南海重要古环境替代性指标的现代过程研究及其应用

The understanding of the process and mechanism of the past environmental changes is required for the scientific forecast on the trends of the living environmental change of human society. Its prerequisite is to establish reliable paleoenvironmental proxies. In the past two decades, Chinese scientists have made remarkable achievements in the paleoenvironmental study of the South China Sea. All the used paleoenvironmental proxies, however, are already internationally existed methods. This, to a certain extent, limits us to obtain original and innovative scientific results. Therefore, the purpose of this study is to start from the modern process of the marine environmental changes in the South China Sea, through the observation and analysis on the samples of planktonic tows, seawater, sediment traps and seafloor surface sediment, using a multidisciplinary approach to reveal the regional paleoceanographic significance of the surface and subsurface dwelling planktonic foraminiferal species and their shells' oxygen and carbon stable isotope, Mg/Ca ratios and other important proxies. This study will focus on the planktonic foraminiferal nitrogen isotope and B/Ca ratio measurements, in order to establish new paleoenvironmental proxies for the carbon and nitrogen cycles in the South China Sea, and hence apply them into the paleoceanographic records of the northern South China Sea since the last glacial maximum for the analysis on the regional responses of the upper ocean structure to the changes of the East Asian monsoon and global carbon and nitrogen cycles. This study tries to make international contributions to explore the paleoenvironmental evolution of the South China Sea, and the mechanisms of global climate change.

人类社会生存环境变化趋势的科学预测，要求掌握过去环境变化的过程和规律，而其先决条件就是建立可靠的古环境替代性指标。过去的二十年里，我国科学家在南海古环境研究中取得了举世瞩目的成绩，但所采用的古环境替代性指标都是国际上已有的方法，这在一定程度上限制了我们获得原创性的研究成果。因此，本次研究旨在从南海现代的海洋环境变化过程入手，通过浮游拖网、海水、沉积物捕获器和海底表层沉积物样品的观测分析，采用多学科手段，揭示表层和次表层海水中浮游有孔虫属种及其壳体的氧碳稳定同位素和Mg/Ca比值等多种重要指标的区域古海洋学意义，着重研究浮游有孔虫壳体的氮同位素和B/Ca比值，为研究南海碳、氮循环提供新的古环境替代性指标，并将其应用到南海北部末次盛冰期以来的古海洋学记录中，分析上层海水的结构对东亚季风和全球碳、氮循环变化的区域响应，从而为再造南海的古环境演变、探讨全球气候变化的机制做出国际贡献。

本项目依托国家基金委开放航次，于2013~2017年在南海、西太平洋和东印度洋开展了7次海上作业，采集到近500个现生浮游生物拖网样品；同时，利用中德、中法国际合作，获得研究海区大量表层沉积物及柱状样顶部样品。通过浮游有孔虫的鉴定统计，确定Globigerinoides ruber和Globigerinoides sacculifer以生活在表层（0-50m水层）为主，而Pulleniatina obliquiloculata以生活在次表层（50-150m）为主；通过与随船实测的海水物理、化学、营养盐等信息对比，证实G. ruber和P. obliquiloculata的壳体Mg/Ca比值、氧同位素、B/Ca比值可以分别指示表层（混合层）和次表层（温跃层）海水的温度、盐度和pH值等变化；进而与表层沉积物及柱状样顶部样品的研究相结合，分析浮游有孔虫壳体的钙化水深变化，校验了目前在南海及相邻热带海区应用的Mg/Ca、B/Ca比值经验公式的可靠性，发现热带次表层水种相对于表层水种来说，对气候变化的响应更为显著。此外，本项研究还尝试了一些国际古海洋研究的新方法。如，通过中美合作，对南海浮游有孔虫壳体进行氮同位素分析，发现末次盛冰期以来壳体氮同位素可以指示上层海水的营养水平；通过表层沉积样品中底栖与浮游有孔虫的AMS 14C测年差异指示南海深部海水的年龄，发现由于深部海水垂向通风强烈，深层水从北到南年龄变轻，并使得现代南海成为大气CO2弱源。本项研究为探索碳、氮循环提供了新的古海洋替代性指标，提升了我国再造过去次表层海水温度和pH值的精度，部分研究成果已发表，主要成果已提交国际重要学术刊物待发表。作为南海及相邻热带海区第一次针对古海洋替代性指标开展的大规模现代过程调查和室内多学科分析，本项研究在低纬热带海区次表层水的古海洋再造、南海现代深部海水流通状况与碳循环研究等方面取得了重要进展。