科研动态 Research Highlight

海洋动力过程控制末次冰期北太平洋输出生产力
Millennial-scale ocean dynamics controlled export productivity in the subtropical North Pacific
发布日期:2017-5-12      浏览次数:275

18世纪工业革命以来,大气、海洋、土地和生物圈等地球系统组分受到人类活动的显著干扰,例如上世纪50年代绿色革命后,温室气体二氧化碳(CO2)的大气浓度变化速率相比工业化前增加了700倍。而系统性的观测资料只有几十年的积累,限制了人类对地球生态系统的客观认知。因此认识地质历史时期地球系统的自然变化规律及其控制机理,能为客观评估人类活动对现代生态系统的影响,以及对未来趋势预测提供基础参考。

海洋生物泵在调节大气海洋系统中二氧化碳(CO2)的分配发挥重要作用,大气中沙尘携带的营养物质(铁)沉降进入海洋后,将影响海洋生物地球化学循环,控制初级生产力,因此研究地质历史时期(非人为干扰的自然规律)生物泵强度变化的控制机理是当今的研究热点之一。

已有的研究认为,在末次冰期(距今7-2万年前)快速的千年尺度气候振荡旋回中,铁沉降主导着南大洋亚南极海区输出初级生产力的输出通量(单位时间内从上层海洋向下输出的碳质量);高树基团队利用取自冲绳海槽中部的连续沉积样品(09万年),分析测试了其中“活性磷”组分以用于重建过去该海区输出生产力变化的记录;在精准的沉积年龄框架之下,该团队发现冲绳海槽区域上层水体输出生产力记录与北半球高纬度的沙尘(铁)沉降记录呈现了反相对应关系:即输出生产力高值对应沙尘(铁)沉积低值。通过进一步的数据集成,该团队发现上述现象发生在整个北太平洋的输出生产力记录中。结合北太平洋与北大西洋气候变化遥相关机制,该团队提出在千年尺度气候震荡旋回中,北太平洋输出生产力受控于北太平洋中层水强度的演化,并提出如下作用机制(见图1):在北半球快速冷期阶段,在降水减少、温度下降、海冰增加等多种因素的共同作用下,北太平洋中层水的密度增加导致其下沉深度增大,从而驱使富含营养盐的深层水下移,造成到达上层海洋的营养盐减少以及较低的海洋生产力水平。与之相反,在暖期阶段北太平洋中层水密度减小导致该水体变浅;从而促使富营养的深层水更多的到达上层海洋并支撑较高的生产力水平。该研究结果首次提出了末次冰期千年气候振荡旋回中海洋生物泵控制机理的南-北半球空间差异性。

在此基础之上,结合南北两极高分辨率的冰芯温度记录和大气沙尘沉降记录,该团队提出:在末次冰期南北半球气候的不对称变化阶段—“两极跷跷板(bipolar seesaw南极和北半球之间气候不同步变化模式,北太平洋和南大洋亚南极海区输出生产力呈现同步变化,但受控于不同的环境因子。例如:在北半球快速变暖阶段,富营养的北太平洋中层水变浅,从而导致真光层较高的输出生产。与此同时,南半球高纬度气候处于冷期,较高的沙尘(铁)沉降缓解了南大洋亚极区铁缺乏,进而导致高的输出生产力。

该研究成果于201751日在线发表在地学领域顶级期刊Geology上(2015年影响因子4.548)。论文第一作者是MEL杰出博士后基金获得者李大伟,通讯作者为 千人计划特聘教授高树基。该研究是在国家重点基础研究发展计划(973计划),国家自然科学基金青年科学基金“MEL杰出博士后基金的资助下完成。

1 两极跷跷板气候模式中南北半球生物泵变化示意图。

Figure 1. Schematic diagram for the teleconnection between high and low-latitude regions on millennial climate events during bipolar seesaw.

 

Abstract: The integrated effects of ocean-climate dynamics on export production in the North Pacific have remained elusive. We present a 91 k.y. export productivity (EP) record based on sedimentary reactive phosphorus from the western subtropical North Pacific. On a millennial time scale, EP decreased during Northern Hemisphere cold events when atmospheric dust loading was high, and increased during warm episodes. The inferred antiphase relation between dust and EP suggests that the supply of macronutrients to the sunlit surface ocean, modulated by the penetration depth of North Pacific Intermediate Water and not eolian Fe, exerted a major control on EP in the subtropical North Pacific. A compilation of global EP records suggests that eolian Fe most likely played a role in stimulating EP regionally only in the Subantarctic zone of the Southern Ocean. Over the past 91 k.y., during the cold-south–warm-north phase of the bipolar seesaw, the biological pump in both hemispheres was enhanced synchronously, yet by different drivers; atmospheric Fe input for the Subantarctic and subsurface macronutrient supply for the North Pacific, including the tropical and/or subtropical Pacific, and the Antarctic zone of the Southern Ocean.

Citation: Dawei Li, Li-Wei Zheng, Samuel L. Jaccard, Tien-Hsi Fang, Adina Paytan, Xufeng Zheng, Yuan-Pin Chang, Shuh-Ji Kao*, 2017. Millennial scale ocean dynamics controlled export productivity in the subtropical North Pacific. Geology. Doi: 10.1130/G38981.1

全文链接: http://geology.gsapubs.org/content/early/2017/05/01/G38981.1