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热带海洋学报 >

2018 , Vol. 37 >Issue 6: 74 - 84

DOI: https://doi.org/10.11978/2018008

海洋地质学

滨珊瑚Sr/Ca的种间和种内差异性*

  • 胡敏航 , 1, 2 ,
  • 陈天然 , 1 ,
  • 张文静 1, 2
展开
  • 1. 中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室(南海海洋研究所), 广东 广州 510301
  • 2. 中国科学院大学, 北京 100049;
通讯作者:陈天然,男,主要从事珊瑚礁地球化学和生态学研究。E-mail:

作者简介：胡敏航(1993—）, 男,广西桂林市人,硕士,研究方向：珊瑚礁地质与沉积学。E-mail:

收稿日期: 2018-01-11

  网络出版日期: 2018-12-24

基金资助

国家自然科学基金(41476038、41676049);中国科学院青年创新促进会基金(2015284)

收起

Inter-species and inter-colony differences of Sr/Ca-SST calibration in Porites

  • HU Minhang , 1, 2 ,
  • CHEN Tianran , 1 ,
  • ZHANG Wenjing 1, 2
Expand
  • 1. Key laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Corresponding author: CHEN Tianran. E-mail:

Received date: 2018-01-11

  Online published: 2018-12-24

Supported by

National Natural Science Foundation of China (41476038, 41676049);Youth Innovation Promotion Association, Chinese Academy of Sciences (2015284)

Copyright

热带海洋学报编辑部
Fold

摘要

滨珊瑚骨骼的锶和钙元素的比值(Sr/Ca)是重建热带海区海水表面温度(sea surface temperature, SST)变化最常用的地球化学代用指标之一。但是, 珊瑚作为生物体, 其生理活动会对骨骼内的Sr/Ca产生干扰从而影响重建的准确度。文章采用全谱直读等离子体原子发射光谱(Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer, ICP-OES)技术对南海北部涠洲岛两块滨珊瑚的Sr/Ca比值进行测量, 并结合卫星观测的SST值分别建立各个珊瑚个体的Sr/Ca-SST温度计方程。结果显示: 1) 该研究采集的两种滨珊瑚(澄黄滨珊瑚和普哥滨珊瑚)的Sr/Ca值和温度计具有显著的种间差异。因此在古气候重建时, 建议古珊瑚和现代珊瑚严格使用同一种滨珊瑚; 2) 同种滨珊瑚不同个体之间的Sr/Ca也存在差异性, 一方面是由于冬、夏季的极端低、高温对珊瑚生理产生胁迫, 从而造成Sr/Ca出现异常值; 另一方面则是取样误差导致, 尤其是夏季高温和冬季低温时期; 3) 同一珊瑚个体内的不同生长轴的生长率存在显著差异, 然而Sr/Ca却没有显著的差异性, 说明不同生长轴的取样对骨骼Sr/Ca没有显著影响。最后, 文章用多样品的平均值建立Sr/Ca温度计方程, 用于减小个体之间的差异性带来的误差, 得到Sr/Ca(mmol·mol-1)= -0.04027×SST(℃)+9.623的方程。用该温度计对涠洲岛海域的SST后报的误差为±0.6℃(1σ), 达到了古海温重建的精度需求。

关键词： 滨珊瑚; Sr/Ca; 种间差异; 种内差异; 生长率; 海表温度

本文引用格式

胡敏航 , 陈天然 , 张文静 . 滨珊瑚Sr/Ca的种间和种内差异性*[J]. 热带海洋学报, 2018 , 37(6) : 74 -84 . DOI: 10.11978/2018008

Abstract

Strontium-to-calcium (Sr/Ca) ratio in Porites corals is widely used as sea surface temperature (SST) proxy in tropical oceans. However, growth-related kinetic/metabolic effects in Porites may influence skeletal Sr/Ca and ultimately affect the accuracy of SST reconstruction. Here, Sr/Ca ratios in multiple Porites from Weizhou Island were measured using an Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry (ICP-OES), to estimate the inter-species and inter-colony differences of Sr/Ca and the Sr/Ca-SST calibration with instrumental SST records. The results are as follows. (1) In this study, two species of Porites corals, Porites pukoensis and Porites lutea, were collected. Significant differences of Sr/Ca and Sr/Ca-SST equation were found between the two species. We suggest using the same species in coral-based paleo-climate reconstructions. (2) Inter-colony Sr/Ca differences were found in Porites pukoensis and Porites lutea, resulting from extreme warm and cold temperatures, which disturbed coral physiologies and caused anomalously Sr/Ca ratios, as well as sampling errors, especially in warm and cold periods. (3) No significant differences of Sr/Ca were found in different axes in a Porites colony. We established a Sr/Ca-SST thermometer as Sr/Ca (mmol/mol) = -0.04027×SST(℃)+9.623 based on multi-colony calibrations. The multi-colony approach can minimize individual biases or noise referred to growth related “vital effects” or other kinetic/metabolic effects, and eventually increase the accuracy of SST reconstruction. The error of the Sr/Ca-derived SST was ±0.6℃(1σ).

Key words： Porites; Sr/Ca; inter-species offset; inter-conoly offset; growth rate; SST

热带海洋对全球气候变化有显著的调控作用(Lea et al, 2000; 田丽艳 等, 2006)。对热带海洋的连续监测(如水文站、浮标、卫星等), 以及对监测数据的分析和模拟, 一直是气候变化研究的重要环节。海表水温(sea surface temperature, SST)是最基本的监测参数之一, 与海气相互作用直接关联, 如ENSO(厄尔尼诺与南方涛动)最显著的特征就是热带太平洋的 SST异常(Rasmusson et al, 1982)。器测SST的时间序列非常短(不过百年左右), 对于研究百年乃至千年尺度的气候变化规律以及模拟、预测未来气候变化等明显不足。因此, 从自然界的载体中提取地球化学记录信息并重建器测之前的气候变化(古气候研究), 就显得十分重要。生长在热带海域的珊瑚是非常独特的记录载体, 具有生长快速、寿命较长、碳酸钙骨骼易于定年等特点, 能够高分辨率(达到月)地指示热带海洋的气候变化(Corrège, 2006; 余克服, 2012)。珊瑚骨骼中的锶和钙元素含量的比值(Sr/Ca)作为直接的SST代用指标, 已经在古海洋领域得到广泛应用。其中, 用得最多的珊瑚是广泛分布于热带印度—太平洋的滨珊瑚Porites(Beck et al, 1992; Alibert et al, 1997; Tierney et al, 2015)。在我国南海也开展了有关滨珊瑚Sr/Ca重建古气候的研究, 例如直接用于重建全新世水温(韦刚健 等, 2004a, b; Yu et al, 2005; Wei et al, 2007), 以及记录季风和上升流的变化等(Yu et al, 2005; Liu et al, 2008a, b)。
在滨珊瑚Sr/Ca温度计得到广泛应用的同时, 对其不确定性一直存在质疑和争论。例如, Grove等(2013)发现马达加斯加的2块滨珊瑚Sr/Ca年际变化趋势呈现相反的差异; Pfeiffer等(2009)用查戈斯群岛的三块滨珊瑚Sr/Ca重建的SST指示20世纪70年代期间的水温上升, 幅度从0.26到0.75℃不等。对于Sr/Ca温度计的影响因素主要有: (1)海水中的Sr、Ca含量不稳定, 比如上升流(de Villiers et al, 1994; Shen et al, 1996;Alibert et al, 1997; Marshall et al, 2002)和河口(Chen et al, 2015)附近的海域; (2)珊瑚生长速率(de Villiers et al, 1994; Cohen et al, 2004; Allison et al, 2004; Grove et al, 2013); (3)共生虫黄藻光合作用(de Villiers et al, 1995; Cohen et al, 2001; Ferrier-Pages et al, 2003); (4)取样分辨率以及与器测水温记录的校正方法 (Alibert et al, 1997; Corrège, 2006)。以上(2)和(3)称为“生命效应(vital effect)”, 即珊瑚作为生命体, 其内部的生理活动对骨骼 Sr/Ca 产生的干扰(de Villiers et al, 1994, 1995)。因此, 评估上述不确定性, 以及有效提高重建的准确度是珊瑚记录古海洋变化首要考虑的问题。本文通过测定和对比采自南海北部的多块滨珊瑚样品的Sr/Ca, 在此基础上探讨滨珊瑚Sr/Ca的种间和种内及个体之间的差异性, 并建立可靠的温度计方程。

1 材料与方法

1.1 珊瑚样品采集

本研究的9块滨珊瑚样品采集于南海北部的涠洲岛(109°07′E, 21°02′N)(图1, 表1)。选择涠洲岛是因为该海域有大量的现代滨珊瑚生长, 并且当地的SST的季节变化较大(约16~31℃), 为验证滨珊瑚的Sr/Ca温度计的差异性提供了一个非常理想的研究场所。
Fig. 1 Location of the sampling site from Google Earth Map

图1 采样地点卫星照片(根据Google earth地图修改)

Tab. 1 An overview of Porites corals collected from Weizhou Island

表1 滨珊瑚样品的具体信息

样品编号 生长年龄区间(年份) 年平均生长速率/(mm·a-1) 取样间距/mm
WZ1-1 1997—2010 8.1 0.6
WZ1-2 1998—2010 8.9 0.6
WZ1-3 1997—2010 10.5 1
WZ1-4 1997—2010 10.1 1
WZ2 1976—2010 4.4 0.6
WZ3 1983—2010 10.7 1
WZ4 1988—2010 9.4 1
WZ5 1985—2010 7.4 1
WZ6 1997—2010 10.8 1
WZ7 1979—2010 9.8 1
WZ8 1981—2010 6.9 1
WZ9 2005—2015 11.3 1

注: WZ1-1—WZ1-4均来自同一个珊瑚样品WZ1, 分别取自同一个珊瑚的不同生长轴

1.2 样品处理

用切割机将每个珊瑚纵向切割成约8mm厚的薄片, 包含骨骼的生长轴。本文一共选取了12块珊瑚薄片进行地球化学分析(表1), 其中WZ1-1、WZ1-2、WZ1-3和WZ1-4表示来自同一个样品(WZ1)的4个切片, 包含了长度不同的4个生长轴。WZ2—WZ9则是分别从8个不同珊瑚个体上取得的样品薄片。
切割后的样品清洗干净, 自然晾干后在医院用X光拍照(图2)。然后将珊瑚薄片置于超声波仪中, 用去离子水清洗, 正反两面各清洗15min以去除表面的杂质, 再将其放入烘箱中以45℃的温度烘干。根据X光照片依次寻找每块切片样品的生长轴, 根据珊瑚平均生长率选择直径为1和0.6mm的钻头沿生长轴刻取珊瑚骨骼粉末样品。
Fig. 2 X-radiographs of Porites WZ1. A pair of light and dark bands represents an annual growth.
The white solid line represents the sampling track for obtaining growth rate

图2 WZ1样品滨珊瑚切片的X光照片
一对明暗条带的宽度对应了一年的生长, 白色实线代表沿着生长轴钻取粉末样品的轨迹

1.3 生长率测量

首先在X光照片中确定每个样品中可辨别的生长轴, 然后使用CorelDRAW软件的测量工具测量每个样品生长轴长度, 并数出生长轴内相应生长条带的组数, 从而获得对应的生长年龄, 再根据生长轴总长度和年龄获得每个珊瑚样品的平均年际生长率, 其中对WZ1的4个样品精确测量每一组生长条带的间距, 从而获得每一年对应的年际生长率。

1.4 Sr/Ca测试

从每份样品粉末中取出约300~350μg, 在天平上准确称量, 然后用纯化后的HNO3和Milli-Q水配置的2%HNO3溶液溶解稀释, 至样品中Ca2+含量[Ca]为37ppm左右, 振荡均匀混合。Sr/Ca的测定用Varian 720-ES型电感耦合等离子体发射光谱仪。分别配置 [Ca]分别为25、35和45ppm, [Sr]分别为0.5、0.7和0.9ppm的3个标液作为外标法的标准溶液, 同时用本实验室长期使用的标准溶液([Ca]为37ppm)作为长期监测和纠正仪器稳定性的监控溶液。上机测试时, 每个测试样品之间放置一个该监控溶液。根据监控溶液的相对偏差, 最终测定的精度达到了0.19%(测量次数n=2500)。

1.5 Sr/Ca-SST对应关系建立

本文选用的SST序列为NOAA OI SST V2数据库中的(1°×1°)网格SST数据(https: //www.esrl. noaa.gov/psd/data/gridded/data.noaa.oisst.v2.html)。根据珊瑚Sr/Ca值与水温成反比这一规律, 将滨珊瑚样品Sr/Ca值的原始数据与水温序列对应, 珊瑚的顶部对应采样的年月, 每年的Sr/Ca最大值(最小值)对应于水温的最低(最高)值。然后用Analyseries软件(Paillard et al, 1996)将Sr/Ca序列线性插值成双月分辨率, 这是由于涠洲岛滨珊瑚的生长率相对较低(约为8mm·a-1)。这样就使得每个双月(1/2、3/4、…、11/12)的水温数据点都有珊瑚的Sr/Ca值与之对应(图3)。
Fig. 3 Interpolated Porites Sr/Ca ratio and biomonthly SST time series

图3 线性插值的珊瑚Sr/Ca比值和双月分辨率的SST时间序列

2 结果与讨论

2.1 滨珊瑚Sr/Ca时间序列

涠洲岛滨珊瑚Sr/Ca比值的变化范围为8.32~9.08mmol·mol-1。最长的时间跨度为1976— 2015年, 其中1985—2010年期间集中了多个珊瑚的Sr/Ca记录。Sr/Ca比值与SST一样具有明显的季节变化(图3)。夏季时期的Sr/Ca曲线相对圆滑, 而冬季时期的Sr/Ca曲线较为尖锐狭窄, 呈现类似“V”字形, 与其他高纬度滨珊瑚Sr/Ca曲线的构型相类似(Fallon et al, 1999; Chen et al, 2013a)。涠洲岛每年的夏季SST极值的变化相对较小, 在30℃左右, 对应的每年Sr/Ca的最低值也较为一致。然而, 在2002—2007年之间夏季, 特别是出现的极端高温时期, SST与Sr/Ca对应存在相对较大偏差。相对于夏季, 每年的冬季低温和对应的Sr/Ca最大值具有显著的差异。

2.2 滨珊瑚Sr/Ca种间的差异性

WZ2和WZ3的曲线跟其他样品相比有明显差异(图3), 即Sr/Ca绝对值相对较高。WZ2的Sr/Ca平均值为8.64mmol·mol-1, 变化范围为8.41~8.99mmol·mol-1; WZ3的Sr/Ca平均值为8.72mmol·mol-1, 变化范围为8.45~9.08mmol·mol-1, 两者的Sr/Ca最小值和平均值均比其他样品高(表2)。
Tab. 2 Ranges of Sr/Ca, mean and mean biomonthly Sr/Ca ratio

表2 Sr/Ca比值变化范围、平均值及双月平均值

Sr/Ca值/(mmol·mol-1) WZ1-1 WZ1-2 WZ1-3 WZ1-4 WZ2 WZ3 WZ4 WZ5 WZ6 WZ7 WZ8 WZ9
最大值 8.95 8.89 8.91 8.94 8.99 9.08 8.91 8.96 8.95 9.07 8.95 8.80
最小值 8.33 8.35 8.38 8.32 8.41 8.45 8.35 8.34 8.39 8.40 8.37 8.38
平均值 8.60 8.60 8.57 8.59 8.64 8.72 8.56 8.59 8.61 8.65 8.60 8.55
1/2双月 8.84 8.84 8.77 8.82 8.83 8.92 8.75 8.82 8.87 8.92 8.82 8.73
3/4双月 8.65 8.64 8.59 8.62 8.70 8.77 8.61 8.64 8.64 8.74 8.68 8.56
5/6双月 8.50 8.51 8.48 8.49 8.57 8.64 8.48 8.50 8.51 8.55 8.52 8.49
7/8双月 8.45 8.45 8.44 8.44 8.53 8.59 8.42 8.43 8.46 8.47 8.45 8.46
9/10双月 8.51 8.51 8.49 8.50 8.58 8.64 8.48 8.48 8.51 8.54 8.50 8.54
11/12双月 8.67 8.67 8.65 8.65 8.70 8.75 8.59 8.65 8.66 8.69 8.66 8.69
对每个珊瑚所取样品包含时间段内所有相同双月份(1/2、3/4、…、11/12)的Sr/Ca值取平均, 作为该珊瑚样品的Sr/Ca双月平均值, 例如, 对WZ1-1样品1997—2010年所有1/2月的Sr/Ca值取平均, 作为该样品1/2月份的Sr/Ca双月平均值, 依此类推。对比各个珊瑚的Sr/Ca双月平均值, 发现WZ3和WZ2在5/6月到11/12月这段时间内, 其值都要明显小于其他珊瑚样品, 尤其是夏季高温阶段, 两者与其他珊瑚的双月平均值差异达到最大(图4)。
Fig. 4 Mean bimonthly Sr/Ca ratio in each Porites sample

图4 每个珊瑚样品的Sr/Ca双月平均值

通过显微镜观察, 我们发现样品WZ2、WZ3与其他珊瑚样品不属于同一种滨珊瑚(图5)。WZ2、WZ3为普哥滨珊瑚(Porites pukoensis), 其他均为澄黄滨珊瑚(Porites lutea)。这两种滨珊瑚在涠洲岛珊瑚礁生态调查中均有记录(黄晖 等, 2009)。因此, 虽然它们都处于相同的海洋环境(光照、温度等), 而且采用相同的取样和测试方法, 但是我们的测试结果显示, 不同种属的滨珊瑚的骨骼地球化学特征具有明显的差异。同时, 根据本文的结果, 在将滨珊瑚Sr/Ca值应用到古气候记录时, 建议不能混用不同种属的滨珊瑚。
Fig. 5 Comparison of two different species with microscope.
Coral WZ1, and WZ4~WZ9 are Porites Lutea, while WZ2 and WZ3 are Porites pukoensis

图5 不同种珊瑚显微镜下对比
WZ1、WZ4—WZ9为澄黄滨珊瑚(Porites Lutea), WZ2和WZ3为普哥滨珊瑚(Porites pukoensis)

2.3 种内的差异性

本文所用的澄黄滨珊瑚一共有来自7个珊瑚个体的10个切片样品。此外, 样品WZ9采自2015年, 与其他样品的重叠年份较短(图3)。因此, 澄黄滨珊瑚Sr/Ca比值的种内(个体之间)的差异性就建立在其余9个样品的共有年份(1997—2010年)间的Sr/Ca比值的对比之上。通过方差分析(Analysis of Variance, ANOVA)显示, 各个样品的Sr/Ca值除了WZ4和WZ7之间存在极显著差异(P<0.01), WZ1-3和WZ7之间存在显著差异(P<0.05), 其余样品间差异性并不显著(表3)。取7/8月份作为SST和Sr/Ca的夏季值, 1/2月份作为冬季值。比较各个样品的Sr/Ca值与夏冬两季SST的相关性, 发现它们在极值点的相关性普遍较弱, 且其中存在正相关和负相关2种截然相反的相关性(表4)。如图6a所示, 1997—2002年Sr/Ca和SST在夏季的对应关系较好, 其中WZ6与SST的夏季值对应最好。而 2003—2007年这段时间内各个珊瑚之间的Sr/Ca差异明显较2003年之前大。资料显示该海域分别在2003、2004、2005和2007年的夏季发生了高温事件, 最高月平均值达到31℃(Chen et al, 2013b)。因此我们分析导致该差异性的原因可能有: 1)高温对珊瑚生长的胁迫。适宜珊瑚生长的温度一般在18~30℃左右, 极端高温对珊瑚生理产生胁迫作用, 影响珊瑚内部Sr、Ca的运输和进入骨骼, 从而产生异常的Sr/Ca值(Marshall et al, 2002); 2)取样分辨率导致的误差。本文取样分辨率在0.6~1mm, 即双月和月分辨率之间。由于珊瑚并非线性生长, 总体上是夏季生长快、冬季生长慢, 但夏季高温反而会抑制珊瑚生长, 并且每个珊瑚个体生长响应温度变化也不尽相同。因此等间距的取样必然会导致Sr/Ca曲线上的节点与水温季节变化的节点不一致的情形, 即使是增加取样分辨率也会遇到同样的问题。在冬季, 澄黄滨珊瑚的Sr/Ca和SST的对应关系相对较弱, 并且每个珊瑚个体的冬季Sr/Ca极值之间存在着不同程度的偏差。涠洲岛位于相对高纬度海区, 常年受冬季低温影响, 最低温度可达15℃, 这种低温能够抑制珊瑚的生长, 甚至导致生长停滞(Chen et al, 2013b)。在这种情形下, 线性取样不能完全保证取到对应的冬季Sr/Ca极值点, 因而造成Sr/Ca和SST对应关系较弱, 并使得各个珊瑚样品之间出现较大的差异。因此, 传统的建立Sr/Ca温度计的方法并不适用于高纬度海域(Chen et al, 2013a)。
Tab. 3 Porites Lutea Sr/Ca ratio significance test (P value)—Dunnett T3 method

表3 澄黄滨珊瑚Sr/Ca比值显著性(P值)检验——Dunnett T3法

样品编号 WZ1-1 WZ1-2 WZ1-3 WZ1-4 WZ4 WZ5 WZ6 WZ7 WZ8
WZ1-1
WZ1-2 1.000
WZ1-3 1.000 1.000
WZ1-4 1.000 1.000 1.000
WZ-4 0.998 1.000 1.000 1.000
WZ-5 1.000 1.000 0.999 1.000 0.994
WZ-6 1.000 1.000 0.997 1.000 0.988 1.000
WZ-7 0.420 0.237 0.012 0.098 0.007 0.561 0.606
WZ-8 1.000 1.000 0.616 0.983 0.481 1.000 1.000 0.995
Tab. 4 Correlations between SST and Sr/Ca in summer and winter

表4 夏冬两季SST值与Sr/Ca相关性

WZ1-1 WZ1-2 WZ1-3 WZ1-4 WZ2 WZ3 WZ4 WZ5 WZ6 WZ7 WZ8 WZ9
夏季 0.003 0.063 0.183 0.017 0.170 -0.175 0.198 -0.244 0.310 -0.190 0.168 -0.483
n 13 12 13 13 13 13 13 13 13 13 13 5
冬季 -0.239 -0.159 -0.164 -0.201 0.569 -0.408 -0.191 0.543 0.247 0.124 0.213 -0.589
n 13 12 13 13 14 14 14 14 13 14 14 5
Fig. 6 (a) Time series of Porites Lutea Sr/Ca and SST (1997-2010). (b) Time series of Porites pukoensis Sr/Ca and SST (1983-2010)

图6 1997—2010年澄黄滨珊瑚(a)和1983—2010年普哥滨珊瑚(b)的Sr/Ca值及SST序列

对于普哥滨珊瑚, ANOVA分析显示1983— 2010年间的WZ2和WZ3的Sr/Ca比值差异性显著(F=1.474, P<0.01, n=162), 从图中也可明显看出两者的Sr/Ca曲线存在差异, 尤其是夏季(图6b)。另一方面, 根据Sr/Ca与夏冬两季的SST相关性分析中可以看出, 二者的Sr/Ca值与夏季SST相关性均较低, 而同冬季SST相关性略高, 但是两者呈现完全相反的相关性(表4)。原因有可能是因为WZ2和WZ3的骨骼生长率相差较大(分别为4.4和10.7mm·a-1), 虽然WZ2采用更小的取样间距(0.6mm), 但是每年大约7个数据点的取样分辨率与WZ3每年大约10个数据点的取样分辨率相比还是存在一定差距, 尤其对于冬季低温时期, 很难取到对应的样品。当混合有相对较高温度时期的样品时, 该点的Sr/Ca值就会降低, 从而导致二者产生相反的趋势。此外, 还有一种可能性是与生长率有关的“生命效应”(growth rate-related “vital effects”) (de Villiers et al, 1995; Cohen et al, 2001)在普哥滨珊瑚骨骼内较为显著。

2.4 个体内部的差异性

WZ1-1、WZ1-2、WZ1-3和WZ1-4这4块切片样品取自同一块滨珊瑚(WZ1), 但包含不同生长轴(图2)。WZ1-1和WZ1-2长度较为相近, 其生长速率分别为8.1和8.9mm·a-1; WZ1-3和WZ1-4长度较为相近, 其生长速率分别为10.5和10.1mm·a-1, 后一组的生长率显著高于前一组(ANOVA, F=4.613, P<0.01)。
我们研究比较了1998—2009年间这两组珊瑚的年际Sr/Ca比值(即每一组生长纹层内所取样品的Sr/Ca平均值)和年际生长率的对应关系, 图7中显示珊瑚的年际生长率总体呈现波动下降趋势, 而年际Sr/Ca比值变化则呈现先上升后下降的趋势。用ANOVA检验结果显示各个生长轴之间的Sr/Ca变化没有显著性差异(P>0.05)。相关性分析表明, 年平均Sr/Ca和生长率之间无相关性(表5)。因此, 同一滨珊瑚个体内部的生长率差异不会对Sr/Ca比值产生显著影响。
Fig. 7 Comparison between Sr/Ca ratios along different growth axes and growth rates

图7 同一珊瑚个体不同生长轴的Sr/Ca和生长率比较

Tab. 5 Significance (P) and correlation between WZ1 sample’s growth rate and Sr/Ca

表5 WZ1样品的生长率与Sr/Ca值的显著性及相关性

样品编号 显著性 相关性(P值) n
WZ1-1 0.746 0.105 13
WZ1-2 0.875 -0.051 13
WZ1-3 0.550 -0.192 13
WZ1-4 0.336 -0.305 13

2.5 滨珊瑚Sr/Ca温度计的建立

为了降低珊瑚个体之间差异带来的不确定性, 我们采用多珊瑚Sr/Ca数据平均值的方法(Delong et al, 2007; Pfeiffer et al, 2009; Alpert et al, 2016)建立最终的Sr/Ca-SST温度计。选择建立Sr/Ca-SST对应关系的时间段的原则是必须包含3条以上的Sr/Ca序列。比如, 澄黄滨珊瑚的Sr/Ca数据取1986—2010年的平均值(图8a); 普哥滨珊瑚取1983—2010年的Sr/Ca平均值。我们使用简化主轴回归(reduced major axis regression, RMA)方法(Quinn et al, 2002)将两种珊瑚的Sr/Ca平均值和SST进行线性拟合, 分别得到两种珊瑚的温度计方程(图8b)。
Fig. 8 (a) Calibration between mean Sr/Ca and instrumental SST. (b) RMA regression of mean Sr/Ca with instrumental SST (red curve represents the 95% confidence interval). (c) Comparison between Sr/Ca-derived SST and instrumental SST

图8 滨珊瑚平均Sr/Ca比值与SST对比(a)和平均Sr/Ca—SST线性回归方程(红色曲线表示95%的置信区间)(b)以及后报的SST值与实测值比较(c)

澄黄滨珊瑚:
Sr/Ca(mmol·mol-1) = -0.04027(±0.001)×
SST+9.623(±0.033) (1)
其中样本数n=145, P<0.01, 相关系数r = -0.93。
普哥滨珊瑚:
Sr/Ca(mmol·mol-1) = -0.0345(±0.001)×
SST+9.566(±0.034) (2)
其中样本数n=162, P<0.01, 相关系数r = -0.87。
由于澄黄滨珊瑚是更为常见的种, 用作古环境研究材料更为普遍, 所以本文重点讨论澄黄滨珊瑚Sr/Ca温度计。本文建立的涠洲岛滨珊瑚Sr/Ca温度计方程与南海其他海区的温度计方程进行比较(表6), 可以看出其斜率(-0.04027)与Yu等(2005)在雷州半岛建立的温度计方程斜率(-0.0424)最为接近, 其原因可能是雷州半岛距离涠洲岛最近, 都处于北部湾海域, 具有相似的气候条件和海洋环境, 以及海水的Sr/Ca比值更为接近。同时我们也发现南海各海区的珊瑚与Corrège(2006)总结的太平洋的珊瑚Sr/Ca温度计方程的平均斜率-0.06mmol·mol-1·℃-1相比, 都明显较低。由于全球Sr/Ca温度计方程的平均斜率的数据基本来源于开放性大洋, 这与南海这个半封闭性边缘海形成了鲜明对比, 说明南海珊瑚Sr/Ca比值受除温度变化之外的因素影响比开放大洋更为复杂。
Tab. 6 Coral Sr/Ca thermometers in the South China Sea

表6 南海各海区珊瑚Sr/Ca温度计

采样地点 Sr/Ca温度计方程 相关系数r
大亚湾(Chen et al, 2013a) Sr/Ca = -0.048×SST+10.432 -0.899
三亚(Wei et al, 2000) Sr/Ca = -0.05043×SST+10.60 -0.75
海南岛东部(刘羿 等, 2006) Sr/Ca = -0.0625×SST+10.625 -0.80
永兴岛(田翠翠, 2012) Sr/Ca = -0.0449×SST+10.534 -0.976
雷州半岛(Yu et al, 2005) Sr/Ca = -0.0424×SST+9.836 -0.83
美济礁(林紫云 等, 2016) Sr/Ca = -0.0574×SST+10.527 -0.9237
涠洲岛(本文) Sr/Ca = -0.04027×SST+9.623 -0.93
太平洋平均(Corrège, 2006) Sr/Ca = -0.0607×SST+10.553
我们根据建立的澄黄滨珊瑚的Sr/Ca温度计对涠洲岛海域1986年5月至2010年5月间的SST进行后报(图8c), 并与实测的SST资料进行比较。如图8所示, 二者都存在明显一致的年际周期, 后报的SST范围达到18.1~31.4℃, 实测SST值范围在19~30.5℃。后报SST值较实测值高, 1989年二者偏差达到最大的1.2℃, 主要原因是由于前文所述的夏季高温导致Sr/Ca出现异常值, 从而引起后报的SST出现较大的偏差。整体上, 后报的SST与卫星资料的平均偏差为0.6℃(1σ), 可满足重建古海水温度的研究要求。

3 结论

1) 本文采用ICP-OES的方法测定了南海北部涠洲岛多个滨珊瑚样品的Sr/Ca比值, 通过对澄黄滨珊瑚(Porites lutea)和普哥滨珊瑚(Porites pukoensis)这两种珊瑚的Sr/Ca年际变化和季节变化周期的比较发现,不同种珊瑚建立的Sr/Ca—SST对应关系存在较大差异。澄黄滨珊瑚是研究SST变化更理想的记录材料。
2) 导致滨珊瑚Sr/Ca种内差异性的原因, 一方面是夏季极端高温对珊瑚生理产生胁迫, 影响珊瑚内部Sr、Ca的运输和进入骨骼, 从而造成Sr/Ca出现异常值; 另一方面则是取样误差导致, 尤其是极端高温和冬季低温时期, 由于珊瑚并非线性生长, 总体上是夏季生长快、冬季生长慢, 因此等间距的取样必然会导致Sr/Ca曲线上的节点与水温季节变化的节点不一致, 从而产生差异性。
3) 同一珊瑚个体、不同生长轴的Sr/Ca之间差异性不显著, 与生长率之间相关性也不显著, 因此个体内部的生长率对滨珊瑚Sr/Ca温度计的建立没有影响。
4) 用多个珊瑚平均Sr/Ca值的方法, 结合卫星测量SST数据建立了澄黄滨珊瑚的Sr/Ca温度计方程: Sr/Ca(mmol·mol-1)= -0.04027×SST(℃)+9.623, 用该温度计对涠洲岛海域的SST后报的平均误差为±0.6℃(1σ), 为重建南海北部的古SST奠定了基础。

The authors have declared that no competing interests exist.

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