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Journal of Tropical Oceanography >

2023 , Vol. 42 >Issue 1: 98 - 113

DOI: https://doi.org/10.11978/2022037

Evolution characteristics and controlling factors of deep-water corals in the southwest Dongsha Sea area since 8000 a BP*

  • ZHANG Bin , 1, 2, 3 ,
  • CHEN Zhong , 1, 2 ,
  • XU Antao 2 ,
  • WANG Xuesong 4 ,
  • TIAN Yuhang 1, 2 ,
  • ZHANG Yingwei 1, 2, 3
Expand
  • 1. Sanya Institute of Ocean Eco-Environmental Engineering, Sanya 572000, China
  • 2. Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 4. China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
CHEN Zhong. email:

Copy editor: YAO Yantao

Received date: 2022-02-24

  Revised date: 2022-04-11

  Online published: 2022-04-14

Supported by

The 2020 Research Program of Sanya Yazhou Bay Science and Technology City(SKJC-2020-01-012)

National Natural Science Foundation of China(41976065)

National Natural Science Foundation of China(41776061)

Key Special Project for Introduced Talents Team of Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou)(GML2019ZD0104)

Fold

Abstract

Deep-water coral (DWC) skeletons record the fine changes in the environment where corals grow. However, the factors influencing the growth of DWCs in the South China Sea, evolutionary stages, and their responses to marine environmental changes are not well understood at present. In this paper, the chemical elements and U-Th ages of DWC skeletons in the Southwest sea area of Dongsha were determined and studied to reveal the development and evolution characteristics of DWCs since 8000 a BP and the factors controlling their growth. Major and trace elements and factor analysis of DWCs show that the growth and evolution of DWCs in the Southwest sea area of Dongsha are influenced by bottom current activity, primary productivity, and terrigenous materials. The evolution of DWCs can be divided into four stages according to U-Th age, Ⅰ: 8000~4500 a BP; Ⅱ: 4500~2500 a BP; Ⅲ: 2500~1200 a BP; Ⅳ: 1200 a BP till now. The drastic fluctuation of bottom current velocity, organic particulate matter, seawater temperature and heat content, and the supply of biogenic materials resulted in the development discontinuity of DWCs at 4500~2500 a BP. The strong bottom current activity, strong winter monsoon, and the supply of organic particulate matter affected the evolution stage and characteristics of DWCs in the southwest sea area of Dongsha. The results provide a new perspective for further exploring the influencing factors, development, and evolution characteristics of DWCs at ocean margins and their responses to ocean processes.

Key words： deep-water coral; U-Th age; evolution stage; Holocene; southwest sea area of Dongsha

Cite this article

ZHANG Bin , CHEN Zhong , XU Antao , WANG Xuesong , TIAN Yuhang , ZHANG Yingwei . Evolution characteristics and controlling factors of deep-water corals in the southwest Dongsha Sea area since 8000 a BP*[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2023 , 42(1) : 98 -113 . DOI: 10.11978/2022037

与浅水珊瑚不同, 深水珊瑚一般生活在水深超过50m的黑暗冷水环境中, 广泛分布于大陆架、大陆坡、海山和深海盆地(Roberts et al, 2006)。深水珊瑚的发育和繁衍对海洋环境变化敏感, 其骨骼记录了海洋环境的精细变化, 因此珊瑚骨骼是重建海水温度、盐度和酸碱性(Chaabane et al, 2019; Cuny-Guirriec et al, 2019)、海洋古生产力(Wienberg et al, 2010; Eisele et al, 2011)、深海通风状况(Chen et al, 2015; Li et al, 2020)和海底洋流演变历史(Pratt et al, 2019; Steinmann et al, 2020; Mojtahid et al, 2021)的良好载体, 在探讨冰期—间冰期海洋环境变化、深海碳循环和温盐环流演变等研究中发挥着重要作用(Chen et al, 2016, 2020; Matos et al, 2017)。
南海是深水珊瑚发育的边缘海之一, 前人的调查研究已初步查明了深水珊瑚的种属和生态分布(邹仁林 等, 1983; 邹仁林, 1988; Latypov, 2014; Dong et al, 2021)。科研人员对南海北部深水珊瑚骨骼开展了测试和研究, 阐述了珊瑚骨骼的矿物组成、碳氧同位素特征(陈忠 等, 2018), 揭示了深水珊瑚发育对海底洋流活动的响应(Xu et al, 2019)及其与泥火山活动、甲烷渗漏的关系(Deng et al, 2019; 阎贫 等, 2021)。近年来, 利用深潜器观测到了西沙海底的深水珊瑚林(党皓文 等, 2019; 黄恩清 等, 2019; Li et al, 2019), 并探讨了其古海洋学应用(Zeng et al, 2022)。然而, 关于与人类活动关系密切的全新世以来深水珊瑚生长的影响因素、珊瑚演化阶段及其环境控制因素, 目前仍不清楚。
深水珊瑚生态系统对环境变化极其敏感, 珊瑚适宜生活条件的改变影响着珊瑚的发育, 因此深水珊瑚的生长发育往往呈阶段性。东沙西南海域全新世以来深水珊瑚的发育处于相同成因模式(许安涛, 2019), 初步研究揭示其演化特征与大洋深水珊瑚的阶段性变化存在差异(Wienberg et al, 2009, 2010; Titschack et al, 2015)。本文通过测定和分析东沙西南海域深水珊瑚的化学元素及U-Th年龄, 揭示8000a BP以来深水珊瑚生长影响因素、演化阶段及其环境控制因素, 为深入研究大洋边缘深水珊瑚的发育及演化特征提供基础资料。

1 研究区概况及样品来源

陆源物质的输运影响海洋沉积过程和生态环境。南海北部陆源碎屑主要来源于河流输入, 台湾岛西南河流输沙量达176Mt·a-1 (Dadson et al, 2003), 珠江水系的输沙贡献为102Mt·a-1(Zhang et al, 2012), 吕宋岛短途河流输沙量较小, 约42Mt·a-1 (Liu et al, 2014)。太平洋中深层水通过吕宋海峡进入南海, 影响南海北部环流系统、高速堆积体和海底生态环境的变化(邵磊 等, 2007; 王东晓 等, 2016, 2019; 邹建军 等, 2017), 并对深水珊瑚生长产生影响(Xu et al, 2019)。末次冰盛期以来南海海平面由约-120m开始上升, 进入全新世时海平面上升至-60m, 平均水深为60m的台湾海峡与南海连通(王雪松 等, 2022); 在9.58ka BP时海平面上升到-20m, 卡里马塔海峡被淹没, 南海与印度洋连通, 进一步促进了南海水体、物质和能量与外洋的交换(Wang et al, 2020)。同时, 南海北部受东亚季风系统影响(陈越 等, 2021), 沉积过程和海洋环境也不断发生变化(姜大膀 等, 2022)。这些外部环境变化影响着南海北部的海洋过程和沉积环境, 进而影响海底的生物演变及生态环境变化。
本文研究区为东沙西南海域(图1), 供研究的深水珊瑚样品是在2008年南海北部航次中, 利用抓斗采样器采集获得, 站位分别为08CF10 (116°28.508′E, 20°11.138′N; 水深863m)、08CF14A (116°36.100′E, 20°14.189′N; 水深578m)、08CF14B (116°36.105′E, 20°13.901′N; 水深621m)。它们位于经由吕宋海峡进入南海的太平洋中深层水影响的范围内(邵磊 等, 2007)。研究区的海底发育有泥火山、泥底辟构造(阎贫 等, 2021), 以及和冷泉活动有关的冷泉碳酸盐岩(陈忠 等, 2008; Tong et al, 2013)。目前深水珊瑚碳氧同位素、锶同位素以及微量元素的研究表明, 海底流体渗漏对深水珊瑚的生长发育基本没有影响或影响作用非常有限(陈忠 等, 2018; Xu et al, 2019)。
图1 南海北部深水珊瑚分布(a)、研究区地质概况(b)及连接深水珊瑚站位的剖面地形变化(c)

该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2021)5447号的标准地图制作。图中五角星为本文珊瑚站位, 黄色圆点为西沙珊瑚站位(Li et al, 2019), 粉色圆点为台西南珊瑚站位(Deng et al, 2019), 灰色圆点为对比研究站位(王雪松 等, 2022; Du et al, 2021; Yang et al, 2020; Wan et al, 2015); 图a中箭头1和2分别为冬季风和夏季风, 灰色箭头及数字代表陆源输入(Liu et al, 2016), 黑色实线为图c剖面路径, NPDW为北太平洋深层水(Wang et al, 2020), slope current为斜坡流(Wang et al, 2020); 图b中图例1代表珊瑚站位, 2代表冷泉碳酸盐岩站位, 3代表泥火山站位, 4代表泥底辟站位, 5代表等深线

Fig. 1 Regional geology and deep water coral stations in the northern South China Sea

2 样品处理和分析方法

2.1 样品处理

深水珊瑚采集后用纯水清洗并冷藏保存, 在实验室内通过超声清洗, 置于60℃恒温箱中烘干备用。深水珊瑚主要是石珊瑚, 颜色呈褐色、灰黄色, 一般附有氧化膜, 长为2~15cm, 直径1~32cm。珊瑚种属、骨骼形状与大小等见相关文献(陈忠 等, 2018; Xu et al, 2019)。本文样品选自08CF14B站位, 共采集21个 (表1)。测试样品用雕刻刀刮去附着在珊瑚骨骼表层上的氧化膜等杂质, 清洗后于60℃恒温箱中烘干, 之后在显微镜下进行观察, 确保已去除表层氧化膜等杂质。然后利用微钻沿珊瑚骨骼外壁一周进行等距取样, 钻取约1g样品, 研磨后供地球化学测试, 详细流程见文献(Cheng et al, 2000)。因测试样品取自珊瑚外壁, 故其年龄可以代表珊瑚死亡的年龄。
表1 南海北部全新世以来深水珊瑚年龄数据

Tab. 1 Age of deep-water corals in the northern South China Sea since the Holocene

样品编号 珊瑚类型 238U /(×10-9, ±2σ) 230Th 年龄/(a BP, ±2σ) 来源
C2 石珊瑚 4578.4±6.2 1990±18 本文
C4-1 石珊瑚 4409.4 ±8.6 51±8 本文
C4-2 石珊瑚 4340.0±9.1 125±10 本文
C5 石珊瑚 4230. ±8.9 47±9 本文
C7 石珊瑚 4330.4±6.7 440±9 本文
C8-1 石珊瑚 4164.2±7.9 476±9 本文
C8-2 石珊瑚 4377.9±8.3 471±9 本文
C9 石珊瑚 4621.4 ±8.8 412±9 本文
C10 石珊瑚 4114.7±7.4 391±10 本文
C11 石珊瑚 4777.7 ±9.2 1122±9 本文
C12 石珊瑚 3735.5±7.1 2410±19 本文
C13 石珊瑚 3974.7 ±7.9 2435±23 本文
C14 石珊瑚 4555.4±9.2 370±9 本文
C16 石珊瑚 4207.6±6.4 180±11 本文
C17 石珊瑚 4270.6 ±7.1 4664±20 本文
C18 石珊瑚 4553.9±8.2 7610±26 本文
C19 石珊瑚 3873.0±6.3 2476±22 本文
C35 石珊瑚 4885.6±13.5 96±25 本文
C36 石珊瑚 4675.2±8.2 55±23 本文
C37 石珊瑚 4461.2±10.4 749±43 本文
C38 石珊瑚 4552.4±8.5 437±26 本文
SY067-9-3 柳珊瑚 25.6±0.1 1 010±237 黄恩清 等, 2019
SY068-7-2 柳珊瑚 47.8±0.1 9387±3148 黄恩清 等, 2019
SY075-16-2 石珊瑚 3799.7±8.5 718.0±44 黄恩清 等, 2019
SY076-9 石珊瑚 3830.7±5.5 6154±94 黄恩清 等, 2019

2.2 地球化学测试

常量元素分析在中国科学院广州地球化学研究所完成。称取约200μg样品, 用纯化HNO3和Milli-Q水配置的2% HNO3溶液溶解并稀释, 分别配置[Ca]、[Sr]、[Mg]外标法的标准溶液, 用Varian 720ES型 ICP-OES仪器测试, 精度为±0.16%, 详细流程见文献(Qi et al, 2000)。
微量元素测试在中国科学院广州地球化学研究所的Thermo型ICP-MS仪器上完成。称取40mg样品于Teflon杯中, 加入1.5mL HF和0.5mL HNO3, 密封, 于烘箱内180℃消解12h; 取出冷却后, 在150℃电热板上赶酸至蒸干, 加入1mL HNO3、1mL水, 于150℃密闭消解12h并冷却。取出Tefllon杯, 称重稀释到40g (稀释倍数约1000倍), 然后上机测试, 详细流程见文献(Anagnostou et al, 2011), 测试的相对误差<10% (Qi et al, 2000)。
U-Th年龄测试在西安交通大学同位素实验室完成。称取样品20mg于溶样罐中, 加入7mol·L-1 HNO3溶解样品, 并滴入适量标准溶液, 再加入约3滴HClO4以除去样品中的有机质, 混合均匀后置于电热板上蒸干。使用2mol·L-1 HCL再次溶解样品并转移至离心管, 分别加入3~5滴FeCl3及NH3·H2O溶液, 使得U和Th与氢氧化铁共沉淀, 使之与碳酸盐基质分离, 离心3次并倒去上清液, 之后转入溶样罐中蒸干; 往溶样罐中滴加适量7mol·L-1 HNO3溶解样品, 同时准备阴离子树脂交换柱, 往交换柱中加入超纯水和7mol·L-1 HNO3以淋去树脂中的金属离子, 之后将样品转入分离柱中; 先后使用7mol·L-1 HNO3 和6mol·L-1 HCl及超纯水淋洗分离柱, 依次接取U和Th溶液并蒸干; 然后使用14mol·L-1 HNO3再次溶解并蒸干样品, 滴加1滴HClO4, 蒸干; 重复3次使用14mol·L-1 HNO3溶解并蒸干样品, 最后转移至进样管, 使用MC-ICP-MS进行上机测试, 详细流程见文献(Cheng et al, 2000)。

2.3 因子分析

因子分析方法能够解析数据之间的内在关系, 进而判别其地质和环境意义。利用IBM SPSS22.0软件对深水珊瑚样品的化学元素进行R型因子分析。根据特征值大于1的原则, 经方差极大正交旋转后, 剔除有缺值的观测量, 提取出相应的主因子; KMO和Bartlett球形度检验结果表明原始数据良好, 因子分析结果可靠。

3 结果与讨论

3.1 深水珊瑚年龄特征

深水珊瑚种类较多, 但适用于古环境重建的主要是文石质石珊瑚和有机质含量高的方解石质柳珊瑚。一般采用U-Th和AMS14C测定石珊瑚年龄, 采用AMS14C和210Pb测定柳珊瑚年龄。文石质深水珊瑚是封闭体系, 利用U-Th方法可获得样品的日历年龄, 为深水珊瑚的生长发育演化、古环境重建提供精准的年龄框架。
通过显微镜和扫描电子显微镜观察, 鉴定出东沙西南海域采集的深水珊瑚分为2个种、4个属, 主要为石珊瑚。珊瑚的矿物组成为文石, 适用U-Th测年法获取精确的生长年龄, 是重建深水珊瑚演化的最可靠方法。挑选东沙西南海域深水珊瑚样品测定U-Th 年龄, 共获得全新世以来U-Th年龄数据21个, 年龄范围为47~610a BP (表1)。
目前已在南海北部多处站点采获深水珊瑚(Deng et al, 2019; Li et al, 2019), 但获得的珊瑚生长年龄数据却较少。台西南海域钻孔中深水珊瑚最年轻的年龄是15.1ka BP(Deng et al, 2019), 在西沙海域采集的柳珊瑚径向生长轴中心的年龄为718~9387a BP(黄恩清 等, 2019)。由于深水珊瑚生长寿命为数十年至上百年, 测定的东沙西南海域深水石珊瑚最年轻的年龄为47a BP, 暗示了该海域现今可能存在活体深水珊瑚, 因此将是我国深潜器观测深水珊瑚的新选择区。

3.2 深水珊瑚的常量和微量元素

深水珊瑚的地球化学元素及其同位素组成记录了珊瑚食物来源及周围水体环境变化信息(Sherwood et al, 2008)。东沙西南海域珊瑚的δ13C为-7.39‰~ -0.36‰, δ18O为-0.27‰~3.85‰, 与全球其他海域深水珊瑚的碳氧同位素组成基本一致。珊瑚样品的矿物组成以文石为主, 极少样品的矿物组成为方解石(Xu et al, 2019)。
8000a BP以来东沙西南海域深水珊瑚的常量及微量元素测试结果见表2。常量元素主要包括Ca、Mg、Mn、P、Ti, 与南海北部钻孔深水珊瑚的常量元素组成相同(Deng et al, 2019)。Ca含量主要集中在0.38~0.39g·g-1, 最高为0.4g·g-1; Mg含量变化范围为0.53~0.67mg·g-1; Mn、P和Ti的含量则相对较低, 但Mn、P含量变化范围大, 分别为0.45~35.96μg·g-1、69.35~133.1μg·g-1, 最大值分别出现在C18和C7样品中, 这可能与部分珊瑚种属的生命效应有关。常量元素间除了Ti与Ca、Mn的相关性较显著外, 相关系数分别为0.53和0.68(图2), 其余元素间相关性不显著或一般。
表2 深水珊瑚的常量和微量元素含量

Tab. 2 Major and trace elements contents of deep-water corals in the northern South China Sea

序号 Ca Mg Mn P Ti Li B Sc V Cr Co Ni Cu Zn Sr Y Zr Ba Pb Th U
C2 0.39 0.60 0.45 82.39 0.41 0.69 37.55 0.60 0.10 0.82 0.96 11.42 0.27 3.04 8.46 0.22 0.01 16.75 0.41 0.001 4.37
C4-1 0.39 0.56 1.13 76.48 0.39 0.69 36.04 0.59 0.11 0.79 0.98 11.12 0.27 2.96 8.64 0.23 0.01 16.77 0.35 0.001 4.38
C4-2 0.39 0.59 1.19 77.98 0.43 0.70 37.98 0.60 0.10 0.80 0.99 11.24 0.28 5.08 8.64 0.22 0.01 17.02 0.49 0.001 4.47
C5 0.39 0.60 2.44 89.67 0.58 0.65 29.79 0.57 0.14 0.80 1.07 11.76 0.27 3.38 8.45 0.26 0.02 18.62 0.53 0.002 4.36
C7 0.39 0.62 0.96 133.1 0.63 0.69 35.21 0.66 0.11 1.05 1.09 11.83 0.42 4.35 8.44 0.31 0.02 19.51 0.53 0.002 4.24
C8-1 0.38 0.62 0.97 98.35 0.49 0.71 31.81 0.61 0.12 0.77 1.01 11.38 0.35 2.98 8.56 0.27 0.02 16.82 0.47 0.001 4.04
C8-2 0.38 0.59 0.58 70.49 0.38 0.68 25.33 0.49 0.09 0.62 1.00 11.71 0.24 2.45 8.82 0.24 0.01 17.28 0.35 0.001 4.48
C9 0.39 0.67 0.72 94.21 0.44 0.75 31.94 0.61 0.12 0.82 1.00 11.68 0.36 3.08 8.26 0.22 0.01 16.29 0.64 0.001 3.49
C10 0.39 0.58 0.73 73.19 0.38 0.68 28.07 0.52 0.13 0.67 1.01 12.47 0.32 3.16 8.62 0.23 0.01 16.99 0.43 0.001 4.27
C11 0.39 0.60 0.49 82.68 0.42 0.68 35.24 0.63 0.10 0.85 1.01 11.60 0.30 3.48 8.39 0.23 0.01 17.24 0.45 0.001 4.12
C12 0.38 0.56 0.53 91.14 0.45 0.65 32.58 0.64 0.10 0.83 1.01 11.69 0.36 3.22 8.73 0.27 0.01 17.21 0.56 0.001 4.65
C13 0.39 0.67 0.79 129.9 0.76 0.86 39.26 0.70 0.14 1.07 1.00 11.27 0.94 3.32 8.20 0.45 0.03 17.19 0.45 0.002 3.17
C14 0.39 0.55 0.95 114.2 0.77 0.63 31.61 0.73 0.11 0.94 1.10 12.19 0.58 5.54 8.37 0.47 0.03 17.84 0.6 0.003 3.6
C16 0.39 0.53 2.12 132.0 0.95 0.61 31.94 0.74 0.12 0.97 1.17 12.17 0.67 7.64 8.41 0.47 0.04 20.02 0.72 0.005 3.92
C17 0.40 0.58 23.54 69.35 1.19 0.57 16.74 0.49 0.86 381.2 2.40 145.4 14.27 4.28 8.07 0.32 0.04 14.58 0.44 0.006 3.73
C18 0.39 0.55 35.96 98.02 0.91 0.61 34.34 0.68 1.01 464.8 3.27 229 23.08 4.81 8.39 0.32 0.06 19.88 0.61 0.01 4.32
C19 0.38 0.57 13.95 113.4 0.76 0.63 51.15 0.90 0.37 168.6 1.87 92.59 9.08 6.68 8.51 0.33 0.03 17.19 1.18 0.003 4.43
最大值 0.40 0.67 35.96 133.1 1.19 0.86 51.15 0.90 1.01 464.8 3.27 229.0 23.08 7.64 8.82 0.47 0.06 20.02 1.18 0.01 4.65
最小值 0.38 0.53 0.45 69.35 0.38 0.57 16.74 0.49 0.09 0.62 0.96 11.12 0.24 2.45 8.07 0.22 0.01 14.58 0.35 0.001 3.17
平均值 0.39 0.59 5.15 95.68 0.61 0.68 33.33 0.63 0.23 60.38 1.29 37.09 3.06 4.09 8.47 0.30 0.02 17.48 0.54 0.002 4.12

注: Ca含量单位为g·g-1, Mg、Sr含量单位为mg·g-1, 其余元素含量单位为μg·g-1

图2 深水珊瑚常量和微量元素的相关性分析图

a. Sr-Ca相关性; b. Ti-Ca相关性; c. Mn-Ti相关性; d. Ni-Co相关性; e. Mg-P相关性; f. Mg-Li相关性。R代表相关系数

Fig. 2 Correlation of major and trace elements in deep water corals

微量元素包括Li、B、Sc、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Sr、Y、Zr、Ba、Pb、Th、U, 其中Ni、Cu、Cr、Mn、V、Co、Th、Zr等元素间存在显著的正相关关系, Sc、B、Pb、P、Zn之间的相关性也较高, Ca、Y、Ti与U、Sr之间呈显著的负相关关系(表3), Mg与Ba、Li之间相关性较弱 (图2)。不同元素组合之间较好的相关性, 表明它们具有某些相似来源或影响因素。常量元素Ca、Mg、P、Ti与大部分微量元素的相关性较弱, 但Mn与V、Cr、Co、Ni、Cu、Zr、Th的相关性显著(表3, 图2), 暗示了Mn与它们的性质相似或对深水珊瑚生长的影响效应相近。
表3 深水珊瑚常量与微量元素间的皮尔逊相关性

Tab. 3 Correlation of major and trace elements of deep-water corals in the northern South China Sea

序号 Ca Mg Mn P Ti Li B Sc V Cr Co Ni Cu Zn Sr Y Zr Ba Pb Th U
Ca 1.00
Mg 0.02 1.00
Mn 0.21 -0.30 1.00
P 0.18 0.09 -0.07 1.00
Ti 0.53* -0.26 0.68** 0.40 1.00
Li -0.17 0.81** -0.52* 0.18 -0.46 1.00
B -0.37 0.06 -0.10 0.44 -0.20 0.30 1.00
Sc -0.13 -0.18 0.13 0.75** 0.32 -0.05 0.78** 1.00
V 0.29 -0.24 0.98** -0.12 0.71** -0.50* -0.22 0.02 1.00
Cr 0.24 -0.27 0.99** -0.12 0.70** -0.52* -0.18 0.06 0.99** 1.00
Co 0.22 -0.32 0.99** -0.02 0.70** -0.54* -0.09 0.16 0.98** 0.99** 1.00
Ni 0.18 -0.29 0.99** -0.07 0.66** -0.50* -0.08 0.13 0.98** 0.99** 0.99** 1.00
Cu 0.19 -0.28 0.99** -0.05 0.67** -0.49* -0.07 0.15 0.98** 0.99** 0.99** 1.00** 1.00
Zn 0.27 -0.52* 0.30 0.55* 0.62** -0.50* 0.32 0.71** 0.23 0.26 0.33 0.28 0.29 1.00
Sr -0.68** -0.35 -0.37 -0.32 -0.69** -0.02 0.15 -0.15 -0.45 -0.42 -0.38 -0.36 -0.37 -0.23 1.00
Y 0.33 -0.21 0.13 0.76** 0.71** -0.08 0.06 0.57* 0.13 0.12 0.17 0.12 0.14 0.64** -0.45 1.00
Zr 0.36 -0.27 0.81** 0.47 0.88** -0.36 0.04 0.46 0.79** 0.78** 0.84** 0.81** 0.82** 0.59* -0.54* 0.65** 1.00
Ba 0.15 -0.34 0.09 0.61** 0.15 -0.16 0.25 0.41 -0.01 -0.01 0.13 0.08 0.09 0.45 0.13 0.38 0.41 1.00
Pb -0.18 -0.22 0.28 0.49* 0.36 -0.30 0.59* 0.84** 0.18 0.23 0.31 0.28 0.29 0.72** -0.12 0.34 0.42 0.24 1.00
Th 0.41 -0.42 0.90** 0.20 0.82** -0.55 -0.15 0.23 0.88** 0.88** 0.92** 0.89** 0.90** 0.51* -0.45 0.45 0.94** 0.38 0.28 1.00
U -0.43 -0.52* 0.03 -0.42 -0.43 -0.40 0.16 -0.12 -0.05 -0.01 0.02 0.04 0.02 -0.07 0.78** -0.58* -0.30 0.18 0.03 -0.12 1.00

注: *在 0.05 级别, 表示相关性显著; **在 0.01 级别, 表示相关性极显著

3.3 影响东沙西南海域深水珊瑚生长的化学元素因素

深水珊瑚发育是海洋水体以及外部环境变化对其生长影响的综合结果(Saha et al, 2016; Jiang et al, 2018)。8000a BP以来, 南海底流强度、物质来源和水体性质仍不断变化, 这些因素影响着珊瑚的生长并在珊瑚骨骼中留下记录。为探究8000a BP以来影响深水珊瑚生长发育的化学元素控制因素, 利用SPSS软件对常微量元素进行R型因子分析, 提取出4个因子(F1、F2、F3、F4), 累计方差贡献为89.64%。
因子F1包括Ni、Cu、Cr、Mn、V、Co、Th、Zr等元素, 贡献率为38.90%(图3)。Ni、Cu、Cr、Mn、V、Co等金属元素具有较强的吸附性, 随着海流运动而搬运扩散。研究表明, 深水珊瑚主要以海水中的浮游微生物或沉降颗粒有机质为食(Roberts et al, 2006), 水体中以络合形式吸附于颗粒物表面的金属元素, 被深水珊瑚吸食和吸收利用。此外, Ni、Cr、Mn和V等元素指示海洋的氧化还原状况(Calvert et al, 2007; Li et al, 2018), 含氧量较高的水体有利于珊瑚的生长发育(Wienberg et al, 2018); 水体通风较强和适宜的底流速度可维持水体较高的含氧量。Th和Zr一般吸附于粘土矿物表面, 在海水中可长距离搬运(Koschinsky et al, 1996)。由于研究区受到通过吕宋海峡进入南海的深水洋流影响, 底流携带的颗粒物及其吸附的化学元素, 有利于浮游动物和藻类的生长, 进而促进深水珊瑚的发育(Bahr et al, 2020)。因此, F1因子可指示深水洋流活动及其颗粒携带的化学元素对珊瑚发育的影响作用。
图3 深水珊瑚常量和微量元素因子分析图

a. 深水珊瑚因子分析空间载荷图; b. 元素载荷值分布图

Fig. 3 Load diagram of major and trace elements factor analysis of deep-water corals

因子F2包括Sc、B、Pb、P、Zn, 这些元素均具有较高的正载荷, 它们的贡献率为19.31%(图3), 比F1因子的贡献率要小。Pb、Zn是海洋浮游植物及生命活动必需的微量营养元素(Morel et al, 2003; Twining et al, 2013), B主要以B(OH)4-的形式存在于海水中, 在促进珊瑚骨骼发育方面发挥着重要作用。此外, 海洋中的P元素是控制藻类生长的生源元素(Calvert et al, 2007)。深水珊瑚的发育与上层海洋的生产力关系密切, 较高的海洋初级生产力以及营养盐水平有利于深水珊瑚的生长。因此, F2因子代表海洋生物作用及海水营养盐, 反映了初级生产力对深水珊瑚的影响。
因子F3包括Ca、U、Sr、Y、Ti, 贡献率为18.26%(图3)。Ca、Y、Ti为正载荷, U、Sr为负载荷。Ca和Sr的元素地球化学行为相近, 二者载荷值互为正负, 呈显著的负相关关系(R=-0.68)(表3), 可能与Sr替换珊瑚骨骼矿物晶格中的Ca有关。Ti和Y元素习性相似, 相关性显著; U与Ti、Y呈反相关(表3), 海洋中的Y、U、Ti主要来自陆源河流的搬运, 指示陆源碎屑输入的影响。由于陆源碎屑中往往富含营养盐及有机颗粒物, 这些物质能够促进区域海洋生产力并且为珊瑚摄食提供更多沉降有机质, 进而促进深水珊瑚生长(Bahr et al, 2020)。因此, 因子F3代表了陆源物质对深水珊瑚的影响, Ca、Ti、Y与Sr、U互为消长作用(图3)。
因子F4的贡献率为13.17%, 是4个因子中贡献率最小的, 包括Mg、Li、Ba元素。Ba为正载荷, 而Mg和Li则为较强的负载荷(图3)。海洋中的Ba是一种类营养元素, 其来源可分为两类: 河流陆源碎屑输入和生物成因(蔡观强 等, 2010); 海水中Ba通量与有机碳通量紧密相关, 受海洋初级生产力调控(Nair et al, 2005)。由于珊瑚骨骼中的Ba与陆源元素Zr、Th等具有正相关性 (表3), 推测其主要受到陆源输入的影响。Mg与Li具有显著的相关性(图2、表3), 它们主要赋存或吸附在粘土矿物中, 粘土矿物易于吸附有机颗粒物, 为深水珊瑚提供食物, 有利于珊瑚生长。因此, F4与F3的作用相似(图3), 均可反映陆源输入对深水珊瑚发育的影响。
综上, 东沙海域深水珊瑚受到了底流活动、初级生产力以及陆源物质的影响, 这种影响印记在珊瑚骨骼中, 因而利用这些印记可重建珊瑚演化及其对海洋环境变化的响应过程。

3.4 东沙西南海域8000a BP以来深水珊瑚的发育阶段及控制因素

3.4.1 发育演化阶段及其特征

全新世以来南海北部海平面持续上升, 8400a BP时已上升至现今高程位置, 此后海平面波动变化较小(余克服, 2012)。但8000a BP以来, 东沙西南海域深水珊瑚的生长年龄分布呈阶段性特点(图4), 表明短尺度敏感性海洋环境或区域气候变化影响着珊瑚的繁衍过程。此外, 海水营养盐水平的P/Ca指标、古海水温度变化的Li/Mg比值、古海水pH值变化的U/Ca指标在全新世以来也存在波动变化(图4)。根据珊瑚样品的年龄分布和环境指标变化, 并结合区域环境特征, 将8000a BP以来东沙海域的深水珊瑚演化划分出4个阶段(图4)。
图4 8000a BP以来深水珊瑚的地球化学特征及其重建的环境变化

a. 南海北部海平面高度, 据余克服(2012); b. 南海东北部MD052904站位的颗石藻含量变化, 据Su等(2013); c. 本文深水珊瑚骨骼的Ba/Ca(μmol/mol)比值变化, Ba/Ca营养盐指标据Raddatz等(2014); d. 深水珊瑚重建的底层水温度变化, 温度重建公式为Li/Mg (mmol/mol)=5.41exp(-0.049T), 据Montagna等(2014); e. 深水珊瑚重建的底层水pH值变化, pH值重建公式为pH=(U/Ca-16.18)/ (-1.82), 据Raddatz等(2014)。图中红色三角形代表东沙西南海域的深水珊瑚发育年龄; 水平虚线及m表示各阶段参数的平均值

Fig. 4 Geochemical characteristics and reconstructed environmental changes of deep-water corals since 8000 a BP

阶段Ⅰ的年代为约8000a BP至4500a BP, 本文测定的深水珊瑚年龄数据中仅有2个属于本阶段, 分别为7610a BP和4664a BP, 西沙海域的SY076-9珊瑚样品年龄也在此阶段(表1)。深水珊瑚的U/Ca指示的海水pH值相对较低, 为7.81~7.87(图4e); 利用Li/Mg指标反演的海水温度为7.11~7.14℃(图4d), 处于珊瑚生长发育适宜水温的范围内(Freiwald et al, 2002)。Ba/Ca比值为13.25~14.82(图4c), 该比值越大表征营养盐水平越高, 陆源输入作用越强(Raddatz et al, 2014)。本研究中珊瑚Ba/Ca比值的变化表明, 阶段Ⅰ早期海水营养盐水平相对较低, 而后期营养盐增加; 南海北部MD2904站位的颗石藻含量变化同样表现出相似的趋势(Su et al, 2013) (图1、图4b), 表明南海北部上层海洋初级生产力在阶段Ⅰ总体是逐渐增加的, 为东沙西南海域的深水珊瑚生长创造了条件。
阶段Ⅱ为4500~2500a BP, 目前没有发现这一阶段的深水珊瑚样品, 推测其为深水珊瑚发育的间断时期, 这种发育间断现象可能与该时期的海洋环境剧烈变化紧密相关。在阶段Ⅱ前后, 海水Ba/Ca比值较高, 指示着陆源输入作用相对较强, 并且水体营养盐水平较高(图4c), 但南海北部颗石藻含量在阶段Ⅱ出现快速的变化(图4b), 表明海洋生产力水平出现多次的急剧降低现象。因此, 阶段Ⅱ的珊瑚发育间断现象可能与急剧变化的水体环境直接相关, 说明剧烈动荡的海洋过程和环境不利于深水珊瑚的生长。
阶段Ⅲ为2500~1200a BP, 测定年龄的珊瑚样品有4个位于这一时期, 年龄范围为1989~2475a BP, 年龄数值集中在2400a BP左右。本阶段周围海水的pH值为7.97~8.14(图4e), 较阶段Ⅰ偏碱性。重建的海水温度为4.02~9.59℃(图4d), 变化波动大; Ba/Ca比值为10.65~14.83(图4c), 变化幅度较大, 这可能与海洋环境的恢复和变化有关。尽管这一阶段的海洋环境和过程较为动荡, 但各指标的变化幅度较阶段Ⅱ小, 已具有深水珊瑚生长初期的适宜条件, 生产力水平及水体营养盐含量也逐渐恢复, 因而深水珊瑚再度开始发育。
阶段Ⅳ为1200a BP以来, 深水珊瑚有15个样品年龄处于此阶段。海水pH值变化范围为7.77~8.06, 主要集中在约7.90(图4e)。推测温度变化为4.87~7.34℃, 主要区间为6.00~7.00℃之间(图4d), 为深水珊瑚发育的适宜温度(Freiwald et al, 2002)。Ba/Ca比值重建的营养盐水平在12.21~14.45之间, 变化幅度也较大, 但总体上较阶段Ⅲ的环境稳定, 海洋营养盐水平相对较高, 有利于深水珊瑚的大规模增殖, 反映了稳定的海洋环境和水体条件可促进珊瑚生长。

3.4.2 珊瑚发育演化阶段的环境控制因素

深水珊瑚生长繁衍和分布受有机颗粒物、温度、盐度、溶解氧、文石饱和度等水体条件影响, 也受海平面升降、季风演变、陆源输入、生产力水平、海流变化等外在环境的控制(Pirlet et al, 2011; Wang et al, 2019; Fentimen et al, 2020; Juva et al, 2020; Corbera et al, 2021)。
全新世是全球海域深水珊瑚发现最多、年龄测定数据最丰富的时期。但除东北大西洋深水珊瑚的生长持续性较好外(Frank et al, 2009; Douarin et al, 2013), 其余海域的珊瑚发育在某些时段出现生长间断(图5)。如加迪斯湾海域(Wienberg et al, 2009, 2010)全新世以来深水珊瑚发育呈现出4次生长间断; 挪威沿岸(Titschack et al, 2015)深水珊瑚在全新世中期出现生长间断; 西南印度洋海域(Pratt et al, 2019)深水珊瑚的发育间断时间则与南海北部较为相似(图5)。总体来看, 全球深水珊瑚的发育阶段和间断期不具同步性, 表明区域性海洋环境可能起主导作用。
图5 全新世以来南海及其他典型海域深水珊瑚年龄分布与阶段性

a. 典型海域的珊瑚生长年龄分布; b. 图a中典型深水珊瑚海域的地理分布。图中东北大西洋数据源自Frank等(2009)和Douarin等(2013); 加迪斯湾数据源自Wienberg等(2010); 巴西沿岸数据源自Mangini等(2010); 挪威沿岸数据源自Wienberg等(2009); 西北大西洋数据源自Matos等(2015); 西南印度洋数据源自Pratt等(2019); 比斯开湾数据源自Eynaud等(2022); 南海北部数据源自本文和黄恩清等(2019)

Fig. 5 Age distribution and evolution stages of deep-water corals in the South China Sea and other typical sea areas since Holocene

8000a BP以来, 南海北部海平面较稳定, 仅出现0~5m的海平面高程波动, 这种变化对深水珊瑚演化阶段的影响作用不明显(图6)。但南海北部海底流速、海水温度、热含量和陆源碎屑通量发生明显变化, 并呈现阶段性(图6), 不同环境因素的变化和综合效应对南海北部海域深水珊瑚发育的阶段性变化产生影响。此外, 冬季风环境变化可能对东沙海域的深水珊瑚发育也有制约作用。在阶段Ⅰ, 冬季风强度稍弱, 南海北部中上层海水热含量相对稳定, 底流流速呈上升变化, 陆源碎屑通量保持稳定(图6)。早中全新世以来南海东北部底流持续变化, 流速逐渐增强(Zheng et al, 2016), 适宜的底流流速为深水珊瑚生长带来了大量悬浮有机物颗粒以及营养盐(Mojtahid et al, 2021); 但当底流活动较弱时, 有机物颗粒以及营养盐减少, 深水珊瑚的生长受抑制。因此, 底流活动强度的变化是东沙海域深水珊瑚生长发育的主导因素, 这与前述的元素地球化学研究结果是一致的。
图6 东沙西南海域深水珊瑚演化阶段及影响因素变化图

a. 南海北部海平面变化曲线(余克服, 2012); b. 玛珥湖总有机碳变化曲线(Yancheva et al, 2007); c. 南海东北部16ZBS1站位底流速度变化(王雪松 等, 2022); d. 南海水深300~700m处海洋热含量变化曲线(Yang et al, 2020); e. 南海北部05E306站位普林虫丰度变化(Du et al, 2021); f. 南海北部有孔虫Mg/Ca重建的水体温度(Yang et al, 2020); g. 南海北部陆源输入通量变化(Wan et al, 2015); 图中红色三角形代表深水珊瑚发育年龄

Fig. 6 Evolution stages and influencing factors of deep-water corals in the southwest sea area of Dongsha

在阶段Ⅰ中较强的东亚冬季风输尘量相对偏高, 输入海洋的Fe等元素通量也较高, 对上层海水初级生产力起促进作用(Tamburini et al, 2003)。现代观测发现, 在东北季风盛行期间, 南海北部1000m水深处的有机碳平均通量增加了两倍(陈建芳 等, 1998)。因此阶段Ⅰ时期是相对较强底流活动和较强冬季风环境, 调控了有利于深水珊瑚生长的海底环境。
进入阶段Ⅱ后, 底流速度、海水温度、热含量乃至初级生产力等都经历了剧烈的动荡式变化(Su et al, 2013; Yang et al, 2020; 王雪松 等, 2021), 陆源碎屑通量、普林虫丰度均持续保持低值(Wan et al, 2015; Du et al, 2021)。在底流强度方面, 4500a BP时底流流速较强, 达到了8.8μm·s-1, 随后开始快速减弱, 在
3000a BP时底流速度降低至这一阶段的最小值, 仅为4.4μm·s-1; 之后底流流速再次快速加强, 在2500a BP时达到了7.2μm·s-1(图6c)。同时期北大西洋径向反转环流(Atlantic meridional overturning circulation, AMOC)强度增强(McManus et al, 2004), 遥相关作用下太平洋深水洋流强度减弱, 进而间接影响南海北部底流强度的变化。快速的底流会冲刷深水珊瑚虫, 使之无法定殖发育; 较弱的底流活动又会使得沉积物大量沉降堆积, 导致珊瑚被大量掩埋和发育间断。同时, 此阶段黑潮路径发生改变, 进入南海的黑潮强度降低, 甚至接近于零, 导致次表层海水温度降低(安阳 等, 2009; Du et al, 2021), 进而影响上层海水的生态系统及海洋生产力水平。此外, 阶段Ⅱ时期南海北部中层水体温度降低(Yang et al, 2020)(图6f), 反映南海北部海洋混合状况或进入南海北部的水体性质发生了改变, 引起水体环境剧烈变化, 对海洋中有机物的搬运量以及上层海洋的生产力产生一定影响。陆源输入强度的变化对于深水珊瑚的生长发育产生重要影响(Bahr et al, 2020), 较强的陆源输入能够为深水珊瑚供给大量营养盐与有机颗粒, 促进区域深水珊瑚的繁盛生长。同时期南海北部陆源输入通量急剧降低(Wan et al, 2015)(图6g), 输入海洋的营养盐与有机质通量减小, 进而抑制了深水珊瑚的生长。因此, 动荡的海底环境导致有机颗粒物供给、底流速度和水体温度、生源元素等变化不稳定, 共同导致了4500~2500a BP期间珊瑚发育中断的现象。
进入阶段Ⅱ后, 底流速度、海水温度、热含量乃至初级生产力等都经历了剧烈的动荡式变化(Su et al, 2013; Yang et al, 2020; 王雪松 等, 2021), 陆源碎屑通量、普林虫丰度均持续保持低值(Wan et al, 2015; Du et al, 2021)。在底流强度方面, 4500a BP时底流流速较强, 达到了8.8μm·s-1, 随后开始快速减弱, 在
3000a BP时底流速度降低至这一阶段的最小值, 仅为4.4μm·s-1; 之后底流流速再次快速加强, 在2500a BP时达到了7.2μm·s-1(图6c)。同时期北大西洋径向反转环流(Atlantic meridional overturning circulation, AMOC)强度增强(McManus et al, 2004), 遥相关作用下太平洋深水洋流强度减弱, 进而间接影响南海北部底流强度的变化。快速的底流会冲刷深水珊瑚虫, 使之无法定殖发育; 较弱的底流活动又会使得沉积物大量沉降堆积, 导致珊瑚被大量掩埋和发育间断。同时, 此阶段黑潮路径发生改变, 进入南海的黑潮强度降低, 甚至接近于零, 导致次表层海水温度降低(安阳 等, 2009; Du et al, 2021), 进而影响上层海水的生态系统及海洋生产力水平。此外, 阶段Ⅱ时期南海北部中层水体温度降低(Yang et al, 2020)(图6f), 反映南海北部海洋混合状况或进入南海北部的水体性质发生了改变, 引起水体环境剧烈变化, 对海洋中有机物的搬运量以及上层海洋的生产力产生一定影响。陆源输入强度的变化对于深水珊瑚的生长发育产生重要影响(Bahr et al, 2020), 较强的陆源输入能够为深水珊瑚供给大量营养盐与有机颗粒, 促进区域深水珊瑚的繁盛生长。同时期南海北部陆源输入通量急剧降低(Wan et al, 2015)(图6g), 输入海洋的营养盐与有机质通量减小, 进而抑制了深水珊瑚的生长。因此, 动荡的海底环境导致有机颗粒物供给、底流速度和水体温度、生源元素等变化不稳定, 共同导致了4500~2500a BP期间珊瑚发育中断的现象。
环境动荡变化阶段结束后, 冬季风逐渐增强, 东沙海域底流速度、普林虫丰度、海水热含量恢复到较高程度并相对稳定, 洋流活动携带了更多的营养盐及有机质, 同时在冬季风的作用下, 更多的风尘颗粒从内陆输入至南海, 使得海洋初级生产力增加(Su et al, 2013), 进而为珊瑚提供更多的沉降颗粒物。与全球其他海域的深水珊瑚一样, 此时期东沙深水珊瑚逐渐恢复生长。但阶段Ⅲ中, 陆源通量在短时间内发生了快速变化, 可能是由于上层海洋的内波及涡旋向广泛的陆架海域扩展(Wang et al, 2020), 使得沉积物在横向和纵向上的搬运能力增强, 喷涌式增加的陆源通量对珊瑚的生长发育产生一定的抑制作用, 这可能是阶段Ⅲ中深水珊瑚发育但不繁盛的主要原因。
1200a BP以来, 海水温度、底流流速以及陆源通量趋于平稳, 黑潮强度恢复。同时冬季风也逐渐强盛(图6b), 使更多的风尘颗粒输入至南海北部, 增加了水体中的营养盐含量, 促进了海洋初级生产力的提高, 因而利用颗石藻重建的海洋生产力表现出较高值(图4b)。充足的食物供给和稳定的底流活动, 为东沙西南海域深水珊瑚的生长发育提供了适宜的海底环境, 深水珊瑚进入现代繁盛期, 其骨骼成为研究东沙深海及其环境精细变化的重要载体。

4 结论

1）东沙西南海域深水珊瑚常量元素主要包括Ca、Mg、Mn、P、Ti, 大部分常量元素、微量元素间的相关性不显著或一般。珊瑚样品化学元素的R型因子分析获得了4个因子, 总贡献率为89.64%, 这些因子揭示了深水底流活动、初级生产力、陆源物质是影响深水珊瑚生长的主要因素。
2) 测定了21个东沙西南海域全新世以来深水珊瑚样品的U-Th年龄, 年龄范围为47~7610a BP。基于这些年龄数据将珊瑚生长发育划分为4个阶段: 阶段Ⅰ(8000~4500a BP)珊瑚发育状况差, 阶段Ⅱ (4500~2500a BP)是珊瑚发育间断期, 阶段Ⅲ (2500~1200a BP)深水珊瑚重新发育, 阶段Ⅳ(1200a BP至今)珊瑚继续发育并逐渐繁盛。
3) 东沙西南海域剧烈变化的海底环境影响了有机颗粒物、海底流速、温度与热含量、生源元素的稳定供给和持续变化, 这些因素共同导致了4500~2500a BP珊瑚发育间断; 较强底流活动、较强冬季风环境和稳定的有机颗粒物供给有利于深水珊瑚的发育, 它们的消长变化制约了东沙西南海域深水珊瑚的演化阶段及特征。

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