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)模式計算了幾個小島表層沉積物的210Pb年齡。計算所得到的幾個島嶼的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體的有機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，四個沉積剖而有機質(zhì)和無機元素含量分別在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島嶼的時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。四個剖面無機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?。在小冰期時(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。其可能的機制為：在比較冷的時期，較低的SST和較強的東亞冬季風(fēng)使得海水的混合作用加強，海洋底部的營養(yǎng)物質(zhì)傳輸至海洋表層；此外，較強的東亞冬季風(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，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，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