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广州地化所揭示末次冰消期以来南海北部水体氮循环的演化历史及其对气候变化的响应

  • 氮是大多数海洋生态系统浮游植物光合作用最重要的限制性元素之一,其来源与迁移转化过程在调控海洋初级生产力、生物泵运转效率和生源要素的生物地球化学过程中扮演着极其关键的作用,并和全球气候变化之间有着密切的联系。阐明全球变化背景下海洋氮循环的现代过程、重建历史时期海洋氮循环的演变进程及其对气候变化的响应是当前海洋生物地球化学和全球变化领域的关键问题之一。

    海洋氮稳定同位素(δ15N)信号包含了关键的生物地球化学信息,并且可以通过颗粒物沉降传递保存在海洋沉积物中,进而用以反演地质历史时期海洋生物地球化学循环和海洋环境演变。海洋沉积物中总氮同位素(δ15Nbulk)通常作为海洋上层水体氮循环的替代指标,用于重建与反演过去氮生物地球化学过程。然而,由于受到陆源无机氮(主要为矿物晶格氨)的影响,利用沉积物岩心δ15Nbulk重建陆架边缘海区氮循环演化历史往往存在问题。南海是西太平洋最大的边缘海,其对气候环境变化的响应十分敏感,同时也是边缘海氮循环研究的理想场所。尽管一些新型载体(包括浮游有孔虫、源氨基酸和有机氮)的氮同位素成功揭示了南海温跃层硝酸盐氮同位素在轨道尺度上的变化过程,但由于高分辨率沉积记录的缺乏,目前在亚轨道和千年尺度上南海水体氮循环演变及其主要调控机制仍不清楚。此外,源自西太平洋的黑潮水入侵也在调节现代南海上层水体氮动力学过程中扮演了重要作用,但对于历史时期其对边缘海上层水体氮循环的影响及控制机制尚未被充分认识。

    针对上述科学问题,国科大博士生及其导师、来自中国科学院广州地球化学研究所稳定同位素地球化学学科组的叶丰副研究员、王利伟同学、韦刚健研究员等人在剔除沉积物无机氮干扰的基础上,对南海北部陆坡边缘区获取的高分辨率连续沉积物岩芯 (NH07) 样品进行了有机氮同位素(δ15Norg)分析,同时结合海洋古生产力和陆源输入等地球化学指标(图1)重建了末次冰消期以来南海北部水体氮循环的演化历史,通过与全球海区氮同位素沉积记录的比较综合探讨了其对气候环境变化的响应机制。研究结果表明:(1) 在末次冰消期和早全新世,海洋沉积物δ15Norg对不同气候特征时期(冷期如海因里希1期(HS1)和新仙女木(YD)事件、暖期如博令-阿勒罗德期(B/A)和早全新世(EH))具有显著的响应特征,南海北部上层水体氮动力过程主要由自东向西传输的热带东太平洋水体硝酸盐信号和低海平面时期陆源物质输入影响,并受到北太平洋中层水形成和东亚冬季风强度的调控;(2) 中全新世以来(MH-LH),南海北部水体氮循环过程逐渐受到不断增强的海洋固氮作用影响,而固氮作用由厄尔尼诺事件控制的入侵南海的黑潮水强度所调控(图2)。上述研究结果对于理解全球变化背景下海洋生物地球化学循环演变过程以及预测未来的变化趋势有着至关重要的意义。

    图1 末次冰消期以来南海北部沉积物有机氮同位素组成与海洋生产力及有机碳来源指标随沉积年代的变化

    图2 末次冰消期以来南海北部沉积物有机氮同位素组成与古气候记录之间的比较

    该研究工作获得了国家重点研发计划(2023YFF0803901)、国家自然科学基金(42073074)和中科院青年创新促进会(2019346)等项目的资助,研究成果近期发表于美国地球物理学会(AGU)古海洋学与古气候学领域权威期刊Paleoceanography and Paleoclimatology上。

    论文信息: Ye, F.* (叶丰), Wang, L. (王利伟), Wei, G. (韦刚健), Shi, X. (石雪松), & Huang, C. (黄超), 2024. Sedimentary organic nitrogen isotopic constraints on the mid-Holocene transition in the nitrogen dynamics of the northern South China Sea. Paleoceanography and Paleoclimatology, 39, e2023PA004819. https://doi.org/10.1029/2023PA004819

    论文链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023PA004819

    责编 : 高塬