末次冰期-全新世过渡期间，南冰洋生产力与碳酸盐化学特性对颗石形态的影响

《Global and Planetary Change》：Southern ocean productivity and carbonate chemistry imprinted on coccolith morphology across the Last Glacial-Holocene transition

　　

摘要

南大洋通过改变海洋环流模式在调节大气中的二氧化碳（CO?）方面发挥着关键作用。预计在未来气候情景下，南大洋将经历显著的变暖和海洋酸化过程。粉煤藻（Coccolithophores）是南大洋北部主要的钙化浮游植物群落，它们对这类变化尤其敏感。在这里，我们利用来自南大洋西部印度海域亚热带锋面（Subtropical Front，STF）沉积物岩芯ABP-S4中的Coccolithus pelagicus的形态测量分析来评估冰期与全新世期间粉煤藻粒度的变化。为了最小化颗粒内部的变异，我们基于统计上稳健的样本群体计算了平均粒径。冰期期间的粉煤藻颗粒较大，其远端盾状结构（distal shield）也较宽；而在全新世期间，粉煤藻颗粒较小，远端盾状结构较薄。粉煤藻粒度的变化与区域古生产力记录高度吻合，表明亚热带锋面地区的碳酸盐生成量在冰期有所增加，而先前的研究则指出南极前缘（Subantarctic Front，SAF）地区的蛋白石（opal）产出增加。这些发现共同表明，南极前缘地区的生产力在冰期有所增强，这可能是由于尘埃带来的铁元素（Fe）施肥作用提升了养分利用效率。虽然总体粒径反映了生产力和养分可用性的变化，但远端盾状结构的变化似乎对碳酸盐化学成分的变化更为敏感。冰期期间远端盾状结构的减小与南大洋CO?的排放增加以及环流活动的增强相吻合，这表明碳酸盐化学成分对粉煤藻的钙化过程有显著影响。这些发现凸显了利用C. pelagicus的形态测量方法追踪南大洋生产力、碳循环以及钙化浮游植物对未来环境变化的敏感性具有重要意义。

引言

南大洋通过调节深层海洋与大气之间的热量和气体交换，在全球气候系统中扮演着重要角色。在过去的冰期循环中，碳的封存主要与南极区（Antarctic Zone，AZ）的隔离状态以及南极前缘（Subantarctic Zone，SAZ）的铁元素施肥效应有关，这两种机制分别使大气中的CO?含量减少了28.6 ppm和37.9 ppm（Hain等人，2010年；Sigman等人，2021年）。冰期期间，尘埃带来的铁元素施肥作用提高了SAZ的生产力，从而导致大量有机碳沉积到隔离的深层海洋中（Martin，1990年；Martínez-García等人，2014年；Th?le等人，2019年）。风成铁通量与SAZ输出生产力之间的紧密联系进一步支持了这一理论，尽管最初该理论曾受到质疑，因为冰期SAZ生产力的变化被认为与南大洋锋面的北移有关（Mortlock等人，1991年）。

在营养中等和贫瘠的区域，例如靠近亚热带锋面（STF）的南极前缘（SAZ）北部边界，粉煤藻这类钙化浮游植物数量可能非常丰富（Saavedra-Pellitero等人，2014年），并且它们也被证实是过去SAZ输出生产的主要贡献者（Flores等人，2012年）。冰期期间，南大洋印度洋、大西洋和东南太平洋区域的粉煤藻输出生产力达到峰值，这一现象与风成铁元素的施肥作用以及由于AZ上升流北移导致的养分供应增加有关（Saavedra-Pellitero等人，2011年；Flores等人，2012年；Martínez-García等人，2014年；Tangunan等人，2021年）。然而，粉煤藻的生产力指标（如烯酮浓度和粉煤藻丰度记录）可能受到保存条件、溶解作用、传输过程以及海洋环流变化的影响，这使得重建过去粉煤藻生产力变得复杂。因此，粉煤藻的形态测量方法为追踪南大洋的生产力、碳循环以及钙化浮游植物对未来环境变化的敏感性提供了补充且可能更为敏感的手段。特别是粉煤藻的粒度这一简单且可量化的特征，之前已被用于推断南大洋的环境变化，包括温度变化和海洋酸化过程（Cubillos等人，2012年；Duchamp-Alphonse等人，2018年；Choudhari等人，2023年；Rigual-Hernández等人，2023年）。根据粉煤藻粒度模型，粉煤藻的粒度与细胞大小相关，因此可以反映环境条件对细胞的影响（Henderiks，2008年）。然而，这一模型也存在局限性，例如同一颗粒上可能存在不同大小的粉煤藻（Daniels等人，2014年；Beuvier等人，2019年；Suchéras-Marx等人，2022年）。因此，粉煤藻粒度模型仅限于从化石颗粒的形态测量数据推断平均细胞尺寸，而无法重建单个细胞的详细结构（Suchéras-Marx等人，2022年）。此外，当样本数量超过30个时，平均值的误差百分比几乎不再增加，这突显了足够大的样本量对于可靠进行形态测量分析的重要性（Suchéras-Marx等人，2022年）。

我们对古代属Coccolithus（首次出现化石约6300万年前；Haq和Lohmann，1976年）进行了形态测量分析。现代物种C. pelagicus特别值得关注，因为它产生的粉煤藻颗粒较大，其碳酸盐质量介于170至399皮克之间，尽管其相对丰度较低，但仍然是南大洋粉煤藻碳酸盐的重要贡献者（Boeckel，2002年；Rigual-Hernández等人，2020年）。由于其较大的颗粒尺寸和坚固的结构，C. pelagicus对pH值变化和升高的pCO?浓度的敏感性较低（Langer等人，2006年）。此外，与较小的粉煤藻种类相比，C. pelagicus在冰期SAZ沉积物中的保存程度更高，这增加了其在沉积物碳酸盐组合中的占比，使其成为追踪海洋碳酸盐化学变化的潜在指标（Choudhari等人，2023年）。

在这项研究中，我们调查了过去约3万年间南大洋西部印度海域亚热带锋面（Subtropical Front）区域Coccolithus pelagicus的形态变化。通过将粉煤藻形态测量数据与区域古生产力和古海洋学记录相结合，我们评估了营养动态、锋面迁移以及碳酸盐化学成分在冰期-全新世时间尺度上对粉煤藻粒度变化的影响。

章节片段

现代海洋学环境

南大洋的西部印度海域包括亚热带锋面（Subtropical Front，STF）、南极前缘（Subantarctic Front，SAF）和南极极地锋面（Antarctic Polar Front，APF）（图1；Park等人，2019年）。根据Anilkumar等人（2006年）和Belkin与Gordon（1996年）的研究，南大洋可以分为不同的锋面区域，如位于STF和SAF之间的南极前缘（SAZ）；位于SAF和APF之间的极地锋面区（PFZ）；以及南部的南极区（AZ）。

现代南大洋

沉积物岩芯详情

在印度南大洋探险期间，研究船“阿卡德米克·鲍里斯·彼得罗夫”号（Akademik Boris Petrov，ABP）从南大洋印度海域的亚热带锋面区域（纬度40° 3.5′ S，经度48° 5.73′ E）采集了一根长4.4米的海洋沉积物岩芯ABP-S4（图1）。该岩芯采集于水深3665米处，该处目前受到北大西洋深层水（NADW）和低环极深层水（LCDW）的混合水体影响。

最后一次冰期期间C. pelagicus粒度的变化

在过去3万年时间里，位于STF区域的ABP S4站点，Coccolithus pelagicus的平均颗粒面积及其远端盾状结构（DA）和中心区域（CA）显示出明显的波动（图2 a-c）。在冰期（MIS 2期间），C. pelagicus的颗粒较大，平均颗粒面积约为100–120微米²，远端盾状结构面积约为90–100微米²。相比之下，全新世时期的颗粒较小，颗粒面积约为100–115微米²，远端盾状结构面积约为70–100微米²。

形态测量与丰度作为粉煤藻生产力的指标

C. pelagicus的形态测量结果与总颗粒浓度的相反趋势引发了关于哪个指标能更可靠地反映ABP S4地区粉煤藻生产力变化的问题。类似ABP S4观察到的粒度变化模式也在塔斯曼海隆（南大洋澳大利亚海域）附近的STF区域被报道过，那里冰期时期的生物群落以较大颗粒为主，而全新世时期则以较小颗粒为主（Cubillos等人，2012年）。鉴于此

结论

来自南大洋西部印度海域亚热带锋面（STF）的Coccolithus pelagicus的形态测量数据揭示了过去约3万年间的明显冰期-全新世变化。冰期时期的种群具有较大的颗粒和较宽的远端盾状结构，而全新世时期的种群颗粒较小，中心区域较宽，远端盾状结构较薄。比较STF和SAF地区C. pelagicus的粒度变化表明两者之间存在差异

关于手稿编写过程中使用生成式人工智能和人工智能辅助技术的声明

在准备这项工作期间，作者使用ChatGPT（OpenAI）辅助生成和排查RStudio中的放射碳年龄校准代码。使用该工具后，作者对代码进行了审查，并对发表文章的内容负全责。

CRediT作者贡献声明

Abhilash Nair：写作——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、监督、数据管理、概念构思。Shramik Patil：写作——审稿与编辑、监督、方法学研究、数据分析。Nikita Mestry：方法学研究、数据分析、正式分析、数据管理。Rahul Mohan：写作——审稿与编辑、监督、项目管理。

Chase等人，2003年

Fran?ois等人，1997年

Guitián等人，2020年

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能会影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢地球科学部为NCPOR的过去气候与海洋研究项目提供资金支持。同时，我们也衷心感谢“阿卡德米克·鲍里斯·彼得罗夫”号（Akademik Boris Petrov）的船员和科学家们，在印度南大洋探险期间协助采集了ABP S4沉积物岩芯。

Abhilash Nair|Shramik Patil|Nikita Mestry|Rahul Mohan

印度国家极地与海洋研究中心