三亚湾海水中Sr/Ca、Mg/Ca 变化及对珊瑚微量元素温度计的响应

对海南岛南岸三亚湾海水2008~2009年周间隔取样,用全谱直读等离子体原子发射光谱(ICP-AES)分析方法对其Sr、Mg、Ca的含量m(Sr)、m(Mg)、m(Ca)进行了测定。结果显示,m(Sr)/m(Ca)=8.558×10-3~9.227×10-3、m(Mg)/m(Ca)=4.924~5.403,与全球各大洋和主要珊瑚礁区有明显的高异常偏差,而且在春末夏初和秋末冬初两个过渡期,三亚湾海水m(Sr)/m(Ca)波动幅度比m(Mg)/m(Ca)相对较大,且体现了一定的差异性。在此基础上,结合海水的m(Sr)/m(Ca)、m(Mg)/m(Ca)在时间和地域空间上的变化对珊瑚温度计标定的影响,对不同站点建立的珊瑚m(Sr)/m(Ca)温度计进行了重新校正,并与分配系数法对比分析,我们认为利用珊瑚的m(Sr)/m(Ca)、m(Mg)/m(Ca)重建古海水表面温度(SST)记录时必须综合考虑包括海水微量元素比值变化在内的各种影响因素对温度计标定的干扰,为进一步了解气候环境演变具有重要意义。     

热带海洋珊瑚Sr/Ca、Mg/Ca温度计的研究及其意义

珊瑚以其独特的生物学及生态学特性成为研究热带海洋环境的重要信息载体。阐明了珊瑚微量元素Sr／Ca、Mg／Ca温度计的建立基础、测定方法、研究成果、环境意义、争论问题及进一步研究的设想。多种海表温度计的对比研究,为现代和古海洋环境的重建、探索气候的变率与特征事件(冷暖、旱涝、ENSO等)的关联以及为预测未来气候变化的趋势提供科学的判据。     

南海北部冷泉碳酸盐岩中钙质生物壳体和自生碳酸盐矿物的Mg/Ca、Sr/Ca及其环境指示

南海北部冷泉碳酸盐岩具有包裹结构和孔洞结构,并且含有丰富的生物遗迹。利用电子探针对位于不同结构单元(包裹结构和基质)的自生碳酸盐矿物和钙质生物壳体进行了Mg/Ca和Sr/Ca分析,结果显示:自生碳酸盐矿物Mg/Ca变化范围为0.50~39.19mmol/mol,平均为12.50mmol/mol,Sr/Ca变化范围为0.06~2.90mmol/mol,平均为0.53mmol/mol;钙质生物壳体Mg/Ca变化范围为1.14~84.57mmol/mol,平均为24.57mmol/mol,Sr/Ca变化范围为0.77~1.84mmol/mol,平均为1.08mmol/mol。Mg/Ca和Sr/Ca的关系显示自生碳酸盐矿物均具有低到中等的Mg/Ca、低Sr/Ca的特征,没有明显分组现象;但是钙质生物壳体却根据其在岩石中的结构位置呈现明显的分组现象,基质钙质生物壳体具有高Mg/Ca、中等Sr/Ca的特征,包裹的钙质生物壳体具有低Mg/Ca、中等Sr/Ca的特征。根据碳酸盐矿物和钙质生物壳体的Mg/Ca特征,认为基质钙质生物壳体是在甲烷渗漏环境下钙化的,无机碳酸盐矿物的出现影响了其Mg/Ca;而包裹的钙质生物壳体是在非甲烷渗漏环境下钙化的,由于生物扰动、灌洗等作用以包裹团块的形式保存在碳酸盐岩中。依据Sr/Ca在成岩过程中的变化特点推测最初形成的基质钙质生物壳体可能具有较现在高的Sr/Ca。研究结果在甲烷渗漏信息地球化学指标提取方面具有一定意义。     

海水酸化对鹿角珊瑚光谱特性影响的分析

海水酸化造成全球珊瑚礁严重退化,应用卫星遥感手段可以快速地对珊瑚礁进行监测。在野外做酸度对比实验具有条件不易控制、周期长等局限性。文章提出一种室内测量珊瑚光谱的方法,通过比较不同酸度梯度下珊瑚光谱的变化,为研究海水酸化对珊瑚的影响提供了一种新的思路。试验采用7.6、7.9和8.1的酸度梯度,结果表明:在pH为8.1和7.9环境条件下,珊瑚的光谱趋势大体一致,总体上珊瑚光谱波峰出现了向长波方向的红移。但是在pH为7.6的条件下,珊瑚的光谱在650~700nm之间出现一个反常的吸收谷,这是由于pH 7.6的酸度条件适宜一些藻类生长,藻类附着在珊瑚表面,从而影响了其光谱特性。     

淡水径流影响下珊瑚温度计(B/Ca、Mg/Ca、Sr/Ca、U/Ca和δ18O)的稳定性测试

对南海北部珠江口采集的滨珊瑚骨骼地球化学温度计指标B/Ca、Mg/Ca、Sr/Ca、U/Ca和δ¹⁸O进行了分析,目的在于测试这些地化指标在径流冲淡水影响下的稳定性.测试方法是将各个地化指标与水温对比并进行相关性分析.结果表明,Sr/Ca比值与当地水温有最好的相关性(r²=0.59),说明Sr/Ca是最稳定的温度计指标.而δ¹⁸O(r²=0.46)、B/Ca(r²=0.43)和U/Ca(r²=0.41)与水温的相关系数相对较低,说明这些指标除受到水温控制以外还受到其他环境因素的影响.在这些指标中,相关性最低的是Mg/Ca(r²=0.27),说明Mg/Ca受到除水温以外的因素影响最为显著,这就限制了Mg/Ca作为有效的温度计指标应用于古气候重建的研究.     

有孔虫的高精度Mg/Ca比值的ICP-AES分析

利用等离子体光谱(ICP AES)建立了测量高精度有孔虫Mg/Ca比值的分析方法,并分别对仪器分析误差、残留的铁锰氧化物盖层的影响、有孔虫清洗过程以及有孔虫个体差异等因素对最终结果可能产生的误差进行评估。结果显示:Mg/Ca比值的ICP AES测量的外部精度可达0.3%左右,其引起的温度误差小于±0.1℃;清洗后残留的铁锰氧化物覆盖层中Mg、Ca引起的Mg/Ca比值误差为0.2%～2.7%,引起的温度偏高约0.2℃;有孔虫个体的Mg/Ca比值的差异为0.2%～3.6%,这种差异引起的温度误差为±(0.2～0.4)℃。综合考虑这些因素,利用有孔虫Mg/Ca比值重建表层海水温度(SST)记录时,获得的温度结果的误差在±0.5℃之内,可以满足冰期/间冰期气候变化过程中SST变化研究的要求。     

印-太暖池区全新世Mg/Ca温度转换中的盐度因素

有孔虫Mg/Ca温度计是古海洋学研究中恢复古温度的重要手段之一。然而,越来越多的研究表明,Mg/Ca温度计的准确性受多种因素的影响,特别是盐度的控制十分重要。文章实测并搜集整理了印-太暖池地区全新世(大约11kaB.P.以来)1000余个浮游有孔虫Mg/Ca比值数据,分别利用包含和不包含盐度信息的两个常用转换方程求取了古海水温度,并将二者进行了对比,旨在探讨盐度因素对Mg/Ca温度计的影响。结果显示,在表层水温大约28℃以下,两个方程获得的结果几乎一致,平均差异为0.07℃;在表层水温28℃以上,二者平均相差大约1℃。此外,表层海水盐度越低,包含盐度信息的转换方程获得的古海水氧同位素的值越大。上述结果揭示盐度对该地区有孔虫Mg/Ca比值的影响效应不明显。     

三亚湾海水温度季节变化及溶解无机氮的垂直分布特征

根据2000年4月－2001年3月在三亚湾的定点现场观测资料分析结果表明：6－8月份受外来冷水上升流的入侵和影响，使该湾水域在该季节形成明显的温跃层，底部和中部有明显的低温层。在上升流入侵期间，该湾水域平均温跃层强度为0．138－0．283℃.m^-1，最大温跃层强度为419－0．440℃.m^-1，底部最低水温在22℃左右。9月－翌年3月温跃层消失，海水混合流动充分，温度垂直分布均匀。3月份水温开始升高，至5月水温总体升至最高，并由于高气温及强太阳的辐射作用，5月份形成温跃层。溶解无机氮（DIN）的分布特征表明，硝酸盐、亚硝酸盐在冷水上升流入侵季节，其含量明显提高，比平时分别提高：10．20％（表层）、37．20％（中层）、83．81％（底层）和60．04％（表层）、82．96％（中层）、119．41％（底层）。氨态氮不直接受上升流影响，但季节变化特征明显。     

海南岛滨珊瑚δ18O对环境条件的响应

利用采自海南岛东岸沙老岸礁的活体橙黄滨珊瑚岩心,测试了其中11 a (1992-2002)的珊瑚骨骼氧同位素组成。通过与同期观测记录的海洋表面温度、海洋表层盐度进行比较分析,提出珊瑚δ18O对环境条件变化的响应特征。该地区珊瑚δ18O的年际变化主要受海洋表面温度的控制,而以夏季为代表的季节性变化则主要受海洋表层盐度的影响。     

滨珊瑚Sr/Ca的种间和种内差异性*

滨珊瑚骨骼的锶和钙元素的比值(Sr/Ca)是重建热带海区海水表面温度(sea surface temperature, SST)变化最常用的地球化学代用指标之一。但是, 珊瑚作为生物体, 其生理活动会对骨骼内的Sr/Ca产生干扰从而影响重建的准确度。文章采用全谱直读等离子体原子发射光谱(Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer, ICP-OES)技术对南海北部涠洲岛两块滨珊瑚的Sr/Ca比值进行测量, 并结合卫星观测的SST值分别建立各个珊瑚个体的Sr/Ca-SST温度计方程。结果显示: 1) 该研究采集的两种滨珊瑚(澄黄滨珊瑚和普哥滨珊瑚)的Sr/Ca值和温度计具有显著的种间差异。因此在古气候重建时, 建议古珊瑚和现代珊瑚严格使用同一种滨珊瑚; 2) 同种滨珊瑚不同个体之间的Sr/Ca也存在差异性, 一方面是由于冬、夏季的极端低、高温对珊瑚生理产生胁迫, 从而造成Sr/Ca出现异常值; 另一方面则是取样误差导致, 尤其是夏季高温和冬季低温时期; 3) 同一珊瑚个体内的不同生长轴的生长率存在显著差异, 然而Sr/Ca却没有显著的差异性, 说明不同生长轴的取样对骨骼Sr/Ca没有显著影响。最后, 文章用多样品的平均值建立Sr/Ca温度计方程, 用于减小个体之间的差异性带来的误差, 得到Sr/Ca(mmol·mol^-1)= -0.04027×SST(℃)+9.623的方程。用该温度计对涠洲岛海域的SST后报的误差为±0.6℃(1σ), 达到了古海温重建的精度需求。     

海南岛三亚湾浮游植物和细菌生物量时空分布特征及环境制约因素研究

根据2005年1,4,7和10月4个季度代表月份在海南岛三亚湾进行的现场综合调查资料,分析了海区浮游植物和浮游细菌生物量的空间分布及季节变异特征,探讨了它们与温度,DIN,PO₄3-,DO,BOD₅等生态环境因子的关系.结果表明,三亚湾海区2005年平均叶绿素a浓度为:(2.48±2.97)mg/m3,浮游植物生物量(C)为:(124.2±148.3)mg/m3,浮游植物生物量秋季最高,其他季节差异不大,除夏季外,浮游植物生物量(C)均表现为:表层大于底层;年平均浮游细菌丰度为(6.90±2.95)×108个/dm3,细菌生物量(C)为(13.79±5.90)mg/m3,细菌生物量夏季最高,往下依次为冬季、春季和秋季,且4个季节均为表层大于底层.4个季节表、底层浮游植物和细菌生物量的空间分布特征明显,均表现为从近岸的三亚河口往外海逐渐降低的趋势,三亚河的陆源输送和入海扩散是造成此分布特征的主要原因.无机营养盐中,DIN是调控浮游植物和细菌生物量的主导因子.位于热带的三亚湾,温度不成为影响二者季节差异的主要因子.浮游细菌生物量和浮游植物生物量的比值BB/PB为:0.06~0.15(平均为0.12),三亚湾浮游植物生物量和浮游细菌生物量间的相关性非常显著(P<0.01),初级生产是影响水域浮游细菌分布的重要因素.     

南黄海牡蛎壳元素组成的原位微区分析及环境指示

碳酸盐生物壳体的周期性生长纹层是记录气候环境变化的天然材料。随着原位微区测试技术的快速发展,高分辨率的同位素和化学元素组成的快速分析显著推动了古气候环境变化及生物地球化学研究。应用激光剥蚀等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）对南黄海现代牡蛎Crassostrea gigas壳体韧带部的元素组成进行原位微区测试,利用内标元素43Ca进行元素比值的校正,探讨了牡蛎壳中化学元素特征及其环境意义。研究的长牡蛎壳体中Mg/Ca、Sr/Ca、Na/Ca比值具有显著的季节性周期变化。环境水体物理化学性质的变化对壳体生长速率影响较大,壳中白垩质方解石和叶片方解石生长层分别对应较高和较低的环境温度,白垩方解石层具有较高的Mg/Ca、Sr/Ca和较低的Na/Ca比值。Mg/Ca比值可指示牡蛎壳体生长环境水体温度,利用前人Mg/Ca比值公式计算可以恢复与器测资料相符的近岸海水温度结果。本研究对应用LA-ICP-MS分析技术开展高分辨率的生物壳体元素组成和环境示踪研究具有借鉴意义。     

南海北部涠洲岛海域Merulinidae珊瑚文石骨骼和海水间微量元素分配系数：来自珊瑚种属和瑞利分馏的影响

微量元素在珊瑚文石骨骼和海水间的分配过程是控制海水中微量元素进入珊瑚骨骼的关键环节,表征该分配过程的分配系数（K_D）常用于时间序列上的海水微量元素含量重建。由于缺乏珊瑚和海水的原位研究,我们对珊瑚文石骨骼与海水之间微量元素的分配行为的了解非常有限,这严重阻碍了我们对于准确的海水化学定量数据的获取。本研究中,我们选取了南海北部涠洲岛海域的两种典型的造礁石珊瑚种（网状菊花珊瑚（Goniastrea retiformis）和八重山扁脑珊瑚（Platygyra yaeyamaensis））和周围原位表层海水中的5种微量元素（Cu、Zn、Pb、Cd和Cr）进行研究,估算了这些微量元素在珊瑚文石骨骼和海水之间的分配系数。研究结果表明：各个微量元素在网状菊花珊瑚和八重山扁脑珊瑚文石骨骼和海水间的分配系数分别为3.65和3.49（Cu）;0.57和0.97（Zn）;1.06和1.42（Pb）;0.88和1.01（Cd）;0.66和0.60（Cr）。结合前人报道的各个种属珊瑚的分配系数,我们发现不同珊瑚种属Cu、Zn、Pb和Cd的K_D值存在显著差异,而Cr的K_D值差异则相对较小。此外,微量元素K_D值还在一定程度上受到瑞利分馏的影响,该影响与K_D值的大小有关。本研究为珊瑚文石骨骼和海水间分配系数提供了较为准确的K_D值,为未来的珊瑚研究提供了重要的基础数据,并扩展了我们对海洋生物成因矿物晶格的化学特征的认识。     

High-resolution trace element profiles in shells of the mangrove bivalve Isognomon ephippium: a record of environmental spatio-temporal variations?

The shell chemistry of Isognomon ephippium from three Kenyan sites (Tudor, Gazi and Mida) has been investigated to determine whether these bivalves record environmental parameters. The Mg, Sr, Ba and Mn distributions in the calcite shell layer were determined by using laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry (LA-ICP-MS). In addition, whole-shell analyses were made to evaluate inter-site differences. While some variability is observed for mean Mg concentrations, the mean Sr concentrations were similar for the three sites. The decreasing mean Ba and Mn concentrations, following the order Tudor > Gazi > Mida, are related to distinct regimes of freshwater and nutrient supply. The Mg profiles, determined by LA-ICP-MS, displayed a close to regular sinusoidal pattern, depending on specimen and sample site. For the Tudor shells, an arbitrary fitting of the Mg profiles to sea-surface temperature (SST) variations emphasised the good relationship between these two parameters and allowed for the calculation of mean annual growth rates. In most of the shells, Sr partly co-varied with Mg and Ba, highlighting the complexity of Sr incorporation. The Ba and Mn profiles of the Tudor shells displayed several sharp maxima. With a time scale deduced from the Mg–SST relationship, the Ba and Mn maxima of the Tudor shells closely followed periods of maximal rainfall associated with the southeast monsoon. These Ba and Mn maxima were tentatively associated with algal bloom events known to succeed these periods of high rainfall. The less clearly marked seasonality of the Ba and Mn maxima for the Gazi and Mida specimens is thought to result from weaker seasonal variations in nutrient supply and reduced nutrients inputs. This study highlights the potential of I. ephippium as a recorder of spatio-temporal environmental variations in tropical coastal ecosystems.     

Mean water level setup/setdown in the inlet-lagoon system induced by tidal action-a case study of Xincun Inlet, Hainan Island in China

With the tides propagating from the open sea to the lagoon, the mean water level （MWL） in the inlet and lagoon becomes different from that at the open sea, and a setup/setdown is generated. The change of MWL （setup/setdown） in the system imposes a great impact on regulating the development of tidal marshes, on determining the long-term water level for harbor maintenance, on the planning for the water front development with the flood control for the possible inundation, and on the interpretation of the historical sea level change when using tidal marsh peat deposits in the lagoon as the indicator for open sea＇ s sea level. In this case study on the mechanisms which control the setup/setdown in Xincun Inlet, Hainan in China, the 2-D barotropic mode of Eulerian - Lagrangian CIRCulation （ELCIRC） model was utilized. After model calibration and verification, a series of numerical experiments were conducted to examine the effects of bottom friction and advection terms, wetting and drying of intertidal areas, bathymetry and boundary conditions on the setup/setdown in the system. The modeling results show that setup occurs over the inlet and lagoon areas with an order of one tenth of the tide range at the entrance. The larger the bottom friction is, a larger setup is generated. Without the advection term, the setup is reduced clue to a decrease of water level gradient to compensate for the disappearance of the advection term. Even without overtides, a setup can still be developed in the system. Sea level rise and dredging in the inlet and tidal channel can cause a decrease of setup in the system, whereas shoaling of the system can increase the setup. The uniqueness of the Xincun Inlet with respect to MWL change is that there is no evident setdown in the inlet, which can be attributed to the complex geometry and bathymetry associated with the inlet system.