晚全新世西沙海鸟营养级变化对重金属传输效率的影响

Seabirds move across ocean and island boundaries, and transfer significant quantities of nutrients and pollutants to isolated islets. This impose a significant impact on development of island ecosystems. However, influence of historical trophic level changes on transfer efficacy of heavy metals remains unclear. Using avian subfossils, e.g. guano, bones, eggshells etc., on typical islands of the Xisha Archipelago, the proposed study aims to investigate correlation between changes of seabird trophic position and heavy metal distributions in avian relics. The record of seabird trophic level over the late-Holocene epoch can be reconstructed by AMS14C dating and stable isotope (δ15N) analysis. Concentrations of heavy metals, i.e. copper, cadmium, barium, arsenic, selenium, mercury, lead and zinc, in avian subfossils will be then determined by inductive coupled plasma atomic emission-atomic fluorescence spectrometry (ICP-AES) and atomic fluorescence spectrometry (AFS). Based on elemental analysis, spatial and temporal characteristics of heavy metals will be further obtained. The proposed study will be helpful for understanding biogeochemical cycling process of heavy metals on remote islands, and will also provide new insights into future resource exploitation and conservation of coral islands in the South China Sea.

海鸟活动可将大量的营养元素或污染物由海洋传输至岛屿，对岛屿生态系统的发育具有重要影响，但历史时期海鸟营养级变化与重金属生物传输效率之间的关系目前尚不明确。拟开展的本项研究以西沙群岛典型岛屿上保存完好的海鸟生物遗迹（鸟粪、骨骼、蛋壳等）为研究对象，运用14C年代学、稳定同位素地球化学和元素地球化学的分析方法，结合海鸟遗迹的δ15N值（营养级的替代性指标）重建晚全新世以来西沙海鸟营养级的历史记录。同时，通过分析海鸟遗迹中Cu、Cd、Ba、As、Se、Hg、Pb、Zn等重金属元素的含量，总结代表性岛屿上重金属元素的时空分布规律。在此基础上，深入探讨海鸟营养级变化对海鸟生物遗迹中重金属元素含量的影响。本项研究的开展，对于深入认识偏远海岛上元素的生物地球化学循环过程具有重要意义，对南海岛屿生态的开发与保护也提供了一定的借鉴。

本项目对南海西沙群岛典型岛屿的海鸟粪土沉积层及其所含的海鸟遗迹开展了研究，涉及岛屿包括甘泉岛、广金岛、晋卿岛、琛航岛、赵述岛、北岛、中岛和南岛。通过对这些岛屿粪土沉积层中的海鸟遗迹进行高精度加速器质谱（AMS）14C定年分析，构建了基于Clam和Bacon程序的年龄—深度模型。由构建的年龄-深度模型可知，西沙群岛平均垂向生长速率为1.02±0.42 mm a-1，明显低于当前海平面上升速率。结合C、N稳定同位素技术，我们重建了西沙甘泉岛和广金岛过去2200年内的海鸟营养级记录。结果表明，在气候相对寒冷的小冰期时，海鸟营养级较高，说明海鸟捕食更多高营养级的生物，如鱿鱼，这可能与海鸟捕食行为的变化有关。通过分析不同岛屿鸟粪颗粒中的重金属元素，我们发现，即重金属元素的空间分布存在明显的差异性，这与海鸟的营养级有关，不同的岛屿被不同的海鸟占据。海鸟营养级越高，重金属污染物的传输效率也就越高，导致海鸟粪便颗粒中的元素含量越高。在14C定年的基础上，利用反射光谱技术，我们重建了西沙典型岛屿过去1000年的海鸟数量记录。总体而言，在气候相对寒冷的小冰期，海鸟数量较多，进而影响海鸟的捕食行为和营养级；而在最近150年，海鸟数量迅速下降，海鸟生态快速衰退。海鸟数量的快速下降可能与人类活动有关，如栖息地破坏、过度捕捞和环境污染。利用沉积物有机质C稳定同位素分析技术，我们重建了历史时期有机质C同位素的组成。我们识别出，有机质C同位素反映了鸟粪和植物残体的相对比例变化，是一种研究生态演变的理想工具。结果表明，在过去的150年中，沉积物中的有机质由鸟粪逐渐转变为植物残体，这也从侧面印证了海鸟数量在近现代的逐渐下降。本项研究对于南海的岛屿开发建设，以及珊瑚礁岛屿生态系统的生态保护具有重要意义。