过去16,100年来南海北部中层水体溶氧变化程度的古海洋学记录

《Quaternary International》：Paleoceanographic records of intermediate water oxygenation variability in the northern South China Sea over the last 16,100 years

　　

谢宇涵|叶峰|卢希斌|黄超|魏刚健

中国科学院广州地球化学研究所深地过程与资源国家重点实验室，中国广州，510640

摘要

重建海洋中间水氧含量的变化历程对于解析气候敏感区域的古海洋动力学至关重要。然而，边缘海地区古氧化还原状态的变化及其背后的驱动机制至今仍缺乏清晰的认识。在此，我们利用一具具有精确年代信息的沉积物岩芯中的氧化还原敏感元素（包括铀、锰、镉和钼），对过去一次冰消期以来（约16.1千年前至今）南中国海北部中间水氧含量的变化进行了高分辨率（约110年）的重建。多指标记录显示，在海因里希极盛期1阶段以及全新世早期，该地区的氧含量相对较高，而在其他冰消期则明显较低。结合古生产力、海洋环流和表层分层记录，我们认为在最后一次冰消期期间，由北太平洋中间水形成/侵入所驱动的中间水环流控制了南中国海北部地区的氧含量变化。而在全新世时期，来自南方的水体以及东亚冬季风驱动的局部表层分层重新成为主要控制因素。

引言

溶解氧是大多数海洋生态系统的基础，对海洋生物地球化学循环也起着关键作用（Breitburg等，2018；Keeling等，2010）。此外，深层水的氧含量与大气中的二氧化碳通过光合作用和呼吸作用相互关联（Jaccard等，2009；Jacobel等，2020；Thomas等，2022）。通常情况下，海洋中的溶解氧来自空气与海水的交换以及光合带的光合作用，而其消耗则通过有机碳的呼吸作用在整个水柱中发生。深层水的溶解氧浓度还受到深海通风和深渊环流的调控，因此可作为这些过程的指示指标（Kao等，2005；Anderson等，2019）。现代观测表明，由于全球变暖导致氧气溶解度降低以及上层海洋分层加剧，近年来海洋中的氧含量已显著下降（Keeling等，2010；Schmidtko等，2017）。古海洋学记录不仅能够揭示数十年的变化规律，还能展现底层水氧含量对过去气候变化的响应（例如Auderset等，2022；Jaccard和Galbraith，2012；Pattan等，2019；Wang等，2025），不过百年乃至千年的尺度上的氧含量变化机制仍不明确。深入理解这些变化机制对于评估过去的海洋生态系统健康状况、碳储存情况以及未来趋势具有重要意义。

为重建过去的海洋氧含量状况，研究人员开发了一系列地球化学和微古生物学指标（Hoogakker等，2025及其中引用文献）。沉积物中的氧化还原敏感元素可作为过去水柱氧化还原状态的替代指标（Elbaz-Poulichet等，2005；Tribovillard等，2006）。重要的是，这些元素的富集程度直接取决于沉积作用发生时及之后的沉积物氧化还原状态，从而能够间接反映上覆水体的化学性质。这一方法体系有助于进行古氧化还原状态的重建，但需要经过严格的验证（Algeo和Lyons，2006；Rohde等，2021；Tribovillard等，2006）。其中，钼和铀等痕量金属尤为有用，因为它们的沉积物富集程度受孔隙水中硫化氢浓度的控制（Algeo和Tribovillard，2009；Scott和Lyons，2012；Wagner和Hendy，2017）。相比之下，锰在二价态时可溶，而在三价/四价态时会以氧化物形式存在，这类氧化物在氧化条件下会沉淀下来（Calvert和Pedersen，1996）。例如，冰消期形成的天然锰富集现象就被视为南太平洋地区深层水通风增强的证据（Pavia等，2021）。通过整合这些互补的氧化还原敏感指标，研究人员能够更准确地重建过去的海洋氧含量变化情况（例如Jaccard等，2009；Muratli等，2010；Pattan等，2019；Rohde等，2021）。

边缘海对气候变化和环境变化极为敏感（Liu等，2016；Zhong等，2021；Wang等，2025），但由于复杂的源-汇过程，很难清晰地识别出气候变化、海洋环境状况以及大陆风化作用的信号（Kissel等，2020）。从上次冰消期到全新世的过渡阶段，伴随着大气中二氧化碳含量的快速上升以及海平面的上升（Clark等，2012；Lambeck等，2014）、洋流的改变（Wan和Jian，2014；Zheng等，2016），以及千年尺度的气候事件（如B?lling-Aller?d期，14.6-12.9千年前，以及Younger Dryas期，12.9-11.7千年前，Clark等，2012；Rasmussen等，2014），这为研究气候与氧含量之间的关联提供了天然的实验场所。南中国海作为西太平洋最大的半封闭边缘海，通过吕宋海峡与西太平洋相连。南中国海北部地区由于受到周边大陆和岛屿的大量物质输入，其沉积速率高于开阔的太平洋海域（Liu等，2016）。这些特点使得南中国海北部成为进行高分辨率古环境重建的理想区域。中间水氧含量通过影响初级生产力的传递来调控碳的封存过程，但目前南中国海北部地区的中间水相关记录远远少于深层水的相关记录（Li等，2017，2018；L?wemark等，2009；Wang等，2018）。

本研究重建了自上次冰消期以来南中国海北部地区约110年分辨率的古氧化还原状态变化，并分析了其背后的驱动机制。通过分析反映底层水氧含量的沉积物指标（即氧化还原敏感元素的富集程度）以及生物输出生产力指标（有机碳和生物源硅），我们为这一关键气候过渡时期的古海洋变化提供了新的见解。此外，还将我们的数据与北太平洋地区的记录进行对比，以便进一步明确不同区域的古氧化还原状态差异。

章节节选

区域背景

南中国海位于西太平洋，属于热带-亚热带边缘海，是全球面积最大的边缘海之一（约3.5×10⁶平方公里，Wang等，2014），其气候受东亚季风系统的支配。东亚季风系统包括温暖湿润的夏季西南季风和寒冷干燥的冬季东北季风。该季风系统的特点是冬季风较强，夏季风较弱，春秋两季则为过渡期（Gaye等，2009；Geng等，2019）。冬季东北季风会增强

研究结果

图2展示了NH07岩芯在过去16.1千年内氧化还原指标的变化情况。以锰指标为例，高时间分辨率的记录显示，在上次冰消期（16.1-11.7千年前）以及全新世中晚期（8.0-1.0千年前），锰的浓度较低（382-526.9 ppm），而在全新世早期后半段（EH2阶段，约10.0-8.0千年前）以及最近的1.0千年内，锰的浓度则出现明显升高（444.6-643.1 ppm）。需要指出的是，存在两个锰浓度峰值（分别为623.5 ppm

上次冰消期南中国海北部中间水氧含量的变化

海洋沉积物中的氧化还原敏感元素被广泛用于古氧含量重建工作（Tribovillard等，2006；Rohde等，2021），但在边缘海地区使用这些元素时，必须对碎屑物质的干扰以及沉积作用带来的误差进行严格校正。NH07岩芯具有较高的时间分辨率（约110年，沉积速率为14.7至23.6厘米/千年前，Ye等，2024），这使得我们能够准确区分天然产生的氧化还原敏感元素信号：我们所采用的铝标准化处理方法（见第2.4节以及S1–S2图）证实了这一点

结论

海洋中间水的氧含量对颗粒有机质从表层向深层水输送的效率有着重要影响，进而决定了长期碳的封存能力。为了更准确地了解气候变化对古海洋变化的影响，就需要对过去的中间水氧含量状况进行可靠的重建。在本研究中，我们利用氧化还原敏感元素作为地球化学指标，重建了上次冰消期以来南中国海北部地区中间水氧含量的变化情况。我们的主要结论如下

CRediT作者贡献说明

谢宇涵：正式分析、方法设计、初稿撰写、论文修订与编辑。 叶峰：概念构建、研究实施、项目管理、监督指导、初稿撰写、论文修订与编辑。 卢希斌：正式分析、研究实施、方法设计。 黄超：正式分析、研究实施、初稿撰写。 魏刚健：项目管理、资源协调、初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家关键研发计划（编号：2023YFF0803901）以及中国国家自然科学基金（编号：42073074）的资助。同时，我们也感谢2017年在国家自然科学基金共享航时项目中，Dongfanghong II号科考船上的全体工作人员所提供的帮助。此外，本研究还获得了中国地球化学学会的资助，资助编号为IS-3820。