吳嘉琪 趙軍 韓正兵 李棟 張海峰 范高晶 郭曉澤 金海燕 潘建明 張海生

研究進(jìn)展

利用高支鏈類異戊二烯(HBIs)重建極地海冰的研究進(jìn)展

吳嘉琪1,2趙軍1,2韓正兵1,2李棟1,2張海峰1,2范高晶1,2郭曉澤1,2金海燕1,2潘建明1,2張海生1,2

(1自然資源部第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012;2自然資源部海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310012)

海冰的準(zhǔn)確重建對(duì)反演氣候和環(huán)境變化具有重要意義。近期研究表明, 有機(jī)指標(biāo)高支鏈類異戊二烯(HBIs)具有重建極地海冰狀況的潛質(zhì), 海洋沉積物中具有海冰特異性的單烯HBI(IP25)和雙烯HBI(IPSO25)指標(biāo)已分別成為研究北極和南極海冰變化的有力工具。本文綜述了IP25、IPSO25的提出和驗(yàn)證, 分析了影響HBIs生成、遷移和埋藏的諸多因素, 總結(jié)了為實(shí)現(xiàn)精細(xì)化區(qū)分海冰狀況和定量化重建海冰密集度而提出的新指標(biāo)的發(fā)展及應(yīng)用, 并就目前存在的問(wèn)題和未來(lái)研究方向進(jìn)行了探討和展望。

高支鏈類異戊二烯 海冰重建 IP25IPSO25

0 引言

近幾十年來(lái), 極地海冰的快速變化對(duì)氣候和環(huán)境產(chǎn)生了重要影響, 引起了人們的廣泛關(guān)注[1-2]。極地海冰面積約占全球海洋總面積的4%—6%, 是地球上最重要的生物棲息地之一, 其變化會(huì)調(diào)控極地海域浮游植物的初級(jí)生產(chǎn)以及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu), 進(jìn)而影響極地碳的源匯格局[3]。海冰的變動(dòng)亦會(huì)直接影響海?氣界面的熱量和物質(zhì)交換, 對(duì)極地深層水的形成產(chǎn)生重要影響[4]。然而, 目前通過(guò)遙感技術(shù)獲取的大范圍極地海冰的數(shù)據(jù)僅有幾十年, 這不足以深入了解極地海冰變化的機(jī)制[5]。因此, 通過(guò)間接手段來(lái)重建更長(zhǎng)時(shí)間尺度的極地海冰變化顯得尤為重要。

目前, 海冰重建的替代指標(biāo)有冰筏碎屑、甲藻孢囊、硅質(zhì)或鈣質(zhì)生物的微體化石[5-9]。但是這些指標(biāo)均存在一些問(wèn)題, 可能導(dǎo)致這些指標(biāo)對(duì)海冰的重建存在偏差或無(wú)法進(jìn)行。例如, 冰筏碎屑是冰山或海冰融化時(shí)釋放的陸源物質(zhì), 雖然冰山和海冰攜帶的陸源物質(zhì)的粒徑不一樣, 但是二者之間的界限不明確[5]; 沉積物中硅質(zhì)或鈣質(zhì)殼體可能由于其顯著溶解效應(yīng)而不具備普適性[6]; 甲藻孢囊雖然能在沉積物中得到較好的保存, 但是它與海冰不是直接相關(guān)[8-9]。因此, 古海洋學(xué)家一直努力尋找能夠保存良好、信號(hào)明確、具有海冰特異性的替代指標(biāo)。

生活在海冰中的冰藻有可能產(chǎn)生滿足上述條件的生物標(biāo)志物——高支鏈類異戊二烯(Highly Branched Isoprenoids, HBIs), 逐漸成為研究的重點(diǎn)[10-12]。這其中的兩種化合物——單烯HBI[11](HBI I, 主要應(yīng)用于北極海冰重建)和二烯HBI[12](HBI II, 主要用于南極海冰重建), 近年來(lái)被提出作為新型的有機(jī)生物標(biāo)志物類極地海冰指標(biāo), 已得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用[10]。本文綜述了近10年來(lái)針對(duì)HBIs類極地海冰重建指標(biāo)提出的理論依據(jù)和后續(xù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用情況, 分析了目前存在的問(wèn)題和未來(lái)可能的研究方向, 以期更好地利用該指標(biāo)重建極地海冰。

1 HBIs類海冰指標(biāo)的提出及驗(yàn)證

HBIs是來(lái)自特定硅藻的次生代謝產(chǎn)物[13-14], 廣泛存在于湖泊、海洋水體及沉積物中[15-20]。較為常見(jiàn)的是含有2—5個(gè)雙鍵共25個(gè)碳的HBIs[16]。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明,等硅藻產(chǎn)生的HBIs中雙鍵數(shù)目會(huì)隨著溫度的降低而減少——在25°C、15°C、5°C時(shí)主要的化合物分別為四烯(HBI IV)、三烯(HBI III)、二烯(HBI II)[21]。因此, 在溫度更低的極地海冰中, 冰藻(主要是硅藻)能否產(chǎn)生雙鍵數(shù)目更少的HBI, 成為HBI能否作為海冰重建指標(biāo)的關(guān)鍵[11]。

1.1 北極海冰指標(biāo)IP25的提出及驗(yàn)證

Belt等[11]在分析加拿大北極地區(qū)春季藻類旺發(fā)期間的海冰樣品時(shí), 檢測(cè)到了僅有一個(gè)雙鍵的HBI——HBI I(結(jié)構(gòu)如圖1所示)。同時(shí), 他們還分析了無(wú)冰海域的浮游植物樣品以及不同海冰覆蓋條件下的沉積物樣品, 發(fā)現(xiàn)HBI I僅存在于季節(jié)性海冰及其下方的沉積物中, 而不存在于在全年冰或開(kāi)闊水域及其下方的沉積物中。因此, 提出可以利用HBI I指示北極季節(jié)性海冰, 并將其命名為IP25(Ice Proxy with 25 carbon atoms)[11]。

圖1 文中涉及的高支鏈類異戊二烯(Highly branched isoprenoids, HBIs)的結(jié)構(gòu)

Fig.1. Structures of highly branched isoprenoids (HBIs) described in this study

此后, 科學(xué)家們通過(guò)分析IP25在海冰、水體顆粒物、沉積物捕獲器和海底表層沉積物中的分布情況, 并結(jié)合遙感海冰數(shù)據(jù)和δ13C數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)IP25指示海冰的合理性。

Brown等[22]分別對(duì)北極阿蒙森灣和波弗特海的季節(jié)性海冰進(jìn)行了時(shí)間序列觀測(cè), 發(fā)現(xiàn)大約有90%的IP25是在春季(3月中旬到5月末)積累的, 因此提出IP25是指示北極春季海冰的指標(biāo)。同時(shí), 通過(guò)對(duì)不同月份冰下水體樣品的分析, 發(fā)現(xiàn)水體中IP25僅在海冰剛?cè)诨瘯r(shí)檢出, 表明IP25指示海冰具有合理性[22]。進(jìn)一步研究顯示, 至少95%的IP25由等冰藻產(chǎn)生。雖然這些冰藻的豐度較小(占冰藻總量的1%—5%), 但是其廣泛分布于泛北極地區(qū), 因此, 將IP25應(yīng)用于北極海冰的重建具有廣泛的適用性[23]。

北極大范圍表層沉積物調(diào)查研究(大于500個(gè)樣品, 圖2)顯示, 絕大多數(shù)檢測(cè)出IP25的樣品都位于冬季海冰覆蓋范圍內(nèi), 無(wú)冰區(qū)表層沉積物樣品基本上沒(méi)有檢出IP25[24], 表明沉積物中IP25可以用來(lái)定性指示北極海冰[10,24]。值得注意的是, 多年冰覆蓋區(qū)表層沉積物中的IP25含量較低(或?yàn)?)[25], 因此需要結(jié)合其他生物標(biāo)志物來(lái)區(qū)分多年冰區(qū)和無(wú)冰區(qū)[24]。此外, 在海冰密集度小于90%的區(qū)域(即持續(xù)性海冰覆蓋區(qū)、冰邊緣區(qū)、季節(jié)性海冰覆蓋區(qū)域或無(wú)冰區(qū)), IP25和春季海冰密集度有良好的線性關(guān)系。例如, Müller等[26]通過(guò)分析東格陵蘭島和西斯匹次卑爾根島邊緣海表層沉積物中的IP25含量, 發(fā)現(xiàn)其與遙感觀測(cè)得到的海冰密集度存在良好的線性相關(guān)關(guān)系(2=0.67)。Navarro-Rodriguez等[27]在北冰洋巴倫支海得到了類似結(jié)果。Stoynova等[28]發(fā)現(xiàn)北大西洋和北太平洋表層沉積物中IP25濃度的對(duì)數(shù)值與春季海冰密集度之間有良好的相關(guān)性。但是Xiao等[25]發(fā)現(xiàn)多年冰覆蓋區(qū)表層沉積物中IP25的濃度很低, 降低了整個(gè)北極地區(qū)IP25和春季海冰密集度之間的相關(guān)性。因此, 利用IP25來(lái)定量重建極地海冰仍需進(jìn)一步探究。

圖2 已開(kāi)展IP25和IPSO25研究的站位分布(重繪自文獻(xiàn)[24,29]). a)為北極地區(qū); b)為南極地區(qū). 藍(lán)色虛線和黑色虛線分別表示1981—2010年平均最小海冰邊緣線和最大海冰邊緣線 (數(shù)據(jù)來(lái)源: 美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心). 三角形、圓形和正方形分別代表水體樣品、表層沉積物樣品和柱狀沉積物樣品. 橙色和紅色均表示檢出海冰標(biāo)志物, 白色表示未檢出海冰標(biāo)志物(北極海冰標(biāo)志物為IP25, 南極海冰標(biāo)志物為IPSO25)

Fig.2. Locations of sediment and/or water samples used for HBIs studies. a) Arctic and b) Antarctica (modified from references[24,29] ). Bule and black dash lines refer to mean satellite-derived minimum and maximum sea-ice extent for the interval 1981—2010, respectively (Data Source: National Snow and Ice Data Center). The locations of water samples, surface sediments, and core sediments are shown by triangles, dots, and squares, respectively. In both figures, the locations with the presence of sea ice biomarkers are shown in orange or red, while the locations without the signal of sea ice biomarkers are shown in white ( the sea ice biomarkers are IP25in Arctic, and IPSO25in Antarctica)

此外, 有研究報(bào)道, 與水體浮游植物相比, 冰藻中有機(jī)物的δ13C值偏正。例如北極海冰中有機(jī)物的δ13C值通常為?5‰—?22‰, 而無(wú)冰區(qū)水體或其中浮游植物的δ13C值僅為?22‰— ?30‰[30]。Belt等分析了北極富蘭克林灣沉積物捕獲器的樣品, 發(fā)現(xiàn)IP25的δ13C值(?19.6‰±1.1‰)接近海冰來(lái)源的有機(jī)物, 這亦證明了IP25來(lái)源于海冰[31]。

1.2 南極海冰指標(biāo)IPSO25的提出及驗(yàn)證

IP25在北極海冰重建中獲得成功應(yīng)用。然而, 在南極的沉積物中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)IP25, IP25由一些特定冰藻生產(chǎn), 南極目前還未發(fā)現(xiàn)能夠產(chǎn)生IP25的硅藻[32]。盡管如此, 南極沉積物中HBI I I (圖1)的δ13C偏正(?9.1‰—?9.4‰)[33-34], 與海冰來(lái)源的有機(jī)物類似, 可能是一種指示南極海冰的生物標(biāo)志物[12,33]。Massé等[12]在南極做了與Belt等類似的工作, 通過(guò)分析HBI II在南極海冰、水體、表層沉積物(東南極, 5個(gè))中的分布, 發(fā)現(xiàn)HBI II僅存在于海冰和海冰覆蓋范圍內(nèi)的表層沉積物中, 且無(wú)冰區(qū)夏季藻類爆發(fā)時(shí)海水樣品中沒(méi)有檢測(cè)到HBI II, 首次明確提出HBI II可以指示南極海冰的可能性。

Belt等[35]檢測(cè)了西南極149個(gè)表層沉積物(圖2), 結(jié)果顯示HBI II僅出現(xiàn)在有固定冰覆蓋的表層沉積物中, 其含量隨著離岸距離的增加而降低, 表明HBI II可以作為南極海冰的指標(biāo)。進(jìn)一步研究表明,Medlin是南極沉積物中HBI II的主要生產(chǎn)者[35]。由于的豐度在春季藻類爆發(fā)和海冰開(kāi)始融化的時(shí)候增加, 所以該指標(biāo)被認(rèn)為可以指示春末/夏初海冰的存在情況, 并被命名為IPSO25(Ice Proxy for the Southern Ocean with 25 carbon)[35]。不過(guò), IPSO25來(lái)自于的發(fā)現(xiàn)僅是基于南極半島一根冰芯得到的結(jié)果, 而南極不同區(qū)域海冰中的冰藻組成不同[36]。因此, 該結(jié)果是否具有代表性, 尚需對(duì)不同區(qū)域的海冰樣品開(kāi)展進(jìn)一步研究工作才能知曉。

2 影響HBIs指示極地海冰狀況有效性的因素

IP25及IPSO25已被廣泛應(yīng)用于極地海冰重建, 但仍需深入了解其在海冰中的時(shí)空分布, 及其在遷移轉(zhuǎn)化和埋藏過(guò)程中的影響因素, 以準(zhǔn)確評(píng)估HBIs重建極地海冰的合理性。

2.1 影響HBIs準(zhǔn)確定量的因素

準(zhǔn)確測(cè)定樣品中HBIs的含量對(duì)海冰重建至關(guān)重要。這依賴于恰當(dāng)?shù)臉悠繁４鏃l件以及準(zhǔn)確的、重復(fù)性高的預(yù)處理、分析方法。實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)研究表明, 在24個(gè)月內(nèi), 當(dāng)沉積物樣品以干樣的形式避光保存于玻璃瓶中時(shí), IP25和IPSO25的降解率很低, HBI III和HBI IV由于存在三取代雙鍵, 有明顯的降解[37-38]。目前存在的兩種預(yù)處理方法的主要差異是萃取方式不同(超聲萃取[39]和加速溶劑萃取[40]), 無(wú)論用哪種方法, IP25的回收率是接近的, 但是加速溶劑萃取所采用的高溫高壓的萃取方式會(huì)破壞HBI II(IPSO25)以及HBI III的雙鍵, 導(dǎo)致這兩種化合物的回收率明顯降低[41]。值得注意的是, 不同實(shí)驗(yàn)室的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明, 即使是相同的樣品, 同一批內(nèi)標(biāo), 不同實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大的差異, 這可能是由于不同實(shí)驗(yàn)室的萃取效率存在差異導(dǎo)致的[41]。因此在使用HBIs的絕對(duì)含量表征海冰過(guò)程與變化時(shí)需要謹(jǐn)慎, 需要使用比測(cè)標(biāo)準(zhǔn)品來(lái)保證數(shù)據(jù)的可靠性和可比較性[41]。

2.2 影響海冰中HBIs時(shí)空分布的因素

海冰中的光照強(qiáng)度、鹽度以及營(yíng)養(yǎng)鹽的可利用性會(huì)通過(guò)影響冰藻的生物量進(jìn)而影響HBIs的產(chǎn)量[3]。海冰上覆雪的厚度會(huì)影響到達(dá)生物棲息地的光照強(qiáng)度。Brown[42]通過(guò)時(shí)間序列采樣(2008年3月8日—4月8日)對(duì)比分析不同冰厚度覆蓋下冰藻的生長(zhǎng)狀況, 結(jié)果表明雪厚度的增加導(dǎo)致透光強(qiáng)度減弱, 海冰中的IP25逐漸減少直至消失。但由于海冰中IP25的峰值出現(xiàn)在5月份[22], 上述研究缺失后續(xù)月份海冰中的IP25數(shù)據(jù), 未能完整觀測(cè)到雪的厚度對(duì)海冰中IP25生長(zhǎng)周期的影響。在此基礎(chǔ)上, Ringrose[43]在加拿大雷索盧特海峽的研究(4月11日—6月11日)表明, 不同上覆雪厚度的冰中IP25的累積速率不同, 但是其含量的峰值接近。Mundy等[44]人觀測(cè)到海冰上覆雪厚度的變化對(duì)海冰中葉綠素a積累速率的影響與對(duì)IP25的一致。海冰中的鹽度和IP25濃度沒(méi)有明顯的相關(guān)性, 但是IP25主要分布在海冰中鹵水體積占比大于5%的地方[22,42]。對(duì)雷索盧特海峽的調(diào)查顯示, 2012年海冰中IP25和葉綠素a的積累量均高于2011年, 推測(cè)這可能是更多的營(yíng)養(yǎng)鹽供給所致[45], 但是由于缺乏該海域的營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù), 該解釋需要進(jìn)一步驗(yàn)證。此外, 在海冰密集度相同的情況下, 北大西洋表層沉積物中IP25的含量高于北太平洋(分別為1.6—166.4 μg·g–1OC和0—38.5 μg·g–1OC)[28], 可能原因是這兩個(gè)海域在溫度、鹽度、營(yíng)養(yǎng)鹽等方面存在差異, 影響著藻類的生長(zhǎng)[4], 進(jìn)而導(dǎo)致IP25的含量不同[28]。

2.3 影響HBIs遷移轉(zhuǎn)化的因素

橫向輸送、光降解、微生物降解及動(dòng)物攝食均可能會(huì)導(dǎo)致HBIs在沉降過(guò)程中通量的降低[46]。Navarro-Rodriguez等[27]對(duì)北極巴倫支海117個(gè)表層沉積物的研究發(fā)現(xiàn), 10個(gè)檢出IP25的樣品位于海冰覆蓋范圍外, 其濃度比季節(jié)海冰區(qū)的沉積物低, 推測(cè)這部分站位的IP25并非來(lái)自上層水體垂向輸送, 可能是鄰近陸坡橫向輸送而來(lái), 這意味著沉積物中的IP25存在受外來(lái)信號(hào)干擾的可能。對(duì)不同雙鍵數(shù)目HBIs的實(shí)驗(yàn)室模擬光降解實(shí)驗(yàn)顯示, IP25和IPSO25缺乏光敏氧化降解反應(yīng)活性[47-48], 這意味著這兩種化合物在穿過(guò)真光層時(shí)受光降解的影響很小。沉降過(guò)程中微生物對(duì)有機(jī)物的降解作用十分明顯, 但是目前為止, 針對(duì)微生物對(duì)沉降過(guò)程中HBIs降解作用的研究很少。海冰融化所釋放出來(lái)的冰藻(含有IP25或IPSO25)在沉降過(guò)程中有一部分會(huì)被浮游動(dòng)物攝食, 并且會(huì)通過(guò)食物網(wǎng)傳遞至高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的海洋動(dòng)物體內(nèi)[49], 傳遞過(guò)程中結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化未知, 停留時(shí)間尚不確定, 該過(guò)程導(dǎo)致水體中HBIs移除或是重新分布的程度亦未知。

2.4 影響HBIs埋藏的因素

降解模擬實(shí)驗(yàn)表明IP25和IPSO25都缺乏自氧化降解活性[37,47]。因此, 基于IP25和IPSO25重建海冰的研究通常忽略HBIs的降解對(duì)重建工作的影響。但是最近研究顯示沉積物中HBIs存在降解現(xiàn)象[42,50-51]。Brown[42]對(duì)兩個(gè)深海短柱樣品的研究發(fā)現(xiàn), 沉積物中IP25含量從上部有氧層的14 ng·cm?3下降到氧化還原界面的3 ng·cm?3, 這表明在有氧環(huán)境中, 微生物的代謝過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致IP25的降解。Rontani等[51]發(fā)現(xiàn)沉積物中的有氧層有多種IP25的降解產(chǎn)物, 這驗(yàn)證了Brown的觀察。由于這些降解產(chǎn)物極易發(fā)生二次降解, 所以在重建古海冰時(shí), 無(wú)法通過(guò)檢測(cè)樣品中IP25的降解產(chǎn)物來(lái)區(qū)別沉積物中信號(hào)值改變是何種因素(海冰變化或微生物氧化降解)占主導(dǎo)地位。雖然如此, 一些短柱狀樣(近一個(gè)世紀(jì))的研究顯示, IP25含量的變化和已知的歷史氣候變化一致, 這說(shuō)明氣候變化可能是沉積物中IP25含量變化的主控因素[51-52]。另外, 在缺氧環(huán)境中, IPSO25與沉積物中的硫結(jié)合形成有機(jī)硫化物可能是該化合物在沉積物中降解的一種潛在途徑[33]。因此, 在利用沉積物中HBIs重建極地古海冰時(shí), 必須考慮埋藏過(guò)程中HBIs降解的可能影響。

物理擾動(dòng)及生物擾動(dòng)也可能干擾沉積記錄。例如, 北極阿蒙森灣不同水深、離岸距離的箱式沉積物對(duì)比研究表明, 淺水沉積物可能受到更為強(qiáng)烈的物理或生物擾動(dòng)影響, 造成IP25的原始沉積信號(hào)上下混合, 無(wú)法有效反演海冰的歷史變化[42]。因此, 在這種沉積環(huán)境下重建古海冰時(shí), 需要結(jié)合210Pb數(shù)據(jù)來(lái)去除淺層沉積物中受干擾的信號(hào)。

此外, Xiao等[53]在研究北極喀拉海和拉普捷夫海的表層沉積物時(shí)發(fā)現(xiàn), IP25和海冰密集度沒(méi)有明顯的相關(guān)性, 推測(cè)這可能是由于河流輸入的陸源物質(zhì)稀釋沉積物中IP25的信號(hào)所導(dǎo)致的。因此在復(fù)雜環(huán)境下, 需要結(jié)合多種參數(shù)/指標(biāo)才能更準(zhǔn)確的進(jìn)行海冰重建。

3 HBIs海冰指標(biāo)的發(fā)展及應(yīng)用

雖然IP25和IPSO25為極地海冰重建提供了新思路和新方法[54-55], 但是由于IP25或IPSO25集中產(chǎn)生于春季海冰/邊緣冰, 因此無(wú)法區(qū)分開(kāi)闊水域和多年冰區(qū)[10], 也不能很好的指示春季海冰密集度[25]。為解決這些問(wèn)題, Müller等[26]將指示開(kāi)闊水域的光合浮游植物生物標(biāo)志物(例如菜籽甾醇)和指示海冰的標(biāo)志物IP25相結(jié)合, 提出了一個(gè)新指標(biāo)——浮游植物-IP25指標(biāo)(PIP25); Belt引入HBI III (圖1)作為無(wú)冰區(qū)浮游植物的生物標(biāo)志物, 并提出另一個(gè)新指標(biāo)——PIIIIP25重建北極古海冰[56]。此外, 不同HBI的比值可以提供更加詳細(xì)的海冰狀況信息, 例如HBI II和IP25的比值(DIP25)有可能指示北極不同海域海冰類型的差異[57-58]; IPSO25和HBI III的比值(II/III)有可能指示南極不同海域海冰持續(xù)時(shí)間的差異[59-60]。

3.1 PIP25

雖然多年冰區(qū)和開(kāi)闊水域沉積物中IP25的含量極低, 但是光合浮游植物生物標(biāo)志物的分布特征在這兩種區(qū)域有顯著的差異: 開(kāi)闊水域沉積物中的含量遠(yuǎn)高于多年冰區(qū)沉積物中的(圖3)?；诖? Müller首次提出PIP25指標(biāo)(公式1), 用來(lái)半定量重建北極海冰密集度[25]:

其中, P表征樣品中浮游植物生物標(biāo)志物的濃度, 濃度平衡因子c= IP25的平均濃度/光合浮游植物標(biāo)志物的平均濃度。平衡因子c的引入是為了平衡沉積物中浮游植物生物標(biāo)志物的濃度和IP25的濃度之間的顯著差異, 使得PIP25結(jié)果對(duì)海冰變化更具敏感性, 亦有利于不同研究結(jié)果之間對(duì)比。

Müller[26]計(jì)算了表層沉積物中三種常見(jiàn)的光合浮游植物生物標(biāo)志物相對(duì)應(yīng)的PIP25值(菜子甾醇-IP25稱為PBIP25, 甲藻甾醇-IP25稱為PDIP25, 短鏈正構(gòu)烷烴-IP25稱為PAlkIP25), 并結(jié)合衛(wèi)星遙感的海冰數(shù)據(jù)對(duì)比分析, 發(fā)現(xiàn)PBIP25與海冰密集度的線性關(guān)系最強(qiáng)(2=0.74)。Xiao等[25]總結(jié)400多個(gè)北極表層沉積物的PIP25(以下特指PBIP25或PDIP25)的數(shù)據(jù), 分析發(fā)現(xiàn)無(wú)論是PBIP25還是PDIP25都與真實(shí)的海冰密集度顯著相關(guān)(＜0.05)。因此, 沉積物中相對(duì)較高的PIP25值可能指示該區(qū)域覆蓋的海冰密集度更高。此外, 對(duì)比表層沉積物中PIP25值與不同季節(jié)的海冰覆蓋范圍, 發(fā)現(xiàn)PIP25值亦可以指示不同海域海冰的類型或持續(xù)時(shí)間。例如, PIP25值較高(＞0.75)說(shuō)明該區(qū)域海冰類型為多年冰(持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)), PIP25值在0.5—0.75之間說(shuō)明該區(qū)域是穩(wěn)定的邊緣海冰區(qū)或者是季節(jié)海冰(持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)), PIP25值在0.1—0.5之間表示較少的海冰(持續(xù)時(shí)間較短), PIP25值為0說(shuō)明該區(qū)域是開(kāi)闊水域, 沒(méi)有海冰覆蓋(持續(xù)時(shí)間最短)[25-26]。

圖3 不同海冰分布狀況下, 沉積物中IP25和浮游植物生物標(biāo)志物的含量以及PIP25值變化情況示意圖(據(jù)Müller等[26]和陳建芳等[61]改繪)

Fig.3. Schematic representing different PIP25values and contents of IP25and phytoplankton biomarkers in different sea ice conditions (modified from Müller et al.[26]and Chen et al.[61])

PIP25指標(biāo)已經(jīng)在北極不同區(qū)域和地質(zhì)年齡的海洋沉積物中得到應(yīng)用。Stein等通過(guò)分析羅蒙諾索夫海嶺區(qū)域柱狀沉積物中的IP25、PIP25、長(zhǎng)鏈烯酮、甲藻甾醇, 重建了晚新生代(7.2—5.3 Ma BP 托爾托納階/墨西拿階界限)、中新世中心北冰洋古海冰覆蓋情況, 首次發(fā)現(xiàn)晚新生代、中新世晚期的北冰洋中心區(qū)夏季無(wú)冰[62-63]。Xiao等[64]首次利用PIP25等生物標(biāo)志物重建了過(guò)去15 ka以來(lái)冰島北陸架的海冰情況, 發(fā)現(xiàn)在B?lling/Al-ler?d及新仙女木時(shí)期, 該區(qū)域的海冰持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng), 而在全新世早期, 該區(qū)域全年無(wú)冰。Ruan等[65]利用IP25、PIP25、TEX86重建北白令海全新世的海冰情況以及夏季海表面溫度, 發(fā)現(xiàn)全新世時(shí)期, 白令海的海冰持續(xù)時(shí)間長(zhǎng), 而且夏季海表面溫度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

雖然利用PIP25重建北極海冰已經(jīng)得到大范圍的應(yīng)用, 但是該指標(biāo)在應(yīng)用過(guò)程中仍然存在一些不確定性[10]。首先, 沉積物中的部分甾醇可能來(lái)源于冰藻, 這可能導(dǎo)致不同海冰覆蓋區(qū)域的沉積物中的甾醇的差別較小, 進(jìn)而可能影響PIP25指標(biāo)的準(zhǔn)確性[10,32], 這表明在使用PIP25重建極地古海冰時(shí), 亦應(yīng)該考慮冰藻產(chǎn)生的甾醇對(duì)該指標(biāo)的影響[66]。其次, 平衡因子c的不確定性。例如當(dāng)季節(jié)冰區(qū)(時(shí)期)和無(wú)冰區(qū)(時(shí)期)的樣品數(shù)量比例不同時(shí), 會(huì)導(dǎo)致平衡因子出現(xiàn)較大的變化, 進(jìn)而影響重建結(jié)果[10]。

為了解決PIP25指標(biāo)存在的問(wèn)題, 需要尋找一個(gè)物質(zhì)來(lái)代替甾醇作為浮游植物的生物標(biāo)志物, 該物質(zhì)應(yīng)僅由浮游植物產(chǎn)生, 且在沉積物中的含量與IP25的相當(dāng)。研究顯示, HBI III僅來(lái)源于海洋浮游植物[67], 其在表層沉積物中的分布趨勢(shì)和IP25相反, 例如, 海冰持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)區(qū)域的IP25含量越高, 而HBI III的含量在冬季海冰邊緣(或冰邊緣區(qū))顯著升高[56]。且相比于甾醇, HBI III在表層沉積物中的濃度更接近IP25[56], 利用其作為浮游植物生物標(biāo)志物可能降低平衡因子c的變化對(duì)PIP25指標(biāo)有效性的影響?；诖? Belt等[56]提出將HBI III與IP25結(jié)合(命名為PIIIIP25, 公式2)來(lái)指示海冰密集度以及冬季海冰邊緣的位置。Smik等[67-68]通過(guò)分析巴倫支海表層沉積物樣品中的PIIIIP25, 對(duì)比衛(wèi)星遙感來(lái)源的海冰數(shù)據(jù), 研究發(fā)現(xiàn)相比于PBIP25, PIIIIP25和海冰密集度之間的線性關(guān)系更強(qiáng)(2=0.9)。且無(wú)論是否考慮平衡因子c(不考慮平衡因子c時(shí), c=1), PIIIIP25與海冰密集度之間的線性關(guān)系沒(méi)有出現(xiàn)明顯波動(dòng)[67]。然而, 當(dāng)樣品中HBI III和IP25的濃度有較大差別時(shí), 平衡因子c會(huì)使得PIIIIP25指標(biāo)對(duì)海冰的變化有更敏感的響應(yīng)[69]。

此前, Cabedo-Sanz等[70]分析挪威安峽灣柱狀沉積物樣品的研究顯示, 在Aller?d暖期, IP25信號(hào)消失并伴隨著甾醇含量下降, 這說(shuō)明安峽灣在Aller?d暖期可能沒(méi)有海冰覆蓋, 也可能是冰川重新增長(zhǎng)。而在重新分析該樣品中的HBI III數(shù)據(jù)后, 發(fā)現(xiàn)HBI III在Aller?d暖期升高, 排除了后一種情況的可能, 確定安峽灣在Aller?d暖期沒(méi)有海冰覆蓋[57]。Detlef等[71]利用PIIIIP25重建東白令海中更新世轉(zhuǎn)換(MPT)時(shí)期的海冰狀況, 發(fā)現(xiàn)海冰覆蓋程度在MPT時(shí)期有大幅度的增加。

3.2 DIP25

HBI II和IP25結(jié)合使用得到的新指標(biāo)——DIP25的差異也可能反映北極海冰狀況的不同。其計(jì)算公式如下:

Cabedao-Sanz等[58]對(duì)比研究了北安斯峽灣、巴羅海峽、冰島北陸架三個(gè)不同位置區(qū)域的沉積物柱狀樣中的DIP25值, 發(fā)現(xiàn)DIP25值穩(wěn)定的時(shí)候指示海冰狀態(tài)狀況相對(duì)穩(wěn)定, 當(dāng)該值發(fā)生很大變化的時(shí)候, 說(shuō)明海冰條件狀況發(fā)生了較大的變化, 這與之前Fahl和Stein[46]的結(jié)論類似。此外, 海冰狀態(tài)不同的三個(gè)研究區(qū)域的DIP25值存在的差異, 也可能說(shuō)明不同的DIP25用來(lái)指示不同的海冰類型, 如固定冰或浮冰[58]。

此外, DIP25升高可能指示海表面溫度(海冰融化與否的主控因素)升高。Xiao等[53]對(duì)比研究北極不同緯度的表層沉積物中的DIP25時(shí)發(fā)現(xiàn), 海表面溫度越高, DIP25的值也隨之升高。雖然DIP25指標(biāo)的意義仍需要進(jìn)一步確認(rèn), 但是這些研究結(jié)果顯示DIP25可以提供有價(jià)值的海冰狀況信息。

3.3 II/III

IPSO25和HBI III的比值(即II/III)亦有指示南極海冰狀況的潛力[59]。Smik等[72]通過(guò)對(duì)不同海冰覆蓋狀況(全年無(wú)冰覆蓋海區(qū)(POOZ)、夏季海冰覆蓋海區(qū)(SIZ)、介于POOZ和SIZ之間的邊緣冰海區(qū)(MIZ))的表層水體分析表明, IPSO25僅存在于MIZ和SIZ的表層水中(最高濃度出現(xiàn)在SIZ), HBI III在所有區(qū)域的表層水中都有發(fā)現(xiàn)(最高濃度出現(xiàn)在MIZ)。因此, Smik等[72]提出相對(duì)高的II/III是SIZ區(qū)域的特征, 指示更長(zhǎng)的海冰覆蓋時(shí)間(在夏季也有海冰覆蓋), 而相對(duì)低的 II/III可能指示這是一個(gè)MIZ區(qū)域。盡管如此, 由于HBI III和IPSO25的光降解速度不同[37], 二者在表層水體的分布并不能代表它們?cè)诒韺映练e物中的分布情況。因此, 仍需要大范圍調(diào)查表層沉積物樣品中HBIs的分布以及II/III值, 以進(jìn)一步明確 II/III 比值所代表的意義[72]。

4 總結(jié)及展望

綜上所述, IP25和IPSO25結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定且具有海冰特異性, 能分別指示北極、南極春末/夏初的海冰狀況。將海冰指標(biāo)IP25、IPSO25與光合浮游植物生物標(biāo)志物(如甾醇、HBI III)結(jié)合后的指標(biāo)(如PBIP25、PIIIIP25)能夠辨識(shí)出更多的海冰覆蓋情況, 可用來(lái)半定量地重建極地海冰。HBI II和IP25的比值(即DIP25)以及IPSO25和HBI III的比值(即II/III)亦分別有指示北極、南極海冰不同狀況的潛力。目前, 這一系列指標(biāo)作為重建極地海冰的新型工具, 已被古海洋學(xué)家廣泛接受并加以應(yīng)用。

然而, 這一新方法仍然有很多問(wèn)題亟待解決。例如, 冰藻如何調(diào)控HBIs生產(chǎn)使其對(duì)海冰狀況產(chǎn)生響應(yīng)的生理學(xué)機(jī)理尚不清晰, 這些基于HBIs的海冰指標(biāo)尚不能完全定量重建海冰密集度。對(duì)這些問(wèn)題的研究與認(rèn)識(shí), 在應(yīng)用HBIs類海冰指標(biāo)精細(xì)化、定量化重建海冰狀況的研究中具有重要的科學(xué)意義。隨著我國(guó)極地海洋科學(xué)研究的深入, 未來(lái)可在以下幾方面開(kāi)展工作, 以發(fā)展和完善極地海冰反演的研究工作: (1)進(jìn)一步研究影響HBIs生成的生理學(xué)機(jī)制, 尤其是不同類型海冰(例如固定冰、餅狀冰等)中HBIs的差異可能會(huì)為極地海冰重建提供新的思路; (2)對(duì)南、北極大空間尺度的沉積物中HBIs進(jìn)行分析研究, 以期能夠建立可靠的經(jīng)驗(yàn)公式或模型來(lái)定量重建極地海冰; (3)相較于北極, 南極海冰的變化對(duì)全球氣候的變化有著更為深遠(yuǎn)的影響, 但利用HBIs重建南極海冰的研究起步較晚, 有許多問(wèn)題仍未得到解決, 在后續(xù)的研究中, 可以結(jié)合其他生物標(biāo)志物或者HBI的單體同位素來(lái)指示南極海冰變化。

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ADVANCES OF USING HIGHLY BRANCHED ISOPRENOIDS (HBIS) AS A POLAR SEA ICE PROXY

Wu Jiaqi1,2, Zhao Jun1,2, Han Zhengbing1,2, Li Dong1,2, Zhang Haifeng1,2, Fan Gaojing1,2, Guo Xiaoze1,2, Jin Haiyan1,2, Pan Jianming1,2, Zhang Haisheng1,2

(1Second Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Hangzhou 310012, China;2Key Laboratory of Marine Ecosystem Dynamics, Ministry of Natural Resources, Hangzhou 310012, China)

Understanding long-term sea ice variations is crucial for reconstruction of past climate and prediction of future climate. Recently, highly branched isoprenoids (HBIs), which is an organic geochemical lipid biomarker, has been proposed as a possible indicator of polar sea ice conditions. Mono-HBI (IP25) and dine-HBI (IPSO25), which are produced by diatoms living in association with seasonal sea ice, have been considered as potential measures of Arctic and Antarctic sea ice, respectively. In this paper, we summarize the research on polar sea ice reconstruction using HBIs. These include verification of proxies, factors influencing effectiveness of proxies, and development and application of indices to categorize sea ice conditions and reconstruct sea ice concentration quantitatively. We also highlight research gaps and propose future research directions in this field.

highly branched isoprenoid, sea ice reconstruction, IP25, IPSO25

2019年1月收到來(lái)稿, 2019年4月收到修改稿

國(guó)家自然科學(xué)基金(41976228, 41976227, 41376193)、自然資源部第二海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(JG1805)、南北極環(huán)境綜合考察與評(píng)估專項(xiàng)(CHINARE01-04)資助。

吳嘉琪, 女, 1994年生。碩士研究生, 主要從事極地海洋有機(jī)地球化學(xué)研究。E-mail: jq.wu@outlook.com

潘建明, E-mail: jmpan@sio.org.cn; 趙軍, E-mail: jzhao@sio.org.cn

10. 13679/j.jdyj.20190004