80万年来热带西太平洋上层水体pH和pCO2演变及影响机理

The ocean plays a key role in modulating the atmospheric partial pressure of carbon dioxide (pCO2). As one of the sea area with most fast exchange rate with the atmosphere, the tropical West Pacific with the main body of warm pool is an ideal area for solving the exact causes of glacial-interglacial pCO2 cycles. Based on the samples of plankton trawls, surface sediments and sediment cores, and beginning from the evolution of carbonate chemical system parameters, we reconstructed the history of pH, carbonate ion concentration ([CO32-]) and pCO2 variations in the upper water from tropical West pacific over the last 0.8 Ma, by applying multi-proxies of planktic foraminiferal shell weight, B/Ca,δ11B, Mg/Ca and δ18O and calibrating the empirical formulas for the calculations of pH and [CO32-]. And then we investigated the vertical gradients and spatial differences of these carbonate system parameters, analyzed their correlations with other paleoceanographic factors such as temperature, salinity, productivity and thermocline/nutricline depths, and finally elucidated the important role of tropical processes in their variabilities. Furthermore, we explored the significances of tropical forcing and warm pool in global carbon cycles and climate changes, in base of the comparisions of pH, [CO32-] and pCO2 variations with atmospheric pCO2 fluctuations recorded in Antarctic ice cores.

海洋在调节大气pCO2变化中起关键作用，以暖池为主体的热带西太平洋作为全球海-气交换最强烈的区域，是探索大气pCO2冰期旋回机制的理想海区。本研究以热带西太平洋的生物拖网、表层沉积物和岩芯为材料，以碳酸盐系统参数的演变为切入点，将现代过程与地质记录结合，应用浮游有孔虫壳重、B/Ca、δ11B、Mg/Ca和δ18O等指标，在对以往pH、[CO32-]经验估算公式标定的基础上，获得该区0.8 Ma以来上层水体pH、[CO32-]和pCO2演化记录，查明其垂向梯度和空间变化特征，分析其与系统内部温盐、生产力、跃层深度等环境要素的关联，探讨热带过程在其演变中的重要作用。在此基础上，再与南极冰芯中大气pCO2记录进行对比，探寻是否有热带驱动因素和暖池在全球碳循环和气候变化中起作用。

碳在海洋与大气之间数量和组成的改变是引起全球变暖和海洋酸化的核心过程，特别是海洋上层水体碳酸盐系统更是攸关海洋碳汇和大气碳排放等碳交易国际事务的关键环节。本项目以热带西太平洋的生物拖网、表层和柱状沉积物样品为材料，发展与完善浮游有孔虫壳重、B/Ca和δ11B等新兴技术，在评估这些碳酸盐系统替代指标合理性的基础上，重建了0.8 Ma以来热带西太平洋上层水体的pH、[CO32-]和pCO2变化，查明了其碳酸盐系统变化的控制机理，揭示了热带过程在其碳酸盐系统变化的作用，明确了西太平洋暖池在全球碳循环和气候变化中的重要地位。成果体现在，发现六偏磷酸钠能大幅提高有孔虫壳重清洗效率，建立Globigerinoides sacculifer和Neogloboquadrina dutertrei壳重-深部[CO32-]、Pulleniatina obliquiloculata壳重-次表层[CO32-]的经验公式；发现生命效应对浮游有孔虫B/Ca有重要影响，但溶解效应对浮游有孔虫B/Ca影响甚微，建立N. dutertrei和P. obliquiloculata的KD-[CO32-]关系式。冰期-间冰期尺度上，上层水体碳酸盐系统总体上与大气pCO2协变，表现为冰期pH高、pCO2低，表明大气pCO2是热带西太平洋上层水体碳酸盐系统的主控因素。然而，与现代该区处于CO2的海-气平衡不同，0.7 Ma以来上层水体一直表现为大气CO2的源，这表明除大气pCO2外，其它因素或过程如ENSO和生产力扮演重要角色，表现为初级生产力低时上层水体pH低、pCO2高，El Niño盛行时pH低、pCO2高。冰消期时，南大洋深部流通状况加强，富DIC的SAMW/AAIW潜入到该区导致上层水体pH降低和pCO2升高，使热带西太平洋上层水体表现为强的大气CO2的源。然而，从叠加在冰期旋回之上的长周期变化看，上层水体碳酸盐系统主控因素不是pCO2，打破CO2海-气平衡的也不是ENSO和生产力，而是东亚夏季风控制的温跃层深度—东亚夏季风增强，温跃层变浅时上层水体pH低、pCO2高。冰期-间冰期尺度上，0.7 Ma以来该区深部[CO32-]与海平面协变，表明热带西太平洋深部碳酸盐系统响应陆架碳酸盐生产的变化，支持“珊瑚礁假说”。研究成果对于全面理解热带过程和西太暖池调控全球碳循环和气候变化的作用机制具有重要意义。