末次盛冰期巽他陆架海平面和植被变化对陆表碳通量影响的数值模拟研究

末次盛冰期巽他陆架陆地暴露面积比现代增加将近一倍,该时期东南亚的碳汇能力是否比现代更强？本文利用GOSAT现代卫星数据集、实测碳密度数据集,对现代森林和草原生态系统碳通量（陆表碳通量）进行分析,发现二者的固碳能力相差较大,与地球系统模式的结果一致。本文基于末次盛冰期巽他陆架上植被分布类型的争议,为量化末次盛冰期巽他陆架暴露对大气二氧化碳浓度变化（陆表碳通量）的影响,利用美国国家大气研究中心（NCAR）的通用陆地模型（CLM4）,以巽他陆架的植被、陆地面积为敏感条件进行了两组试验,考察末次盛冰期巽他陆架植被变化对陆表碳通量的影响。通过敏感试验结果分析,结合已有的孢粉化石证据,认为当末次盛冰期巽他陆架暴露且被热带雨林覆盖时,仅通过陆表碳交换就会使得东南亚的碳汇能力增强约0.16 PgC/a,在全球大气二氧化碳浓度的冰期-间冰期旋回中扮演着重要角色, 表明植被重建的可靠性对模拟末次盛冰期巽他陆架的陆地碳循环过程及其对气候的反馈非常重要。模拟结果还表明,末次盛冰期暴露的巽他陆架应具有较强的储碳能力,与冰期陆地的碳源角色相反,值得进一步研究。     

巽他陆架末次冰期植被之谜

末次冰期低海平面时期出露的巽他陆架植被变化对全球碳循环影响有着重要影响,但目前植被重建结果仍存在很大争议。利用巽他陆架区域现有末次冰期的碳同位素和植物孢粉记录进行了古植被重建。与全新世相比,末次冰期时热带雨林的分布范围向赤道方向收缩,呈现不均匀的带状分布,而远离赤道的区域草本植物扩张。赤道辐合带的向南移动和热带太平洋的类El Niño状态导致的巽他陆架区域整体降水减少是造成这种现象的重要原因。山地在冰期植被垂直分布结构的演化中起着重要作用。在湿而冷的区域,山地雨林向下扩展;而在干而冷的区域,山地扮演着雨林避难所的角色。巽他陆架古植被重建工作仍面临着隐域性植被、植被指标局限性等难点。     

日本海的末次盛冰期

日本海末次盛冰期的沉积层几乎都是以交替出现的深色纹层、浅色纹层状和均质沉积物为特征。根据日本海中部和南部两个岩心记录的末次盛冰期的沉积特征和表层海水温度变化,讨论了低海平面时期东亚季风对日本海沉积环境的控制作用。24.2~17.8 cal.kaBP,日本海南部纹层沉积的分布均对应了夏季风的相对增强,表明季风降水输入是引起该时期日本海底层水含氧量变化的主要原因。在夏季风的控制下,低盐富营养的东海沿岸水的强弱变化使冲绳海槽北部表层海水温度也在24.2~17.8 cal.kaBP期间出现低值并剧烈变化。30~24.2和17.8~15 cal.kaBP,受增强的冬季风(夏季风减弱)影响,日本海水体的流通性较强,底层水溶解氧含量相对较高。对23~17.5 cal.kaBP日本海的表层海水温度出现异常高值的原因存在很多争论,一般认为是由于季风降雨输入量大于蒸发量、表层水盐度普遍降低、水体出现密度分层、水层间的垂直交换受到限制所致。     

末次冰期南海南部暴露的巽他陆架是大气碳汇?

在约10万年的冰期-间冰期旋回中, 大气CO2浓度与温度存在几乎同步的周期性变化:间冰期的CO2浓度约为280×10-6, 冰期逐渐下降, 至盛冰期达到最低(约180×10-6), 冰消期又快速回升。关于冰期大气CO2的去向, 前人的许多研究表明, 冰期的海洋是个巨大的碳汇, 而陆地碳储量在冰期是下降的。从海洋和陆地碳库整体的变化来看, 似乎冰期大气CO2浓度的下降完全可以用海洋碳库的增加来解释, 甚至陆地碳库还是大气的源。但通过分析各种地质证据与数值模拟结果, 发现末次冰期南海南部暴露的巽他陆架上分布着广阔的热带森林, 这意味着, 末次冰期暴露的巽他陆架可能具有较强的储碳能力, 与冰期陆地的碳源角色相反。因此, 为更准确了解碳循环与气候变化, 未来的研究需要对陆地碳库进行有效细分, 定量描述各区域在碳循环中的角色。     

长江三角洲末次盛冰期的气候波动

通过对长江三角洲东部地区鹤鸣孔第一硬黏土层的孢粉、藻类分析,研究了该地区末次盛冰期的气候波动。结果表明,鹤鸣孔第一硬黏土层含种类较丰富的孢子、花粉和藻类化石,并可以划分为3个孢粉、藻类组合,代表了该地区末次盛冰期气候变化的3个阶段,反映了该地区末次盛冰期并不是一个持续的干冷状况,第一硬黏土层沉积的早期和晚期气候较温暖湿润,针阔叶混交林发育,而中期阶段气候偏冷,植被贫乏。     

末次盛冰期以来南海北部神狐海域沉积有机质的组成特征及其古气候/环境意义

通过对两根沉积柱GHE27L和GHE24L的总有机碳（TOC）、总氮（TN）、C/N比值及稳定碳同位素（δ13C_org）的分析,本文探讨了21.1 ka BP以来南海北部陆坡神狐海域沉积有机质的组成特征及可能的古气候/环境信息。沉积柱GHE27L的TOC含量、TN含量、C/N比值及δ13C_org值分别为0.53%~1.81%,0.07%~0.18%,8.2~16.0和-23.6‰~-20.3‰。沉积柱GHE24L各参数则分布为0.45%~1.65%,0.09%~0.24%,5.3~12.2和-22.6‰~-20.4‰。沉积柱总体有机质的剖面变化显示,末次盛冰期以来南海北部沉积有机质具有海洋和陆地混合来源,但以海洋有机质来源为主。冰期陆源有机质对总有机质的相对贡献比全新世高。末次盛冰期南海北部气候相对干旱,C₄植被发育。全新世夏季风增强、降雨增多。自2.0 ka BP以来,人类活动对南海北部海洋初级生产力产生一定的影响。     

东海陆架中南部末次盛冰期以来的沉积地层及环境演变

对东海中南部陆架R22、R23、R24和R25孔岩心样品进行生物地层学、沉积地层学和年代地层学分析,将钻孔末次盛冰期以来的沉积自上而下划分为浅海相、陆架沙脊相、河口三角洲相3个层位,揭示了钻孔附近区域海进序列的沉积历史,即17~16 ka BP之前的末次盛冰期,本区海水已疏干,沉积了R25孔Ⅳ陆相地层,当时海岸线已退至现今100 m等深线以外;末次盛冰期之后海平面上升,在13~10 ka BP的冰消期,海平面波动式稳定,沉积了本区4孔的Ⅱ层沙脊层;10 ka BP以来,海面上升,直至今日沉积了砂层上覆的Ⅰ粉砂黏土层。在水深较大的R25孔中,还揭示了末次盛冰期前的海退地层序列和沉积环境。     

U_(37)~K指标在南海末次盛冰期表层海水古温度研究中的应用

根据1998年6~9月采集于南海海域沉积岩芯中的浮游有孔虫氧、碳同位素和SiO2、CaCO3地球化学地层序列,标定了南海的年代框架,并应用UK 37指标重建了南海南、北部末次盛冰期以来表层海水的古温度。结果显示:南海南部冰后期和末次盛冰期时UK 37海水表层估温分别为24.5~27.4℃和23.8~25.3℃,平均水温分别为26.3℃和24.3℃。南海北部冰后期和末次盛冰期时UK 37海水表层估温分别为23.3~26.9℃和22.2~23.8℃,平均水温分别为26.6℃和22.8℃。南海北部温差比南部大,也比同一纬度的其它观察点大得多,充分表明南海对气候变化响应的敏感程度远大于开放性大洋,同时也进一步证实了边缘海对于冰期旋回的环境信号具有放大效应。     

南海北部末次冰期古海岸线遗迹及其分布

本文根据大量实测资料，运用地形地貌学、沉积学、古生物学、测年以及地震地层学等方法。论述了南海北部１２０－１５０ｍ水深范围内晚更新世末次冰期古海岸线这的特征及分布规律，对研究晚更新世以来的古地理及古环境有重要的意义 。     

末次盛冰期以来渤、黄、东海陆架底质分布演变过程模拟研究

渤、黄、东海陆架底质的形成分布与末次盛冰期之后的海侵密切相关。末次盛冰期结束、海侵开始以来，潮流是渤、黄、东海陆架上的永久性主导作用应力。为从长期沉积动力演变过程的角度，探讨渤、黄、东海陆架底质形成分布的有关成因问题，利用数值模拟手段，再现了末次盛冰期以来6个时期渤、黄、东海陆架潮流作用下海底的冲淤格局及底质分布。结果表明，扬子浅滩南侧东海外陆架的砂质沉积基本上是自－80m海面以来形成的。扬子浅滩形成于－52m海面之后，于－30m海面时已有一定规模，全新世最大海侵之后，逐渐形成现在规模的扬子浅滩。南黄海中部泥自－52m海面时就已开始形成，－30m海面时范围很大，侵入北黄海，全新世最大海侵以来，逐渐调整到现在的范围。渤海中央泥、北黄海西部泥、浙闽岩外泥、辽东半岛西侧与北侧的砂质沉积、西朝鲜湾与江华湾中的砂质沉积以及苏北浅滩是自全新世最大海侵以来逐渐形成的，海州湾中砂质沉积形成的盛期在公元8世纪之后。济洲岛西南泥、南黄海东部泥很可能分别形成于－30m海面、－52m海面以来。全新世渤、黄、东海陆架底质分布的演变过程大致分为2个阶段：全新世最大海侵之前为渤、黄、东海陆架底质分布宏观格局的形成阶段；全新世最大海侵于今为渤、黄、东海陆架底质分布格局的局部调整阶段。某一特定时期渤、黄、东海陆架的底质分布格局主要受控于此时的潮流动力场。末次盛冰期以来渤、黄、东海陆架底质分布格局的演变主要受控于该区潮流动力场的演变。     

末次冰期以来南海东北部陆源有机碳埋藏通量演变: 海平面和季风驱动

通过分析南海东北部台湾西南岸外MD18-3569柱状样岩芯的总有机碳、总氮和有机碳同位素,探讨了末次冰盛期（LGM）以来南海东北部有机碳通量变化及其驱动机制。结果表明,总有机碳和总氮含量分别为0.13%～0.40%和0.017%～0.061%,均呈冰期高、全新世低的特征;C/N比值和有机碳同位素值分别为5.90～8.58和−25.15‰～−22.61‰,指示了研究站位海陆混合的有机碳来源,海源有机碳主要来自于海洋初级生产者（海洋藻类为主）,陆源有机碳主要来自台湾西南部河流。海陆端元模型计算的海陆有机碳通量结果显示,海源有机碳和陆源有机碳通量分别为0.01～0.12 g·cm⁻²·ka⁻¹和0.05～0.21 g·cm⁻²·ka⁻¹。LGM以来,海源有机碳通量总体呈下降趋势,冰期高海源有机碳通量可能是由于冰期较强的东亚冬季风加强了海水垂向混合,导致上层海水营养物质含量升高,从而提高了海洋初级生产力;陆源有机碳通量呈自LGM以来的上升趋势,可能主要受到东亚夏季风带来的降水对台湾西南河流通量的影响,冰期以来的海平面变化通过改变河口位置也对这一过程起到了一定作用。这表明LGM以来,东亚季风系统对南海东北部有机碳埋藏过程具有非常重要的影响。

     

Sea level induced variations in clay mineral composition in the southwestern South China Sea over the past 17,000 yr

Variations in clay mineral composition of sediment cores from the margin and continental slope of the Sunda Shelf (southern South China Sea, SE Asia) covering the past 17,000 yr reflect changing influences of sediment sources together with clay mineral partitioning processes in shallow waters. We identify the deglacial sea level rise as the principal factor driving these changes. During the late glacial, high values of kaolinite are interpreted to reflect a higher contribution of clays from soils that have formed on the exposed Sunda Shelf and in the southern archipelagos of Indonesia. At this time core sites were located in close proximity to the mouths of the Sunda Shelf palaeo-drainage systems on the emerged shelf (“Sundaland”). The progressive landward displacement of the coastline and breakdown of these vast drainage systems during deglaciation led to a decrease in influence of the kaolinite-rich southern sources. When the coastline had retreated closely to its present-day position in mid-Holocene times, the former dominance of southern sources was replaced by a stronger influence of illite-rich sources (e.g. Borneo). The overriding control of sea level changes on the clay mineral distribution patterns precludes a definite climatic interpretation of clay mineral data in terms of climatic/monsoonal changes in such highly dynamic sedimentary environment.     

末次盛冰期以来巴伦支海-喀拉海古海洋环境及海冰研究进展

巴伦支海-喀拉海是北冰洋最大的边缘海,能够对环境变化做出快速的响应和反馈,是全球气候变化最为敏感的区域之一,其古海洋环境演变及海冰变化研究是全球气候变化研究的重要组成部分。末次盛冰期以来,该区域的古海洋环境受到太阳辐射、海流强度、海平面变化、温盐环流和河流输入等因素影响发生了一系列不同尺度的波动。巴伦支海受到北大西洋暖水和极地冷水两大水团相互作用的影响,在水团交界处 （极锋) 由于不同水团性质的差异,导致其海水温度、盐度及海冰发生剧烈变化。而喀拉海则受到叶尼塞河和鄂毕河大量淡水输入影响,海流系统较巴伦支海相对复杂,沉积物主要来源于河流输入的陆源物质,并可以通过磁化率的分析明确区分两条河流的陆源物质。由于受到冷水和暖水的相互作用,巴伦支海-喀拉海海冰变化迅速,并且在全新世中晚期存在 0.4 ka 和 0.95 ka 的变化周期,但海冰变化的影响因素并不是单一的,而是气候系统内部各因子相互作用的结果。目前古海冰重建研究工作主要为定性研究,定量研究相对较少,所选用的重建指标也相对单一,另外存在年代框架差、分辨率低等不足。本文以巴伦支海和喀拉海为中心,总结了其快速气候突变事件、古温度盐度、海平面及海冰的变化,对影响因素进行了探讨,并通过分析末次盛冰期以来古海洋环境研究的不足,提出了相应的展望。     

南极罗斯海末次冰盛期以来的古生产力变迁

研究罗斯海古生产力的目的在于揭示南极地区过去的气候变化和生态系统演变,为预测未来气候变化影响和提高气候模型准确性提供关键信息。通过对南极罗斯海ANT32-RB16C岩芯沉积物的有机碳、氮及同位素和主、微量元素等测试分析,重建了自24.8 cal.kaBP（末次冰盛期）以来的罗斯海研究区古生产力演变史。结果显示,ANT32-RB16C站位的沉积记录较好地反映了罗斯海在末次冰盛期、末次冰消期与全新世的古生产力变化情况,该地古生产力的演变趋势与南极地区的气温变化基本一致,整体表现为在温暖时期较高、寒冷时期较低的特征：24.8～17.5 cal.kaBP,海洋生产力较低;17.5～11.7 cal.kaBP,海洋生产力由低到高转变;11.7～0 cal.kaBP,海洋生产力逐渐恢复。罗斯海古生产力的演变受地区气候变化的影响较为明显,尤其是南极冷反转、新仙女木与小冰期等几次气候变化事件对研究区古生产力的影响较大。同时,海冰与营养盐含量的变化等也是影响罗斯海末次盛冰期以来古生产力演变的重要因素：在冷期,研究区的海冰覆盖及表层水分层增强,导致富含营养盐的深层水的上升减缓;同时表层海水中的硝酸盐等物质相对缺乏,海洋生产力总体较低。     

末次盛冰期以来挪威海北部陆源物质输入对气候变化的响应

北大西洋记录的末次冰期以来千年尺度快速气候变化对研究未来气候突变具有重要意义。对取自挪威海北部ACR5-BB03岩心进行了沉积物粒度组成、AMS¹⁴C测年、颜色反射率和高分辨率XRF地球化学元素无损扫描测试,运用因子分析方法判别了不同来源沉积物的地球化学组成差异,并与末次盛冰期以来北大西洋海洋循环机制和气候变化对比分析,讨论了海洋环境变化对沉积物来源的影响和制约机制。结果显示,末次盛冰期以来挪威海北部沉积物组成经历了剧烈变化,可与北大西洋暖流、冰盖消融、温盐环流和北大西洋深层水的变化密切关联。21.5 cal.kaBP之前沉积物粒度和化学组成特征与之后明显不同,陆源物质占优势,并以一种有序的层状膨胀性矿物层的出现为特征,表明此时海冰扩张带来的冰筏碎屑物质使得挪威海陆源物质输入增强和颗粒粗化;21.5~16.5 cal.kaBP期间生源物质贡献增强,陆源物质含量减少,预示了北大西洋暖流的向北极入侵和挪威海水体的垂向交换增强;16.5~10 cal.kaBP期间生源物质含量又出现了阶段性减少,陆源物质贡献增强,说明冰消期频繁变化的冰融水输入和北大西洋暖流强度对挪威海物质来源的影响;10 cal.kaBP以来,生源组分迅速增加,且变化频率和幅度同时加剧,北大西洋暖流的强弱波动及其导致的温盐环流变化是挪威海物质来源的控制因素。     

基于浮游有孔虫Mg/Ca温度重建的末次盛冰期以来北欧海次表层温度的变化

对我国第五次北极科考在北欧海所采集的两根岩芯样品进行了冰筏碎屑(Ice-Rafted Debris,IRD)丰度、AMS 14C测年、有孔虫丰度统计、浮游有孔虫Neogloboquadrina pachyderma(sin.)(Nps)稳定氧碳同位素及其Mg/Ca重建的次表层海水古温度等指标分析,建立了20ka以来的年代框架。结果表明,在末次盛冰期(20.0~17.5kaBP),次表层温度整体较低(~3℃),钙质生产力下降,冰筏碎屑输入增加;在冰消期(17.5~11.7kaBP)的Heinrich Stadial 1(HS1)事件中较轻的δ^18O和δ^13C指示大量淡水输入,水体分层加剧,向北输送的北大西洋水聚集在次表层,导致次表层水温逐渐升高。从B?lling-Aller?d(B/A)事件开始,次表层水温度达到4.5℃,表明北大西洋水流入增强。早全新世(11.7~8.2kaBP)早期次表层温度达到6.5℃,钙质生产力升高,冰筏碎屑输入降低;在中全新世(8.2~4.2kaBP)早期(8.2~5.6kaBP),钙质生产力逐渐升高反映通风作用增强,导致营养盐供应增加;6.6~5.6kaBP,明显降低的次表层温度(~4℃)反映夏季太阳辐射量降低以及大西洋水流入减弱;5.6~4.2kaBP期间次表层水变暖导致δ^18O偏轻,而δ^13C轻值反映生产力降低。晚全新世(4.2~0.8kaBP)的新冰期(4.2~3.0kaBP),次表层温度逐渐降低,Nps-δ^13C偏轻反映生产力下降,Nps-δ^18O偏轻以及IRD增加反映冰融水排放。3.0kaBP以来,生产力上升,次表层水体温度不断上升,可能是向北输送的北大西洋水增强。