南海北部陆坡5万年来沉积磷的积累与环境变化的关系

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吴能友¹　翁焕新²　张兴茂²

（1.广州海洋地质调查局　广州　510760;2.浙江大学地球科学系　杭州　310027）

摘要　南海北部陆坡SZ2大型重力活塞柱状沉积物岩心提供了5万年以来的沉积记录。该柱状样沉积磷含量百年尺度的研究结果显示，5000aB.P以前，沉积磷含量随深度呈现平缓的变化趋势，表明在自然环境条件下，陆源磷向海洋的输送量基本是恒定的，不同深度沉积磷含量的波动与地质时期发生的气候事件相对应，反映沉积磷的积累对气候、环境变化影响的记录是敏感的。5000aB.P以来，沉积磷含量呈现陡然的升高趋势，这是由于自然过程和人为因素双重作用的结果。

关键词　南海北部陆坡　沉积磷　环境变化

1　前言

近十几年来，通过对冰心、黄土、海底沉积、湖积物、树木年轮、洞穴碳酸盐，以及生物遗迹等的研究（Hafildson et al.,1995;GRIR Menbers,1993；丁仲礼等，1996；剪知缗等，1996；王苏民等，1996;Fex et al.,1994；刘东生等，1997;Froval et al.,1995），地质时期和人类发展时期的气候、环境变化纪录不断地被揭示。在进一步讨论气候、环境变化的原因和机制时，人们愈来愈认识到营养元素——磷的生物地球化学过程对全球变化起着不可忽视的作用，因为它直接或间接地与大气圈中的O₂、CO₂的含量相关联。Mcelroy（1983）和Holland（1994）认为，对大气圈O₂和CO₂起主要控制作用的海洋碳循环，强烈地制约着营养元素——磷，这是因为在海洋生产中磷是一个重要的限制因素；Broeceker和Stewart也指出，CO₂的变化在一定程度上是受磷的变化所制约，它与海洋沉积物中的磷在短期（10⁴a）内的交换有关（马隆等，1990）。

海洋中的磷主要来源于陆地地表径流中以溶液、悬浮物、无机和有机物等组分中的磷。进入海洋的绝大部分陆源磷，可以通过生物的、化学的和物理的过程沉积在大陆边缘（翁焕新，1999）。由于磷在整个沉积过程中，无论以何种方式沉淀都受到环境系统背景的影响，因此，海洋沉积物中生物遗骸的碳、氧同位素所记录的古气候和古环境变化信息，在沉积磷中也会有相应的记录，Levin et al.（1994）在研究赤道太平洋深海沉积物中磷含量的垂向变化时发现，在万年时间尺度上，沉积磷的积累速率表现出与氧同位素δ¹⁸O变化有一定的对应关系，即在间冰期积累速率增加，而在冰期减少。

为了高分辨率地揭示海洋沉积磷的积累历史及其与气候、环境变化之间的关系，我们研究了南海北部陆坡5万年以来沉积物中磷的含量随深度的变化，进而在百年尺度上讨论气候和环境变化对沉积磷积累的影响，这对认识磷的环境与生物地球化学行为，以及在揭示过去全球变化的地球化学指标和多指标互证方面，具有重要的理论意义和科学价值。

2　样品与分析

本次研究的大型重力活塞柱状沉积物岩心SZ2采自南海北部陆坡，水深2903m处。地理位置为20°29′43.8″N,119°07′04.3″E。柱状沉积物岩心长8.26m，提供了大约5万年以来的沉积记录。沉积物岩心色调一致，除了在7.54～7.75m之间为黄色粘土质粉砂外，其余均为灰色粉砂质粘土。

以3cm为间隔分割沉积柱样，共采得分辨率为百年时间尺度的分析样品共275个。沉积物分析样品在40℃的恒温箱中烘干，研细。取1g样品放入烧杯中，加入10mL70%的HClO₄，在120℃下消化，直至溶液退色，浓烈的HClO₄气烟出现，二氧化硅变成白色为止。冷却后，用去离子水定容至250mL，然后用分光光度法测定总磷，最低检出限为0.01m。用重复样品和标准样品CRMMESS-1检验分析误差小于5%。

由中科院广州地球化学研究所在沉积柱样143～160cm处，测得的¹⁴C年龄为（7500±150）a。在798～801cm处，测得的热释光年龄为（51100±4000）a。

3　结果与讨论

3.1　坡沉积物中磷含量随深度的变化趋势

通过对南海北部陆坡SZ2沉积物柱状岩心中总磷含量的测试结果的垂向变化进行五次多项式拟合，曲线如图1。

图1　南海北部陆坡沉积磷含量随深度的变化曲线（五次拟合）

Fig.1　Curve of phosphorus content in sediments changing with depth of core SZ2 from the north slope of South China Sea（after 5 degree of polynomial fitting）

从图中可以看到，在5000aB.P前后，沉积磷的含量变化曲线出现拐点，将南海北部陆坡沉积物中总磷含量的变化划分为2种不同的变化趋势。在5000aB.P以前，尽管在不同深度，沉积磷的含量存在较大幅度的高低变化，最大极差可以达到222.63mg/kg，但是，拟合曲线随深度的变化平缓，沉积磷的含量仅在420～450mg/kg之间，如此小的含量变化幅度范围，表明在没有人为因素影响的自然环境下，由陆源供给海洋的磷的数量是基本恒定的。不难理解，在不同深度沉积物中的磷含量出现偏离变化曲线的现象是由于受古气候、古环境变化的影响，导致陆源磷在间冰期向海洋输送的量增加，在冰期向海洋输送的量明显减少，导致磷的生物地球化学过程发生改变，从而使沉积磷积累量发生改变的必然结果。因此，海洋沉积磷的含量随深度发生的明显增高和降低的变化与气候、环境相关联，各个时段沉积磷变化幅度的大小，反映了当时气候、环境变化对沉积磷积累的影响程度。

5000aB.P以来，南海北部陆坡沉积物中磷的含量变化曲线呈现出陡然增高的趋势，这一方面说明了由于气候的自然转暖，使陆源磷向海洋输送量的增加，另一方面也表明了因人类活动，增加了磷向海洋排放量。因此，南海北部陆波近代沉积物中磷含量的大幅度增加，是自然过程与人类因素双重作用影响的结果。

南海北部陆坡沉积磷含量的频率分布图如图2，其中图2a给出了5000aB.P以来近代沉积物中磷的含量分布类型，图2b为5000aB.P以前沉积物中磷的含量分布类型。两图相比可以看出，控制沉积物中磷积累和含量分布的因素明显有人类因素和纯自然因素，两种磷的含量分布类型具有明显不同的特征。

图2　南海北部陆坡沉积物中磷含量的频率分布图

Fig.2　Frequency distribution of phosphorus contents in sediments from the north slope of South China Sea since 5000aB.P（a）and before 5000aB.P（b）

磷在沉积过程中，除了自然的沉淀作用外，一个十分重要的生物地球化学过程是通过海洋生物对磷的吸收，然后以排泄物或遗骸的形式沉淀，因此，沉积物中磷积量的大小，不仅直接反映了陆源磷输入量的多少，而且也间接地反映了海洋的初级生产力。这就是说，陆源磷向海洋输送的数量增加，会促使海洋初级生产力增强，由此而产生的正面效应，起到调节大气圈CO₂和O₂的作用（Holand,1994;Mcelroy,1983），但是，近代人类活动向海洋过量排放的磷所带来的负面效应是导致海洋的富营养化，尤其是近年来全球范围内频繁发生的赤潮事件，反映了这种负面效应已给我们的环境带来不良的影响。

3.2　沉积磷的积累与气候、环境变化的对应关系

南海北部陆坡沉积物中磷的含量随深度的变化，呈现出周期性波动的特征，与格陵兰冰心（GRIP）δ¹⁸O曲线（Bond et al.,1993）的对比表明，这种周期性波动与全球气候事件有较好的对应关系（图3）。从图中可以看到，全球性YD和H₁-H₅事件，在中国南海北部陆坡沉积磷中均有相应的记录。这与汪品先等（1996）在对南海北部陆坡区的17940柱做了高分辨率年代学分析后，从中找到的Heinrich事件和H₁-H₄存在特征相一致。综观5万年以来南海北部陆坡沉积物中磷含量的变化，沉积磷的含量从高变低所跨越的深度明显大于从低变高所跨越的深度，即沉积磷从间冰期的含量高峰值变向冰期的含量低谷值所经历的时间，远低于从冰期的低谷值变向间冰期的高峰值所经历的时间。南海北部陆坡沉积磷含量在深度上的这个变化特征与全球气候变化的规律是完全相一致的（图3），格陵兰冰心δ¹⁸O的变化曲线正反映了全球气候变化，由冷转暖的时间是短暂的，而由暖变冷的时间明显延长的特征。以上结果说明，在气候由间冰期向冰期转变的过程中，不仅为陆源向海洋输入更多磷创造了气候条件（包括温度、降水量、风化条件等），而且也为海洋沉积磷的积累提供了充裕的时间。根据图3的显示，南海北部陆坡沉积磷在不同深度上的变化是明显的，这反映了不同时段沉积磷的积累，对来自气候、环境的影响的记录是敏感的。

汪品先等（1995）曾分析了南海北部陆坡柱样同位素与微体古生物，揭示了YD事件在南海的存在，修正了Broecker等（1988）提出的太平洋区无YD事件推论的同时，而且测得YD事件出现年代为11390～10310aB.P。这个时间段，根据沉积速率，相当于SZ2柱状样深度227～206cm处，从图3中可以看出，在这一深度段沉积磷的含量出现明显降低的变化，这不仅反映了YD事件对沉积磷积累的影响，同时也为YD事件在南海的存在提供了证据。

根据AMS¹⁴C法测年，末次冰期开始于14900～14800aB.P（Broecker et al.,1988），南海冰消期开始于13600aB.P（王律江等，1994），这相当于南海北部陆坡SZ2沉积柱约240cm深处，图3中可以看到在这个深度以上，沉积磷的含量开始逐渐升高，反映了末次冰消期以来气候明显转暖，陆源磷向海洋输入的量增加。

图3　南海北部陆坡沉积磷的垂向变化与冰心GRIPδ¹⁸O曲线的对比

Fig.3 Correlation between the curves of phosphorus content in sediments of core SZ2 from the north slope of South China Sea andδ¹⁸O of ice core GRIP from Greenland

黄麟（1988）根据青海湖Q-14A钻孔中有机质含量变化所反映的干湿程度，指出全新世以来5次干旱事件，其时间分别为8000～75000aB.P,5400～5100aB.P,4700～4100aB.P,2800～2200aB.P和1600～100aB.P，这些干旱事件的发生时期分别相当于南海北部陆坡SZ2柱状样深度为32～2cm,56～44cm,94～82cm,108～102cm和150～160cm。从图3中可以看到，从7500aB.P以来，南海北部陆坡沉积磷的含量总的呈现出急剧上升的趋势，但是在上述相应时间段的沉积磷含量均呈现出相对较低的水平，表明了干旱事件发生期间，陆源磷向海洋输送量的明显减少，同时也说明了沉积磷的这些低峰值记录了全新世以来的干旱事件。

郭正堂等（1996）用化学风化指数（CIW）研究了渭南黄土剖面，并根据风化强度的低峰，揭示了干冷气候事件，这些事件出现的年代，与本柱相应时段沉积磷含量较低的深度一一对应，进一步说明南海北部陆坡沉积磷含量在垂直方向上的变化，与地质时期发生的每一次气候事件是紧密相关联的。

综上所述，海洋沉积磷的含量随深度的波动是气候和环境变化直接和间接影响的结果，也就是说，海洋沉积磷记录了古气候和古环境变化的信息，因此，海洋沉积磷可以作为指示古气候，古环境变化的指标。

参考文献

[1]Hafildson,H.,Sejrup,H.P.,Kristensen,D.K.et al.,1995.Coupled response of the late glacial climatic shifts of north west Europe reflected in Greenland ice coes:Evidence from the northern North Sea.Geology,23,1509～1062

[2]GRIR Members.1993.Climate instability during the last interglacial period recorded in the GRIP ice core.Nature,364,203～207

[3]丁仲礼，任建璋，刘东生等.1996.晚更新世季风沙漠系统千年尺度的不规则变化及其机制问题.中国科学（D辑），26,385～391

[4]剪知缗，刘保华，汪品先等.1996.太平洋晚新世变冷事件.中国科学（D辑），26（5）,461～466

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[6]Fex,X.,Epstein,S.1994.Climatic implications of an 800-year hydrogen isotope time series from Bristle cone pine tree,Science,256,1074～1081

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[9]Holand,H.D.1994 The phosphorus-oxygen connection.Ocean Science Meeting

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[19]黄麒.1988.青海湖沉积物的沉积速率及古气候演变的初步研究.科学通报，22,1740～1744

[20]郭正堂，刘东生，吴乃琴等.1996.最后两个冰期黄土中记录的Heinrich型气候节拍.第四纪研究，1,21～28

PRIMARY STUDY ON PHOSPHORUS ACCUMULATION IN SEDIMENTS AND ITS RELATION TO ENVIRONMENTAL CHANGE OF THE NORTH SLOPE, SOUTH CHINA SEA SINCE 50 ka BP

Wu Nengyou^（1） Weng Huanxin^（2）Zhang Xingmao^（2）

（1）Guangzhou Marine Geological Survey,CGS,MLR,Guangzhou 510760

（2）Department of Earth Sciences,Zhejiang University,Hangzhou 310027

Abstract:The piston core SZ2（8.26 m in length）recovered from the north slope of South China Sea（2903 m WD,20°29′ 43.8″N,119°07′04.3″E）provide the sedimentation record since 50 ka BP.The phosphorus accumulation in sediments of SZ2 at the scale of 100 years and its relation to the environmental change of the north slope of South China Sea were discussed in the present paper.Before 5000 a BP.,the phosphorus contents in sediments present the gentle change with the increase of core depth.It is showed that the in out of phosphorus from the continent to the sea is basically constant under the natural environmental condition.The phosphorus content changes in different depths were in correspodence with the climatic events in the geological history and revealed that the phosphorus accumulation is sensitive to the climatic and environmental changes.After 5000 a BP.，the phosphorus contents in sediments showed the increasing trend and reflected the combined result of natural process and anthropic factor.

Key words:north slope of South China Sea,deposited phosphorus,environmental change