由東海、黃海沉積物中有機碳含量及穩定同位素組成重建200 a以來初級生產力歷史記錄

蔡德陵，孫耀，張小勇，蘇遠峰，吳永華，陳志華，楊茜

（1.中國水產科學研究院黃海水產研究所，山東青島 266071；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島 266061）

由東海、黃海沉積物中有機碳含量及穩定同位素組成重建200 a以來初級生產力歷史記錄

蔡德陵1，2，孫耀1*，張小勇1，蘇遠峰2，吳永華2，陳志華2，楊茜1

（1.中國水產科學研究院黃海水產研究所，山東青島 266071；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島 266061）

從20世紀80年代以來古生產力的重建研究一直是國內外海洋生態學研究的熱點，但已有的大多數研究是在深海區；而陸架區的特點是來自陸源物質的影響往往比較明顯，因此，研究難度遠較深海區大。利用現代沉積物中的有機碳穩定同位素組成來估算海源碳的含量，在此基礎上，結合調查區域表層沉積物中的幾個初級生產力的代表性指標（浮游植物總量、葉綠素a濃度以及硅藻含量）的調查資料，尋求巖心中海源碳與古生產力指標的相關關系，再由南黃海冷渦沉積區3個典型柱狀沉積物中海源碳重建了200 a以來高分辨率的古生產力記錄，這對陸架海生態環境演變規律的研究有重要意義。對重建所得到的南黃海近代初級生產演化因素的初步探討表明，近200 a來初級生產力波動升高與海水表層溫度的升高趨勢是一致的，但其最主要的控制因素還是營養鹽的供應，其中陸源營養物質和污染物質的影響起到了重要的作用。

有機碳；碳同位素；初級生產力；東海；黃海

1 引言

未來生態環境演變趨勢是科學、社會關注的焦點，因此，古生態環境的重建成為當前的研究熱點就是歷史的必然了，海洋初級生產力的歷史記錄的重建是其中的關鍵內容。

Suess［1］和Betzer等［2］研究了海水中有機碳的通量與初級生產力的關系，發現兩者有正比關系，而與水深成反比。因此，沉積物中有機碳的累積率被認為是表層海水中初級生產力的直接標志。其他替代性指標主要通過建立這些標志物與有機碳含量的相關關系來反演沉積記錄中所反映的古生產力水平。Stein［3］建立了沉積物中有機碳含量推算古生產力的經驗公式。Sarnthein等［4］認為沉積有機碳堆積和海洋新生產力（輸出生產力）之間的關系更密切些。在重建生態環境變化方面，賈東國等［5］從珠江口的沉積記錄追溯了近百年來富營養化加劇的趨勢。Yamamuro和Kanai［6］對日本西南部Shinji湖的近岸潟湖3個沉積巖心的有機碳含量、總氮和總磷以及有機碳和總氮穩定同位素進行分析以后重建了過去200 a中該湖的天然和人為因素對水質影響的歷史。邢磊等［7］利用生物標志物重建了沖繩海槽中部15 ka以來浮游植物生產力和種群結構變化的歷史。南青云等［8］以長鏈不飽和烯酮為指標，結合有機碳同位素數據評價了沖繩海槽南端7 ka以來古海洋生產力的變化。

沉積有機碳雖然是表層海水中初級生產力的直接標志，但由于有機碳在向海底搬運的過程中以及在海水－沉積物界面附近極易降解而再循環到水體中，因此，表層水體中形成的有機碳只有極少數被保存于下覆沉積物中。一般，有機碳標志物通常用來研究近岸水體及上升流區等具有高生產力海域的古生產力的變遷。陸架邊緣海雖然只占全球海洋面積的很小部分，陸架沉積物中的有機碳卻占全球沉積有機碳的相當大的份額，所以，陸架沉積物有機碳也應該是重建初級生產力歷史記錄的良好材料。只是陸架沉積物易受陸源物質的影響，尋求一種可以示蹤海源有機碳的方法會為在陸架海區域的初級生產力重建提供有效手段。大量的研究證明沉積物中總有機質碳同位素比值可以用來辨別沉積物中的有機質的來源、成巖作用以及環境變化。McQuoid等［9］利用沉積物中總有機質中的碳同位素比值來研究自14 000 a以來的Saanich Inlet中生態系統的初級生產力的發展、強度以及變化過程。本文試圖利用沉積物中有機碳含量及其穩定同位素組成重建黃海、東海海域陸架區初級生產力，并探討其與陸架海洋生態環境演化歷史之間的可能聯系。

2 研究區域和分析方法

2.1 樣品的采集

本文的現場調查分2個階段：第一階段，2006年在黃海、東海陸架區（27°～36°N，121°～125°E）進行了表層沉積物的采集（圖1），目的是探尋現代沉積物中海源碳與海水中初級生產力的關系；第二階段，2009年用多管式沉積物采樣器采集了南黃海黃海冷水團區域3個柱狀沉積物樣品［C03（35°N，122°30′E）52 cm長，B17（35°N，123°E）29 cm長和B14（34°N，124° E）36 cm長］，以嘗試由沉積巖心中的海源碳含量來重建海水中初級生產力的歷史記錄。

柱狀沉積物樣品采集上船后以1～2 cm分層取樣，并在0～5°C下冷藏保存在實驗室中。

2.2 樣品的分析

2.2.1 有機碳（TOC）測定

稱取經烘干研磨的樣品約1 g，在用濃鹽酸熏蒸24 h后，由Elemental元素分析儀測定TOC值。

2.2.2 有機碳穩定同位素組成（δ13C）的測定

稱取適量分析過TOC的樣品，裝入經950°C預灼燒2 h后冷卻至室溫的直徑6 mm的石英管中，加入線狀氧化銅絲、銅絲以及銀粉，抽真空至1×10－3Pa融熔封口。混勻后在950°C燃燒2 h。在同樣的真空條件下提取出CO2，送入MAT-251同位素質譜儀測量。實驗室內標樣的重覆測量精度為±0.07×10－3。

2.2.3 柱狀沉積物210Pb年代測定

每個柱狀巖心以1～3 cm間距取樣測定每一層位的210Pb年代，以取樣年代作為測年零年點，用沉積速率計算出每個層位的年代。

圖1 黃海、東海沉積物取樣站位圖

3 結果

3.1 黃東海表層沉積物中TOC及其穩定同位素組成的分布

本調查區中表層沉積物中TOC含量的范圍為0.05%～1.64%，平均值是0.88%（見圖2a）。

在南黃海J2和B16站位附近有一TOC含量的高值區，TOC含量可達1.56%～1.64%，與南黃海中部冷渦H2-4站1.19%的值連成一片。在浙閩近海H3-24和S4-3站1.39%和1.25%是次高值。在長江口北部的H2-10站TOC含量值為0.91%。TOC含量的最低值0.05%出現在調查區東北角的B24和長江口外東偏南的S1-5站。

圖2b是黃東海表層沉積物TOCδ13C值的分布。TOCδ13C值的變化范圍為－22.2×10－3～－18.2× 10－3，平均值為－20.8×10－3。高值區（－19.7× 10－3～－18.2×10－3）在南黃海南部的H2-4、H2-3、H2-6、H2-10、S0-2站這一片區域以及浙閩近海北部123°～124°E以H2-23和S1-5與S1-6站為中心的區域；低值區（－22.2×10－3～－21.9×10－3）在南黃海調查區的東北部B25、B24站以及從長江口南槽S1-2站一直順沿岸流向南擴散至福建省南部以及浙閩近海南部的H2-27站。

3.2 由查詢歷史資料［10－16］獲得的黃海、東海上層水體中初級生產力指標的參數分布特征

圖3展示了能代表黃海、東海上層水體中初級生產力水平的浮游植物生物量、葉綠素a濃度和硅藻生物量3個參數的分布特征。調查區的浮游植物生物量變化為（2.33～670.3）×104m－3，平均值為155.3 ×104m－3。高值區［（430.2～670.3）×104m－3］在H2-10、J2 0-1、B22、S5-4、S4-3和S3-3站。低值區（2.33×104～5.0×104m－3）在H2-23、H2-27、H3-4、S0-2站，其值都在5×104m－3以下。

圖3 黃海、東海上層水體中浮游植物生物量（104m－3）（a）、Chl a濃度（mg／m3）（b）和硅藻生物量（104m－3）（c）的分布

調查區表層水體中Chl a濃度變化范圍為0.10～15.96 mg／m3，平均值為3.76 mg／m3。Chl a濃度的高值區（8.42～15.96 mg／m3）在H2-10、S5-4、J2 0-2、B22、S4-3和S5-2站。低值區（0.10～0.46 mg／m3）在H3-16、H3-24、H2-6、H2-27、H2-7和H2-29站。

硅藻生物量的變化在0.01～514.00×104m－3，平均值為84.77×104m－3。調查區內高值區有3塊，一是浙閩沿岸區S5-2、H2-29和S4-3站，二是南黃海北部C03和B3站附近，三是長江口區外123°E左右的H3-19站以及H2-10、S1-2等站位附近海域。

將TOC含量及其δ13C值的分布與代表初級生產力的3種參數的分布特征作了比較，總體來說，TOC含量在調查區中有3個高值區與初級生產力的3個典型參數的高值區大致類似，但還不是精確的重疊。主要是因為TOC含量包含有陸海源2種不同來源的有機質，像在山東半島水下三角洲會有大量陸源有機質沉積而造成TOC含量的高值，但海洋初級生產力未必有對應的高值。因此，在南黃海中部TOC含量的高值區與浮游植物、葉綠素a及硅藻的高值區就有一定的位置偏差，這在TOCδ13C值中得到了很好的體現，在南黃海北部有一TOCδ13C低值峰從調查區的東北角向西南方向伸展，反映來自渤海的陸源物質繞過山東半島向水下三角洲的擴散過程，也帶來了豐富的陸源有機質。長江口外海域也存在TOC含量和初級生產力指標的高值區，只是初級生產力高值區位置偏北，而TOC含量高值區偏東南，由TOCδ13C低值也反映來自長江的陸源物質順沿岸流向浙閩近海的輸運過程。第3個共同的高值區出現在浙閩近海。另一原因是表層沉積物數據代表的是幾到十幾年的平均值，而水體中的3種參數則是年度平均值，在時間尺度上也存在一定的差別。

3.3 柱狀巖心的210Pb年代測定結果

這3個柱狀巖心中的210Pb放射性活度隨巖心深度的變化呈現出2段線性分布模式（圖4），從表層到拐點呈直線分布特征，其斜率即為沉積速率；拐點以下巖心中的210Pb放射性活度基本恒定。C03、B14和B17站的沉積速率分別為0.350，0.153和0.143 cm／a，根據沉積巖心長度數據確定其底部年齡分別為150、230和200 a。

圖4 C03、B14和B17站的210Pb活度垂直分布（方塊表示210Pb總量，三角形表示210Pb過剩）

3.4 柱狀巖心中TOC及其穩定同位素組成的測定

由圖5a和b可見，這3個巖心中TOC含量及其δ13C值的變化范圍分別是：C03柱TOC含量為0.81%～1.62%，平均值為（1.03±0.23）%；δ13C值－22.9×10－3～－21.6×10－3，平均值為（－22.1± 0.31）×10－3。B14柱TOC為0.66%～1.44%，平均值為（0.95±0.16）%；δ13C值－22.1×10－3～－21.4 ×10－3，平均值為（－21.6±0.18）×10－3。B17柱TOC為0.99%～1.52%，平均值為（1.23±0.15）× 10－3；δ13C值－22.1×10－3～－21.5×10－3，平均值為（－21.8±0.14）×10－3。從TOC的平均值來看，B17柱的最大，B14柱的最低。從δ13C值平均值來看，C03柱負數絕對值最大，顯示其受來自渤海陸源物質的影響最大，而B14柱最大，受南黃海中部冷渦高初級生產力的影響，其海源碳占比例最高。

圖5 C03、B17和B14巖心TOC含量（a）、TOCδ13C（b）和海源碳含量（c）值隨年代的變化曲線

從巖心垂向變化看，C03柱的TOC在表層有最大值1.62%，向下TOC明顯的減小，直至1940年時見到了最小值0.81%，再向下略微振蕩升高。δ13C值從表層的－22.1×10－3振蕩下行至1969年的最低值－22.9×10－3，其后，δ13C值又反彈至－21.8× 10－3左右來回小幅波動，至1912年又跌至－22× 10－3以下。除了在1901年時出現一個1.44%的尖銳窄峰以外，B14柱TOC基本呈現波動下降的趨勢。δ13C值的變化與TOC呈大致反向對應關系，在1901年出現一個尖銳的谷。B17柱TOC的垂向分布與B14柱大致類似，也呈現波動下降趨勢，波幅略大但沒有出現那么尖銳的峰值又高的窄峰。δ13C值也對應的呈波動向上的趨勢。

4 討論

國內外文獻關于重建初級生產力記錄一般都是以TOC含量作為基本數據的，這對于遠洋情況是可以的，因為在那里陸源物質的影響較小，可以基本上不予考慮，然而陸架區的情況就不同了，一是陸源物質的影響要比遠洋海區大得多，二是在不同的地點陸源物質的影響程度也會有較大的變化，因此陸源物質的影響是必須考慮的。過去文獻中采用的是直接從沉積物中有機碳含量通過干容重和孔隙率等工程地質數據和沉積速率等來估算古生產力［1－2，4，18］，可是這樣的計算在陸架區用TOC含量作為指標會把陸源碎屑中那些有機質也全部包括在內，并不能真正反映水體中的初級生產力的實際水平。所以，需要直接尋求一種沉積物中有機質與海水中初級生產力之間關系的指標。國外有一些學者Grundle等［19］和Chakraborty等［20］利用沉積物中硅藻的組合來重建古生產力和海洋環境的變化。還有一些研究者利用碳氮比值作為不同來源的判別指標，然而該方法有一個明顯的不足，即陸海源的碳氮比值端元值有比較大的不確定性，這樣會造成計算海源碳時誤差較大［5，21］。由沉積物中有機碳穩定同位素在陸架區對陸源和海源不同來源碳的鑒別提供了一種很有效的手段［22－30］。這種方法是一種相當成熟的陸架區域海陸物質來源的鑒別方法，在全球范圍內都得到了成功的應用。

4.1 黃海、東海表層沉積物中海源碳的模式計算及分布

利用沉積物中有機碳穩定同位素計算海源碳的模式［22，24］為

式中，δ13C為沉積物中有機碳的穩定同位素值（10－3）；f為沉積物中各組分的百分數（%）；C為沉積物中有機碳的百分含量（%）；下標s、t、m分別代表樣品總含量、陸源組分和海源組分。

國際學術界在應用碳穩定同位素示蹤陸源物質在海洋中的運移規律研究時，對海洋源和陸源的端元值選擇時一般選擇－26×10－3為陸源端元值，而－20 ×10－3為海洋源端元值。

實際上端元值的選擇并不是一成不變的，而是應當考慮到調查區的具體情況。在本文的黃海、東海調查區域中，該如何合理地選擇端元值。根據筆者以前對長江、黃河等河口以及黃海、東海海域若干個航次的有機碳穩定同位素調查研究的結果［23－24，31］，掌握了長江和黃河河口區懸浮顆粒有機碳（POC）的碳穩定同位素的季節性變化規律及其變化范圍，1998年中韓合作對整個南黃海海域中5個水深層位中懸浮顆粒有機質的δ13C值的全面調查所得到的結果表明，其變化范圍在－28×10－3～－19×10－3，因此，考慮選擇－28×10－3作為陸源端的典型值、而海源端的典型值取為－19×10－3更為合理些。由此，可以根據各站位表層沉積物中實測的有機碳δ13C值和TOC含量值來計算該站位沉積有機碳中的海源碳Cm的百分比或者海源碳的含量，計算所得結果見圖6。模式計算得到海源碳的變化范圍為0.026%～1.16%，平均值是0.60%。調查區中TOC含量經有機碳穩定同位素校正計算獲得的海源碳含量的3個高值區與海洋初級生產力的高值區相對更一致些。在南黃海中部的冷渦區出現的高值區（0.85%～1.16%）從H2-4、B16、J2 0-1站一直擴展到H2-10站，在長江口區海源碳含量的高值區也比TOC的要偏北一些，與初級生產力的高值區更一致了。第三個高值區出現在浙閩沿岸中部H3-24和S4-3站。低值區（0.026%～0.047%）由B10沿南黃海暖流入黃海，經B24、B3站一線環流；另一低值區在長江口外S1-5和H3-19站這一帶。

表1中比較了黃海、東海表層沉積物中TOC和Cm與初級生產力指標之間相關關系。由表1可見，巖心中有機碳含量與浮游植物現存總量及葉綠素a的濃度這兩個初級生產力主要參數存在有較顯著的正相關性（p=0.024，n=34）。這就為由柱狀沉積物中的海源碳含量追溯初級生產力的歷史記錄建立了基礎。總有機碳和海源碳含量與硅藻含量的相關性就比較差，這是因為這些指標所代表的浮游植物種類是有差別的，硅藻代表含硅浮游植物種類，而海源碳代表各種浮游植物的總和，因此，它們受環境因素的影響會存在一定的差別。

圖6 黃海、東海表層沉積物海源碳含量分布

表1 表層沉積物中總有機碳含量和海源碳含量與初級生產力指標之間相關關系的比較

4.2 由沉積物柱狀樣試驗性地重建初級生產力歷史記錄

4.2.1 由沉積巖心中的TOC及其δ13C值推導出海源碳含量隨沉積年代的變化曲線

由所選的C03、B14和B17 3個巖心中的TOC及其碳穩定同位素δ13C值根據4.1節中的模式可以計算出不同層位上的海源碳含量，結合由210Pb定年確定的沉積速率所推算的各層位年代，得出了3個巖心中的海源碳含量隨年代變化的曲線（見圖5c）。C03柱的海源碳含量變化范圍為0.47%～0.87%，平均值為0.56%。基本變化趨勢與TOC的類似，在表層的值最高，向下呈減小的趨勢，在1940年以前其值基本穩定。B14巖心海源碳含量為0.38%～0.69%，平均值為0.57%，與C03柱的平均值幾乎相同。該巖心中海源碳含量的波動相對較小，自上而下也呈下降的趨勢，但在1904年TOC出現了最大值1.44%，對應的有δ13C值最低值－22.1×10－3以及海源碳含量的最高值0.79%，這可能反映此年代有陸源輸入的峰值出現。B17柱海源碳含量為0.60%～0.82%，平均值為0.71%，是3個巖心中最高的。與B14柱類似的是在1903年該巖心中也出現了δ13C值的第2個低值－22.0× 10－3（僅次于近表層的最低值－22.1×10－3），相應地也出現了海源碳含量的第二峰值0.81%。總起來看，這3個巖心的海源碳含量自上而下變化的總趨勢是下降的。

4.2.2 由沉積物柱狀樣中海源碳含量重建200 a以來初級生產力年代際歷史記錄

在我國陸架海沒有連續的長時間尺度生態環境重建記錄，用儀器測生態環境記錄也只有50 a左右，并且大部分不連續，不能得到年際以上尺度的生態環境演變規律。筆者盡可能地收集了文獻［10－16］中在本文調查海區水體中50 a來的幾個代表性的初級生產力參數（浮游植物現存量、葉綠素a濃度以及硅藻含量）的實測值數據，并與相應年份的柱狀巖心中的總有機碳和海源碳的含量進行了相關性計算（表2）。計算結果表明，海源碳含量與水體中初級生產力參數的相關性要好于總有機碳與初級生產力的相關性，海源碳含量與水體中初級生產力參數均在置信度99%以上，呈現出顯著的正相關性。海源碳含量與浮游植物現存量的相關系數r為0.403（p=0.005，n= 49）；海源碳含量與葉綠素a濃度同樣有顯著的正相關性，相關系數為0.453（p=0.002，n=48）；海源碳含量與硅藻含量的相關系數為0.374（p=0.008，n= 49）。與此相比，TOC與浮游植物現存量的相關系數為0.302（p=0.039，n=47）；TOC與硅藻含量在置信度95%以上也有顯著的正相關關系（r=0.369，p= 0.011，n=47）；TOC與葉綠素a濃度的相關性不明顯（r=0.139，p=0.357，n=46），這可能與C03柱受陸源物質影響比較明顯有關。筆者采用置信度在99%以上有顯著正相關關系的相關方程式由海源碳含量反演了200 a以來的南黃海初級生產力年代際歷史記錄（見圖7）。從反演得到的初級生產力3個典型參數浮游植物現存量、葉綠素a濃度以及硅藻含量的歷史變化曲線看，浮游植物現存量是579×104～1 480× 104m－3，葉綠素a的濃度是0.59～0.90 mg／g，硅藻含量是270×104～1 203×104m－3。200 a來這3個巖心的基本共同點是由下而上初級生產力有波動增加的趨勢，C03站在近50 a中增加的趨勢更顯著，而處于冷渦沉積中心區的B17巖心和B14巖心的初級生產力變化更相似些，在1863—1865，1903—1904和1943年都有初級生產力的峰值出現。B17柱的沉積物類型屬粉砂質黏土，其中的TOC與海源碳含量以及重建的浮游植物現存量都最高。C03巖心處于山東半島水下三角洲，在該冷渦的西部邊緣處，受沿岸流所輸送來的黃河陸源物質的影響較大，故其沉積速率最高，從巖心頂部到1940年前后，TOC和海源碳含量下降特別迅速，再往下基本上在一個較小的范圍內波動，重建的浮游植物現存量、葉綠素a濃度和硅藻含量的歷史記錄變化也基本與此類似。

表2 柱狀巖心中總有機碳和海源碳與上覆海水中初級生產力參數的相關性

張凌等［32］對珠江口外近海沉積物中有機質的早期成巖變化中碳穩定同位素的變化研究表明，不同類型有機物的分解速率差異會導致δ13C值的小幅負漂移，而同時存在的細菌有機質的形成和分解會在一定程度上抵消這種負漂移，因此他們的結論是δ13C值可以可靠地指示沉積有機質的來源。由此也可以推論本文在沉積速率較高的冷渦沉積區碳穩定同位素組成受早期成巖作用的影響也會是比較小的，不至于影響到初級生產力的沉積記錄的反演的可靠性。

圖7 由海源碳重建的初級生產力的年代際歷史記錄

4.2.3 影響南黃海近代初級生產力演化主要因素的初步探討

要探討重建初級生產力歷史演化的主要控制因素必須從能影響光合作用的環境因素的演化著手。光、溫度、營養鹽、浮游動物的攝食和水動力條件是影響海洋浮游植物光合作用的重要環境因子。光照對于浮游植物生長幾乎是滿足的。與水溫、營養鹽相比，海表的光照對浮游植物不是限制因素，光照對海洋初級生產力的影響相對地不是那么重要。

溫度是一切酶促反應的控制因子，水溫與初級生產力的關系密切。如果水溫有利于浮游植物的生長，則水溫每上升10℃，培養液中的細胞分裂速度一般可增加1～3倍［33］。由于不同種類藻類生長的適溫范圍不同，因此不同水溫可影響浮游植物的生長和種群結構。大氣CO2濃度在工業革命以后不斷升高，全球氣溫呈現逐步升高的趨勢，1961年以來海洋內部的溫度增量大于0.1℃／a，從1979年開始海表溫度以0.13℃／a的速率上升［34］。這與本文對南黃海3個巖心所重建的浮游植物生產力的波動升高的趨勢是一致的，如重建所得C03柱的浮游植物現存量從1950年的約800×104m－3不斷攀升到2010年的1 480×104m－3。B14和B17柱的浮游植物現存量變化趨勢是波動升高的，與全球其他海域的變化相似，如亞熱帶太平洋海區和夏威夷ALOHA時間序列站的數據趨勢也是一致的，它顯示從1969年以來該海區浮游植物不僅生物量增加，生產力也明顯提升［35］。與溫度的影響相比，營養鹽是對浮游植物生長更主要的調控因子［36，37］。磷、硅等是海洋浮游植物必不可少的營養鹽，當它們不足時，會成為浮游植物生長的限制因素。高磊和李道季［37］研究了黃海、東海西部營養鹽濃度近50 a來的變化，發現氮、磷、硅等營養鹽有顯著的變化，NO－3濃度快速上升，而SiO2－3和PO3－4的濃度下降，這是由于農業施肥、環境污染等多種因素所造成。海域中營養鹽的變化與它們在長江等河流中的變化趨勢基本一致，但這并不能說明陸源輸入是海域中營養鹽濃度變化的唯一原因，還應該考慮到造成海域內營養鹽變化尤其是PO3－4變化的內源機制。南黃海的營養鹽分布受南黃海環流模式的控制，對黃海暖流的深入研究［38］表明，它并不是對馬暖流的分支，而是從濟州島鄰近水域由對馬暖流水和東海陸架水形成的混合水區中衍生出來的，而且黃海暖流的路徑有一定的季節和年際變異。在冷半年高溫、高鹽水舌從濟州島西側直伸北黃海，而在暖半年冷水團幾乎覆蓋了黃海近底層的廣闊水域，使黃海環流結構在冷暖半年存在明顯差別。南黃海營養鹽的分布一方面受長江、黃河輸入以及大氣沉降的控制，另一方面也受黑潮、東亞季風、ENSO（厄爾尼諾南方濤動）等多種大尺度自然條件的影響。近來研究全球氣候變化與地球生態系統結構和功能的變化之間的關系已成為古生態學研究的熱點。近幾十年來ENSO的增強趨勢會影響到我國的陸架海區，但是對不同海區的影響有所不同。對臺灣海峽地區，在1997—1998年強厄爾尼諾事件中冬季表層水溫明顯高于冬季平時的1.4℃［39］。洪華生等［40］的調查數據表明，臺灣海峽浮游植物對1997—1998年的強厄爾尼諾事件響應非常明顯，1988和1997年夏季南部海區同一斷面的葉綠素分布比較表明，1997年夏季葉綠素濃度顯著低于1988年的，然而在南黃海海域卻還沒有類似的結果報道。邢磊等［41］認為ENSO對南黃海海域的影響主要體現在使東亞夏季風的減弱和冬季風的加強，我國北部降雨減少，雖然河流徑流量有所減小，但是河水中營養鹽濃度升高，使長江的入海營養鹽濃度和通量仍然有上升趨勢，這導致了陸源物質輸入量的增加。C03柱由于其位處山東半島水下三角洲的南部，受山東半島沿岸流所攜帶的黃河物質的影響比較明顯，它的沉積速率是3個巖心中最高的（0.350 cm／a），陸源物質的比例也最高，100 a來沉積物中陸源物質的比例在40.3%～54.6%之間波動，陸源碳含量變化范圍是0.33%～0.75%，自20世紀50年代以來陸源碳含量有明顯上升的趨勢，這可能與山東半島沿岸流的增強有關。因為該沿岸流的季節變化是冬強、夏弱，東亞冬季風的加強［42］也會增強該沿岸流。B17柱的陸源物質的比例在200 a來變化較小，僅在38.7%～45.6%之間波動，陸源碳含量也呈波動上升趨勢。B14柱與B17柱的類似，200多年來陸源物質的比例波動最小，只有38.1%～44.8%，陸源碳含量也有波動上升的趨勢，但僅有0.27%～0.65%。在重建的初級生產力的峰值中由對應的碳穩定同位素值的變化可以判斷B14和B17站在1903—1904和1863—1865年的峰值明顯與陸源碳的輸入增加有關，可是1943年的峰值陸源輸入增加就沒有那么明顯。在本調查的海域，從表層海水中營養鹽的季節變化看，以總氮濃度為例，一般在秋春季節較高，而在冬季最低。即使埃爾尼諾事件引起加強的冬季風使海水垂直混合加強，使底層營養鹽輸送至表層而提高了初級生產力，也不足以使全年平均的初級生產力有很明顯的提高。由上所述可以認為厄爾尼諾事件對我國陸架區的影響大致有兩種途徑：一是造成海水溫度的升高，提高了海洋生產力，這在臺灣海峽等南方海域有直接的表現，而在南黃海并不明顯；二是厄爾尼諾事件引起我國氣候系統的變化，出現南澇北旱現象和東亞季風的變化從而影響到陸源物質輸入海洋的變化，進而影響海洋營養鹽的供應。由3個站位所重建的200 a來初級生產力的演變記錄可以看出其主要的影響因素：一是溫度升高的影響，二是營養鹽的供給因素。后者中長江和黃河兩河流域的人口膨脹和工農業的發展是更重要的控制因素，在C03柱的表現尤為典型。

5 結論

由南黃海冷渦沉積區的3個巖心資料初級生產力歷史記錄的成功重建，證明了應用沉積有機質中碳穩定同位素組成來估算沉積物中海源碳的沉積記錄，而后反演巖心中200 a以來的高分辨率的初級生產力的歷史記錄的思路是可行的，結果也是可靠的。對重建所得到的南黃海近代初級生產力演化主要因素的初步探討表明，初級生產力的波動升高與海水表層溫度的升高趨勢是一致的，但其最主要的控制因素還是營養鹽的供應，其中陸源營養物質和污染物質的影響起到了重要的作用。

［1］Suess E.Particulate organic carbon flux in the ocean-surface productivity and oxygen utilization［J］.Nature，1980，228：260－263.

［2］Betzer P R，Showers W J，Law E A，et al.Primary productivity and particle fluxes on a transect of the equator at 153°W in the Pacific Ocean［J］.Deep-Sea Res，1984，31：1－11.

［3］Stein R.Surface water paleoproductivity as inferred from sediments deposited in oxic and anoxic deep water［M］∥Degens E T，Meyers P A，Brasseli S C.Biogeochemistry of Black Shales.Hamburg：Selbstverlag Universitat Hamburg，1986：55－70.

［4］Sarnthein M，Winn K，Duplessy J C，et al.Global variations of surface ocean productivity in low and mid latitudes：influence on CO2reservoirs of the deep ocean and atmosphere during the last 21 000 years［J］.Paleoceanography，1988，3（3）：361－399.

［5］賈東國，彭平安，傅家謨.珠江口近百年來富營養化加劇的沉積記錄［J］.第四紀研究，2002，22（2）：158－165.

［6］Yamamuro M，Kanai Y.A 200-years record of natural and anthropogenic changes in water quality from coastal lagoon sediments of Lake Shinji，Japan［J］.Chemical Geology，2005，218：51－61.

［7］邢磊，趙美訓，張海龍，等.沖繩海槽中部過去15 ka來浮游植物生產力和種群結構變化的生物標志物重建［J］.科學通報，2008，53（12）：1448－1455.

［8］南青云，李鐵剛，陳金霞，等.南沖繩海槽7 000 a B.P.以來基于長鏈不飽和烯酮指標的古海洋生產力變化及其與氣候的關系［J］.第四紀研究，2008，28（3）：482－490.

［9］Mc Quoid M R，Whiticar M J，Calvert S E，et al.A post-glacial isotope record of primary production and accumulation in the organic sediments of Saanich Inlet，ODP Leg 169S［J］.Marine Geology，2001，174：273－286.

［10］寧修仁，劉子琳，蔡昱明.我國海洋初級生產力研究二十年［J］.東海海洋，2000，18（3）：13－19.

［11］葉曦雯，劉素美，趙穎翡，等.黃、東海沉積物中生物硅的分布及其環境意義［J］.中國環境科學，2004，24（3）：265－269.

［12］沈志良.三峽工程對長江口海區營養鹽分布變化影響的研究［J］.海洋與湖沼，1999，22（6）：540－546.

［13］沈志良.長江口海區理化環境對初級生產力的影響［J］.海洋湖沼通報，1993，1：42－51.

［14］魯北偉，王榮.春季東海表層葉綠素a含量分布特征［J］.海洋與湖沼，1996，27（5）：487－491.

［15］劉子琳，寧修仁，蔡昱明.杭州灣—舟山漁場秋季浮游植物現存量和初級生產力［J］.海洋學報，2001，23（2）：93－98.

［16］王俊.黃海春季浮游植物的調查研究［J］.海洋水產研究，2001，22（3）：56－61.

［17］楊茜，孫耀，王迪迪，等.東海、黃海近代沉積物中生物硅含量的分布及其反演潛力［J］.海洋學報，2010，32（3）：51－57.

［18］吳時國，涂霞，羅又郎，等.南沙群島海區有機碳沉積作用與古生產力估算［J］.熱帶海洋，1995，14（4）：58－66.

［19］Grundle D S，Timothy D A，Varela D E.Variations of phytoplankton productivity and biomass over an annual cycle in Saanich Inlet，a British Columbia fjord［J］.Continental Shelf Research，2009，29（19）：2257－2269.

［20］Chakraborty K，Finkelstein S A，Desloges J R，et al.Holocene paleoenvironmental changes inferred from diatom assemblages in sediments of Kusawa Lake，Yukon Territory，Canada［J］.Quaternary Research，2010，74（1）：15－22.

［21］楊茜，宋嫻麗，孫耀.東、黃海近代沉積物中有機碳源解析及對浮游植物總量的重建潛力［J］.海洋學報，2012，34（4）：188－194.

［22］Cai D L，Tan F C，Edmond J M.Sources and transport of particulate organic carbon in the Amazon River and Estuary［J］.Estuarine，Coastal and Shelf Science，1988，26：1－14.

［23］Tan F C，Cai D L，Edmond J M.Carbon isotope geochemistry of the Changjiang Estuary［J］.Estuarine，Coastal and Shelf Science，1991，32：395－403.

［24］Cai D L.Geochemical studies on organic carbon isotope of the Yellow River Estuary［J］.Science in China：Series B，1994，37（8）：1001－1015.

［25］Ogrinc N，Fontolan G，Faganeli G，et al.Carbon and nitrogen isotope compositions of organic matter in coastal marine sediments（the Gulf of Trieste，N Adriatic Sea）：indicators of sources and preservation［J］.Marine Chemistry，2005，95：163－181.

［26］Hu J F，Peng P A，Jia G D，et al.Distribution and sources of organic carbon，nitrogen，and their isotopes in sediments of the subtropical Pearl River estuary and adjacent shelf，Southern China［J］.Marine Chemistry，2006，98：274－285.

［27］Zhang J，Wu Y，Jennerjahn T C，et al.Distribution of organic matter in the Changjiang（Yangtze River）Estuary and their stable carbon and nitrogen isotopic ratios：implication for source discrimination and sedimentary dynamics［J］.Marine Chemistry，2007，106：111－126.

［28］Zhu J R.Distribution of chlorophy－a off the Changjiang River and its dynamic cause interpretation［J］.Science in China：Series D，2005，48（7）：950－956.

［29］高建華，汪亞平，潘少明，等.長江口外海沉積物中有機物的來源及分布［J］.地理學報，2007，62（9）：981－990.

［30］Zetsche E，Thornton B，Midwood A J，et al.Utilisation of different carbon sources in a shallow estuary identified through stable isotope techniques［J］.Continental Shelf Research，2011，31：832－840.

［31］Cai D L，Shi X F，Zhou W J，et al.Sources and transportation of suspended matter and sediment in the southern Yellow Sea：evidence from stable carbon isotopes［J］.Chinese Science Bulletin，2003，48（Supp）：21－29.

［32］張凌，陳繁榮，楊永強，等.珠江口外近海沉積有機質化學及穩定同位素組成的早期成巖改變［J］.海洋學報，2008，30（5）：43－51.

［33］楊東方，陳生濤，胡均，等.光照、水溫和營養鹽對浮游植物生長重要影響大小的順序［J］.海洋環境科學，2007，26（3）：201－207.

［34］Solomon S，Qin D，Manning M，et al.Climate change 2007：The physical science basis［R］∥Contribution of Working GroupⅠto the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.Cambridge：Cambridge University Press，2007：996.

［35］Karl D M，Bidigare R R，Letelier R M.Long term changes in plankton community structure and productivity in the North Pacific subtropical gyre：the domain shift hypothesis［J］.Deep-Sea Research：Ⅱ，2001，48：1449－1470.

［36］傅明珠，王宗靈，孫萍，等.2006年夏季南黃海浮游植物葉綠素a分布特征及其環境調控機制［J］.生態學報，2009，29（10）：5366－5375.

［37］高磊，李道季.黃、東海西部營養鹽濃度近幾十年來的變化［J］.海洋科學，2009，33（5）：64－69.

［38］臧家業，湯玉祥，鄒娥梅，等.黃海環流的分析［J］.科學通報，2001，46（增刊）：7－15.

［39］黃邦欽，胡俊，柳欣，等.全球氣候變化背景下浮游植物群落結構的變動及其對生物泵效率的影響［J］.廈門大學學報：自然科學版，2011，50（2）：402－410.

［40］洪華生，商少凌，張彩云，等.臺灣海峽生態系統對海洋環境年際變動的響應分析［J］.海洋學報，2005，27（2）：63－69.

［41］邢磊，趙美訓，張海龍，等.二百年來黃海浮游植物群落結構變化的生物標志物記錄［J］.中國海洋大學學報，2009，39（2）：371－322.

［42］Yancheva G，Nowaczyk N R，Mingram J，et al.Influence of the intertropical convergence zone on the East Asian monsoon［J］.Nature，2007，445（7123）：74－77.

Reconstructing a primary productivity history over the past 200 a using the sediment organic carbon content and the stable isotope composition from the East China Sea and the Yellow Sea

Cai Deling1，2，Sun Yao1，Zhang Xiaoyong1，Su Yuanfeng2，Wu Yonghua2，Chen Zihua2，Yang Qian1

（1.Yellow Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Qingdao 266071，China；2.First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China）

The reconstruction of paleoproductivity at home and abroad has been a hot spot in the research of marine ecology since the 1980s.However，most of the studies are in abyssal regions.Continental shelf areas are influenced more obviously by the terrigenous matter and more difficult to be studied than abyssal regions.It makes use of carbon stable isotope compositions in organic matter of modern sediments to estimate the sea-derived carbon contents.Based on this，combining the investigation data of the several representative indicators of the primary productivity in surface sediments（phytoplankton biomass，chlorophylla concentration，as well as the diatom content），to seek correlation between the sea-derived carbon content and the productivity index in cores.Then，the high resolution of the paleoproductivity records over 200 a can be reconstructed from the sea-derived carbon content in 3 typical columnar sediments from the southern Huanghai Sea cold eddy zone.It has important significance for studying the evolution rule of ecological environment in the continental shelf area.Controlling factors on the primary productivity evolution reconstructed for the southern Yellow Sea are discussed elementarily，it shows that the primary productivity wave elevation over 200 a is consistent with sea surface temperature trends，but its main control factor still is nutrient supply，in which land nutrients and pollutants play an important role.

organic carbon；carbon stable isotopes；primary productivity；East China Sea；Yellow Sea

P736.4

A

0253-4193（2014）02-0040-11

2012-08-27；

2013-07-05。

國家重點基礎研究發展計劃項目（2010CB428902）；國家自然科學基金面上項目（40876088）。

蔡德陵（1943—），男，上海市人，研究員，主要從事海洋地球化學和同位素地球化學方面的研究。E-mail：dlcai＠fio.org.cn *通信作者：孫耀，研究員，主要從事環境化學方面的研究。E-mail：sunyao＠ysfri.ac.cn

蔡德陵，孫耀，張小勇，等.由東海、黃海沉積物中有機碳含量及穩定同位素組成重建200年以來初級生產力歷史記錄［J］.海洋學報，2014，36（2）：40－50，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.02.005

Cai Deling，Sun Yao，Zhang Xiaoyong，et al.Reconstructing a primary productivity history over the past 200 a using sediment organic carbon content and the stable isotope composition from the East China Sea and the Yellow Sea［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（2）：40－50，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2014.02.005