南极罗斯海氧化还原敏感元素沉积地球化学特征及其古海洋意义

大洋深部氧化还原环境与深部水体流通状况以及表层水体生产力密切相关。表层生产力与深部流通性变化影响着有机碳-呼吸CO_2的转化及其在海洋-大气中的转移,最终与大气CO_2分压(pCO_2)变化密切相关。故探明大洋深部氧化还原环境的变化对于解决大气pCO_2冰期旋回机制具有重要意义。本次研究以中国第31和32次南极科考获得的南极罗斯海柱状岩心ANT31-R23及表层样为研究材料。通过元素钙、钛,以及氧化还原敏感元素(RSE)锰、钼、镍、钴、镉的测试分析,以表层样中RSE与Ti的比值作为判断ANT31-R23孔中相应RSE富集程度的背景值。结果显示,Mn在沉积期均表现出富集,表明罗斯海深部在该孔沉积期为氧化环境。根据Mn在不同层位出现的富集峰识别出4次强氧化脉冲事件,可能由南大洋底层水流通性增强和/或生产力降低导致。4次氧化脉冲事件层位中Mo、Ni、Co的明显富集,是由于锰(氢)氧化物对其捕获或吸附所致。此外,推测分析认为罗斯海对冰期大气pCO_2降低似乎没有明显贡献,但很可能对冰消期大气pCO_2迅速升高起重要作用。然而这些有关南极罗斯海深部氧化还原环境与大气pCO_2变化之间关联的推测,有待后续该孔精确年代模式的构建,方可进一步验证。     

晚第四纪热带西太平洋海气CO2交换影响因素

探究海气CO₂交换有助于解析全球碳循环和全球气候变化。由于海水和大气的直接接触,研究表层海水碳酸盐系统变化成为探究海气碳交换的关键。基于已有热带西太平洋表层海水碳酸盐系统研究成果,本文总结了有孔虫壳体B/Ca和δ¹¹B指标重建碳酸盐系统参数的原理、方法及优缺点。然后,从厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO)、东亚季风以及大气桥梁和海洋隧道三方面综述了晚第四纪热带西太平洋海气CO₂交换影响因素的研究现状。结果显示,类ENSO通过横向平流和垂向变化分别影响热带西太平洋东端和西端的海气碳交换。东亚夏季风对热带西太平洋海气碳交换具有较强的调控作用,而东亚冬季风的调控作用较弱或不明显。冰消期南大洋深部流通状况增强,可通过大气桥梁(大气CO₂)和海洋隧道(南极中层水)影响热带西太平洋海气碳交换。然而,为了更准确清晰地了解全球碳循环变化,还需针对指标记录的可靠性、覆盖范围以及海气碳交换在更长时间尺度的变化机理等方面开展更多研究。     

70万年以来西太平洋暖池区硅质生产力记录及其气候效应

西太平洋暖池(WPWP)的硅质生产力水平在调节第四纪全球大气CO₂分压的变化上发挥着重要作用,但其控制因素尚存争议。本研究对位于WPWP核心区的MD06-3047岩芯进行了生源蛋白石分析,探讨了700 ka以来WPWP的硅质生产力的控制因素及气候效应。研究发现,700 ka以来WPWP硅质生产力变化呈现显著的冰期-间冰期旋回,基本在冰期较高,间冰期较低。其主要控制因素可能是东吕宋陆架沉积物风化输入、亚洲风尘输入和温跃层深度(DOT)变化。南大洋中层水的“硅溢漏”可能无法对此海区产生显著影响。冰期时的低海平面,导致热带火山弧附近裸露的陆架沉积物的物理剥蚀和硅酸盐风化,淡水输入为WPWP提供了更多的硅酸;冰期时增强的风尘供应为WPWP提供了更多的Fe;冰期时较浅的DOT使表层海水的营养物质垂向空间变小,滞留时间增多。这些因素使冰期的WPWP生产力增高,有可能降低了大气CO₂分压。     

基于浮标观测的春季青岛近岸海水pCO2变化及海-气CO2通量研究

利用海-气界面浮标观测得到的高频数据,分析了春季青岛近岸海域海表二氧化碳分压(pCO₂)的变化规律及驱动因素,并对海-气CO₂通量进行了估算。观测期间该海域由大气的碳汇转变为碳源,主要是由海表pCO₂的不断增长所致。对海表pCO₂控制因素进行分析,发现温度升高是pCO₂增长的主要驱动因素,生物过程起到一定的抑制作用。海表pCO₂呈现出日变化特征,温度和生物因素对海表pCO₂日变化的作用均与太阳辐射相关,但两者的作用相反。此外,分析发现浮标的不同采样频率会对海-气CO₂通量估算产生影响,缩短采样间隔能有效降低海-气CO₂通量估算的偏差,提高估算的准确性。     

夏季琼州海峡表层海水二氧化碳分压时空变化

采用船载海?气CO₂连续观测系统于2011年和2014年夏季在琼州海峡开展了现场观测，分析研究了表层海水二氧化碳分压(pCO₂)时空变化及其影响因子。2011年和2014年夏季pCO₂分别为(516±29) μatm和(533±15) μatm，海?气CO₂交换通量分别为(8.4±1.7) mmol/(m2·d)和(4.5±0.4) mmol/(m2·d)，均是大气CO₂的强源，高于相邻及相似海域，主要受控于东口海域上升流和海峡中部狭管效应。2011年夏季东口上升流增大pCO₂的同时也促进了浮游植物繁殖，光合作用吸收水体CO₂，降低了pCO₂，而且受其影响，西口口门附近叶绿素a和溶解氧含量陡增，pCO₂突降。2014年夏季东口海域上升流较弱，且观测海域垂直混合作用显著，pCO₂和溶解氧分布特征与2001年夏季明显不同。海峡中部狭管效应造成水体输运速率大、混合作用强，浮游植物“来不及”生长，pCO₂较高。     

3.4万年以来南极斯科舍海古生产力演变及其环境制约

本文通过对南极斯科舍海东南部DC-11岩芯生物硅、有机氮、TFe₂O₃与有机氮同位素的年代学分析,重建了该海区3.4万年以来古生产力与环境演变历史。研究结果表明,生物硅、有机氮含量与南极温度变化基本一致,暖期高、冷期低;有机氮同位素值与南大洋海冰变化相吻合,暖期小、冷期大,冷期硝酸盐利用率大于暖期。从末次冰期、末次冰消期至全新世,研究区古生产力与环境变化显著,南极冷倒转等千年尺度的变化明显;海冰在气候、营养盐与古生产力之间起着重要的关联作用。冰期或冷期海冰的加强导致表层水层化加强,深层水及其营养盐的上涌减弱,表层海洋硝酸盐等相对匮乏,生产力降低。研究区现代与全新世铁供应充足,在风尘盛行的末次冰期和冰消期呈过剩状态,明显不同于亚南极。     

末次冰消期以来南大洋深部流通性与大气pCO2 的关系及其控制机制

末次冰消期时,南大洋深层水流通性增强和大气CO_2分压(大气p_(CO_2))升高存在密切联系。该时期南大洋深部流通性增强的同时会伴随着大气与大洋环流模式的一系列变化,例如南半球西风带(Southern Hemisphere Westerly Winds Belt,SWW)位置和强度以及大西洋经向翻转流(Atlantic Meridional Overturning Circulation,AMOC)强度的变化。一些关于控制南大洋流通性变化机制方面的研究发现,SWW的经向摆动可对南大洋深部流通性产生强烈影响。末次冰消期时SWW南移,会强化南大洋风驱上升流,增强南大洋的通风。另一些研究认为AMOC变化对南大洋深部流通性具有更为强烈的影响,末次冰消期时北大西洋深层水(North Atlantic Deep Water,NADW)生成减弱导致AMOC强度减弱,这一过程使得NADW与绕极深层水(Circumpolar Deep Water,CDW)的混合边界北移,从而减弱南大洋水体成层化,增强了南大洋深层水上涌。上述2种模式均可能引起南大洋深部流通状况的改变,并最终导致冰消期大气p_(CO_2)上升。除SWW与AMOC驱动南大洋深部流通状况的改变之外,最新研究发现南大洋罗斯海似乎可以通过其自身底层水的北向扩张与极向退却进一步影响南大洋深部流通状况。总的来说,控制南大洋深部流通状况的并非单一机制,SWW与AMOC以及罗斯海底层水等诸多因素在控制南大洋流通状况变化的同时也会以不同的方式在一定程度上积极的响应大气p_(CO_2)的变化。     

温度和pCO2对中肋骨条藻释放挥发性卤代烃的影响

挥发性卤代烃(volatilehalocarbon,VHCs)是大气中一类重要的臭氧层破坏者和环境污染物,海洋微藻释放是大气VHCs的重要来源,在调节全球气候中起着至关重要的作用。该研究在2个温度(T=20、25°C)和2个CO₂分压(pCO₂=395、790 mg/L)条件下,模拟研究了温度和pCO₂升高对中肋骨条藻生长和3种VHCs (CHBr₃、CHBr₂Cl和CHBrCl2)释放量的影响。研究结果表明, pCO₂=395 mg/L,T=25°C时,中肋骨条藻的生长情况最佳; pCO₂=790 mg/L, T=20°C时,中肋骨条藻的生长情况最差。温度升高时,CHBr₃、CHBr₂Cl和CHBrCl2的平均浓度分别增加了10.55%、9.45%和12.18%;pCO₂升高时, CHBr₃和CHBrCl2的平均浓度分别降低了19.29%和30....     

末次冰期以来南极斯科舍海东南部沉积物来源与环境变化

本文通过南极斯科舍海东南部海域DC-11岩芯稀土元素(REE)特征及其与生源硅(BSiO₂)、磁化率、Al₂O₃、Fe₂O₃的耦合关系,深入探讨了34 ka BP以来研究区沉积物的来源及冰山-海流-大气搬运历史。结果表明,DC-11岩芯沉积物REE含量变化与Al₂O₃相似,主要赋存于陆源碎屑之中,BSiO₂对其有明显稀释效应。末次冰期REE含量高,页岩标准化模式平坦,Eu正异常弱,La_N/Yb_N比值较大,沉积物主要来源于地壳相对较老的威德尔海周边地区,磁化率、△Al₂O₃、TFe₂O₃/Eu比值证实该时期沉积物中南美风尘物质多。冰消期早期(19.6～14.1 ka BP)气候快速回暖,西风带与海洋锋面南移,南美风尘输入迅速减弱,南极绕极流南部分支增强,导致南设德兰群岛-南极半岛的冰山...     

高空间分辨率海表CO2分压的卫星遥感反演算法：机器学习在秋季象山港的应用

近海海湾受人类活动及自然变化影响大,海水碳源汇格局变化影响机制极其复杂。由于海湾空间尺度小,需要使用宽波段的高空间分辨率卫星遥感对海-气CO₂通量进行监测评估。相对于传统公里级的水色卫星资料,海-气CO₂通量定量估算的关键参数——海表CO₂分压(sea surface partial pressure of CO₂,pCO₂)遥感反演在小尺度海湾具有极大的挑战性。该文以秋季象山港为例,利用走航观测pCO₂数据及近5年哨兵2号(Sentinel-2)卫星影像,采用支持向量机(support vector machine, SVM)机器学习的方法,基于Sentinel-2遥感反射率及其比值,建立了海表pCO₂的遥感反演算法。算法验证结果显示决定系数为0.92,均方根误差为23.23μatm,遥感反演结果与实测值具有较高一致性。在此基础上,制作了2017—2021年秋季(9—11月)象山港海表pCO₂遥感产品,结果表明...     

越南岸外上升流区48万年来高分辨率的生源组分记录及其古海洋学意义

南海西部越南岸外MD05-2901孔沉积物分析显示,该孔覆盖氧同位素1-12期,底界年龄约为48万年。生源组分记录显示表层古生产力冰期高、间冰期低,体现间冰期海平面下降、陆源物质输入增强的影响。生产力在末次冰期达到最高,体现末次盛冰期海陆差异增强,东北风发育对生产力提高的促进作用。碳酸钙含量变化呈现冰期早期含量低、冰消期和间冰期含量高的趋势。其冰消期的高值在MIS1/2、MIS3/4和MIS5/6分界处,与浮游有孔虫碳同位素低值对应,揭示该地区的碳酸钙沉积旋回是“稀释旋回”。同时碳酸钙含量变化领先于同一地区浮游有孔虫氧同位素的变化,证明低纬海区碳酸钙泵作用对大气二氧化碳浓度和温度有影响。滤波分析结果显示碳同位素存在23 ka的岁差周期和偏心率长周期,生源组分的含量变化显示出典型的岁差周期,体现南海季风环流的轨道响应,证明低纬热带过程是调节气候变化的重要因素。     

海水酸化和碱化对斑点海链藻光合生理特性的影响

大气CO₂浓度升高引起的海洋酸化可能对浮游植物造成不同程度的影响。而近海浮游植物不仅面临着海水酸化问题，还会受到海水溶解性CO₂降低及pH升高(海水碱化)的影响。本实验以斑点海链藻(Thalassiosira punctigera)为研究对象，测定7个不同pCO₂水平(25 μatm、50 μatm、100 μatm、200 μatm、400 μatm、800 μatm、1 600 μatm)下的生长、光合作用和呼吸作用速率、细胞粒径、叶绿素a和生物硅含量以及叶绿素荧光等参数。结果表明，与400 μatm相比，在海水酸化(pCO₂ > 400 μatm)和海水碱化(pCO₂ < 400 μatm) 条件下，斑点海链藻的生长速率和叶绿素a含量都显著降低，但是碱化条件下降低的程度更大。此外，碱化处理的藻细胞光合作用速率、最大量子产量(Fv/Fm)和最大相对电子传递速率(rETR_max)都显著低于400 μatm培养下的细胞，而呼吸作用速率显著升高，但是生物硅含量和细胞大小无明显变化。研究表明海水碱化和海水酸化均会抑制其生理活动，而且海水碱化对其影响更显著。这表明正常pCO₂生长下的藻细胞具有最适的生理状态。本研究可为探究海水碳酸盐系统变化对海洋初级生产力的影响提供一定的数据支持。     

白令海DSDP188站氧同位素3期以来的古海洋与古气候记录

白令海南部DSDP188站沉积物生源组分分析显示,该地区表层生产力在MIS3早、晚期(3.3和3.1)以及MIS2期增加,而其他时期表层生产力相应降低,并且表层生产力的变化没有显示明显的冰期与间冰期旋回。沉积物的C/N比值反映了有机碳的混合来源,说明该地区表层生产力可能受陆源营养物质输入的影响。该站位沉积物的非生源组分分析显示,MIS3早、晚期陆源物质输入量增加,反映洋流加强和气候变化。MIS2出现两次陆源物质输入量的增加,显示了洋流和气候的波动。MIS3和末次冰消期碳屑丰度增加,但MIS2降低,指示MIS3和MIS1陆地天然火灾概率大,而MIS2天然火灾概率低,反映间冰期比冰期更容易发生天然火灾。     

南海北部陆坡SH1B孔MIS 6期以来古生产力和古环境变化的硅藻记录

通过对神狐海域SH1B孔硅藻丰度和生态类群组成的研究,探讨了该海域MIS 6期以来古生产力及古环境变化特征。硅藻丰度变化表明MIS 6期以来古生产力具有显著的冰期高-间冰期低旋回特征。末次冰期(MIS2-4)和MIS 6时低海平面导致河流剥蚀作用增强,并可能存在季风驱动的上升流,使得营养物质输入增加引发高生产力。MIS 5和MIS 1期硅藻丰度低,与高海平面时期河流输入的营养物质相对减少,对表层生产力的影响减弱有关。MIS 6期热带远洋种含量偏高,反映硅藻分布主要受盐度控制。MIS 5期半咸水沿岸种含量增加,可能是由降雨量增加引起。     

36.5万年以来西边界底流冰期-间冰期不稳定性与ODP 646站位(拉布拉多海)黏土级沉积碎屑Sm/Nd比率的关系

1区域概况随着气候—海洋系统模拟工作力度的加大,相关古气候改变北大西洋深层水(NADW)生产力速率的论著十分亟需。大多数作者认为整体的NADW生产力在冰期降低,他们的推断范围不完全一致。冰期更大量的南大洋水体涌入北大西洋,而且北大西洋深部对流现在已被更浅的和更南部的对流所取代。有关更新世末次冰期—间冰期旋回NADW演变,主要研究成果如下:(1)沿冰岛—苏格兰溢流水团路径从冰岛盆地采集柱状样,对其进行磁各向异性测试。变化结果同过去20万a水体可变强度相关联。冰期氧同位素2期、4期、6期较之间冰期1期、3期、5期有30%的强度衰…     

近190ka B.P.以来西太平洋暖池北缘上层海水结构和古生产力演化特征及其控制因素——来自钙质超微化石、有孔虫和同位素的证据

对取自西菲律宾海暖池北缘的Ph05—5岩芯进行了钙质超微化石和有孔虫研究。在利用氧同位素曲线对比和AMS^14C数据进行地层划分的基础上，依据超微化石和有孔虫及其同位素组成等指标，分析了近190 ka B．P以来区域生产力和上层海水结构的演变特征，探讨了其控制因素和所指示的古海洋学意义。钙质超微化石下透光带属种Florisphaera profunda百分含量和基于浮游有孔虫转换函数的温跃层深度变化表明，Ph05—5岩芯所在的热带西太平洋暖池北缘约190kaB．P．以来，营养跃层和温跃层冰期（MIS 6期和5d-2期）浅，间冰期（MIS5e）和全新世深，而MIS5e期是最近两个冰期旋回中营养跃层和温跃层深度最深时期。通过Fprofunda百分含量初级生产力转换方程计算结果和与钙质超微化石绝对丰度的变化显示，冰期初级生产力高，间冰期和全新世初级生产力低，MIS5e期初级生产力为末两次冰期旋回之最低。此外，Ph05—5岩芯△δ^13Cc.wullerstorfi-coccolith和△6δ^12Cc.wullerstorfi-N.dutertrei.差值变化显示，190ka B．P以来表层输出生产力冰期高，间冰期低，其中最为突出的特征也是MIS5e期为生产力输出的最低值期。上层海水结构和生产力的上述变化特征与现代La Nina事件暴发时的海洋环境相当类似，该海区MIS5e期可能是LaNina事件频繁爆发的一段时期，可以与现代LaNina现象类比。同时，根据Wyrtki提出的信风张弛理论推测MIS5e期，由于LaNina事件的频繁暴发黑潮主流应该是增强的。     

全球海洋碳循环三维数值模拟研究

基于海洋环流模式POP和生物地球化学模型OCMIP-2,建立了全球海洋碳循环模式,并用于对全球海洋碳循环的模拟研究。该模式在大气CO₂为283×10-6条件下,积分3 100 a,达到工业革命前的平衡态。在此基础上,用历史时期观测的大气CO₂浓度进行强迫,模拟了历史时期的海洋碳循环。模拟的无机碳浓度、总碱度与基于观测得到的结果基本一致,模式能够较好地模拟全球碳循环过程。模拟结果表明,在北半球中高纬度和南半球的中纬度,海洋是大气CO₂的主要汇区;在赤道南北纬20°之间和南大洋50°S以南,海洋表现为大气CO₂的源区。在1980s海洋吸收CO₂速率(以C计)为1.38 Pg/a,1990s为1.55 Pg/a。海洋中人为碳在北大西洋含量最大,向下到达海底并向南输运到30°N附近;在南极附近,浓度较小,深度达到3 000 m;在中纬度,人为碳被限制在温跃层以上。     

河口红树林湿地CH4通量的日变化研究

甲烷(CH₄)是大气中除CO₂外最为丰富的含碳组分,其浓度以每年0.7%-1.1%的速率递增[1,2].尽管大气CH₄含量仅为CO₂的二百分之一,但却对预计的全球变暖约有20%的贡献率,而CO₂的贡献率约为50%[3,4],由这些数据推算得一个分子的CH₄比一个分子的CO₂(目前最重要的温室气体)的增暖潜值高约80倍.很多研究者对全球大气CH₄的预算结果均表明,湿地是大气CH₄最重要的生物源[5,6],约占全球CH₄源的40%～50%[7].湿地CH₄通量的日变化研究是正确估算大时间尺度下CH₄排放量(如平均年排放量和季节排放量)的基础,因而具有相当的重要性.     

珠江口盆地阳江东凹高含CO2油气藏的类型、成因及成藏过程

通过对阳江东凹高含CO₂油气藏的流体组分组成、P-T相图、原油生物标志化合物、天然气组分及同位素、流体包裹体进行研究,分析了高含CO₂油气藏的类型、成因及成藏过程。结果表明,阳江东凹高含CO₂的油气藏分为3类：第一类为含CO₂溶解气的常规油藏,第二类为含CO₂溶解气的挥发性油藏,第三类为含溶解烃的CO₂气藏。油气藏中原油主要为浅湖-半深湖相及半深湖-深湖相烃源岩成熟阶段的产物,烃类气均为原油伴生气,CO₂属于幔源型无机成因气。EP20-A井原油的充注时期为12～10.7 Ma,CO₂充注时期为5.6～1.7 Ma。EP20-C井存在两期原油充注及两期CO₂充注,第一期原油充注时期为14～6 Ma,为主要充注期,第二期原油充注时期为4～0 Ma,第一期CO₂的充注时期为11～10 Ma,第二期CO₂的充注时期为5～1.5 Ma。根据CO_2<...     

基于ST-ConvLSTM的南海海表面CO2分压的空间和时间序列预测

海表面二氧化碳分压(pCO₂)的未来变化趋势,对统计评估全球碳收支以及理解全球气候变化背景下的海洋酸化现象至关重要。目前传统的海面pCO₂预测方法大部分基于有限的实测数据,然而实测数据存在着时间和地理方面的制约,且计算成本较高。近年来,随着时空观测数据的爆炸性增长,基于深度学习的数据驱动模型在海表面pCO₂预测方面中表现出良好的潜力。然而,由于多种环境因素与海表面pCO₂之间的关系错综复杂,到目前为止尚无十分简单有效的相关模型来对海表面pCO₂进行预测。为应对这一挑战,利用时空卷积长短时记忆神经网络(ST-ConvLSTM)模型,通过海面温度(sea surface temperature, SST)、海面盐度(sea surface salinity, SSS)、叶绿素a浓度(chl a)和海面pCO₂数据,预测南海的海面pCO₂,并将2019年1～12月的数据作为测试集对模型的表现进行了验证。结果显示, ST-ConvLSTM模型...