晚第四纪冰期旋回中热带海气CO2交换格局的变化及其控制因素

With the intensification of global warming and ocean acidification, ocean carbon cycle has become the first priority for the global change study. Based on the modern sea-air investigation, the tropical ocean is the source of atmospheric CO2, and plays an important role in global climate change. However, how did the tropical sea-air CO2 exchange pattern change during the late Quaternary glacial cycles? What is the mechanism? This is related to the physical and biogeochemical processes of ocean carbon cycle, as well as to the prediction of future global warming and atmospheric CO2 concentration change. Therefore, taking advantage of the international cooperation and on the basis of the deep-sea sedimentary records and modern investigation of the South China Sea and equatorial western Pacific, this study will analyze planktonic foraminifera and its shell’s chemistry (oxygen and carbon stable isotope, Mg/Ca ratio, B/Ca ratio, nitrogen isotope), for reconstructing the late Quaternary changes of surface and subsurface water temperatures, carbon and nitrogen isotopes in the tropical Pacific. The long time series of past sea-water pH and pCO2 records will be obtained for the first time in the studied area. Furthermore, the tropical sea-air CO2 exchange pattern and its relationship with sea-water temperature and surface productivity will be analyzed on the orbital to inter-decadal time-scales, and verified by sea-air coupling numerical simulation. This study will provide new knowledge on tropical ocean carbon cycle and its role in the global climate change.

随着全球增暖和海洋酸化的加剧，海洋碳循环成为全球变化研究的重中之重。现代海气调查表明，热带海洋是大气CO2的源，在全球气候变化中起举足轻重的作用。然而，晚第四纪冰期旋回中热带海气CO2交换格局如何变化？其机制如何？这涉及到海洋碳循环的物理过程和生物地球化学过程，以及对未来全球变暖与大气CO2浓度变化的预测。为此，本项研究利用国际合作的优势，以南海与赤道西太平洋的深海记录和现代调查为依据，在浮游有孔虫及其壳体化学（氧碳稳定同位素、Mg/Ca比值、B/Ca比值、氮同位素）分析的基础上，再造晚第四纪热带太平洋表层和次表层海水的温度以及碳氮同位素的变化历史，第一次获得研究区长时间序列的古海水pH值和pCO2记录，进而分析轨道尺度至年代际的热带海气CO2交换格局变化及其与海水温度和表层生产力的关系，并用海气耦合数值模拟进行检验，提出热带海洋碳循环及其在全球气候变化中作用的新认识，实现理论上的突破。

现代海气调查表明，热带海洋是大气CO2的源，在全球气候变化中起举足轻重的作用。然而，晚第四纪冰期旋回中热带海气CO2交换格局如何变化？这涉及到海洋碳循环的物理过程和生物地球化学过程。为此，本项研究利用国际合作的优势，以南海与赤道西太平洋MD10-3340等10个高质量深海岩芯为研究材料，在浮游有孔虫及其壳体化学（氧碳稳定同位素、Mg/Ca比值、15N和11B）分析的基础上，再造晚第四纪热带太平洋表层和次表层海水的温度以及碳氮同位素的变化历史，在上层海水温度（表层海水温度和温跃层海水温度）、表层海水pCO2重建、上层海水碳氮循环、深部环流对海气CO2交换的影响等四方面的研究中取得了重要进展。.本项研究首次发现热带温跃层海水温度的岁差、半岁差周期，重建了南海和赤道西太平洋晚第四纪海气CO2通量的变化，结合古海洋数值模拟，揭示了副热带温跃层环流圈（STC）对赤道太平洋上层海水的碳氮循环等生物地球化学过程、以及海气CO2交换格局的岁差调控机制，特别是末次冰消期至全新世早期（16-7ka）赤道西太平洋成为CO2的汇、而赤道东太平洋则是CO2的强源。此外，本项研究建立了沉积物单体氨基酸氮同位素分析的国际新方法，并采用浮游和底栖有孔虫壳体AMS 14C测年和B/Ca比值分析，发现晚第四纪冰期旋回中南海深部环流对海气CO2通量的变化也具有一定影响。总之，本项研究为探索热带海洋在全球气候环境系统演变中的作用、以及“气候演变低纬驱动”的理论假说提供了重要依据。.通过五年的努力，本项目已在国内外正式发表28篇学术论文，包括20篇国际SCI论文。其中，第一标注项目资助的国际SCI论文6篇、前三标注的有18篇，包括在Science Advances、PNAS、Global Biogeochemical Cycles、Journal of Climate、QSR等国际SCI一区期刊的9篇第一作者论文。