自上次冰川消退以来，中国南海南部表层水与中层水之间的温度变化存在明显差异

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Divergent temperature changes between surface and intermediate waters in the southern South China Sea since the last deglaciation

南海南部中间水温度变化及碳循环响应机制研究。通过分析两个沉积岩芯的brGDGTs，揭示末次冰期至全新世期间sSCS IWT呈现降温趋势，与表层/次表层水温度变化反相，翻转环流主导其变化而非太平洋中间水。研究显示温度分层加剧导致生物生产力下降和DIC储存减少，与大气CO?升高形成正反馈。

　　

牛璐|曹建涛|田丽萍|何娟|李莉|贾国东

中国上海同济大学海洋地质国家重点实验室，邮编200092

摘要

中间水层作为海面水与深层水之间的关键介质，在海洋热交换和碳循环中起着核心作用。研究表明，从末次冰盛期（LGM）到全新世，中国南海北部（nSCS）的中间水层呈现出冷却趋势，这一变化归因于太平洋中间水温度的变化。然而，中国南海南部（sSCS）中间水温度（IWT）的变化情况尚不明确，而这对于理解控制sSCS热交换的机制至关重要。本研究通过分析sSCS两个沉积岩心中的分支甘油二烷基甘油四乙醚（brGDGTs）微生物膜脂质，探讨了这一问题。研究结果表明，随着海平面的上升，研究区域的brGDGTs来源从以陆地为主转变为以海洋为主。从末次冰盛期到全新世，由海洋来源的brGDGTs重建的温度显示出冷却趋势，与表层/底层水的温度变化呈反相。sSCS的这一温度变化趋势与nSCS的重建记录一致，支持了sSCS盆地翻转环流机制作为IWT变化的主要驱动因素，而非太平洋中间水温度的变化。从末次冰盛期到全新世，中间水层与表层水之间的温差（ΔT）增大，表明水柱分层加剧，这可能会降低生物生产力。实际上，随着ΔT的增加，BIT指数和brGDGTs含量均下降，表明输出生产力减少，异养微生物呼吸作用减弱，中间水中的溶解无机碳（DIC）储存量减少，这对应了对大气CO?增加的正面反馈。

引言

海洋作为地球表面系统中的巨大热量和碳储存库，在第四纪气候演变中起着决定性作用（Marzocchi和Jansen，2019；Jian等人，2022；Yu等人，2022）。然而，以往的研究主要集中在海洋的表层和深层/底层水（Marzocchi和Jansen，2019），对中间水的关注相对较少。作为海洋的“ twilight zone”（黄昏带），中间水层是一个过渡区，可能调节全球热量平衡和碳循环（Giering等人，2014；Yang等人，2020；Wang等人，2023a）。中间水环流和各水层之间的分层变化会深刻影响表层水的营养供应，从而影响初级生产力以及有机物质向深层的输送（Wang等人，2023b）。

由于缺乏合适的环境代用指标，关于第四纪海洋中间水演变的科学研究较为有限。栖息在中间水层的浮游有孔虫能够有效反映中间水的变化（Yang等人，2020）。然而，这类有孔虫在深海沉积物中通常数量较少，因为它们的产量较低。最近，一类特定的细菌膜脂质——分支甘油二烷基甘油四乙醚（brGDGTs）被发现可能指示中间环境的变化（Wang等人，2023a；Ali等人，2025）。这些脂质在自然界中相对丰富且耐降解。在陆地环境中，brGDGTs已被用于重建土壤、泥炭和湖泊环境中的温度、pH值等参数（例如，Weijers等人，2007；Tierney等人，2010；Peterse等人，2012；De Jonge等人，2014；Wang等人，2021）。在海洋环境中，尽管最初认为brGDGTs主要来自陆地物质，但现在越来越多地认识到它们主要是在海洋环境中产生的（例如，Peterse等人，2009；Weijers等人，2014；Sinninghe Damsté，2016；Xiao等人，2016；Crampton-Flood等人，2019；Cao等人，2020；Zhang等人，2020；Cao等人，2022；Xiao等人，2022）。基于中国南海（SCS）表层沉积物中brGDGTs的分布特征，有研究表明brGDGTs可能来源于中间水层（Wang等人，2023a）。此外，Ali等人（2025）利用来自中间水层有孔虫的Mg/Ca衍生温度，建立了中国南海北部（nSCS）中间水温度（IWT）的校准方法。

中国南海（SCS）是西太平洋最大的边缘海域，主要通过东北部的吕宋海峡与开阔的西太平洋进行水交换，形成了独特的“三明治”结构：上层和深层水主要由太平洋海水补给，而中间层则是主要出水口。北太平洋热带水通过季风和黑潮的影响进入SCS表层，而寒冷、咸味的太平洋深层水则通过巴士海峡（约2400米深度）溢出，形成滞留时间较短的SCS深层水（滞留时间约几十年；Li和Qu，2006）。中间水层是由上升的深层水和下沉的表层水混合形成的。这种结构突显了SCS环流与西太平洋水体特性之间的密切联系。来自nSCS中间水层有孔虫的Mg/Ca衍生温度记录显示，从末次冰盛期到全新世呈现出冷却趋势，这归因于继承了太平洋中间水（PIW）的温度变化（Yang等人，2017；Yang等人，2020）。考虑到PIW主要通过SCS东北角的吕宋海峡进入SCS，这一解释是合理的。然而，PIW对SCS中间水层的影响从东北向西南逐渐减弱（Hu等人，2020）。此外，SCS中间水层的特性还受到SCS盆地内部垂直对流过程的显著影响，导致SCS的水体结构与西太平洋有很大差异（Chou等人，2007）。在中国南海南部（sSCS），中间水层可能更多地受到深层水上升和表层水下沉的补充，由于南部巽他架的阻挡，PIW的直接影响较小。因此，sSCS的IWT是否与nSCS保持一致的趋势仍不清楚。这个问题对于探索SCS中间水温度变化的机制至关重要。更重要的是，相关的水循环变化对碳封存的影响目前了解甚少。

为了解决这些问题，我们测量了sSCS两个沉积岩心（MD05–2892，18252–3）中过去21千年的brGDGTs含量。排除了约14千年前的样本（这些样本明显受到陆地brGDGTs输入的影响），重建了IWT并计算了不同水层的温度变化。基于这些结果，我们确认翻转环流的变化是SCS IWT变化的主要原因。进一步讨论了这种环流变化对SCS碳循环的影响。

材料

本研究使用了位于sSCS的两个沉积岩心：MD05–2892（北纬6°6.12′，东经110°40.71′，水深1183米，岩心长度29.03米）和18252–3（北纬9°14′，东经109°23′，水深1273米，岩心长度11.85米）（图1）。MD05–2892岩心是在2005年的MD147/Marco Polo-Images XII航次中从巽他斜坡下部采集的（Laj等人，2005）。本研究分析了该岩心前13.7米的部分。岩心18252–3是在德国SO-115航次中采集的。

BrGDGTs来源变化

两个沉积岩心中的brGDGTs分布变化相似，其中brGDGT-Ia是最丰富的化合物（>30%），其含量从末次冰盛期（LGM）到早期冰消期逐渐减少，然后在晚期冰消期和全新世再次减少。相比之下，brGDGT-IIIa和-IIIa’的含量增加，从LGM和早期冰消期时的次要成分变为晚期冰消期和全新世时第二和第三重要的成分（图2）。通过与土壤中的brGDGTs进行比较

结论

本研究关注了末次冰盛期以来中国南海南部边缘海域的两个沉积岩心。通过分析多种有机地球化学指标（包括brGDGTs、iGDGTs和长链烯酮等），阐明了该地区有机物质来源的演变、不同水层的温度变化模式以及中间水温度变化的机制。主要结论如下：

（1）

从末次冰盛期到

CRediT作者贡献声明

牛璐：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，调查，数据分析，概念化。曹建涛：撰写——审稿与编辑，调查。田丽萍：撰写——审稿与编辑，调查，数据管理。何娟：调查，数据管理。李莉：调查，数据管理。贾国东：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢Christian-Albrechts-大学的Ann Holbourn教授和Wolfgang Kuhnt教授以及同济大学的Zhifei Liu教授提供样品。感谢J. Yu和Z. Cui在实验和分析方面的支持。中国国家自然科学基金（项目编号42030504）和广东南方海洋科学与工程实验室（珠海）（项目编号SML2024SP022、SML2024SP002）支持了这项工作。