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广州地化所、深地科学卓越创新中心在揭示珊瑚硼同位素体系个体差异及重建过去一千年海水pH变化记录取得新进展

2021-10-17 13:05     来源:中科院广州地化所     稳定同位素同位素分析
珊瑚硼同位素体系,即δ11B和B/Ca,是重建珊瑚钙化流体碳酸系统组成的重要地球化学替代指标。硼同位素组成受pH的影响,因此通过测定珊瑚骨骼的δ11B就可以推算出珊瑚钙化流体(calcifying fluid)的pH(pHcf)值,并可以进一步通过经验公式来将pHcf换算为外界海水的pH值。钙化流体中的B主要以硼酸根的形式来取代CO32-而进入到珊瑚碳酸钙晶格中,因此利用B/Ca以及δ11B计算得出的pHcf,还可以推算出珊瑚钙化流体中的溶解无机碳(DICcf)组成。这对于我们认识以造礁珊瑚为代表的海洋钙质生物的钙化机制有重要帮助,同时也是构建海水pH演变记录的重要手段之一。

基于珊瑚所获取的海水pH重建记录一般是利用单个的大型块状珊瑚来完成行的。这样可以获得连续的、长达数百年的海水pH演变历史。但受限于珊瑚个体的生长时限,想要获取更长时间尺度的记录只能通过拼接化石珊瑚的方式来延长重建记录。然而珊瑚是生命个体,不同的样本之间存在很大的个体差异。即便是同一海域相邻的珊瑚个体,在新陈代谢、钙化速率等方面上也均有明显差别。因此受珊瑚及共生藻新陈代谢强烈控制的珊瑚内部钙化流体的化学组成可能也存在显著的个体差异。这使得通过拼接珊瑚δ11B来获取长时间(如数千年)的海水pH演变记录存在很大的不确定性。

针对这一科学问题,中国科学院广州地球化学研究所稳定同位素地球化学学科组的陈雪霏副研究员和邓文峰研究员等人选取了海南岛东部的现代滨珊瑚样品,尝试通过对比相同海域环境下、同期生长的珊瑚的硼同位素体系组成,来限定珊瑚δ11B和B/Ca的个体差异程度。对比结果显示:δ11B个体间的平均差值(mean offset)最大可以达到1.05‰,而B/Ca可以达到183.1 μmol/mol,意味着珊瑚钙化流体pHcf和DICcf均有显著的个体差异,平均差分别可以达到0.07个pH单位和1,444 μmol/kg。这对于重建海水pH来说,最大可以导致约0.14个pH单位的偏差。在这一认识的基础上,作者对同样采自海南岛东部的化石珊瑚也进行硼同位素体系分析,并与现代珊瑚记录进行了对比,发现现代珊瑚δ11B显著偏低,较化石珊瑚平均低约1.67‰,幅度超过个体差异的程度;但珊瑚B/Ca在两者间的差别并未达到显著性水平(图1)。这说明,工业革命以来人类活动引起的环境胁迫,特别是海洋酸化已造成现代珊瑚钙化流体pHcf显著性下降,意味着珊瑚钙化能力的减弱。但是考虑到钙化流体DIC较大的个体差异,现代珊瑚和化石珊瑚之间的差异并不明显,这可能说明珊瑚内部CO2系统并未受到海洋升温和酸化的显著影响。


图1 化石珊瑚和现代珊瑚的硼同位素体系组成
 
通过拼接化石珊瑚和现代珊瑚重建记录,可以看出在工业革命以前,即从中世纪气候异常期到小冰期,海水pH基本维持相对稳定的变化,没有显著的长期升降趋势,但从小冰期转变到现代暖期时,海水pH显著下降(图2)。这一总体趋势与大气CO2含量变化基本一致,且工业革命以后海水pH下降的幅度(~0.24)与三亚的重建记录近似,均指示南海北部经历了显著的海洋酸化过程。但有意思的是,海南岛东部的海水pH在1980年以后有回升的趋势,意味着区域海洋过程对海水pH也具有重要的调控作用。

图2 过去一千年南海北部海水pH重建记录
 
该研究受中科院先导B类项目(XDB40010300)、南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0308)、国家自然科学基金(41803017)、广东省基础与应用基础研究基金(2019A1515010892)、中科院青年创新促进会(2021352)等项目联合资助,近期发表于国际古海洋学期刊Paleoceanography and Paleoclimatology。

论文主要实验数据在中国科学院广州地球化学研究所公共技术服务中心同位素地球化学分析平台完成测试。

论文信息:Xuefei Chen, Wenfeng Deng, Huiling Kang, Ti Zeng, Le Zhang, Jian-xin Zhao, Gangjian Wei, (2021). A replication study on coral δ11B and B/Ca and their variation in modern and fossil Porites: implications for coral calcifying fluid chemistry and seawater pH changes over the last millennium. Paleoceanography and Paleoclimatology, 36, e2021PA004319.
论文链接:https://doi.org/10.1029/2021PA004319
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