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科研進展

2021年10月11日
中國科大揭示過去6000年南大洋繞極深層水變化及其對企鵝生態的影響

近(jin)日,中國科大(da)環境科學(xue)與(yu)工(gong)程(cheng)系、極地(di)環境與(yu)全球變(bian)化(hua)安徽省重點(dian)實驗室謝(xie)周(zhou)清研(yan)究小組在(zai)企鵝(e)古生態研(yan)究領域取得(de)重要進展。研(yan)究成果(guo)以“6,000-Year Reconstruction of Modified Circumpolar Deep Water Intrusion and Its Effects on Sea Ice and Penguin in the Ross Sea”(過(guo)去6000年羅斯海改(gai)性繞極深層水入侵及(ji)其對海冰和企鵝(e)種群的影響)為題,發(fa)表(biao)在(zai)地(di)學(xue)知名學(xue)術期刊《Geophysical Research Letters》上(shang),AGU(美(mei)國地(di)球物理學(xue)會)以“Preserved penguin poo reveals past Antarctic ocean circulation changes”為題對該研(yan)究成果(guo)進行了深入報道。該項研(yan)究創新性地(di)采用企鵝(e)糞(fen)土沉積物作為南大(da)洋上(shang)升(sheng)流的記錄載體,為探(tan)究過(guo)去大(da)洋環流的變(bian)化(hua)及(ji)其與(yu)生態系統(tong)的聯系提供了有(you)力工(gong)具(ju)。

風驅動的繞極深層水(CDW)上涌是影響氣候、環境與生態系統的關鍵要素,它導致了目前西南極冰架的快速消融;驅動了大洋深層CO2向大氣的釋放;其上涌的位置決定了南大洋生物群落的空間分布。羅斯海是世界上緯度最高的海域,但卻擁有繁榮的生態系統,初級生產力占南大洋1/3,阿德利企鵝種群也占全球1/3,這很大程度上得益于CDW帶來的熱量和營養物質。目前,歷史時期CDW上涌強度的變化主要依賴海洋沉積柱中的溫度、海冰指標,既無法直接地指示上升流變化,又無法了解大洋環流對生態系統造成的影響。

南極(ji)羅斯海的企鵝聚集區(高(gao)月嵩攝(she))

本研究利用南(nan)極羅(luo)斯海(hai)(hai)地(di)(di)區一系(xi)(xi)列的(de)(de)企(qi)鵝(e)(e)糞(fen)土沉積物(wu),通過放射(she)性碳(tan)測年(nian)(nian)和(he)化學元素(Cd/P)的(de)(de)分析,重(zhong)(zhong)建了(le)(le)過去6000年(nian)(nian)CDW的(de)(de)上涌(yong)強度:距今(jin)6000-2800年(nian)(nian)以及1600-700年(nian)(nian)是兩個(ge)上涌(yong)較強的(de)(de)時(shi)期(qi)。同(tong)時(shi)當地(di)(di)的(de)(de)硅(gui)藻記(ji)錄指出此時(shi)近(jin)岸(an)海(hai)(hai)冰較少(shao)、夏季海(hai)(hai)溫偏高(gao);而羅(luo)斯海(hai)(hai)出土的(de)(de)企(qi)鵝(e)(e)殘體數目指出這(zhe)兩個(ge)時(shi)期(qi)同(tong)樣(yang)是阿德(de)利企(qi)鵝(e)(e)種(zhong)群(qun)的(de)(de)繁盛期(qi)。相反(fan),距今(jin)2800-1600年(nian)(nian)則是海(hai)(hai)冰擴張和(he)企(qi)鵝(e)(e)種(zhong)群(qun)衰落(luo)的(de)(de)時(shi)期(qi)。以上結果(guo)表(biao)明,CDW對于羅(luo)斯海(hai)(hai)海(hai)(hai)冰和(he)生(sheng)態(tai)變(bian)化起到了(le)(le)關鍵性作(zuo)用。CDW上涌(yong)帶來的(de)(de)熱量(liang)減弱了(le)(le)近(jin)岸(an)海(hai)(hai)冰的(de)(de)生(sheng)成,輸入的(de)(de)營養物(wu)質導(dao)致海(hai)(hai)洋(yang)生(sheng)產力增加,磷蝦(xia)和(he)企(qi)鵝(e)(e)數量(liang)上升(sheng)。同(tong)時(shi)上涌(yong)的(de)(de)Cd沿食物(wu)鏈富集并隨企(qi)鵝(e)(e)糞(fen)傳輸到南(nan)極大陸上,具(ju)備海(hai)(hai)洋(yang)和(he)陸地(di)(di)雙重(zhong)(zhong)屬性的(de)(de)企(qi)鵝(e)(e)糞(fen)成為(wei)了(le)(le)將南(nan)大洋(yang)深層(ceng)環流與生(sheng)態(tai)系(xi)(xi)統(tong)變(bian)化相聯系(xi)(xi)的(de)(de)理想材料。

“當前一個很大(da)的(de)(de)(de)問題是研究(jiu)極(ji)地(di)的(de)(de)(de)大(da)洋環(huan)流(liu)與(yu)(yu)生態系統的(de)(de)(de)聯(lian)系,特別(bie)是涉及(ji)到高營養級生物的(de)(de)(de)時候,這正是本研究(jiu)的(de)(de)(de)新穎(ying)之處……在對大(da)洋環(huan)流(liu)的(de)(de)(de)狀(zhuang)況給出約束的(de)(de)(de)同時,更直接地(di)將海洋與(yu)(yu)陸(lu)地(di)上的(de)(de)(de)生物聯(lian)系起來……為理解變化的(de)(de)(de)冰凍圈對生態系統的(de)(de)(de)產生效應(ying)提供了新的(de)(de)(de)工具(ju)”,AGU在報道中(zhong)如此評價。

南(nan)極羅(luo)斯海(hai)歷史時期的MCDW變化與企鵝和(he)海(hai)冰(bing)的關系(xi)

本(ben)研究(jiu)再次拓(tuo)寬(kuan)了企(qi)(qi)(qi)(qi)鵝(e)糞(fen)(fen)土沉(chen)積物的(de)(de)(de)應用(yong)前景。企(qi)(qi)(qi)(qi)鵝(e)糞(fen)(fen)土沉(chen)積物是孫(sun)立(li)廣(guang)-謝周清團隊于2000年(nian)提出的(de)(de)(de)一種(zhong)生(sheng)(sheng)態(tai)地質(zhi)學(xue)(xue)研究(jiu)載體(Sun, Xie et al., Nature),20年(nian)來逐漸用(yong)于重(zhong)建南極(ji)各地的(de)(de)(de)企(qi)(qi)(qi)(qi)鵝(e)種(zhong)群(qun)(qun)數量、食性、棲息地等古(gu)生(sheng)(sheng)態(tai)變(bian)化(hua),乃至人類活動(dong)(dong)排(pai)放的(de)(de)(de)Hg、Pb、有機污染物等。近年(nian)來,該(gai)課題(ti)組(zu)利用(yong)企(qi)(qi)(qi)(qi)鵝(e)糞(fen)(fen)探索大氣(qi)(qi)/海(hai)洋動(dong)(dong)力學(xue)(xue)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)態(tai)效應,接(jie)連取得突(tu)破。2018年(nian)在(zai)(zai)《Earth and Planetary Science Letters》上提出小冰(bing)期阿蒙森海(hai)低壓增強(qiang)(qiang)驅動(dong)(dong)的(de)(de)(de)大氣(qi)(qi)-海(hai)洋-生(sheng)(sheng)態(tai)系統耦(ou)合變(bian)化(hua)新機制(zhi)。同(tong)年(nian),在(zai)(zai)東(dong)南極(ji)發(fa)現(xian)了大氣(qi)(qi)環流異(yi)常導(dao)致企(qi)(qi)(qi)(qi)鵝(e)幼鳥(niao)大量死亡的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)態(tai)災難事件(jian),警示了在(zai)(zai)現(xian)代(dai)全(quan)球變(bian)化(hua)的(de)(de)(de)背(bei)景下(xia)(xia),極(ji)端(duan)氣(qi)(qi)候(hou)(hou)事件(jian)頻發(fa),企(qi)(qi)(qi)(qi)鵝(e)可能面對(dui)的(de)(de)(de)又一生(sheng)(sheng)存挑(tiao)戰(Journal of Geophysical Research: biogeosciences),被(bei)Nature以研究(jiu)亮點(dian)進行了報道。2019年(nian)發(fa)現(xian)1000年(nian)來西風加強(qiang)(qiang)導(dao)致企(qi)(qi)(qi)(qi)鵝(e)自西向東(dong)遷移,揭示了大尺(chi)度氣(qi)(qi)候(hou)(hou)模式作用(yong)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)島嶼地形(xing)對(dui)于企(qi)(qi)(qi)(qi)鵝(e)種(zhong)群(qun)(qun)盛衰和(he)棲息地演化(hua)至關重(zhong)要(Quaternary Science Reviews)。2020年(nian)在(zai)(zai)羅斯(si)(si)海(hai)地區發(fa)現(xian)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)態(tai)災難事件(jian)又以封面文章發(fa)表在(zai)(zai)《Journal of Geophysical Research: biogeosciences》上。前不久,課題(ti)組(zu)在(zai)(zai)糞(fen)(fen)土沉(chen)積物中(zhong)找到關鍵證據(ju),不僅解答了爭論已久的(de)(de)(de)斯(si)(si)科特(te)海(hai)岸“企(qi)(qi)(qi)(qi)鵝(e)消失之謎”,還(huan)提出變(bian)冷條(tiao)件(jian)下(xia)(xia)區域(yu)尺(chi)度的(de)(de)(de)海(hai)洋要素(su)和(he)局部地形(xing)影響下(xia)(xia)的(de)(de)(de)風和(he)積雪對(dui)繁(fan)殖地適(shi)宜度的(de)(de)(de)協(xie)同(tong)作用(yong)(Quaternary Science Reviews》。在(zai)(zai)全(quan)球變(bian)暖的(de)(de)(de)背(bei)景下(xia)(xia),企(qi)(qi)(qi)(qi)鵝(e)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)存引(yin)起廣(guang)發(fa)的(de)(de)(de)關注。氣(qi)(qi)候(hou)(hou)變(bian)化(hua)對(dui)企(qi)(qi)(qi)(qi)鵝(e)種(zhong)群(qun)(qun)的(de)(de)(de)影響是多方位的(de)(de)(de),大氣(qi)(qi)環流、海(hai)洋條(tiao)件(jian)、浮(fu)游(you)生(sheng)(sheng)物群(qun)(qun)落等要素(su)相互耦(ou)合,大尺(chi)度氣(qi)(qi)候(hou)(hou)模式和(he)局部地形(xing)條(tiao)件(jian)共(gong)同(tong)作用(yong)。研究(jiu)團隊的(de)(de)(de)一系列成果(guo),不斷推動(dong)(dong)和(he)拓(tuo)展了人們對(dui)企(qi)(qi)(qi)(qi)鵝(e)與(yu)氣(qi)(qi)候(hou)(hou)變(bian)化(hua)的(de)(de)(de)認識。

該論文第一(yi)作(zuo)者為環(huan)境科學(xue)與工程系(xi)碩士生許奇斌,謝(xie)周清教授(shou)和孫立廣(guang)教授(shou)為本文共同通訊作(zuo)者。該研究工作(zuo)得到了國家自然基金重點(dian)項(xiang)目(mu)和科技部重點(dian)研發(fa)項(xiang)目(mu)的資助。

論文鏈接:

AGU新聞報道:


(環(huan)境科學與工程系、科研(yan)部)

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