過去2000年西沙群島生態(tài)環(huán)境對氣候變化和人類活動的響應(yīng).pdf

1、全球變暖對于生態(tài)系統(tǒng)的諸多方面都具有顯著的影響，近年來該方面的研究逐漸受到了越來越多的關(guān)注。但是，到目前為止，氣候變化是通過何種途徑來對生物和環(huán)境產(chǎn)生影響的尚不清楚。理解過去才能更好的預(yù)測未來，研究歷史時(shí)期的生態(tài)和氣候演化過程對于預(yù)測未來的生態(tài)環(huán)境變化必不可少。海鳥頻繁活動于海洋和海島之間，其生物遺跡是研究歷史時(shí)期生態(tài)環(huán)境對氣候變化響應(yīng)的理想載體。西沙群島是我國著名的鳥島，我們對其進(jìn)行了野外考察，并從五個(gè)小島（甘泉島、廣金島、晉卿島、金

2、銀島和琛航島）上采集了糞土沉積柱樣（編號分別為GQ、GJ3、JQ、JY2和CH）。這些沉積物中有大量保存完好的海鳥遺跡（如骨骼、蛋殼、鳥糞等），通過對這些生物遺跡和全糞土沉積樣品的元素地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)和生物地球化學(xué)分析，我們從歷史的角度對這些島嶼生態(tài)系統(tǒng)的演化過程進(jìn)行了深入討論，主要的發(fā)現(xiàn)點(diǎn)闡述如下。
　　 1.環(huán)境核素和年代序列建立
　　 通過對鳥糞土沉積物全巖樣品中一些自然和人造放射性核素（包括210Pb、2

3、26Ra、137Cs等）的活度分析，我們發(fā)現(xiàn)210Pb定年技術(shù)可以應(yīng)用于西沙群島富含鳥糞的珊瑚砂質(zhì)沉積物。并分別用常量初始濃度(CIC)模式和恒定初給速率(CRS)模式計(jì)算了幾個(gè)小島表層沉積物的210Pb年齡。計(jì)算所得到的幾個(gè)島嶼的210Pb平均大氣沉降通量為126Bqm-2a-1，與北半球的平均值（125Bqm-2a-1）非常接近，137Cs沉降通量比較小。通過鳥糞顆粒與糞土全巖樣品中過剩210Pb的放射性活度分析，我們識別出西沙珊瑚

4、砂糞土沉積物中的過剩210Pb主要來自于大氣沉降。鳥糞并不是其主要的來源，海鳥活動并未對核素的蓄積量產(chǎn)生明顯影響，沉積物中來自鳥糞和植物殘?bào)w的有機(jī)物在核素滯留方面起了很重要的作用。在210Pb定年的基礎(chǔ)上，我們也分析了沉積剖面中保存完好的鳥骨遺跡的AMS14C定年。五根沉積柱的年代序列由表層沉積物的210Pb年齡與底部鳥骨14C年齡共同建立，年齡模式顯示沉積柱中最底部的樣品其年齡超過2000年。
　　 2.鳥糞土沉積物的元素地球

5、化學(xué)性質(zhì)及其環(huán)境意義的識別
　　 西沙GQ、GJ3、JQ和JY2沉積柱中糞土沉積的元素地球化學(xué)分析表明，四個(gè)沉積剖而有機(jī)質(zhì)和無機(jī)元素含量分別在11cm、15cm、7cm和12cm深度處出現(xiàn)較大變化，反映沉積物質(zhì)米源組成發(fā)生了顯著變化。這種迅速變化反映了兩沙群島沉積物在次表層由珊瑚砂-鳥糞二元體系轉(zhuǎn)化為珊瑚砂-鳥糞-腐殖質(zhì)二元體系，暗示了海鳥登陸各個(gè)島嶼的時(shí)間要明顯早于植被的發(fā)育。Cu、Zn、Cd、P、Ba、As、Se等7種元素組

6、合是整個(gè)西沙群島海鳥糞土沉積層的生物地球化學(xué)組合的標(biāo)型特征，其含量主要受控于海鳥糞的輸入。海鳥活動和植被發(fā)育改造了沉積物的結(jié)構(gòu)，對生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育起著積極的作用。四個(gè)剖面無機(jī)元素含量綜合分析結(jié)果表明，物源的組成（即海鳥糞、珊瑚砂和植物腐殖質(zhì)相對比例）是控制西沙群島海鳥糞土沉積剖面中元素地球化學(xué)特征的主要因素，海鳥活動對生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育起著核心的作用。
　　 3.過去2000年海鳥數(shù)量恢復(fù)及其變化原因分析
　　 利用沉積物全樣

7、中海鳥標(biāo)型元素含量和近紅外光譜學(xué)分析，我們恢復(fù)了西沙群島過去2000年的海鳥數(shù)量變化記錄。結(jié)果顯示，不同島嶼上的海鳥數(shù)量變化記錄具有相當(dāng)?shù)囊恢滦浴Ｔ谛”跁r(shí)(1400-1850AD)，西沙各島的海鳥數(shù)量達(dá)到最高水平，并維持長達(dá)幾百年的時(shí)間，這說明相對涼爽的氣候條件更適合西沙群島地區(qū)的海鳥繁衍。其可能的機(jī)制為：在比較冷的時(shí)期，較低的SST和較強(qiáng)的東亞冬季風(fēng)使得海水的混合作用加強(qiáng)，海洋底部的營養(yǎng)物質(zhì)傳輸至海洋表層；此外，較強(qiáng)的東亞冬季風(fēng)也會

8、攜帶富含營養(yǎng)物質(zhì)的粉塵到達(dá)南海，這會使得海洋初級生產(chǎn)力增加，海鳥的食物（如魚類）豐度也相對較高，最終促成了海鳥數(shù)量的增加。此外，根據(jù)對骨膠原C、N穩(wěn)定同位素的分析，我們發(fā)現(xiàn)在海鳥數(shù)量較多時(shí)，其營養(yǎng)級也較高，這可能與海鳥的種內(nèi)和種間競爭有關(guān)。在較冷時(shí)期，海洋生產(chǎn)力較高，海鳥數(shù)量較多，海洋單位面積上的食物載荷加大；種內(nèi)和種間競爭可能迫使海鳥潛水更深、或飛行到更遠(yuǎn)的地方去覓食。最近150年海鳥數(shù)量的迅速下降可能主要與人類活動有關(guān)，過去150年

9、人類活動已經(jīng)超過了氣候條件對海鳥數(shù)量的影響。
　　 4.千年級尺度南海海洋生產(chǎn)力的恢復(fù)
　　 根據(jù)對西沙各島古鳥糞中的微量元素的分析，我們識別出鳥糞中的Cd可作為指示西沙附近海域海洋初級生產(chǎn)力的指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，我們恢復(fù)了南海西沙海域過去1000年的海洋初級生產(chǎn)力變化，結(jié)果顯示在較為寒冷的小冰期，海洋生產(chǎn)力相對較高，與海鳥數(shù)量記錄基本一致，這進(jìn)一步加深了我們對海鳥數(shù)量變化機(jī)制的認(rèn)識。結(jié)合東亞季風(fēng)的記錄，我們發(fā)現(xiàn)東亞冬季風(fēng)

10、可能是控制南海西沙附近海域海洋生產(chǎn)力和生物有效性的限制性因子。在寒冷的小冰期，東亞冬季風(fēng)較強(qiáng)，這會促進(jìn)上下層海水的混合和海洋底部營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，促進(jìn)海洋表層浮游植物的發(fā)育；同時(shí)冬季風(fēng)攜帶的粉塵中含有大量營養(yǎng)元素對生產(chǎn)力的增加也會產(chǎn)生促進(jìn)作用。在千年級時(shí)間尺度上，太陽輻射的變化可能是南海西沙群島地區(qū)海鳥生態(tài)的最終控制要素。
　　 5.西沙海鳥糞土層中人類活動的記錄
　　 GJ3沉積剖而中有大量保存完好的鳥蛋殼，這些蛋殼中H

11、g的含量反映了海洋環(huán)境中的大氣Hg沉降：此外，利用GJ3、JQ和JY2沉積柱全巖樣品，我們也計(jì)算了過去700年的大氣Hg沉降，所得到的記錄與蛋殼Hg的記錄基本一致。過去700年，環(huán)境中的Hg與人類活動密切相關(guān)，如中國明朝永樂年間的冶金活動、對歐洲和美洲的開發(fā)和第二次世界大戰(zhàn)等都可以在我們的數(shù)據(jù)中找到相應(yīng)的記錄。此外，Hq的沉降記錄也反映了20世紀(jì)70年代以后全球Hg的生產(chǎn)重心由歐洲和美洲向亞洲地區(qū)的轉(zhuǎn)移。這三個(gè)沉積剖面過去400年的黑碳

12、(BC)沉降記錄也較為相似，其在20世紀(jì)以前保持在相對低的水平，在1900AD年以后開始迅速上升，并在20世紀(jì)70年代達(dá)到峰值。最近幾十年BC的沉降通量逐漸降低，這可能反映了南海周邊地區(qū)能源結(jié)構(gòu)的變化和污染控制技術(shù)的進(jìn)步。
　　 6.鳥糞中古DNA的提取
　　 我們嘗試了從古鳥糞顆粒中提取DNA分子，結(jié)果顯示西沙鳥糞中確實(shí)含有DNA，但其含量非常低，這說明鳥糞顆粒中的DNA嚴(yán)重降解。PCR分析表明，提取到的短片段DNA存