末次盛冰期南大西洋西部由南源水驱动的碳酸盐溶解与碳储存

《Global and Planetary Change》：Southern component water-driven carbonate dissolution and carbon storage during the Last Glacial Maximum in the western South Atlantic

　　

晚第四纪冰期-间冰期气候变率与碳循环密切相关，其反馈机制放大了轨道强迫的作用，造成大气CO2浓度约80–100 ppm的变化，其中碳酸盐生产、溶解与埋藏过程的转变是重要影响因素。南巴西南部大陆边缘邻近潜在的铁施肥源，但该区域生产力、水团结构与碳酸盐溶解的相互作用仍缺乏深入研究。研究人员对覆盖31–7 ka时段、位于1894 m水深的SIS-203岩芯开展分析，浮游有孔虫代用指标显示末次盛冰期(LGM)生产力较低，冰消期至全新世略有上升；自生有孔虫εNd表明LGM期间研究区受腐蚀性南源水(SCW)完全控制，碳酸盐保存程度降低的结果支持这一解释。尽管该站位生物介导的溶解作用较弱，LGM期间碳酸盐保存仍显著下降，与大西洋其他海盆观测结果一致。研究人员提出，水团结构变化——即SCW影响增强——是调控碳酸钙保存的关键机制。深层水团层结与环流的改变加强了LGM时期南大西洋西部的深海碳封存，这一过程可能与南半球气候动力学存在联系。

该研究发表于《Global and Planetary Change》，针对晚第四纪冰期-间冰期大气CO₂浓度波动的机制争议，聚焦南大西洋西部水团变化对碳酸盐溶解与碳储存的调控作用。已有研究指出，轨道参数变化无法完全解释冰期-间冰期80–100 ppm的大气CO₂变幅，南源水(SCW)的形成与扩张被认为通过增强深海碳封存参与这一过程，但南巴西大陆边缘作为潜在铁施肥区的碳酸盐动力过程尚未明确。研究人员通过对31–7 ka时段的沉积岩芯开展多指标分析，证实LGM期间SCW主导该区域，水团几何结构改变而非表层生产力变化是碳酸盐溶解的主要驱动因素，揭示了南大西洋西部在冰期碳储存中的关键作用。

研究人员采用的主要技术方法包括：对南巴西大陆边缘1894 m水深的活塞岩芯SIS-203进行浮游有孔虫组合分析，计算Globigerina bulloides/Globigerinoides ruber比值及Globigerinita glutinata丰度以重建表层生产力；通过碳酸盐含量、浮游有孔虫碎片化程度、底栖/浮游有孔虫比值(B/P)、细粒/粗粒沉积物比值等多指标评估碳酸盐溶解；利用贝叶斯年龄模型rbacon结合AMS ¹⁴C测年与氧同位素地层学建立高精度年代框架；测定自生有孔虫ε_Nd并结合混合模型定量估算北源水(NCW)与SCW的贡献比例；通过主成分分析(PCA)合成生产力与溶解指标，减少多变量干扰。

研究结果如下：

1. 年代模型

研究人员通过贝叶斯方法rbacon建立的年代模型显示，岩芯底部年龄为～30 ka BP，较此前线性插值模型的60 ka BP更为合理，避免了极端沉积速率的外推误差，确保后续指标的时间准确性。

2. 碳酸盐生产与保存：表层生产力与沉降通量

主成分分析提取的生产力指标(PC1_P)显示，MIS 3晚期至MIS 2早期存在间歇性上升流导致的生产力升高，冰消期下降、全新世略有回升。溶解指标(PC1_D)与生产力无正相关(r=-0.35，p<0.05)，排除生物介导溶解的主导作用，表明保存受深层水化学控制。PC1_D与沉积速率呈正相关(r=0.66，p<0.01)，反映高颗粒通量的稀释效应，但B/P比值与有孔虫碎片增加仍指示溶解增强，进一步支持水团控制的溶解机制。

3. 碳酸盐溶解：水团几何结构与底层流

底栖有孔虫δ¹³C在LGM与全新世变化微弱，反映研究区受SCW稳定控制。自生ε_Nd值在LGM达-7.6，全新世为-9.6，混合模型计算显示LGM期间北源水(NCW)占比仅～13%，SCW接近完全主导。平均可排序粉砂(mean sortable silt)粒径从深部向LGM减小，指示底层流减弱、深层环流滞缓，促进呼吸CO₂积累，降低pH与碳酸根离子浓度([CO₃^2-])，导致碳酸盐溶解增强。大西洋多站位对比显示，LGM期间的溶解现象具有海盆尺度一致性，与SCW扩张直接相关。

4. 末次盛冰期的碳库有效性

低轨道倾角导致夏季太阳辐射减少，南极海冰扩张，增强西南风带并向赤道偏移，促进亚南极区铁施肥与生物泵效率提升。SCW携带更多再矿化有机碳，δ¹³C负偏，碳酸盐离子不饱和度增加。研究区作为SCW与NCW的混合界面，LGM期间SCW的完全控制与底层流滞缓共同增强了深海碳封存，反映了冰期南大洋生物地球化学信号通过深层水团向北传递的过程。

讨论与结论部分指出，该研究首次在南大西洋西部1900 m水深证实LGM期间碳酸盐溶解由SCW几何结构变化主导，而非生物介导过程。SCW的扩张伴随底层流减弱，使呼吸CO₂局部积累，降低Ω方解石饱和度，导致溶解增强。这一机制与太平洋“冰期保存更好”的模式相反，体现了大西洋“冰期溶解增强”的独特碳酸盐保存特征。研究明确了南大西洋西部作为LGM碳汇的关键地位，为理解冰期大气CO₂降低的深海碳储存机制提供了新的沉积记录证据。