脂质δ2H值作为南极冰盖融水排放的代用指标

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Lipids δ2H values as a proxy for Antarctic ice-sheet meltwater discharge

　　

陈欣|姜向海|梁乐文|王凤平

教育部分子地球科学国家重点实验室、极地生态系统与气候变化重点实验室、上海交通大学极地生命与环境科学重点实验室及海洋学系，中国上海市华山路1954号，200030

摘要

过去几十年中，南极冰盖的质量损失正在加速，导致全球海平面上升。在卫星观测之前的时期，重建南极冰盖融水排放的变化依赖于古代代用指标。传统上，人们使用底栖有孔虫和冰山携带的碎屑（IBRD）的δ¹⁸O来重建冰体积的冰期-间冰期变化。然而，南极边缘海域的海洋沉积物中通常缺乏有孔虫，而且冰盖融水排放（IMD）与IBRD之间的关系仍不明确，这限制了这些代用指标在该地区的可靠性。在这里，我们利用从南大洋和环南极边缘海域收集的54个表层海水悬浮颗粒物样本的数据，探索了浮游植物中n-烷酸的δ²H（δ²H_FA）作为南极IMD代用指标的潜力。在南极边缘海域，相对较低的δ²H值（< ?7‰）与富含²H的IMD密切相关（δ²H_water值< ?200‰），表明δ²H_water值是监测南极IMD的有效工具。此外，环南极边缘海域中主要由浮游植物产生的C₁₆和C₁₈ n-烷酸的δ²H值与δ²H_water值显示出显著的正线性相关（r = 0.79，p < 0.001）。我们进一步评估了环境因素（海表温度SST和盐度）、生长速率及物种特异性对δ²H_FA的影响，发现这些因素在南极边缘海域（< 60°S）的影响可以忽略不计。这些发现表明，δ²H_FA能够可靠地追踪δ²H_water，从而追踪南极的IMD。相反，在60°S以北的地区，由于海表温度（SST）变化较大，δ²H_FA值与盐度呈现负相关，这与许多先前的培养实验结果相反。n-烷酸的²H/¹H分馏与SST之间存在负线性相关，这与培养的海洋藻类的情况一致，表明SST可能是60°S以北地区δ²H_FA值的主要影响因素。δ²H_FA作为IMD定量代用指标的实用性在智利南极洲阿德利兰岛外IODP 318站的全新世沉积物向下钻探分析中得到了进一步应用。本研究提供了一种利用浮游植物中脂质的δ²H来追踪南极IMD的新方法，甚至可以扩展到地质时间尺度。

引言

南极洲保存着地球上最大的淡水存储器，南极冰盖融水流入海洋是全球海平面上升的主要因素（Shepherd等人，2018年）。自20世纪70年代卫星观测开始以来，南极洲特别是西南极冰盖经历了快速变薄、流动加速和接地线后退等现象（Paolo等人，2015年；DeConto和Pollard，2016年）。建模模拟表明，未来南极的冰损失可能在未来一个世纪内导致全球海平面上升约1米（Joughin等人，2014年）。然而，时间序列数据的稀缺和有限的观测数据阻碍了我们理解控制IMD的过程并预测其未来动态的能力。建立一种可靠的南极IMD代用指标对于古海洋学研究至关重要，因为过去的IMD时期可以为未来气候情景的预测提供极好的参考。

在过去几十年中，人们提出了多种代用指标来追踪南极的IMD。目前，最常用的冰盖动态和变化估计方法是基于冰山携带的碎屑（IBRD）的海洋记录，其中较高的IBRD通量表明冰质量损失较大（Weber等人，2014年）。然而，南极IMD与颗粒大小变化之间的关系仍然不明确（McKay等人，2022年；Wu等人，2024年）。在南极边缘海域，海水同位素（δ¹⁸O_water、δ²H_water）与冰盖融水排放（冰盖、冰架和冰山）密切相关，因为融水中的²H（δ²H_water值< ?200‰）和¹⁸O（δ¹⁸O_water值< ?32‰）含量远低于开阔海洋（约0‰），这使得它们成为淡水排放的有效示踪剂（Kim和Timmermann，2024年）。通过校正温度后，可以利用底栖有孔虫的氧同位素比率来记录海洋表层水的同位素（Pearson，2012年），从而估算全球冰体积（Shackleton，1987年）。然而，南极边缘海域的海洋沉积物不利于碳酸盐的保存或完全缺乏有孔虫（Shevenell等人，2011年）。长链甲基或乙基酮类物质——烷酮，由Isochrysidales目中的少数藻类产生，在现代海洋中广泛分布（Brassell等人，1986年；Conte等人，1998年）。许多培养实验和全球表层海洋沉积物研究表明，在以Emiliana huxleyi和Gephyrocapsa oceanica为主的开阔海洋环境中，烷酮的氢同位素比率是δ²H_water的有效代用指标（例如，Schouten等人，2006年；Mitsunaga等人，2022年）。然而，这些烷酮产生者在南大洋高纬度地区（>60°S；Sikes等人，1997年；Shevenell等人，2011年）极为稀少或不存在，这使得使用这种方法重建表层水同位素以及南极的IMD变得困难。

短链n-烷酸（如C₁₆和C₁₈）是浮游植物和原核细菌产生的常见脂质，在海洋沉积物中广泛分布（Sachse等人，2012年；Close，2019年）。藻类培养实验表明，n-烷酸的氢同位素比率（δ²H_FA）与δ²H_water值之间存在强线性关系，因为脂质中的所有氢原子都来源于生长水（Schouten等人，2006年；Sachse等人，2012年）。H?ggi等人（2015年）证明，δ²H_FA值与δ²H_water值高度相关，并且在亚马逊羽流中的表层悬浮颗粒物中表现出盐度依赖的同位素分馏现象。这些发现表明，δ²H_FA值可以作为追踪南极边缘海域IMD的有前景的代用指标（Ashley等人，2021年；Patterson等人，2026年）。尽管如此，其他因素如生长速率（Schouten等人，2006年）、物种特异性效应（Sessions等人，1999年）、温度（Wolhowe等人，2009年；Gao等人，2025年）和盐度（Maloney等人，2016年）也可能影响n-烷酸与海水之间的氢同位素分馏（α_FA/water）。目前，这些参数对α_FA/water以及δ²H_FA的影响在南大洋和南极边缘海域仍不完全清楚。

在这里，我们测定了南大洋和环南极边缘海域表层海水中悬浮颗粒物（SPM）中n-烷酸的氢同位素比率，以及水同位素（δ¹⁸O_water、δ²H_water）（图1a）。样品来自具有较大水同位素梯度和海表温度变化的区域，涵盖了不同的盐度值和营养组成（图1）。我们的目标是：（1）确定n-烷酸的氢同位素比率是否可以用来记录水同位素，从而追踪南极边缘海域的IMD；（2）限制脂质与水之间的氢同位素分馏，以及影响α_FA/water的因素；（3）评估这些发现对重建全新世南极IMD的意义。

章节摘要

研究地点和采样

第39次中国南极科考队在2022年11月至2023年3月期间，使用“雪龙”号研究船采集了表层水悬浮颗粒有机物。采样地点覆盖了南印度洋、太平洋和环南极边缘海域的纬度范围（图1a）。表层水样本（深度0–5米）是通过船上配备的不锈钢管道系统获取的。每个样本大约采集了100升海水

海洋表层水样品中的水同位素和盐度

采样点的年平均海表温度（SST）范围为?1.8至23.5℃，盐度范围为32.6至36.4 psu（图1c和d）。我们测得的δ²H_water值介于?11.8至0.8‰之间（图1b），δ¹⁸O_water值介于?0.8至0.7‰之间（补充表S1）。正如先前研究（Rohling，2007年）所报道的，表层海水中δ²H_water与盐度之间存在强相关性。实际上，我们的数据集中也观察到了δ²H_water值与盐度之间的强相关性（r = 0.75，p <

表层海水同位素和盐度追踪冰盖融水排放

表层海水的氢和氧同位素比率是区域水文变化的可靠代用指标（Bowen等人，2019年）。表层海水的δ²H值对蒸发和降水变化非常敏感。在蒸发过程中，较轻的同位素优先进入蒸汽相，导致剩余的海水富集²H。在南极边缘海域，海水结冰会导致海冰富集²H，因此海冰融化时

结论

本研究首次测量了南大洋和南极边缘海域表层水中悬浮颗粒物中脂质的δ²H，并探讨了n-烷酸的δ²H值是否可以用来追踪海水同位素，进而推断IMD。我们发现，来自浮游植物的n-烷酸（C₁₆和C₁₈）的δ²H值与南极边缘海域表层海水的δ²H值之间存在强正线性相关

CRediT作者贡献声明

陈欣：撰写——审稿与编辑、原始草案撰写、方法论、研究、资金获取、数据管理、概念构思。姜向海：撰写——审稿与编辑、方法论、研究。梁乐文：撰写——审稿与编辑、方法论、研究。王凤平：撰写——审稿与编辑、方法论、研究、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号W2511038、42230401、42206243）、同济大学海洋地质国家重点实验室（编号MGK202607）、上海市科学技术委员会科技创新行动计划（24HC2810200）、“海洋负碳排放（ONCE）”项目以及全球海底生态系统与可持续性（GSES）的支持。我们感谢中国北极和南极