南海西沙群島生態(tài)環(huán)境演化過(guò)程的碳氮同位素地球化學(xué)研究.pdf

1、全球變化對(duì)地球上各個(gè)地區(qū)不同的生態(tài)系統(tǒng)都產(chǎn)生了一定影響。地處低緯度熱帶地區(qū)的珊瑚島對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)響應(yīng)靈敏，從歷史角度對(duì)珊瑚島生態(tài)環(huán)境演化過(guò)程的深入研究有助于我們更好地預(yù)測(cè)生態(tài)環(huán)境未來(lái)變化趨勢(shì)，從而可以更好地保護(hù)脆弱的島嶼生態(tài)系統(tǒng)、維護(hù)島嶼生態(tài)安全。西沙群島是位于我國(guó)南海的著名鳥島，其中的大多數(shù)島嶼屬于珊瑚島。前人的研究工作恢復(fù)出了西沙部分島嶼過(guò)去2000年海鳥數(shù)量變化的歷史記錄，識(shí)別出了以海鳥為核心的珊瑚島生態(tài)系統(tǒng)演化過(guò)程，但對(duì)海

2、鳥數(shù)量變化帶來(lái)的影響，包括捕食行為的變化，以及海鳥對(duì)島嶼生物地球化學(xué)循環(huán)的影響尚不清楚。關(guān)于這些問(wèn)題，穩(wěn)定同位素方法在全球其他地區(qū)生態(tài)環(huán)境演化研究中已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用。本研究主要區(qū)域包括西沙群島永樂(lè)群島和宣德群島七連嶼等地，在野外科學(xué)考察中采集到珊瑚砂糞土沉積物、土壤、植物等環(huán)境樣品，并從鳥糞土沉積剖面中獲得了鳥糞顆粒、鳥骨、魚骨、魚鱗、蛋殼等大量生物殘?bào)w，另外作為對(duì)比，采集了海鳥、飛魚、魷魚等現(xiàn)代生物樣品，室內(nèi)主要使用穩(wěn)定同位素地

3、球化學(xué)的原理和方法，對(duì)所采樣品進(jìn)行碳氮同位素分析，并引入了單體氨基酸同位素、氨氮、硝氮同位素分析等新穎分析手段，輔以210Pb和14C定年以及基本理化性質(zhì)分析。在大量實(shí)驗(yàn)分析基礎(chǔ)上，從碳氮元素生物地球化學(xué)循環(huán)的角度出發(fā)，解析西沙珊瑚島生態(tài)環(huán)境演化過(guò)程及其主要控制因素，主要的發(fā)現(xiàn)點(diǎn)闡述如下:
　　1.過(guò)去千年西沙海鳥食譜變化特征
　　在開(kāi)展古生態(tài)研究時(shí)，尋找替代性材料是十分重要的。通過(guò)對(duì)現(xiàn)代飛魚魚肉和魚鱗的碳、氮同位素分析表明

4、，魚肉和魚鱗的同位素組成之間具有顯著的正相關(guān)性，因此魚鱗可以作為魚肉的替代性材料進(jìn)行穩(wěn)定同位素分析。飛魚碳、氮同位素的主要影響因素是不同的，δ15N和魚的重量之間有很好的正相關(guān)關(guān)系，而δ13C的主要影響因素是飛魚生活區(qū)域環(huán)境特征，對(duì)于西沙周邊海域的飛魚來(lái)說(shuō)主要是生活區(qū)域離島的遠(yuǎn)近。根據(jù)魚肉和魚鱗同位素值之間的函數(shù)關(guān)系可以利用魚鱗同位素值推測(cè)魚肉同位素值。此外，對(duì)古今飛魚和海鳥不同組織的同位素分析表明，同位素值有很明顯的組織特異性，這歸因

5、于不同組織代謝速率不同、氨基酸組成差異等多種因素，因此使用同位素方法分析食譜和營(yíng)養(yǎng)級(jí)時(shí)需要考慮到這一點(diǎn)。不同種魚的魚鱗形貌和結(jié)構(gòu)有著特異性，據(jù)此可以鑒定魚類種屬，為使用古代飛魚魚鱗樣品研究海鳥和飛魚古生態(tài)變化過(guò)程提供了基礎(chǔ)。采自南海海域的現(xiàn)代飛魚樣品的δ15N和δ13C之間沒(méi)有顯著相關(guān)性，與之不同的是，從七連嶼糞土沉積物中挑選出的古代飛魚魚鱗樣品，其碳氮同位素之間有著顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這可能與飛魚的繁殖習(xí)性有關(guān):飛魚在近岸產(chǎn)卵，長(zhǎng)大后向遠(yuǎn)

6、海游去，生物體δ15N隨年齡和體重而升高，浮游生物δ13C隨離岸距離增大而降低，因此小飛魚具有更低的δ15N和更高的δ13C值，而大飛魚具有更高的δ15N和更低的δ13C值，因此七連嶼古代飛魚魚鱗δ15N和δ13C之間有著明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。現(xiàn)代飛魚樣品采樣范圍更大，可能有著不同的繁殖地點(diǎn)，加上人類活動(dòng)干擾，這種負(fù)相關(guān)性被打破。
　　前人研究表明，海鳥的食物組成和捕食行為與氣候環(huán)境等因素是有關(guān)系的。以廣金島為研究地點(diǎn)，氮同位素混合模

7、型的計(jì)算結(jié)果表明，歷史時(shí)期海鳥的食物組成與海鳥數(shù)量和氣候變化有關(guān)。小冰期海鳥數(shù)量相對(duì)較多，傾向于捕食更多的魷魚（占比為37±30％）;而在中世紀(jì)暖期，海鳥數(shù)量較少，其食物組成和現(xiàn)代一樣以飛魚為主、魷魚為輔，飛魚占比為88±2％。對(duì)南島歷史時(shí)期海鳥數(shù)量和捕食特征的研究也表明，小冰期海鳥數(shù)量總體上處于峰值，但存在著波動(dòng)，海鳥可能遷徙到鄰近的島嶼造成南島海鳥突然減少，此時(shí)海鳥更多地捕食近岸小飛魚，魚鱗有著較低的δ15N和較高的δ13C值。而在

8、海鳥數(shù)量較多時(shí)整個(gè)七連嶼的海鳥必須更多地飛向遠(yuǎn)海捕食具有更高δ15N和更低δ13C值的大飛魚，此時(shí)七連嶼周圍海域存在飛魚相對(duì)缺乏的“阿什摩爾環(huán)”(Ashmole、s Halo)。此外，氨基酸碳、氮同位素分析結(jié)果表明，單一氮同位素營(yíng)養(yǎng)級(jí)分餾系數(shù)法可以用來(lái)計(jì)算飛魚的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，但不適用于熱帶海鳥。前人從企鵝喂食實(shí)驗(yàn)得到的多變氮同位素營(yíng)養(yǎng)級(jí)分餾系數(shù)法是計(jì)算西沙熱帶海鳥營(yíng)養(yǎng)級(jí)的有效手段，計(jì)算結(jié)果與根據(jù)食譜法算出的熱帶海鳥營(yíng)養(yǎng)級(jí)非常接近。氨基酸同位素

9、方法與海鳥組織全樣δ15N分析相比，不僅可以定性指示營(yíng)養(yǎng)級(jí)相對(duì)高低，還可以定量計(jì)算出結(jié)果。
　　2.糞土沉積物碳同位素值變化與島嶼生態(tài)環(huán)境演化
　　不同來(lái)源的有機(jī)碳其δ13C值往往是不同的，據(jù)此可以分析有機(jī)質(zhì)來(lái)源。通過(guò)對(duì)廣金島和晉卿島糞土沉積物中挑選出的鳥糞顆粒和植物腐殖質(zhì)等樣品進(jìn)行碳同位素分析，結(jié)果表明二者具有明顯不同的有機(jī)δ13C值，該值在埋藏以后相對(duì)穩(wěn)定。珊瑚砂糞土沉積物的主要組成成分是珊瑚砂、鳥糞顆粒和植物殘?bào)w，其中

10、珊瑚砂幾乎不含有機(jī)質(zhì)，因此沉積物有機(jī)質(zhì)來(lái)源只有鳥糞顆粒和植物殘?bào)w兩種。碳同位素端元分解方法可以定量解析出沉積物樣品中兩種有機(jī)質(zhì)來(lái)源各自所占的比例，據(jù)此可以重建島嶼的生態(tài)環(huán)境演化歷史。西沙典型島嶼最開(kāi)始的住戶是在周邊海域取食的熱帶海鳥，海鳥在大約距今約800～600年開(kāi)始大量登陸，海鳥糞的輸入為島嶼帶來(lái)豐富的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，最終于距今約200～100年繁育出大量的植被，然而最近100多年來(lái)西沙多數(shù)島嶼海鳥大量減少。這些結(jié)果與先前我們使用

11、標(biāo)型元素地球化學(xué)方法、近紅外反射光譜方法得到的結(jié)果相一致，證明了碳同位素端元分解方法的有效性。此外，該方法也可用于近海海洋沉積物有機(jī)質(zhì)來(lái)源的分析，相關(guān)研究結(jié)果表明海南東部萬(wàn)泉河口斷面上的海洋沉積物在近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)陸源有機(jī)質(zhì)輸入減少，海洋源輸入相對(duì)增多，主要原因是人類活動(dòng)增多導(dǎo)致萬(wàn)泉河徑流量和輸沙量的減少。
　　3.珊瑚島生態(tài)系統(tǒng)演化過(guò)程中的土壤—植物氮循環(huán)
　　很多研究表明，海鳥的生物傳輸可以顯著改變島嶼生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)過(guò)程。

12、宣德群島七連嶼由一組發(fā)育程度不同的珊瑚島礁組成，包括光禿禿的西沙洲、北沙洲、中沙洲，茂密灌木覆蓋在島嶼中部的趙述島、北島、中島和南島，以及介于兩類島嶼之間的南沙洲。對(duì)土壤、植物（草海桐和紅草）、鳥糞等樣品進(jìn)行碳氮含量和同位素分析，結(jié)果表明在海鳥大量登陸之前，貧瘠的珊瑚島上零星矮小的植物以及相應(yīng)的土壤處于氮限制的狀態(tài)，島嶼的主要氮源是大氣沉降。隨著鳥糞輸入的增多，大量植被開(kāi)始繁育，除了珊瑚島邊緣少量的草本植物外，島上中部區(qū)域的灌木植物和土

13、壤的氮變得充足，主要氮源變?yōu)楹ｘB糞輸入。氨氮和硝氮同位素分析結(jié)果表明，由于硝氮含量比氨氮更高，當(dāng)島嶼氮源主要是大氣沉降時(shí)，植物更多地利用硝氮;由于使用氨氮消耗能量更少，當(dāng)?shù)粗饕区B糞輸入時(shí)，植物主要利用氨氮。總之，海鳥糞的輸入很大程度上改變了西沙珊瑚島土壤—植物的氮循環(huán)過(guò)程。
　　4.糞土沉積物碳氮流失與同位素特征
　　海鳥糞的輸入為島嶼帶來(lái)了大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而最近100多年海鳥數(shù)量大量減少甚至滅絕，鳥糞輸入減少乃至終止，

14、有可能威脅到島嶼生態(tài)安全，因此很有必要評(píng)估鳥糞輸入后其中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失狀況。初步研究表明，沉積物中的鳥糞在被埋藏之后，其中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以被植物利用或者流失，從而參與到島嶼內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)中。碳、氮等元素的流失過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生同位素分餾效應(yīng)，尤其對(duì)于氮元素，西沙多個(gè)沉積剖面中鳥糞顆粒的δ15N值自上而下呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，不同形態(tài)無(wú)機(jī)氮δ15N的變化較為復(fù)雜，總體看無(wú)機(jī)氮含量占比很低，總氮δ15N的變化歸咎于具富集15N的氮從鳥糞中優(yōu)先流出。