南海西沙永乐群岛海鸟古生态变化过程的稳定同位素研究

The historical records of seabird population on the Dongdao Island and Ganquan Island of Xisha Archipelago,South China Sea over the past two millennia have been reconstructed in our previous studies. The complex processes that alter or maintain seabird population, however, still remain unclear. To understand these processes, we must examine the possible mechanisms that cause changes in seabird population, by characterizing stable isotopic signatures recored in the ancient bird tissues. A large number of fossil bird remains (e.g.guano particle, fish/bird bone, eggshell etc.) were found to be well preserved in the ornithogenic sediment sequences on the Yongle Islands of Xisha archipelago. In the proposed project, we will focus on the analysis of stable isotopic compositions in these well-preserved bird remains, and consequently reconstruct the records of historical seabird population, seabirds'palaeo-diet and foraging strategy. By compare and contrast between seabird population and local/global climate records, we will be able to decode how climate changes impacted seabird population, and evaluate how the eco-environment of seabird-inhabited coral islands were modified in response to these changes. Identifying the different roles of climate and anthropogenic activities in influencing ecological processes of seabirds will help us clarify the ultimate reasons for the past seabird population changes, as well as for its recent rapid recession even to almost extinction on the Yongle Islands. This project will provide much needed information about how best to interpret the biogeochemical interplay between the ocean, the oceanic islands, the biosphere, and climate. Also, the results of the proposed project will be helpful for assessing risks of global warming on fragile coral island ecosystems and for predicting future eco-environmental changes.

我们前期工作已恢复出西沙东岛和甘泉岛过去2000年海鸟数量变化记录，但对海鸟数量变化的原因和机制尚不清楚。利用不同生物组织的同位素组成来解读这种机制是本研究的核心内容，国内目前这方面的研究比较薄弱。本项目将在已有的工作基础上，重点对西沙永乐群岛典型岛屿海鸟粪土沉积层中保存完好的生物遗迹（如鸟粪、鸟骨、鱼骨、蛋壳等）进行稳定同位素分析，根据同位素生态学理论恢复海鸟食谱和取食行为等宏观的生态环境变化的历史记录，在与海鸟数量波动和气候变化记录的对比基础上，阐明永乐群岛海鸟古生态对气候变化的响应机制，并从历史角度区分不同时期气候变化和人类活动对海鸟生态变化过程的影响，最终回答永乐群岛历史时期海鸟数量变化甚至近现代几乎灭绝的真正原因。研究结果将有助于深入认识"气候-海洋-海鸟-海岛"之间的生物地球化学循环过程，并为评估全球变暖背景下珊瑚岛生态系统的脆弱性及预测未来可能的生态环境变化提供科学资料。

我们前期工作恢复出了西沙部分岛屿过去2000年海鸟数量变化记录，但对海鸟数量变化的原因，海鸟捕食行为的历史变化，以及海鸟对岛屿生物地球化学循环的影响尚不清楚。关于这些问题，稳定同位素方法在全球其它地区已经有了较为广泛的应用。项目组成员两赴西沙群岛进行科学考察，补充采集了大量样品，包括珊瑚砂粪土沉积物、土壤、植物等，从沉积剖面中获得了鸟粪颗粒、鸟骨、鱼骨、鱼鳞、蛋壳等生物残体，另外采集了现代生物样品。我们对所采样品进行稳定碳氮同位素分析，并引入了单一氨基酸同位素、氨氮、硝氮同位素分析等新颖手段，辅以定年和基本理化性质分析。本研究在从岛屿演化、气候变化和人类活动等角度深入分析了海鸟数量变化的原因后，重点解析了海鸟取食行为的变化。鱼鳞被证明可作为鱼肉的替代性指标，用以开展稳定碳氮同位素分析。西沙群岛现代热带海鸟的主要食物是以飞鱼为主，鱿鱼为辅，而我们的研究结果表明，历史时期西沙海鸟数量和其取食行为密切相关，在海鸟较少的中世纪暖期和现代一样，以捕食飞鱼为主、鱿鱼为辅，而在海鸟较多的小冰期，以捕食鱿鱼为主、飞鱼为辅，海鸟所捕食飞鱼的大小也会与海鸟数量有关，海鸟较多时其食物供应相对不足，因而倾向于捕食体型更大、离岛更远的飞鱼。植被演替方面，δ13C方法识别出了“岛屿出露与海鸟登陆—>海鸟大量栖息与植被发育—>海鸟数量锐减”的西沙群岛一般生态系统演化规律，而δ15N的分析结果表明，未受海鸟影响的岛屿，其氮源主要来自于大气沉降，而鸟岛的主要氮源是鸟粪输入。氮源是否充足会影响到植物的生长状况和用氮策略，随着鸟粪输入的增加，植物倾向于更多的使用氨氮。此外，我们对热带海鸟主要食物——飞鱼和鱿鱼的重金属污染状况进行了初步分析。这些研究成果为我们理解西沙群岛生态系统演化过程、保护西沙生态环境提供了重要的科学基础，并为评估全球变暖背景下珊瑚岛生态系统的脆弱性及预测未来可能的生态环境变化提供科学资料。