龍飛江，向波，王逸卓，張泳聰，胡良明，孫曦，陸正元，武文棟，葛倩，邊葉萍，韓喜彬

1. 成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，成都 610059

2. 自然資源部第二海洋研究所，杭州 310012

3. 自然資源部海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310012

4. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240

海洋表層生產(chǎn)力與全球氣候變化及CO2濃度之間存在緊密聯(lián)系，前者主要通過(guò)全球碳循環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)全球氣候的平衡[1]。因此，研究海洋生產(chǎn)力有利于深入了解全球碳循環(huán)與大氣組成的變化[2]。南大洋的初級(jí)生產(chǎn)力約占全球海洋初級(jí)生產(chǎn)力的20%，同時(shí)南大洋也是全球人為CO2的主要匯區(qū)之一，其在全球碳循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)中發(fā)揮著不可替代的作用[3-4]。

在全球變暖的背景下，海冰面積的減少和表層浮游植物光合作用速率的提高對(duì)南大洋吸收大氣CO2的作用產(chǎn)生積極影響，隨著南大洋對(duì)大氣CO2吸收的加強(qiáng)，全球變暖在未來(lái)可能會(huì)有所減緩[5]。位于全球最大冰架羅斯冰架前緣的羅斯海是南大洋初級(jí)生產(chǎn)力年產(chǎn)量最高的區(qū)域[6]。羅斯海的有機(jī)碳含量較高，在該區(qū)域觀察到的表層葉綠素和顆粒有機(jī)碳濃度分別超過(guò)15 μg/L 與85 μmol/L[7]，是白令海陸架區(qū)對(duì)應(yīng)濃度最大值的兩倍[8]。

前人指出，晚第四紀(jì)以來(lái)，南大洋生產(chǎn)力的變化不僅受到冰川活動(dòng)和海冰變化的影響，其還與該地區(qū)風(fēng)塵的供應(yīng)具有一定的關(guān)系。Martin 等[9]指出，冰期南極地區(qū)大量風(fēng)塵的沉降可以為南大洋的浮游植物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如風(fēng)塵鐵），從而促進(jìn)海洋生產(chǎn)力的提高，這得到了Erickson 等[10]的支持。然而，關(guān)于晚第四紀(jì)風(fēng)塵對(duì)南大洋生產(chǎn)力的影響仍存在爭(zhēng)議。Kaufmann 等[11]和Noble 等[12]認(rèn)為大氣中粉塵通量的變化對(duì)南大洋生產(chǎn)力的影響不大。目前南極地區(qū)的海洋生產(chǎn)力大致呈現(xiàn)出冰期低、間冰期高的特征，其具有明顯的冰期-間冰期旋回變化的趨勢(shì)[13-15]。該地海洋生產(chǎn)力的冰期-間冰期旋回變化受到多種因素的影響：一方面，冰期時(shí)地區(qū)溫度較低，較厚且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的海冰阻礙了浮游植物的光合作用，浮游植物的生長(zhǎng)季節(jié)明顯縮短，生產(chǎn)力明顯減弱[16]；另一方面，冰期海冰的覆蓋抑制了深層水的上涌，表層海水的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)匱乏，不利于浮游植物的生長(zhǎng)，該時(shí)期的海洋生產(chǎn)力總體較弱[17-18]。進(jìn)入間冰期，冰架的消融使得開闊海域的面積大幅增加，為浮游植物的生長(zhǎng)創(chuàng)造了適宜的環(huán)境，海洋生產(chǎn)力因此逐漸恢復(fù)[19]。

末次冰期是一個(gè)完整的冰期-間冰期旋回，在此期間全球氣候發(fā)生了巨大的變化[20]，全球海洋生產(chǎn)力表現(xiàn)出明顯的階段性特征[14]。其中，末次冰盛期（Last Glacial Maximum, LGM）是距離人類活動(dòng)高峰期最近的寒冷期，期間全球冰川量達(dá)到峰值[21-22]，海平面顯著下降[23-24]，大氣CO2濃度與氣溫分別比工業(yè)革命前要低80～100 μL/L、10～12 ℃，全球陸地被冰川/冰蓋覆蓋的面積占比達(dá)到24%[25]，海洋生產(chǎn)力處于明顯低值期[13-15]。緊隨LGM 之后的末次冰消期，全球在該階段經(jīng)歷了幾次千年尺度的氣候波動(dòng)事件，如海因里希冰階1 期（Heinrich Stadial 1,HS1）[26]、南極冷反轉(zhuǎn)（Antarctic Cold Reversal, ACR）[27]、波令-阿勒羅德暖期（Bolling-Aller?d, B-A）[28]和新仙女木（Younger Dryas, YD）事件[29]等，期間全球海洋生產(chǎn)力的變化呈現(xiàn)出復(fù)雜多變的特征。末次冰消期之后的全新世，全球氣候明顯回暖，溫度大幅上升，海洋生產(chǎn)力總體呈現(xiàn)恢復(fù)和繁榮的趨勢(shì)[30]。

目前，研究南大洋生產(chǎn)力的主要指標(biāo)包括化學(xué)元素、碳、氮及其同位素等。扈傳昱等[31]通過(guò)分析沉積物中生物硅含量的變化，認(rèn)為與初級(jí)生產(chǎn)力密切相關(guān)。Huo 等[32]通過(guò)計(jì)算沉積物中的生源鋇含量研究了晚第四紀(jì)以來(lái)羅斯海海洋生產(chǎn)力的變化特征。Kim 等[17]通過(guò)沉積物中的碳、氮及其同位素，生物蛋白石，CaCO3等指標(biāo)探討了不同時(shí)期羅斯海表層生產(chǎn)力與營(yíng)養(yǎng)鹽的關(guān)系。樊加恩等[33]通過(guò)分析沉積物中底棲有孔蟲組合的變化，進(jìn)而揭示了LGM 羅斯海海洋生產(chǎn)力的演變歷史。

為了更深入地了解南大洋在全球碳循環(huán)和氣候變化中的地位和作用，本文擬通過(guò)測(cè)試分析南極羅斯海ANT32-RB16C 巖芯沉積物中的主、微量元素與有機(jī)碳、氮及其同位素等內(nèi)容，重建LGM 以來(lái)研究區(qū)海洋生產(chǎn)力的演變過(guò)程，探討影響區(qū)域古生產(chǎn)力變化的因素，進(jìn)而為研究區(qū)后續(xù)相關(guān)研究的開展以及全球碳循環(huán)的研究提供新的證據(jù)。

1 區(qū)域概況

羅斯?？傮w位于南大洋太平洋扇區(qū)70°S 以南的區(qū)域，其西鄰維多利亞地，東接愛德華七世地，其南部為羅斯冰架（Ross Ice Shelf, RIS）[34-36]。RIS 同時(shí)由東南極冰蓋和西南極冰蓋供給[36]，其寬度約為800 km，面積大約為472 000 km2[37]。羅斯海的海冰具有明顯的季節(jié)性變化特征：在冬季，該地區(qū)的海冰可向北擴(kuò)展至59°S；而在夏季，海冰覆蓋范圍大約縮減至冬季的20%，僅在東部陸架邊緣和維多利亞地部分近岸地區(qū)存在海冰[38]。

羅斯海主要受到南極表層水、高密度陸架水、繞極深層水與變性繞極深層水的影響。在南極大陸邊緣，逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)的南極表層水在夏季溫度可高達(dá)2.0 ℃，其鹽度范圍為33.5‰～34.5‰，南極表層水可將東部阿蒙森海的冰融水?dāng)y帶到羅斯海[39]，為區(qū)域浮游植物的生長(zhǎng)提供豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[40]。高密度陸架水的特點(diǎn)是低溫、高鹽、高密度，其受RIS 擴(kuò)張和收縮的控制[41]。分布于南大洋深層的繞極深層水是相對(duì)溫暖且營(yíng)養(yǎng)豐富的水團(tuán)[42]，繞極深層水的上涌能夠?yàn)楹Ｑ蟊韺訋?lái)大量營(yíng)養(yǎng)鹽和溶解鐵[43]，從而促進(jìn)海洋表層生產(chǎn)力的提高。當(dāng)繞極深層水與陸架水在羅斯?；旌虾髸?huì)形成變性繞極深層水，其溫度范圍為1.0～1.5 ℃[44]。

2 樣品與方法

2.1 樣品

本文的研究對(duì)象為中國(guó)第32 次南極科學(xué)考察在羅斯海西北陸架區(qū)采集的ANT32-RB16C 巖芯沉積物（74°31′06?S、175°07′15?E，水深471 m），其位置見圖1，巖芯長(zhǎng)232 cm，巖性均一，為砂質(zhì)粉砂，根據(jù)巖芯沉積物的剖面特征，自上而下可大致分為4 段：

圖1 ANT32-RB16C 站位與其他巖芯位置及區(qū)域環(huán)流圖AASW-南極表層水，DSW-高密度陸架水，CDW-繞極深層水，MCDW-變性繞極深層水，TD-塔洛斯多姆，TY-泰勒冰穹。 ANT31-JB06 數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[45]，BC008，BC010 和BC006 據(jù)文獻(xiàn)[46]，WDC 據(jù)文獻(xiàn)[47]。Fig.1 The locations of Core ANT32-RB16C and other cores, and regional currents in the Ross SeaAASW: Antarctic Surface Water; DSW: Dense Shelf Water; CDW: Circumpolar Deep Water; MCDW: Modified Circumpolar Deep Water; TD: Talos Dome;TY: Taylor Dome; ANT31-JB06 is from reference[45]; BC008, BC010, and BC006 are from reference[46]; WDC is from reference[47].

0～6 cm，黃綠色，質(zhì)地較軟，分選性良好，氣味正常，為灰綠色硅藻黏土質(zhì)粉砂；

6～66 cm，灰綠色，質(zhì)地較軟，分選性良好，氣味正常，為灰綠色粉砂質(zhì)黏土；

66～133 cm，黑灰色，分選性較差，氣味正常，質(zhì)地較軟，含礫石、黏土為主，為黑灰色含礫粉砂質(zhì)黏土；

133～232 cm，黑灰色，分選性較差，氣味正常，結(jié)構(gòu)較為致密，含砂礫和硬核，為黑灰色含礫粉砂質(zhì)黏土。

2.2 主、微量元素測(cè)試

實(shí)驗(yàn)依據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《海底沉積物化學(xué)分析方法（GB/T 20 260-2006）》進(jìn)行，分別稱取0.6 g 烘干后（105 ℃）的樣品與6.0 g 助融劑并置于瓷坩堝中，助融劑的成分比為49.75% LiBO2: 49.75%Li2B4O7: 0.5% LiBr。用玻璃棒將坩堝中的物質(zhì)攪拌均勻后，倒入鉑金坩堝中，并用設(shè)定為1 100 ℃的熔樣爐高溫烘烤16 min，直至坩堝中的物質(zhì)整體呈均勻通透的流體狀。用坩堝鉗夾出鉑金坩堝，均勻搖晃直至流體中的氣泡沒有出現(xiàn)，放置冷卻，形成玻璃片，并在玻璃片的背面寫上測(cè)試編號(hào)。采用微區(qū)測(cè)試方法中的電子探針?lè)y(cè)試樣品中的主、微量元素，儀器型號(hào)為JXA-8 100 型電子探針。樣品采樣間隔為1 cm，共測(cè)試分析232 個(gè)樣品，實(shí)驗(yàn)在自然資源部第二海洋研究所海底科學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，定量測(cè)試精度達(dá)到0.1%以上。

ANT32-RB16C 沉積物中的Al/Ti 比值范圍為14.17～17.90，平均值為16.08，近似上地殼值，因此，可以選擇Al 作為背景元素，該方法在重建海洋生產(chǎn)力演變史中得到廣泛應(yīng)用[48]。故最終挑選的海洋生產(chǎn)力替代指標(biāo)為Si/Al、Ba/Al 與Zn/Al。

2.3 有機(jī)碳、氮及同位素測(cè)試

實(shí)驗(yàn)依據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地質(zhì)樣品有機(jī)地球化學(xué)分析方法，有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定碳同位素測(cè)定同位素質(zhì)譜法（GB/T 18 340.2-2010）》進(jìn)行。稱取約0.7 g 研磨后的沉積物樣品于離心管中，加入足量的1 mol/L 鹽酸并用玻璃棒攪拌，靜置24 h。24 h 后，離心分離出上層清液，加入離子水并用玻璃棒充分?jǐn)嚢?，再次離心，重復(fù)操作，直至離心管中的溶液為中性。將洗酸后的樣品放入60 ℃的烘箱中進(jìn)行烘干，而后精確稱取30～35 mg 干燥后的樣品，裝入錫杯中上機(jī)測(cè)試。樣品中的有機(jī)碳和氮含量使用元素分析儀（Elementar Vario, 德國(guó)）進(jìn)行測(cè)定，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值低于2%；樣品中的氮同位素（δ15N）組成采用同位素比值質(zhì)譜儀（Thermo Delta Plus AD, 德國(guó)）進(jìn)行測(cè)試，分別用USGS-24、GBW4408 與IAEAN1 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)室鋼瓶中N2氣體進(jìn)行標(biāo)定，其中氮同位素以大氣氮為參考標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定精度為±0.2‰。樣品采樣間隔為1 cm，共分析232 個(gè)樣品，實(shí)驗(yàn)在自然資源部第二海洋研究所海底科學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成。

3 結(jié)果

3.1 沉積物年齡

沉積物年齡的建立方法參考宋樂(lè)慧等[49]的研究成果，首先用Bacon 2.3.3 程序校正8 個(gè)層位的有效年齡控制點(diǎn)數(shù)，得到了沉積物頂部年齡為5.0 cal.kaBP，底部年齡為29.7 cal.kaBP（圖2）。結(jié)合沉積物210Pbex比活度的測(cè)試結(jié)果，判斷沉積物頂層為現(xiàn)代沉積，因此將巖芯頂部的年齡定為0 cal.kaBP。假設(shè)碳庫(kù)年齡與老碳年齡之和為5.0 ka[37]，計(jì)算得到沉積物底端年齡為24.8 cal.kaBP，沉積物的平均線性沉積速率為9.4 cm/ka，每個(gè)樣品的平均時(shí)間分辨率約為106.4 a。

圖2 ANT32-RB16C 巖芯深度-年齡示意圖[49]Fig.2 Sedimentary column and age model of Core ANT32-RB16C [49]

3.2 TOC/TN 比值與δ15N 值

ANT32-RB16C 沉積物的TOC/TN 比值變化范圍為7.51～32.17，平均值為14.78。一般而言，若沉積物中的TOC 與TN 具有較強(qiáng)的正相關(guān)性，則可以用TOC/TN 比值判斷沉積物有機(jī)質(zhì)的來(lái)源，TOC/TN比值越高則指示陸源有機(jī)質(zhì)的占比越大[50]。研究表明，南大洋近岸表層沉積物中的有機(jī)質(zhì)大多為海源有機(jī)質(zhì)[31,51]。如圖3a 所示，沉積物TOC 與TN的相關(guān)性在24.8～14.8 cal.kaBP 與14.8～0 cal.kaBP明顯不同，這可能與沉積物中有機(jī)質(zhì)的氧化沉積過(guò)程有關(guān)：當(dāng)沉積物有機(jī)質(zhì)處于氧化沉積過(guò)程時(shí)，TON 相對(duì)于TOC 更易降解，從而導(dǎo)致沉積物C/N比值較高[52]（圖4a）；而降解后的有機(jī)質(zhì)，其C/N 比值明顯增加，C/N 比值與TOC 呈現(xiàn)一定的正相關(guān)關(guān)系（圖3b）。

圖3 ANT32-RB16C 沉積物TOC 與TN（a）及TOC 與TOC / TN（b）的相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis between TOC and TN (a), TOC and TOC/TN (b) in the ANT32-RB16C sediment

圖4 LGM 以來(lái)羅斯海古生產(chǎn)力的變化趨勢(shì)HS1：海因里希冰階1 期，ACR：南極冷反轉(zhuǎn)，YD：新仙女木事件。a：TOC/TN，b：δ15N，c-g：海洋生產(chǎn)力指標(biāo)，h：WDC ssNa+ [47]，g：TOC/TN，i：南極EDC 冰芯氘過(guò)剩記錄[67]，j：NGRIP δ18O[22]，k：塔洛斯多姆冰芯δ18O[68]，l：GGC5 232Pa/230Th[69]，m：泰勒冰穹冰芯鐵通量[70]，n：74°S 夏季日照量[71]。Fig.4 Variation trends of the paleoproductivity in the Ross Sea since LGMHS1: Heinrich Stadial 1; ACR: Antarctic Cold Reversal; YD: Younger Dryas a: TOC/TN, b: δ15N, c-g: paleoproductivity indicators, h: WDC ssNa+[47], g:TOC/TN, i: Antarctic EDC Ice Core dln anomaly[67], j: NGRIP δ18O[22], k: Talos Dome δ18O[68], l: GGC5 232Pa/230Th[69], m: Taylor Dome Fe flux[70], n: summer insolation of 74°S[71].

ANT32-RB16C 沉積物中的δ15N 值變化范圍為1.91～4.85，平均值為3.24（圖4b）。24.8～17.5 cal.kaBP期間， 沉積物中的δ15N 值逐漸增加； 17.5～14.8 cal.kaBP 期間，δ15N 值整體處于低值區(qū)；進(jìn)入14.8～12.5 cal.kaBP， δ15N 值有所上升； 此后的12.5～0 cal.kaBP，δ15N 值呈現(xiàn)總體下降的趨勢(shì)。目前，沉積物中的δ15N 值被廣泛應(yīng)用于指示海洋硝酸鹽利用率[53]：當(dāng)δ15N 變大時(shí)，表明沉積物的硝酸鹽利用率較高，海洋表層水體總體缺乏營(yíng)養(yǎng)鹽，硝酸鹽被消耗[54]。

3.3 古生產(chǎn)力替代指標(biāo)變化分析

生產(chǎn)力替代指標(biāo)在不同沉積環(huán)境下的相似性，一方面反映了產(chǎn)硅浮游植物是有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源，這與前人的研究結(jié)果一致[19]，另一方面則反映了生產(chǎn)力替代指標(biāo)的真實(shí)可靠。本文將ANT32-RB16C沉積物的海洋生產(chǎn)力替代指標(biāo)、氮同位素和沉積環(huán)境的變化特征相結(jié)合，從而將研究區(qū)的古環(huán)境演變劃分為4 個(gè)階段：階段I（24.8～17.5 cal.kaBP）、階段II（17.5～14.8 cal.kaBP）、階段III（14.8～11.7 cal.kaBP）和階段IV（11.7～0 cal.kaBP），階段IV 可以進(jìn)一步細(xì)分為IV1期（11.7～1.6 cal.kaBP）和IV2期（1.6～0 cal.kaBP）。

Si/Al 比值（圖4c）在階段I 的變化范圍為3.26～3.87，平均值為3.66。其在階段II 整體處于低值，整體的變化波動(dòng)較為平緩，并在3.49～3.75 之間變化，平均值為3.63。階段III，Si/Al 比值開始上升，其整體在3.67 ～ 4.21 之間變化，平均值為3.87。階段IV，Si/Al 比值在IV1期平穩(wěn)上升，變化范圍為4.09～5.37；進(jìn)入IV2期，Si/Al 比值出現(xiàn)下降趨勢(shì)，其變化范圍為4.93～5.19，平均值為5.04。

Ba/Al（10-4）比值（圖4d）在階段I 的變化范圍為36.03～114.04，平均值為75.71。其在階段II 的變化波動(dòng)較平緩，變化范圍為63.01～73.93，平均值為67.46，變化不明顯。階段III，Ba/Al 比值整體處于上升期。階段IV，Ba/Al 比值在IV1期平穩(wěn)上升；其在IV2期開始下降，并在131.55～149.02 內(nèi)變化，平均值為140.67。

Zn/Al（10-4）比值（圖4e）在階段I 的變化范圍為11.99～18.84，平均值為15.34。在階段II，其整體處于低值，變化不明顯，變化范圍為12.63～17.62，平均值為13.84。進(jìn)入階段III，Zn/Al 比值有所上升，其在13.65～22.56 內(nèi)變化，平均值為17.70。在階段IV，Zn/Al 比值在IV1期平穩(wěn)上升，變化范圍為22.95～34.42；其在IV2期出現(xiàn)下降趨勢(shì)，變化范圍為22.2～28.35，平均值為24.72。

沉積物中的TOC 含量（圖4f）在階段I 的波動(dòng)起伏較大，呈現(xiàn)增-減-增的變化特征，其變化范圍為0.364～0.988，平均值為0.618。TOC 含量在階段II 呈現(xiàn)減少的特征，變化范圍為0.439～0.870，平均值為0.650。進(jìn)入階段III，沉積物中的TOC 含量開始增加，其變化范圍為0.524～0.761，平均值為0.627。階段IV，TOC 含量在IV1期平穩(wěn)增加，其變化范圍為0.626～1.456，在IV2期則出現(xiàn)減少的趨勢(shì)，其變化范圍為0.877～1.564，平均值為1.068。

沉積物中的TN 含量（圖4g）在階段I 變化范圍為0.024～0.050，平均值為0.037。其在階段II 的最大值為0.040，最小值為0.025，平均值為0.032。階段III，TN 含量開始增加，其在0.039～0.071 內(nèi)變化，平均值為0.053。進(jìn)入階段IV，TN 含量的變化與TOC 含量的變化相似。

4 討論

4.1 影響羅斯海古海洋生產(chǎn)力變化的因素

通常情況下，南極的海洋生產(chǎn)力受到多種環(huán)境因素的制約，如營(yíng)養(yǎng)鹽（硅酸鹽、硝酸鹽等）、海冰范圍、氣溫、光照強(qiáng)度和水動(dòng)力條件等[55-57]。由圖4可知， ANT32-RB16C 巖芯沉積物的古生產(chǎn)力替代指標(biāo)的變化與南極氣溫的波動(dòng)具有相似的趨勢(shì)，即氣溫較低時(shí)生產(chǎn)力下降，氣溫較高時(shí)生產(chǎn)力上升。研究指出，南極海域中硝酸鹽的利用水平與海冰變化的趨勢(shì)一致，冰期內(nèi)硝酸鹽利用率的提高與大范圍海冰覆蓋密切相關(guān)[47,58]。

前人指出，南極地區(qū)的海冰與氣溫之間存在密切的相互作用[58-59]：在冷期，南極氣溫較低，海冰面積擴(kuò)大，其密度與厚度增加，從而限制了浮游植物的光合作用，導(dǎo)致海洋生產(chǎn)力降低[16,60]；在暖期，隨著地區(qū)氣溫升高，海冰減少，光照環(huán)境改善，浮游植物生長(zhǎng)與繁殖的季節(jié)延長(zhǎng)，區(qū)域海洋生產(chǎn)力大幅提高[59, 61]。

據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，由于冷期海冰的存在隔絕了風(fēng)對(duì)南大洋的作用，表層海水處于相對(duì)靜止的環(huán)境，深層水的上涌減緩[62]，從而使得該時(shí)期南大洋上層的翻轉(zhuǎn)環(huán)流總體要弱，不利于深層硝酸鹽往上層的輸送。Stephens 等指出，進(jìn)入暖期，由于南極地區(qū)冰川與冰山的融化釋放出大量的淡水，從而使得南大洋上層形成一個(gè)低密度水層，進(jìn)而引發(fā)了上、下層海水的分層現(xiàn)象。由于上、下層海水分層現(xiàn)象的出現(xiàn)，表層與深層水體之間的營(yíng)養(yǎng)鹽傳遞效率大為降低[63]。有學(xué)者指出，處于末次冰期的南大洋，當(dāng)海冰生成時(shí)會(huì)促進(jìn)高鹽度的底層水的發(fā)育，而在開闊海域，海冰融化則可能導(dǎo)致上、下層水體分層現(xiàn)象的出現(xiàn)[64]。總的來(lái)說(shuō)，南大洋海冰的擴(kuò)張限制了該地深層水的上涌，富含硝酸鹽和硅酸鹽等物質(zhì)的深層水無(wú)法順利上涌至表層，進(jìn)而使表層海水中的硝酸鹽含量大大減少，從而最終導(dǎo)致研究區(qū)海洋生產(chǎn)力的下降[53-54,65]。

自LGM 以來(lái)，南半球西風(fēng)帶（Southern Hemisphere Westerlies, SHW）的南移（圖4i）驅(qū)使海冰強(qiáng)度的演變（圖4h）與羅斯海古生產(chǎn)力之間（圖4c-g）表現(xiàn)出反向變化的趨勢(shì)，表明海冰對(duì)古生產(chǎn)力具有明顯抑制。例如， LGM 期間，海冰強(qiáng)度較高導(dǎo)致羅斯海的古生產(chǎn)力較低；相反，自末次冰消期以來(lái)，隨著海冰強(qiáng)度逐漸減弱，羅斯海的古生產(chǎn)力逐漸恢復(fù)。因此，海冰強(qiáng)度的變化在羅斯海古生產(chǎn)力的變化中扮演著關(guān)鍵的角色。

風(fēng)塵鐵被認(rèn)為是南大洋生產(chǎn)力的另一個(gè)重要影響因素[9]，鐵元素的缺乏總體上會(huì)限制生產(chǎn)力的發(fā)展[66]。因此，從理論上講，羅斯海的古生產(chǎn)力演變應(yīng)該與研究區(qū)風(fēng)塵鐵輸入的變化具有一定的聯(lián)系。然而，本文發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的古生產(chǎn)力記錄與冰芯中的Fe 通量（圖4 m）記錄呈現(xiàn)出反相關(guān)的關(guān)系：自LGM 以來(lái)，研究區(qū)的古生產(chǎn)力呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)（圖4 c-g），而冰芯中的Fe 通量則表現(xiàn)出減少的趨勢(shì)（圖4 m）?；谶@點(diǎn)，本文判斷在長(zhǎng)時(shí)間尺度上研究區(qū)古生產(chǎn)力的變化與地區(qū)風(fēng)塵鐵的輸入并不同步，且風(fēng)塵鐵并非研究區(qū)古生產(chǎn)力變化的一個(gè)主要控制因素。

綜上所述，通過(guò)對(duì)LGM 以來(lái)相關(guān)環(huán)境因素與研究區(qū)古生產(chǎn)力記錄變化的對(duì)比分析，本文推測(cè)海冰在地區(qū)氣候波動(dòng)、海水中營(yíng)養(yǎng)鹽的分布和研究區(qū)古生產(chǎn)力變化之間的相互響應(yīng)發(fā)揮了核心的紐帶作用，其是研究區(qū)古生產(chǎn)力變化的最主要控制因素，研究區(qū)古生產(chǎn)力的變化受大氣輸入來(lái)源（如風(fēng)塵輸入的鐵等微量元素沉降）的影響總體較小。

4.2 末次冰盛期以來(lái)區(qū)域環(huán)境變化對(duì)古生產(chǎn)力演變的制約

（1）24.8～17.5 cal.kaBP

此時(shí)期 TD 冰芯的δ18O 值較小，表明此時(shí)南極的氣溫較低（圖4k）。該階段研究區(qū)的古生產(chǎn)力相對(duì)較低（圖4c-g），WDC 冰芯的ssNa+值較高表明存在海冰強(qiáng)度較強(qiáng)的情況（圖4h）。該階段羅斯海冰蓋的接地線接近陸架邊緣，大體位于74°S 以南[72]。樊加恩等[33]指出，在此階段RIS 在ANT31-JB06 站位上方擴(kuò)張。同時(shí)，由于羅斯海Joides海槽的走向與冰流的方向一致，因此本文推測(cè)該階段RIS 依次從ANT32-RB16C 和ANT31-JB06 兩個(gè)站位向外擴(kuò)張，該階段ANT32-RB16C 站位可能長(zhǎng)期處于冰架或常年冰覆蓋之下。

研究指出，在冷期，由于RIS 和海冰的擴(kuò)張，表層浮游植物接收到的光照非常有限[16,60]。同時(shí)，海冰覆蓋和風(fēng)作用共同導(dǎo)致研究區(qū)上、下層水體交換的減弱，水體層化加劇，上層海水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給不足，同期表層海水中的浮游生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的同化吸收率高于供給率（圖5a）；同時(shí)，由于表層水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽逐漸減少，硝酸鹽的利用率逐漸增加（圖4h），進(jìn)一步限制了該階段研究區(qū)生產(chǎn)力的發(fā)展[53-54, 65]。

圖5 LGM 以來(lái)羅斯海古生產(chǎn)力演化模式圖[84]CDW-繞極深層水，MCDW-變性繞極深層水，APF-南極極鋒，WSI-冬季海冰，SSI-夏季海冰，AASW-南極表層水，HSSW-高鹽度陸架水。Fig.5 Evolution pattern of paleoproductivity in the Ross Sea since LGM[84]CDW-Circumpolar deep water, MCDW-Modified circumpolar deep water,APF-Antarctic Polar Front, WSI-Winter sea ice, SSI-Summer sea ice,AASW-Antarctic surface water, HSSW-High salinity shelf water.

（2）17.5～11.7 cal.kaBP

17.5～14.8 cal.kaBP 期間，研究區(qū)的古生產(chǎn)力保持在較低的水平（圖4c-g），同期的δ15N 值（圖4 h）也維持在較低的水平。前人指出，南極地區(qū)的末次冰消期大約始于20～18 cal.kaBP[47]，同期的北半球受到HS1 事件的影響，氣溫急劇下降（圖4j）。該階段北大西洋GGC5 巖芯的231Pa /230Th 比值上升（圖4l），表明大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC）的減弱，熱量總體在南半球的南大洋中積聚[73]。TD 冰芯δ18O 值的上升表明該階段南極地區(qū)回暖（圖4k），半球之間呈現(xiàn)出“北寒南暖”的氣候格局。另外，南、北半球間的氣溫差異使得南半球經(jīng)向海表面溫度梯度的減小，熱帶地區(qū)與南極之間的SST 差異總體縮小，這種變化導(dǎo)致了南半球西風(fēng)帶向南遷移（圖4i），進(jìn)而促使南大洋深層水上涌增強(qiáng)[74]。

崔超等[46]基于BC008、BC006 與BC010 巖芯沉積物中生物硅含量的變化指出羅斯海深層水上涌最為劇烈的時(shí)間在16 cal.kaBP 左右。當(dāng)深層水上涌至陸架時(shí)，其會(huì)與陸架水混合，從而形成變性繞極深層水。變性繞極深層水通常是南大洋近岸一帶溫度最高的水團(tuán)，其入侵冰架/冰川的位置位于表層海水之下，由于變性繞極深層水通常與局地冰點(diǎn)之間存在較大的溫差，使得其對(duì)冰腔侵蝕的作用尤為顯著[75]。在末次冰消期，羅斯海陸架區(qū)和南大洋大西洋扇區(qū)的沉積記錄中出現(xiàn)了大量的冰筏碎屑（Ice Rafted Debris, IRD），這種現(xiàn)象很可能是由于變性繞極深層水對(duì)RIS 的侵蝕導(dǎo)致?lián)诫s其中的大顆粒碎屑隨融水一同注入海洋，并最終沉降到研究區(qū)底部所致[45,76]。本文推測(cè)該階段研究區(qū)古生產(chǎn)力以及δ15N 值（圖4b）的變化受到了IRD 注入的影響，其對(duì)生產(chǎn)力的發(fā)展起到稀釋的作用可能導(dǎo)致了該階段研究區(qū)古生產(chǎn)力與δ15N 值總體水平較低，這種現(xiàn)象通常出現(xiàn)在冰架消融后退的附近區(qū)域[77]。

兩極地區(qū)的氣候在14.8～11.7 cal.kaBP 經(jīng)歷了重大變化，該階段南極地區(qū)的HS1 事件結(jié)束，轉(zhuǎn)而受到ACR 事件的影響[27]。該階段北大西洋深層水的活躍度增加，AMOC 整體較為活躍（圖4 l），北極地區(qū)與南極地區(qū)的熱量分別是增加與減少[78]。受此影響，南極地區(qū)的氣溫迅速降低（圖4k），南大洋海冰范圍持續(xù)擴(kuò)大（圖4h）。該階段研究區(qū)古生產(chǎn)力處于較低值（圖4 c-g）與以下機(jī)制有關(guān)：海冰的擴(kuò)張加劇了上、下層水的分層現(xiàn)象，溫度較高且富含營(yíng)養(yǎng)鹽的深層水的上涌放緩（圖5b），表層海水的硝酸鹽逐漸消耗（表現(xiàn)為硝酸鹽利用率逐漸增加,圖4b），最終導(dǎo)致ANT32-RB16C 沉積物的古生產(chǎn)力上升不明顯。

ACR 事件過(guò)后，北半球處于YD 事件的影響下，而同期的南極地區(qū)氣溫迅速升高（圖4k），海冰范圍縮?。▓D4h），表層水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)增加，海水中硝酸鹽的利用率有所減?。▓D4b），研究區(qū)古生產(chǎn)力顯著提高（圖4c-g）。

（3）11.7～0 cal.kaBP

進(jìn)入全新世，研究區(qū)的古生產(chǎn)力表現(xiàn)出較高的水平，并出現(xiàn)小幅波動(dòng)的特征。該階段南極地區(qū)的氣溫與現(xiàn)代氣溫相近（圖4k），表明此時(shí)的氣候環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定。與此同時(shí)，南大洋的海冰范圍明顯縮小并降至相對(duì)較低的水平[47,79]。隨著海冰范圍的持續(xù)縮小，風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)深層水的上涌逐漸增強(qiáng)，富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的深層水得以上涌至表層海域的范圍[80-81]，這有利于增加對(duì)表層海水硝酸鹽的供應(yīng)，其硝酸鹽利用率逐漸減?。▓D4b），這種環(huán)境有利于浮游生物的生長(zhǎng)與繁殖，最終導(dǎo)致了羅斯海古生產(chǎn)力的提高（圖5c）。

此外，在光照增強(qiáng)的背景下（圖4n），該階段浮游生物（例如硅藻等硅質(zhì)生物）的光合作用有所加強(qiáng)，全新世總體溫暖適宜的環(huán)境促進(jìn)了浮游生物的勃發(fā)，使得研究區(qū)的海洋生產(chǎn)力顯著提高。

1.6 cal.kaBP 以來(lái)，羅斯海的海洋生產(chǎn)力呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，這可能與晚全新世小冰期的出現(xiàn)有關(guān)[82]，南極半島海域的沉積物中也有關(guān)于晚全新世小冰期的記錄[83]。受晚全新世小冰期的影響，南極地區(qū)氣溫下降，海冰出現(xiàn)小幅擴(kuò)張，不利于研究區(qū)生產(chǎn)力發(fā)展的環(huán)境再次出現(xiàn)，這很可能是晚全新世期間羅斯海生產(chǎn)力出現(xiàn)波動(dòng)的重要原因。

5 結(jié)論

（1）羅斯海古生產(chǎn)力的變化可分為3 個(gè)階段：24.8～17.5 cal.kaBP，研究區(qū)總體處于末次冰盛期的環(huán)境下，地區(qū)溫度較低，冰川擴(kuò)張，海冰范圍增加，表層海水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較少，海洋生產(chǎn)力總體較低；17.5～11.7 cal.kaBP，研究區(qū)總體處于末次冰消期的環(huán)境下，研究區(qū)的古生產(chǎn)力出現(xiàn)了小幅的上升，但總體維持在較低的水平，其可能與隨冰川融水注入的冰筏碎屑對(duì)生產(chǎn)力起到稀釋的作用有關(guān)，同時(shí)14.8～11.7 cal.kaBP 期間研究區(qū)的古生產(chǎn)力對(duì)南、北半球之間的氣候波動(dòng)表現(xiàn)出較高的敏感性；11.7～0 cal.kaBP 期間，進(jìn)入全新世的研究區(qū)總體處于氣候回暖的環(huán)境下，地區(qū)光照強(qiáng)度增加，海冰范圍縮小，表層海水的營(yíng)養(yǎng)鹽供應(yīng)充足，區(qū)域海洋生產(chǎn)力逐漸恢復(fù)。

（2）自末次冰盛期以來(lái)，羅斯海的海冰在地區(qū)氣候波動(dòng)、海水中的營(yíng)養(yǎng)鹽分布與古生產(chǎn)力變化的相互響應(yīng)中起到了紐帶的作用，海冰的變化是影響羅斯海古生產(chǎn)力變化的最主要因素，風(fēng)塵輸入對(duì)該階段羅斯海古生產(chǎn)力演化的影響并不顯著。

致謝：對(duì)所有參加中國(guó)第32 次南極科學(xué)考察的隊(duì)員及“雪龍”號(hào)全體船員在采樣時(shí)提供的幫助和支持，國(guó)家海洋局極地考察辦公室、中國(guó)極地研究中心給予的全方位支持，溫珍河老師和溫家洪老師對(duì)本文給予了寶貴意見，自然資源部第二海洋研究所于曉果老師和姚旭瑩老師在有機(jī)碳、氮及其同位素測(cè)試中提供的幫助，朱繼浩老師在主、微量元素測(cè)試中提供的幫助和支持，在此一并致謝。