古生产力的不同记录

1．地球化学指标

（1）碳酸盐。海底沉积物中Ca CO3含量的变化是一项对气候环境敏感的地球化学指标。控制沉积物中碳酸盐含量的因素较为复杂，主要包括：①陆源物质的供给速率。陆源碎屑物质左右着沉积物中Ca CO3的含量变化，在海水表层生产力没有明显变化的情况下，大量陆源物质的输入无疑会稀释沉积物中Ca CO3的相对含量，因此碳酸盐含量与陆源物质的供给量成反比。②钙质物质的供给速率即钙质生物生产力，主要包括有孔虫、钙质超微化石以及翼足类的生产率，而这些生源物质的生产力变化显然与气候变化密切相关，总体而言，在CCD（碳酸盐溶解补偿界面）之上，钙质生物生产率高，则向海底输出的钙质物质就越多，相应的沉积物中的碳酸盐相对含量就越高。③碳酸盐溶解作用强度，海水对于碳酸盐的溶解作用对于其下部沉积物中的碳酸盐含量有着决定性的影响，尤其是底层海水对于暴露在沉积物表面的碳酸盐的溶解作用强度，取决于底层水中总溶解CO2含量的高低，而最终由CO2－3浓度，也就是Ca CO3的饱和度所控制。

在远离大陆的开阔海区，海底沉积物中Ca CO3的主要来源是生物活动，而在靠近大陆的边缘海区，陆源物质的直接输入对沉积物的组成有重大影响，其中不可避免地有因风化作用产生的陆源碎屑Ca CO3的输入，但一般来说，除了河口三角洲地带，其质量与粗颗粒的生物成因Ca CO3相比可以忽略不计。因此，边缘海沉积物中Ca CO3的来源主要是生物活动，沉积物中的碳酸钙含量主要受上层水体中钙质生物生产力和溶解作用的控制，受非碳酸盐成分和陆源物质冲淡作用影响较小。

本次研究的3个钻孔水深均位于CCD之上，所以受溶解作用相对影响小。从图6－1可以看出SA08－901、SA09－90和SA13－76 3个柱样中Ca CO3变化趋势较相似，总体来说均表现为冰期为低值，冰消期升高，冰消期后期有所降低，全新世期间又开始升高。SA13－76孔无论是冰期还是间冰期，Ca CO3含量均较低，由于该孔水深最接近碳酸盐溶跃面，Ca CO3溶解作用相对较强，但从MIS5到MIS1期Ca CO3含量也相应表现出高—低—高—低—高的变化规律；该SA08－34孔在MIS3期与MIS2期相比表现出更低的值，可能是受到了较强的溶解作用，通过地球化学元素分析也表明该段为溶解作用的结果；SA09－90孔在末次冰期为陆地沉积，所测的Ca CO3含量主要是存在于陆源碎屑中的，所以极其微少，冰消期—全新世被海水淹没后含量才开始急促上升。这些柱样的Ca CO3含量的变化相应地反映了这些研究区域古生产力的演变趋势，表明南海西、南部在间冰期对应较高的生产力，冰期为低的生产力。

（2）生物钡（Babio）。近年来很多学者一直在探索更为有效的生产力标志，以自生成因重晶石为主要赋存形式的生物钡是其中一种较理想的标志。一方面由于自生成因重晶石较低的溶解率且在氧化至弱氧化环境下不受早期成岩作用的影响，使得其在地质记录中具有较高的保存率（Dymond，1992），另外，Ba是一种惰性元素，在海洋中停留时间较长，相对于其他生产力指标来说有很大一部分在早期降解作用中固存下来，并且生源Ba通量与有机碳通量有着很好的相关性（田正隆等，2004）；另一方面沉积物捕获器获取的资料表明它和表层海洋新生产力即碳的输出通量之间存在着显著的且是可预测的正相关性（陈建芳，2002）。用海洋沉积物中Ba作为反演古生产力的指标已成为古海洋研究中的重要方法之一，Ba很适合作为古生产力的指标（陈建芳，2002）。因此海洋沉积物中生物钡含量作为古输出生产力的指标，已经被用于半深海（Ganeshram，1998；Klump，2001）和深海（Schmitz，1987；Paytan et al．，1996；Bonn et al．，1998；Prakash et al．，2002）的古生产力研究中。

生物钡作为海洋生产力的一个指标，最大的不确定性在于沉积物中陆源钡的输入，在陆源成分丰富的沉积物中生物源的钡不能直接测试出来，只有通过标准化计算来得到。不同区域的陆源物质或大陆地壳都有一个固定的Ba／Al重量百分比，在确定了陆源物质的Ba／Al比后，可以依据沉积物中Al的含量间接计算出生物源钡的含量（Dymond，1992）。生物钡（Babio）百分含量的标准化计算，依据下列算法（Dymond，1992）进行：

Babio＝Batot－Baterr

Baterr＝Altot×（Ba／Al）terr

式中：Babio指沉积物中生物钡的百分含量；Batot指沉积物中总钡的百分含量；Baterr指沉积物中陆源钡的百分含量；Altot指沉积物中总Al的百分含量；（Ba／Al）terr指陆源物质或地壳中Ba与Al的重量百分比（Dymond，1992）。本次陆源物质的Ba／Al重量百分比采用了长江沉积物的Ba／Al比：0．004 1（赵一阳等，1994）。

图6－16为SA08－34柱样岩芯沉积物生源钡含量变化曲线。S08－34柱样岩芯生源钡的含量平均值为278mg／kg，变化范围从135．3～586．8mg／kg。Dymond（1992）认为，随着沉积物中陆源物质含量的增加，以钡为指标进行古生产力估算的可信度会降低，本柱样岩芯生源钡占总钡的44．3％，因此适合以钡作为古生产力指标。SA09－90柱样由于在末次冰期出露呈陆，生源物质含量极少，所以不适合以钡作为古生产力指标。从图6－18可以看出SA08－34柱样中生物钡含量在MIS1期最高，平均值为406．6mg／kg，MIS2期最低，平均值为232．2mg／kg，MIS3期略高于MIS2期，平均值为257．9mg／kg，MIS3至MIS2期以来总体呈下降趋势，最高值出现在冰消期，为586．83mg／kg，之后迅速减小至较稳定变化。总的说来，海洋生产力在间冰期与冰期交替时期会出现转折点，即生产力水平的高低转变；冰期结束进入间冰期（冰后期），生产力水平有了明显的逐渐升高。末次盛冰期结束后进入冰后期，南海冬季风明显减弱，夏季风增强，并于全新世早期约10ka BP达到最大（翦知湣等，1999），大量的夏季风降雨导致河流输入的营养物增多，从而使得南海南部的表层古生产力显著提高。

图6－16 SA08－34孔的生源钡变化

2．微体古生物指标

（1）硅藻。硅藻和放射虫等硅质微体浮游生物是海洋沉积物中微体生物类群的重要组成部分，硅质类微体生物在生长发育、壳体的保存和成岩过程等方面与钙质微体浮游生物有显著的差别，更重要的是硅质微体浮游生物趋向于在高生产力区（如沿岸和赤道上升流区、亚极地海区等）富集（Lisitzin，1972；Schrader ＆Schuette，1981）；相反钙质浮游生物却在大洋环流的中央水体中占优势，而在世界海洋的高生产力区域相对较少（Takahashi，1997）。海洋生产力是受海洋物理因素的影响，特别是在大陆边缘的上升流发育区，上层水体的垂直混合作用调节着营养物质从次表层向上的供应，而营养物质的供应速率主要是由生物生产力控制的，硅藻又是典型的高生产力区域的初级生产者（Hebbeln et al．，2002），因此在这些区域占绝对优势的硅藻可以提供丰富的有关生物生产力的信息。

从图6－17两孔的硅藻丰度变化对比来看，SA08－34和SA13－76孔硅藻丰度变化范围均较大，但都分别与氧同位素分期相对应，表现出一定的旋回变化。由图可以看出两孔总体上变化趋势相同，除了SA13－76孔存在浊流沉积层，相对应这些层位几乎见不到硅藻而表现异常外，硅藻丰度在1、3、5期表现出高值，2、4期表现出低值。根据表层沉积硅藻研究所提取的生产力判别指标，长海毛藻的相对丰度与硅藻丰度变化趋势较一致，同样表现出这样的旋回特征，指示了在南海西、南部古生产力呈相同的变化趋势，1、3、5期表层生产力高，2、4期低。但在氧同位素分期间表层生产力也存在一定的突变，初步推测是由于气候突变而导致的。通过硅藻丰度的突变可以看出在MIS5期以来有多次气候突变事件，反映出气候的不稳定性。这两个孔均表现出这样的特征，推测主要是因为这些区域均受东亚夏季风的影响，夏季风在不同时期的强弱变化导致了生产力的变化。

（2）浮游有孔虫。除了作为初级生产者的藻类以外，以这些藻类为食的海洋浮游动物（如有孔虫等）也是海洋“生物泵”的重要组成部分，它们通过分泌钙质壳体将溶解在水中的CO2固定，并通过沉降作用将其“泵”入深海，构成全球碳循环的重要环节。研究表明，浮游有孔虫的繁盛直接与表层海水营养盐含量相关，生活在海洋上层水体中的浮游有孔虫是单细胞生物的一个重要类群，在全球海洋环境中有广阔的分布范围，它们在海洋食物链中处于相对较低的初级消费者的位置，同时浮游有孔虫的生产量也是海洋生物量的重要组成部分，所以它们所记录的古生态环境就成为整个海洋微体古生物群生态环境的一个重要组成部分。因此浮游有孔虫的丰度变化也是古生产力的一个比较直观的指标。SA08－34孔的取样水深处于现代碳酸盐溶跃面之上，所以其有孔虫的丰度变化可以反映该区钙质生物的生产力。根据吴庐山等（2006）对该孔浮游有孔虫的研究，其丰度总体表现为冰期小，冰后期大的变化趋势。冰后期总浮游有孔虫丰度为全柱最高，达700～4 579个／g，平均为2 006个／g，丰度波动幅度大。冰期总浮游有孔虫丰度明显降低，为106～2 285个／g，平均约780个／g，变化相对较稳定。基于有孔虫记录反映出来的古生产力变动趋势与基于地球化学指标的变化趋势基本一致，然而Ca－CO3和有孔虫丰度变化反映的仅仅是钙质生物总的生产力，故依据它们的变化只可以推断古生产力变化的一个方面。

图6－17 两孔的硅藻丰度对比

（a）、（b）．SA08－34孔；（c）、（d）．SA13－76孔