晚中新世-早上新世生物繁盛事件在南大西洋副热带环流寡营养海域的发现与驱动机制

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：The Late Miocene-Early Pliocene biogenic bloom in oligotrophic waters of the South Atlantic Subtropical Gyre

本文聚焦晚中新世-早上新世“生物繁盛”现象在南大西洋副热带环流（SASG）这一寡营养海域的表现。研究人员通过分析DSDP Site 516站位的多指标记录，首次确定了该地区生物繁盛的开始时间、特征及其与晚中新世碳同位素偏移（LMCIS）的关联，并探讨了风尘输入增强是刺激该区域初级生产力增加的可能驱动机制。该研究揭示了副热带环流在重要气候转型期对全球碳循环的潜在影响，为评估现代寡营养海域在未来气候变暖中的角色提供了古海洋学类比。

　　

想象一下一片广阔的海洋“荒漠”——这里阳光充足，但营养物质匮乏，生物活动稀少，就像今天的大洋副热带环流中心区域。然而，地质记录却告诉我们，在距今大约780万年至430万年前的晚中新世到早上新世时期，全球海洋，包括这些“海洋沙漠”，经历了一次神秘的“生物繁盛”（Biogenic Bloom, BB），海洋沉积物中生物成因物质的积累显著增加。这一现象在上升流高生产力区域已有较多记录，但在占海洋面积巨大的寡营养副热带环流区是否发生、何时发生以及由何驱动，却一直是个谜。解开这个谜题，不仅有助于理解过去全球碳循环和气候系统的重大重组，也能为评估现代副热带环流——作为重要的大气CO₂汇——在未来持续变暖背景下的稳定性提供关键的古环境参照。

为了探寻南大西洋副热带环流（South Atlantic Subtropical Gyre, SASG）在“生物繁盛”事件中的角色，由Tamires Nunes Zardin、Karlos G.D. Kochhann等人组成的研究团队，将目光投向了位于SASG西南边缘的深海钻探计划（Deep Sea Drilling Project, DSDP）Site 516站位。他们的研究目标是确定SASG地区BB事件的起始时间和特征，并探究影响该区域古生产力变化的因素。相关研究成果发表在《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》上。

研究者对DSDP Site 516A孔的沉积物样品进行了多指标分析，主要技术方法包括：1. 有孔虫稳定碳（δ¹³C）和氧（δ¹⁸O）同位素分析，用于重建古生产力、碳循环和底层水温度/冰量变化；2. 沉积物元素地球化学分析，利用X射线荧光光谱（XRF）测量元素组成，并计算了log(Ba/Ti)（古生产力代理）、log(Zr/Rb)（陆源输入粒度/风尘代理）、log(Fe/K)（化学风化强度代理）等多种指标；3. 底栖有孔虫动物群评估及积累率（BFAR, iBFAR）计算，作为古生产力的另一个指标；4. 碳酸钙（CaCO₃）和总有机碳（TOC）含量及其积累率分析。研究团队通过将新建立的底栖δ¹³C记录与全球标准曲线（CENOGRID splice）进行对比，并辅以浮游有孔虫和钙质超微化石生物地层学事件，构建了该站位从约10.7 Ma到4.1 Ma（百万年）的高精度年代模型。

研究结果揭示了SASG地区BB事件的详细特征：

1. BB在SASG的开始时间与特征

多项古生产力指标一致表明，BB事件在SASG西南部始于约7.8 Ma。具体表现为：碳酸钙积累率（CaCO₃AR）、log(Ba/Ti)比值、底栖有孔虫积累率（BFAR和iBFAR）以及内栖有孔虫的相对丰度均从此时开始显著增加。同时，粗颗粒组分（>45 μm）重量百分比下降，而碳酸钙含量上升，表明沉积物中钙质超微化石的丰度增加，可能在BB期间取代硅质生物成为主导。这与log(Si/Ti)比值在BB期间降至最低的观察相符。浮游与底栖有孔虫之间的δ¹³C梯度（Δδ¹³C）在约7.8 Ma增大并在7.5 Ma达到峰值，反映了生物泵效率在BB开始时增强。

2. 驱动古生产力增加的因素

为了探究BB的驱动机制，研究者分析了风尘输入和风化作用的指标。log(Zr/Rb)比值在7.8 Ma出现峰值，并在整个BB期间（7.8-4.3 Ma）保持较高值，指示了增强的风尘（沙尘）输入。而log(Fe/K)比值在BB期间保持相对稳定，仅在7.7-7.4 Ma期间有短暂的负偏移。这些证据表明，BB的发生与同期陆源物质粒度变粗（风尘输入增加）相关，而非强烈的化学风化作用。研究认为，晚中新世的全球变冷和经向温度梯度增大，导致哈德利环流和沃克环流增强，可能加剧了南美洲（很可能）和/或非洲的干旱化，从而增加了向SASG输送风尘的通量。富含铁等微量营养元素的风尘输入，刺激了这片高硝酸盐-低叶绿素（HNLC）海域的初级生产力。

3. BB与晚中新世碳同位素偏移（LMCIS）的关系

在Site 516，BB的开始与晚中新世碳同位素偏移（LMCIS）几乎是同步的。底栖有孔虫δ¹³C值在7.8-7.0 Ma期间下降了约1.0‰。这一重大的碳循环重组事件与BB在时间上的耦合，暗示了海洋生产力增加、生物泵加强可能对全球碳库产生了重要影响。尽管总有机碳（TOC）含量在BB期间有所下降，但TOC积累率并未降低，其含量变化可能受到高碳酸盐积累的稀释效应影响。

4. 古气候背景

Site 516的底栖有孔虫δ¹⁸O记录显示，在7.8 Ma有一次短暂的偏重事件，随后在约7.3-6.8 Ma期间呈阶梯式增加，并在6.1 Ma达到最高值。这些δ¹⁸O正偏指示了全球变冷和/或极地冰盖扩张，与BB事件在时间上存在关联，特别是7.8 Ma的冷却事件与BB起始同步，暗示了气候-碳循环-海洋生产力之间的复杂反馈。

结论与讨论部分强调了本研究的核心发现及其重要意义：

本研究首次在南大西洋副热带环流（SASG）这一寡营养海域清晰识别并描述了晚中新世-早上新世生物繁盛（BB）事件。研究表明，BB在SASG开始于约7.8 Ma，大致与全球性的晚中新世碳同位素偏移（LMCIS）同步，并持续了数百万年。BB期间该海域初级生产力的提升，很可能主要受增强的风尘输入驱动。晚中新世气候变冷导致的大气环流重组（如哈德利环流和沃克环流增强），引发了源区（如南美巴塔哥尼亚地区）的干旱化，从而将更多的沙尘及其携带的微量营养元素（如铁）输送至SASG海域， fertilizing 了这片原本贫瘠的水体，刺激了浮游生物的生长。

这一发现挑战了“生物繁盛”事件仅局限于上升流高生产力区的传统认识，证实其在全球海洋包括寡营养环流区均有显著表现。研究将SASG的BB与全球碳循环重大事件（LMCIS）及气候变冷相联系，揭示了副热带环流在关键地质历史时期全球碳循环重组中可能扮演的活跃角色。通过增强的生物泵，SASG可能在BB期间作为更有效的大气CO₂汇，对全球变冷产生了正反馈作用。

总之，该工作不仅为理解晚中新世-早上新世时期海洋-气候-生物地球化学耦合过程提供了来自副热带环流的关键证据，也突显了这些常被视为生物地球化学“静止区”的广阔海域对气候变化和外部营养输入的高度敏感性。在当今全球变暖背景下，理解副热带环流过去的行為模式，对于预测其作为未来碳汇的稳定性及其对气候系统的反馈至关重要。未来的研究需要结合水团性质指标，进一步厘清大洋环流重组、副热带锋面迁移等因素在BB事件中对SASG营养供给和生产力变化的具体贡献。