究主要是针对特定地点或特定代理指标进行的（Marino et al., 2022; Sahoo et al., 2025; Liu et al., 2026），这阻碍了不同记录之间的比较。此外，代理指标往往显示出生产力变化的不同趋势，使得难以区分代理指标的偏差和真实的环境信号。

为了解决这些问题，我们汇编了南中国海（SCS）77个采样点的沉积记录，并应用了一种标准化的定量工作流程，将该地区的异质代理记录转换为可比较的区间基分数，并在各个地点整合这些分数。这一框架在保留了特定地点的代理指标变异性的同时，实现了盆地尺度上的综合分析。本研究的目标是：（1）描述LGM-全新世生产力变化的总体盆地尺度和特定地点的变异性；（2）评估不同代理指标类别之间的收敛和发散程度；（3）探讨这些生产力变化在边缘海环境中的碳循环影响。

章节片段

研究区域和海洋学环境

南中国海（SCS）是西太平洋最大的边缘海，位于东亚季风区内。它包括广阔的大陆架、大陆坡和深邃的中央盆地（Wang and Li, 2009）。现代南中国海的表层环流受季节性季风模式变化的影响（Yang et al., 2017；图1）。冬季，强烈的东北季风驱动整个盆地向西南方向的表层水流；而在夏季，盛行的西南风则促进...

1.8倍的稀释校正会使基于浓度的记录值向上偏移，但不同代理指标之间的变化幅度不同（图2）。大多数记录均位于1:1线上方，表明陆源稀释总体上降低了原始值。总有机碳（TOC）的偏移最小，校正前后分数的一致性最高（图2a）。碳酸钙（CaCO₃）的偏移最大，校正后的上升幅度也最大（图2b）。生物来源的二氧化硅（Biogenic SiO₂）的偏移...

我们开发了一种标准化的定量工作流程，将异质的已发表记录转换为可比较的区间基分数，并在各个地点整合生物（Bio）、地球化学（Geochem）和背景（Context）代理指标类别。该工作流程和所得分数使得不一致的代理信号得以协调，从而能够实现盆地尺度的比较。应用这一框架揭示了南中国海（SCS）在LGM-全新世期间生产力的空间变化...

我们的定量整合工作流程协调了南中国海（SCS）中异质的生产力代理指标。它显示了LGM-全新世生产力变化的一般南北格局，而区域比较并未显示出统计学上的显著差异。特定地点的综合分析则突出了这种总体区域趋势之上的显著局部变异性。这些空间变化反映了季风动态、海平面变化和海洋环流之间的相互作用...

林晓军：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、正式分析、数据管理、概念化。刘晓青：写作——审稿与编辑、验证、监督、方法学设计、研究实施、资金争取、数据管理、概念化。齐新华：写作——审稿与编辑。

Feijiang et al., 2024

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

本研究得到了国家自然科学基金青年科学家项目（项目编号：22306016）的支持。

林晓军|刘晓青|齐新华