末次盛冰期热带西太平洋大型硅藻勃发所需营养物的来源及利用状况

Giant diatoms act as a negative feedback to atmospheric pCO2 rise and global warming by unique form of blooms to transfer massive organic carbon to deep ocean, thus playing an important role in global climate change and ocean carbon cycle. However, the blooming mechanism of giant diatoms themselves and their forcing mechanism on ocean carbon cycle are still not well resolved, therein the nutrient cycle is one of the most key issues. Here, the silicon, nitrogen, iron and zinc isotopic, and other elemental proxies of cleaned giant diatom Ethmodiscus rex extracted from two sediment cores containing laminated diatom mats in the eastern Philippine Sea (EPS) during the Last Glacial Maximum (LGM) are used to trace the source and utilization of nutrients silicic acid, nitrate, Fe and Zn for E. rex blooms, exploit the significance of Fe limitation or repletion in the blooms of giant diatom, and consequently reconstruct the nutrient status in the EPS during the LGM. And then the blooming mechanism of giant diatoms is further revised by the comparison of the nutrient cycle with the relevant information in the popular models for E. rex blooms. Finally, the potential role of nutrient cycle in the carbon cycle during giant diatom blooms is revealed by the linking of nutrient cycle characteristics to carbon cycle parameters such as productivity and surface EPS pCO2. This project will provide new scientific basis for testing the hypotheses regarding the forcing of climate change.

大型硅藻通过独特的勃发方式将巨量的有机碳输出到大洋深部，对大气pCO2升高和全球变暖产生负反馈，从而在全球气候变化和大洋碳循环中扮演重要角色。然而，大型硅藻自身的勃发机制及其对大洋碳循环的作用机制悬而未决，营养物循环是个关键环节。本项目以东菲律宾海LGM沉积的两个硅藻席岩芯为材料，利用提取的纯净大型硅藻Ethmodiscus rex的硅、氮、铁和锌同位素等替代指标确定E. rex勃发所需营养物硅酸、硝酸盐、Fe和Zn的来源，重建E. rex对这四种营养物的利用程度，探索Fe受限或富集在大型硅藻勃发中的作用，恢复LGM东菲律宾海的营养物状态。在此基础上，将营养物循环信息与E. rex勃发的主流模式对比，完善大型硅藻的勃发机制；将营养物循环特征与E. rex勃发时的生产力、表层海水pCO2等碳循环参数关联，揭示营养物循环在大型硅藻勃发碳循环中的作用，为检验气候变化驱动机制的假说提供科学依据。

营养物循环是完善海洋大型硅藻勃发机制并揭示其对海洋碳循环作用机理的关键环节。项目以东菲律宾海末次盛冰期（LGM）沉积的两个（含）硅藻席岩芯WPD-03和WPD-12为研究对象，并辅以三个末次冰期晚期沉积的中国黄土样品为参照材料。通过物理分离和化学纯化提取出纯净的大筛盘藻Ethmodiscus rex，并分析E. rex（和黄土）的有机质C和N、主微量元素、δ30Si、δ15N、δ66Zn和δ18O，查明了E. rex勃发所需硅酸、硝酸盐和Zn的来源与利用状况，完善了大型硅藻的勃发机制，初步揭示了营养物循环在大型硅藻勃发碳循环中的作用。具体成果有：运用先进的能量色散X射线荧光光谱技术（EDS），确证E. rex的提纯效果；E. rex勃发所需要的硅酸主要来源于溶解的亚洲风尘，而通过海洋深部上涌输送的比例极小；E. rex勃发只消耗表层水中的部分硅酸，留下部分未被利用的硅酸，因此LGM的东菲律宾海与现代贫养状态相反，处于富养状态；E. rex勃发所需要的硝酸盐主要来源于海洋深部而非亚洲风尘，有待分析是南源还是北源水体的上涌供给；E. rex勃发所需要的Zn由亚洲风尘溶解的Zn和海洋深部上涌的Zn共同提供；E. rex勃发时的海表盐度增加、降水减小，这一水文气候条件与热带东印度洋末次冰期沉积的E. rex软泥一致，暗示印太暖池E. rex的勃发存在成因上的联系，很可能被跨洋盆的大尺度水文气候因素控制；综合E. rex勃发时的上述营养物循环信息以及前期取得的相关成果，提出大型硅藻勃发的新机制—“风尘促进大型硅藻勃发”：LGM，热带西太平洋的E. rex利用来源于风尘溶解的硅酸和Zn、海洋深部上涌的硝酸盐和Zn，并在风尘Fe的刺激下，在成层化水体中勃发，然后“秋季倾泻”而沉积。该勃发模式表明，利用浮力调控策略从营养跃层之下吸收营养物并不是大型硅藻营养物利用的唯一途径，E. rex也能够利用从风尘中溶解的可溶Si和Zn等营养物。上述宏和微营养物的可利用性相当于加剧“燃烧”生产力，为随即启动的大型硅藻勃发的碳循环提供“动力”支持。项目成果对于理解海洋大型硅藻的勃发机制、揭示海洋大型硅藻勃发时的碳循环过程与机理有重要启示。