过去3000年东南极企鹅取食生态变化及其对气候和海冰变化的响应

Adélie penguin favors pack-ice habitat and plays as an excellent bio-indicator for Antarctic climate and sea ice conditions. The Vestfold Hills and Victoria Land along East Antarctic coast are two most important colonies of Adélie penguin on the earth. Many paleo-records of Adélie penguins at these two areas, including occupation history, population dynamics and dietary change over the Holocene, have been documented in previous investigations. Due to the type of research materials and lack of high-resolution records during the late Holocene, it is difficult to conduct an in-depth comparison of penguin's paleoecology and the marine environments they forage. On the basis of previous filed investigations, we plan to perform biogeochemical analyses on high-resolution sediment profiles of penguin feathers and ornithogenic sediments from Vestfold Hills and Victoria Land, and conduct an integrated comparison between penguin ecological changes and marine paleo-environments. Reliable chronology will be established by the precise AMS14C dating on penguin remains from sediment profiles. Changes of foraging habitat, dietary composition of penguins as well as the trace elements in food chains during the past 3000 years will be reconstructed by the analyses of stable C and N isotope ratios and trace elements in penguin feathers in the sediment profile. The responses of foraging ecology of penguins and regional marine food chains to sea ice conditions and climate change in the past 3000 years will be discussed. This proposal will enable us to in-depth understanding the interactions among climate change, sea ice, food chains and penguins in Southern Ocean, and the mechanisms of climate and sea-ice drive and the biological responses.

阿德雷企鹅喜浮冰环境，对南极气候特别是海冰变化具有明确的指示意义。东南极西福尔丘陵和维多利亚地是阿德雷企鹅最重要的两大聚居地，已有不少这两个地区全新世企鹅生态变化的研究，但由于研究载体及样品量的不足，目前还缺少晚全新世以来的高分辨记录，并限制了与海洋环境的深入联系。本项目拟在前期野外考察采样和预实验的基础上，对东南极西福尔丘及维多利亚地企鹅活动区具有高分辨率且连续的沉积羽毛和粪土序列开展生物地球化学分析并与海洋沉积记录进行综合对比研究。通过生物残体高精度AMS14C定年建立可靠的年代序列；分析沉积剖面羽毛的稳定C、N同位素比值以及Cd、Hg等微量元素含量，结合海洋沉积记录，恢复过去3000年来企鹅捕食区域、食物组成及海洋食物链特征微量元素含量变化。从生物响应角度讨论企鹅取食生态及区域食物链变化与海冰环境和气候变化的关联，为深入理解南大洋气候、海冰、食物链和企鹅之间的驱动与响应关系提供依据。

针对前一个青年项目沉积物剖面研究企鹅食物变化时间不连续的问题，本项目主要利用羽毛沉积剖面开展企鹅食物变化及其对区域气候海冰变化的响应研究。在围绕申请书设定的目标按计划实施的同时，又进一步拓展相关研究内容。利用连续沉积的羽毛序列的C、N同位素指标建立了过去3000年以来南极企鹅摄食记录，发现新冰期以来气候变冷、海冰扩展导致企鹅摄取更多低营养级的磷虾为食。利用北京光源同步辐射μ-XRF完成了企鹅羽毛序列多种微量元素分析，Hg 含量变化在大时间尺度上很有可能与气候变化有关，而在小的峰值表现上则与火山活动有着很好的对应关系；Pb与Hg 类似，在有的峰值上也与火山活动记录相对应，而其在现代的含量变化趋势上则由于分辨率不足并不能够很好地进行表述与分析。利用罗斯海Cape Bird地区企鹅粪土沉积物，恢复了过去500年来磷虾和企鹅数量变化，利用企鹅粪中的Cd作为上升流的替代指标，结果显示CE1600-1825气候寒冷期间，阿蒙森海低压（ASL）加强，罗斯海下降风强盛，上升流强，海洋生产力高，磷虾和企鹅数量均于CE1700达到峰值。CE1825气候转暖，罗斯海下降风减弱，上升流弱，磷虾和企鹅数量降至较低水平。利用帝企鹅粪土剖面重建了公元1540年以来阿曼达湾地区帝企鹅种群数量和摄食生态变化，结果显示，该地区小冰期时段(LIA, CE 1540–1866)帝企鹅种群数量增多而摄取更多低营养级磷虾为食，表明小冰期冷气候已影响到其种群的生境及食物可获得性。但此时段气候变化幅度并不像末次冰盛期(LGM)那样显著, 相比于北半球，本研究中更为温和的区域小冰期气候条件为帝企鹅种群提供了有利的生境和食物，反而有利于帝企鹅种群数量的增加。通过本项目研究，以阿德利企鹅和帝企鹅种群为例，将南极海洋生态过程与大气、海冰、海洋动力学联系起来，阐释了区域生态系统对海洋气候变化的响应过程与机理。