High-resolution record of biogenic silica and its paleoproductivity implication in the Chanthaburi coast, Gulf of Thailand over the last 9 000 aBP
-
摘要:
以2017年在泰国湾尖竹汶海岸获取的LSC05和WLE08沉积物柱样为研究对象，对其进行了高分辨率的生物硅和有机碳分析，结合AMS14C测年结果，探讨了9 ka以来泰国湾古生产力的变化情况。结果表明，LSC05和WLE08柱样中的生物硅含量分别为0.41%～1.56%（平均值为0.88%）和0.60%～1.52%（平均值为1.11%），属于南海中的低值海域，主要受到区域内无上升流导致的低硅质骨骼和壳体供给量和陆源物质输入稀释的影响。将生物硅含量曲线与南亚夏季风替代指标曲线和南海区域温度异常值曲线进行对比发现，生物硅含量较高的时期所对应的海表初级生产力高值期可能是由于夏季风阶段性势力较强导致，有机碳含量曲线印证了对夏季风的响应。此外，生物硅含量曲线与格陵兰冰芯、董歌洞石笋以及阿曼Qunf岩洞石笋记录的对比结果显示，泰国湾古生产力的变化趋势与全球尺度的环境变化具有相关性，反映了泰国湾古环境变化对全球环境变化的响应。
Abstract:Based on the LSC05 and WLE08 core samples obtained from the Chanthaburi coast of the Gulf of Thailand in 2017, the biogenic silica, total organic carbon, and AMS14 C dating were analyzed. High-resolution data including grain size and biogenic silica content were obtained to explore the changes of paleoproductivity in the Gulf of Thailand since 9 ka. Results show that the contents of biogenic silica in the samples were 0.41% ~1.56% (on average of 0.88%) for LSC05 and 0.60%~1.52% (on average of 1.11%) for WLE08, belonging to the low-value sea area of the South China Sea. This area was mainly affected by low supply of siliceous bones caused by the absence of upwelling in the study area, and the input dilution of regional inland-sourced materials. By comparing the biogenic silica content curve with the South Asian summer monsoon substitution index curve and the temperature anomaly curve in the South China Sea, we found that the high-value period of sea surface primary productivity corresponds to the period with high biogenic silica content, which might be due to the strong phased force of the summer monsoon. The organic carbon content curve confirmed the reconstruction results of paleoproductivity by biogenic silica. In addition, comparison between the biogenic silica content curve and the records of Greenland ice core, Dongge cave stalagmite, and Qunf cave in Oman stalagmite showed that the trend of paleoproductivity in the Gulf of Thailand was significantly correlated with the global environmental changes, reflecting the response of paleoenvironmental changes in the Gulf of Thailand to global environmental changes.
-
Keywords:
- biogenic silica /
- paleoproductivity /
- paleoclimate /
- global climate change /
- gulf of Thailand
-
海水中的悬浮体，包括矿物颗粒、生物残骸、絮凝体等，在近海的主要成分为悬浮泥沙[1-2]。悬浮体是物质输运的重要载体，其分布和扩散、沉降和再悬浮对近海物理、化学和生物过程有重要意义[3-4]，在全球物质循环中起重要作用[5]。同时，悬浮体的分布和输运对海底地形地貌发育、港口航道淤积等也有重要影响[6-10]。尤其是在海洋动力、人类活动、气候变化及河流陆源物质输入等各种因素影响下悬浮体浓度（Suspended Sediment Concentration, SSC）的年际变化特征[11]，对于研究海洋环境演化和生态系统可持续发展等有重要意义。近年来大河输沙量锐减[12]，以风场强度变化为代表的气候变化因素，可能逐渐成为影响SSC长期变化的主要原因。
渤海是一个半封闭的陆架浅海，由渤海湾、莱州湾、辽东湾、中央海盆及渤海海峡组成，平均水深18 m，海底地势从3个海湾向中央海盆及渤海海峡倾斜，坡度平缓（图1）。渤海沿岸分布着黄河、辽河、滦河等多条河流，这些河流每年向渤海输送大量淡水及陆源物质，其中黄河过去50余年来（1950—2003年）年均输沙量达8.81亿t[13]，这使得渤海成为世界上SSC最高的陆架海区之一[14]。
![]()
图 1 渤海水深地形和SSC实测站位分布图图中黑色十字为用于遥感反演的SSC实测站位位置。Figure 1. Water depth in the Bohai Sea and distribution of SSC observed stationsBlack crosses show the location of the SSC observation stations used for remote sensing data inversion.自20世纪60年代以来，国内外学者就开始了渤海SSC时空变化的研究，常用的手段包括卫星遥感、沉积动力观测和数值模拟的方法[15-25]。研究指出渤海表层SSC具有近岸高、远岸低、由岸向海方向逐渐递减的空间分布特征，其中高值区主要分布在黄河入海口附近海域，低值区位于渤海中部；在季节变化上，由于受季风等影响，渤海表层SSC呈现出冬季高、夏季低的变化规律[18,21-22]。亦有学者进一步基于经验正交函数（Empirical Orthogonal Function, EOF）分析的方法研究了SSC的时空变化规律[22, 24]，结果显示渤海湾、莱州湾SSC空间变化最为显著，这与孟庆辉等[18]得出的渤海湾、莱州湾短周期内空间变化幅度大的结论较为一致。近年来在黄河输沙量锐减的背景下，更多的学者开始关注渤海整个海域SSC的长期变化趋势，但却得出了不同的结论。基于2000—2004年SeaWiFs卫星遥感反演并结合EOF分析得到，渤海表层SSC有逐年增高的趋势[22]。而更长期的变化，如2003—2014年的结果却显示，渤海表层SSC有明显的下降趋势，其年均下降幅度为1.49%（0.22 mg·L−1·a−1），且各海区的表层SSC均呈下降趋势[11]。前人工作中或者没有进一步分析原因，或者推测其与风速变化、围填海工程以及黄河输沙量减少有关，但均未开展量化的相关性分析。
渤海SSC变化受到河流输沙量、风浪、潮汐潮流等诸多因素的影响。其中，黄河输沙量影响范围为距河口5 km内，离口门越远影响越小，15 m等深线是其影响极限[26]。尤其是在2003—2021年黄河输沙量较20世纪50年代锐减的背景下，黄河输沙量对渤海SSC分布格局的影响更小；潮汐潮流主要影响SSC的日变化[27-28]；表层沉积物粒度和地形等因素则与海洋动力共同控制SSC的空间分布，如浅水区的细砂和粉砂更容易起动，形成高SSC[17,29-30]。在年际变化尺度上，潮汐潮流与底质地形的影响较小。除此之外，渤海SSC的变化还与风场强度有关[27]，大风过程可在短时间内显著改变渤海SSC的空间分布格局[17,30-31]，风对浅水区沉积物再悬浮和悬沙输运过程起重要作用[17]。同时，渤海表层SSC冬高夏低的季节变化特征，也与风场冬强夏弱的季节变化规律有关。因此，在渤海表层SSC的长期变化中，风场强度变化有何贡献有待开展深入研究。
为了阐明渤海表层SSC的长期变化趋势，探明风场在其中的贡献以及对不同海湾间物质输运的影响，本文使用2003—2021年中等分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS）的Level-1B（L1B）卫星遥感数据，结合渤海多个航次的实测SSC数据，建立遥感反演模型获得渤海表层SSC的时空变化，并利用EOF方法分析SSC的时空变化特征以及风场的影响。
1. 数据和方法
1.1 数据来源
本研究使用的卫星遥感数据来自Aqua卫星上搭载的MODIS，下载自美国宇航局网站(https://www.nasa.gov)的L1B数据，时间长度为2003年1月—2021年12月，空间分辨率为1 km。
实测SSC数据来自2010年4月、9月，2011年6月，2012年11月，2017年9月，2018年4月、8月、10月和2020年11月的国家自然科学基金委渤海共享航次，与遥感资料时空匹配的站位共计30个，站位位置如图1所示。现场取样后，用两层孔径为0.45 μm、直径为47 mm的微孔醋酸纤维膜对表层（2～3 m）水样进行现场抽滤、烘干、称重，获得表层SSC，用于与遥感反射率（Remote Sensing Reflectance, Rrs）建立反演模型。
风场数据来自美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction, NCEP）发布的CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）数据，包括风速的东、北分量，时间分辨率为1 h，空间分辨率为0.312°，时间长度为1990年1月—2022年2月（https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/climate-forecast-system-reanalysis-cfsr.）。
黄河利津站2003—2021年月均输沙量数据来自中国河流泥沙公报。
1.2 数据处理方法
1.2.1 遥感数据处理
遥感数据主要采用NASA官方提供的SeaWiFs数据分析系统（SeaDAS）进行大气校正、去云等初步处理，将L1B遥感数据批量处理成二级Rrs。此外，由于冬季渤海存在可见海冰，海冰对SSC反演影响较大，会导致Rrs极高，影响表层SSC的反演精度。本研究采用了Liu等[32]使用的Shi和Wang[33-34]建立的方法去除海冰影响，同时满足以下条件即被认定为海冰[35]：
$${{\text{ρω}}} {\rm N}(859)\text{＞}0.048 $$ (1) $$ 0.7{\text{＜}}\mathit{{{\text{ρω}} {\rm N}}}(555)/{\text{ρω}} {\rm N}(412)\text{＜}3.0 $$ (2) $$ {\text{ρω}} {\rm N}(412){\text{＞}}0.046 $$ (3) $$ {\text{ρω}}\mathrm{N} ={\rm{Rrs}}\times \Pi $$ (4) 其中${\text{ρω}}\mathrm{N} $为标准化的离水反射率，${\text{ρω}} {\rm N}(555) $为555 nm波段的标准化离水反射率，Rrs为遥感卫星数据的波段反射率。
1.2.2 SSC反演计算
前人研究表明，MODIS第4波段（545～565 nm）的Rrs与渤海表层SSC具有较好的相关性[11,17]。在建立反演模型时，利用Matlab软件提取与实测SSC数据在空间（范围＜500 m）和时间（误差＜2 h）上匹配的555 nm波段的Rrs，共基于30组实测SSC数据和Rrs建立拟合关系（图2），如下式所示：
$$ \rm{SSC}=\exp(98.96\times\mathrm{Rrs}_{555})\times1.753 $$ (5) 两者的拟合系数（R²）为0.92，均方根误差（RMSE）为6.25 mg/L，拟合结果较好。基于以上公式，反演得到2003—2021年渤海海域表层SSC，并对其进行年平均处理，以定量化分析其时空演变特征。
1.3 经验正交函数（EOF）分析
对2003—2021年渤海海域表层年均SSC进行EOF分析，以获得表层SSC的空间模态及时间系数，研究其时空变化特征。
EOF分析方法，又称主成分分析或者空间模态分析法，将变量场分解成空间模态和时间系数的乘积。空间模态对应空间样本，称为空间特征向量或者特征向量，反映要素场的空间分布特点。主成分对应时间变化，也称时间系数，反映对应空间模态随时间的权重变化。
本文将渤海海域各站位的年均SSC数据处理成距平矩阵Xm×n，其协方差矩阵Cm×m的特征根(λ1...λm)和空间模态Vm×m，满足：
$$ C_{m\times m}\times V_{m\times m}=V_{m\times m}\times E_{m\times m } $$ (6) 其中，E是m×m的对角矩阵，即
$$ E = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\lambda _1}}&0& \cdots &0 \\ 0&{{\lambda _2}}& \cdots &0 \\ \vdots & \vdots & \cdots & \vdots \\ 0&0& \cdots &{{\lambda _m}} \end{array}} \right] $$ (7) 一般情况下，特征根λ作降序排列，即λ1＞λ2＞...λm。每一个特征根对应一列特征向量值，也称EOF模态。如λ1对应的特征向量值称为EOF第一模态，记为EOF1=V(:,1)；λk对应的特征向量值称为EOF第k模态，记为EOFk=V(:,k)。将空间模态投影到原始矩阵X上，得到对应的时间系数（PC）：
$$ \mathrm{PC}_{m\times m}=V_{m\times m}^T\times X_{m\times m} $$ (8) EOF分析时，特征根λ越大，其对应的空间模态越典型，对总方差的贡献越大。第k个模态的方差贡献率（S）为：
$$ S=\frac{{\lambda }_{k}}{\sum _{i=1}^{m}{\lambda }_{i}}\times 100{\text{%}} $$ (9) 分解出的经验正交函数是否为有意义的物理信号，要通过显著性检验来确定。本文采用North[22]提出的计算特征根的误差范围来进行显著性检验。特征根λi的误差范围可以表示如下：
$$ {e_i} = {\lambda _i}{\left( {\frac{2}{m}} \right)^{\frac{1}{2}}} $$ (10) 其中m为样本量，当与相邻的特征根λi+1满足：
$$ {\lambda _i} - {\lambda _{i + 1}} \geqslant {e_i} $$ (11) 就认为这两个特征根所对应的经验正交函数通过显著性检验，是有意义的；反之，若没有通过显著性检验，则无意义。
2. 结果
2.1 渤海表层SSC的时空分布特征
为对2003—2021年渤海表层SSC分布进行详细研究，绘制了2003—2021年渤海海域表层多年平均SSC及年均SSC距平图（图3）。
![]()
图 3 2003—2021年渤海海域表层多年平均SSC及年均SSC距平a为2003—2021平均SSC分布图，b-t分别是年均SSC距平图，色轴代表SSC大小。Figure 3. Multi-year averaged SSC from 2003 to 2021 and the difference between the annual averaged SSC and the multi-year averaged SSC at the surface layer of the Bohai Seaa shows the 19-years averaged SSC from 2003 to 2021, b-t show the difference between the annual averaged SSC and the multi-year averaged SSC at the surface layer of the Bohai Sea, the color bar represents the SSC.2003—2021年渤海海域表层年均SSC表现为近岸高、远岸低的空间分布特征；受陆源物质输入影响，SSC高值区分布在黄河入海口附近及辽东湾顶部，最大值可达100 mg/L以上，与周舟等[11]的研究结果一致。从各年距平值的空间分布来看：2003—2008年渤海表层SSC相对于19年的平均值（图3a），浓度明显偏大（图3b-g）；2009年为一转折点，该年份之后SSC具有明显的减小趋势（图3h-t）。
2.2 渤海表层SSC的多年变化趋势
为对比渤海不同海域SSC的长期变化趋势，本文将渤海划分为渤海湾、莱州湾、辽东湾以及中央海盆4个海域进行对比分析。图4为2003—2021年渤海不同海域年均区域化平均的SSC变化，从多年平均值来看，渤海湾、莱州湾、辽东湾以及中央海盆的SSC分别为26.04、25.19、8.24、8.12 mg/L，渤海湾SSC最高，中央海盆SSC最低。
![]()
图 4 渤海不同海域2003—2021年年均区域化平均SSC变化Figure 4. Annual averaged SSC in the different area of Bohai Sea from 2003 to 2021从多年变化趋势来看，4个海域年均SSC均表现出减小趋势，减小速率从大到小依次为莱州湾、渤海湾、中央海盆和辽东湾，不同海域SSC的变化速度不同可能与黄河输沙量的影响大小有关。
2.3 渤海表层SSC时空变化的EOF分析
对2003—2021年渤海表层年均SSC进行EOF分析，得到了一系列空间模态（表1）。表中可得，前三个模态累积方差贡献率为73.4%：其中第一模态的方差贡献率为53.15%，第二模态的方差贡献率为14.14%，第三模态的方差贡献率为6.11%，以下对主要模态分别成图分析（图5—7）。
表 1 渤海海域表层SSC空间模态Table 1. Spatial modes of SSC in the surface layer of the Bohai Sea方差贡献率/% 方差累积贡献率/% 特征根误差下限 特征根误差上限 特征根 第一模态 53.15 53.15 45726.92 47425.52 46576.22 第二模态 14.14 67.29 12166.87 12618.83 12392.85 第三模态 6.11 73.40 5255.24 5450.45 5352.84 第四模态 4.82 78.22 4148.83 4302.95 4225.89 第五模态 3.45 81.67 2970.36 3080.70 3025.53 第六模态 2.77 84.44 2380.92 2469.36 2425.14 第七模态 2.37 86.81 2039.76 2115.53 2077.64 第八模态 1.99 88.80 1715.72 1779.45 1747.58 第九模态 1.87 90.67 1608.42 1668.17 1638.30 第十模态 1.69 92.36 1458.21 1512.38 1485.30 ![]()
图 5 EOF第一模态空间模态及时间系数a为第一模态空间模态分布图，色轴代表特征值大小，b为第一模态时间系数图。Figure 5. The spatial mode and time coefficient of the first mode of EOFa shows the distribution of spatial mode of the first mode, the color bar represents the eigenvalue, b shows the time coefficient of the first mode.![]()
图 7 EOF第三模态空间模态及时间系数a为第三模态空间模态分布图，色轴代表特征值大小，b为第三模态时间系数图。Figure 7. The spatial mode and time coefficient of the third mode of EOFa shows the distribution of spatial mode of the third mode, the color bar represents the eigenvalue, b shows the time coefficient of the third mode.第一模态对总体方差贡献率为53.15%，远大于其他模态的贡献率，该模态反映的是渤海海域表层SSC的主要分布特征。渤海海域的空间模态整体为正值（图5a），说明整个渤海海域的表层SSC多年变化趋势较为一致，整体增大或减小。特征值高值分布在渤海湾和莱州湾海域，说明这两处海域SSC变化最为显著。
时间系数与SSC的变化趋势存在一定的关联性，当空间模态和时间系数同号（即数值同正或者同负），则代表SSC变化呈现增大的趋势；反之，则代表SSC变化呈现减小的趋势，且时间系数绝对值越大，该年份SSC的空间分布类型及变化特征就越明显。第一模态空间模态总体为正，2009年以前时间系数为正（图5b），代表SSC整体为增大趋势；2009年以后时间系数多数为负，与空间模态反号，代表SSC整体为减小趋势。
第二模态对总体方差贡献率为14.14%。图6a可见，不同海区特征值的符号不同：渤海湾和中央海盆特征值整体为正，莱州湾和辽东湾特征值整体为负，该模态显示的是不同海湾间SSC变化趋势不一致。其中以莱州湾和渤海湾的空间模态反相位变化特征最为显著，2010年以前时间系数大体为负（图6b），与莱州湾空间模态同号，说明莱州湾表层SSC高于渤海湾；而2010年以后时间系数大体为正，说明渤海湾表层SSC高于莱州湾。从时间系数图中可以看到2006年和2017年时间系数绝对值最大，渤海湾和莱州湾的反相位特征最为典型，推测是海湾间悬浮体的平流输运与交换导致。从SSC的空间分布图（图3e、p）也可以证实以上特征。
![]()
图 6 EOF第二模态空间模态及时间系数a为第二模态空间模态分布图，色轴代表特征值大小，b为第二模态时间系数图。Figure 6. The spatial mode and time coefficient of the second mode of EOFa shows the distribution of spatial mode of the second mode, the color bar represents the eigenvalue, b shows the time coefficient of the second mode.第三模态对总体方差贡献率为6.11%。图7a可见，渤海大部分海域空间模态为正值，但在黄河入海口附近海域，悬浮体以10 m等深线为界，浅水区和深水区SSC呈现反相位变化，以莱州湾西部海域及渤海南部海域反相位变化最为显著。该模态反映了悬浮体从浅水向深水扩散受到10 m等深线处海洋水文现象影响的特征，根据学者们的研究成果，黄河口切变锋即分布在10 m等深线处[36-38]，表明了切变锋对黄河口附近悬浮体向外海扩散的阻碍作用。初步认为该模态反映的是黄河入海口切变锋的影响。
3. 讨论
3.1 风速变化对渤海表层SSC长期变化的影响
因冬季风速在全年平均风速中的贡献较大[39]，且冬季SSC影响了全年平均SSC的量值，因此本文考虑冬季风速变化对渤海表层SSC长期变化的影响。从1990—2021年渤海湾、莱州湾海域风场长期变化趋势可见（图8），1990—2009年，渤海海域冬季风速呈增大趋势；2009—2021年，该海域冬季风速呈减小趋势，这和第一模态所反映的SSC随时间变化趋势基本一致，在风场驱动下，SSC呈现出以2009年为界，前后变化趋势相反的特征。风速的这一变化趋势与杨宏达等[39]、李正泉等[40]的研究成果一致。
![]()
图 8 2003—2021年渤海湾和莱州湾冬季区域化平均风速及第一模态时间系数Figure 8. Regional averaged wind speed in Bohai Bay and Laizhou Bay during winter from 2003 to 2021 and the time coefficient of the first mode为对比2009年前后SSC的变化幅度，分别对2005—2008年及2009—2012年两个阶段的渤海海域表层SSC进行平均处理并计算其差值（图9）。图中可见，以2009年为节点，前4年渤海海域表层SSC高值区分布范围较广（图9a），主要见于渤海湾与莱州湾，且其均值与2009年之后的4年平均相比，明显偏大，两者相对变化最大可达−70.94%（图9c）。且这两个阶段，黄河的平均输沙量分别为1.50×108 t和1.31×108 t，相差不大。因此SSC在2009年前后的变化主要与冬季风强弱有关，而与黄河输沙量的变化相关性不大。
![]()
图 9 2009年前后渤海海域表层SSC分布及相对变化a：2005—2008年渤海海域表层平均SSC分布，b：2009—2012年渤海海域表层平均SSC分布，c：(b-a)/a，2009—2012年与2005—2008年渤海海域表层平均SCC分布相对变化。Figure 9. Distribution and relative changes of averaged SSC at the surface layer of the Bohai Sea before and after 2009a shows averaged SSC at the surface layer of the Bohai Sea from 2005 to 2008, b shows averaged SSC from 2009 to 2012, c is (b-a)/a which shows the relative changes of the latter stage to the former stage.3.2 风向变化对海湾间悬浮体输运的影响
第二模态显示了渤海湾和莱州湾SSC的反相位变化，为研究两个海湾SSC变化及可能存在的联系，本文分别计算了2003—2021年两个海湾区域平均的SSC距平值（图10）。2009年以前，二者变化趋势大体一致，均表现为相对于多年平均值偏大的趋势；2009年及以后，相对于多年平均值总体表现为减小趋势，体现了如3.1所分析的风速对SSC多年变化趋势的控制作用，此为渤海SSC的主要变化特征。在此基础上叠加的第二模态所显示的渤海湾和莱州湾SSC反相位变化特征，为部分年份表现出来的分布特点，其中，以2006及2017两个年份最为典型（图10）。
![]()
图 10 2003—2021年渤海湾及莱州湾表层区域平均SSC的年距平Figure 10. Annual regionalized averaged variation of SSC in Bohai Bay and Laizhou Bay从2006年与2017年的年均风速距平（图11a、b）可以看到，2006年除渤海湾南部和渤海中部的风速略大外，渤海湾大部分海域和莱州湾的风速都小于多年平均值，而2017年则反之。风速的这一变化特征与SSC的空间分布明显相反（图11c、d），2006年莱州湾SSC较高，渤海湾SSC较低；2017年渤海湾SSC高而莱州湾SSC低。这说明这两个年份中风速变化导致的再悬浮变化对SSC的贡献较小。尽管2006年输沙量（1.64×108 t）明显大于2017年输沙量（0.08×108 t），根据前人研究结果，黄河输沙量影响范围仅限于河口地区[26]，因此黄河输沙量可能不是主要影响因素。但是从两个年份的风向对比（图11e）来看，2017年风向明显向东偏转，加强了悬浮体向渤海中部的平流输运，加之此时风速较强，再悬浮泥沙浓度较大，因此有利于莱州湾悬浮体向渤海湾中部的输运，导致2017年莱州湾SSC较低而渤海湾SSC较高。
![]()
图 11 2006、2017年渤海风速距平、表层SSC及风向对比图Figure 11. The anomaly of annual averaged wind speed , distribution of SSC and the comparison of wind direction in 2006 and 2017 of the Bohai Sea3.3 风影响渤海SSC的机制分析
大风作用可使海水紊动强度增大，一方面可以增强垂直混合，另一方面使表层沉积物发生再悬浮[2]，从而使得海水表层SSC增大[20]。同时，大风对SSC的影响又受到水深和表层沉积物类型的限制，相同风力条件下，在水深较浅及表层沉积物粒径较小的海区，SSC对风的响应更为明显，例如渤海湾和莱州湾的SSC受风速影响程度远大于中央海盆。同时，大风引起的海流可引起悬浮体的水平输运，也会影响SSC的空间格局[2,20]。
4. 结论
（1）渤海表层SSC的EOF分析结果显示：前三个模态累积方差贡献率为73.4%，其中第一模态对总体方差贡献率为53.15%，以全海域同步变化为主，其受控于冬季风速的长期变化；第二模态对总体方差贡献率为14.14%，显示的是渤海湾和莱州湾SSC反相位的变化特征，与风向控制下的平流输沙作用有关；第三模态对总体方差贡献率为6.11%，显示的是黄河三角洲附近以10 m等深线为界，浅水区和深水区SSC呈现反相位变化的分布特征，可能与黄河口切变锋对河口区SSC向外海输运的限制作用有关。
（2）冬季风速的变化影响了渤海表层SSC的多年变化趋势，二者呈现明显的正相关关系：以2009年为明显转折点，2009年以前冬季风速呈上升趋势，SSC增大；2009年以后冬季风速呈下降趋势，SSC减小。2009年前后4年平均的渤海SSC相对变化量最大可达−70.94%。
（3）风向的偏转影响了渤海湾和莱州湾悬浮体的水平输运，表现为2006年与2017年两个海湾SSC距平值呈现反相位变化。
致谢：感谢审稿专家对本文提出的宝贵修改意见。
-
![]()
![]()
图 4 LSC05、WLE08柱样BSi含量、TOC含量、C/N比值与其他气候、环境变化序列对比
粉红色条带代表BSi含量高值带，粉蓝色条带代表BSi含量低值带。
Figure 4. Comparison among biogenic silica content, TOC content, C/N in LSC05, and WLE08 with other climate and environmental variation sequences
Redish bands represent the high value band of BSi content and the bluish bands represent the low value band of BSi content.
柱样名称 样品深度/cm BETA实验室编号 测年材料 AMS14C测量年代/（aBP±1σ） 日历年龄/cal. aBP LSC05 8 Beta-509448 贝壳 3090±30 2857 18 Beta-509449 贝壳 3210±30 3024 100～102 Beta-509450 植物碎屑 6880±30 7726 152～154 Beta-509451 植物碎屑 8480±30 9499 WLE08 12～14 Beta-509452 贝壳 350±30 − 96～98 Beta-509453 贝壳 1550±30 1109 184～186 Beta-509454 贝壳 1S820±30 1373 
下载: 导出CSV
表 2 南海部分海域BSi含量对比
Table 2 Comparison of BSi content in the South China Sea
研究海域 沉积物性质 水深/m BSi含量占比/% 参考文献 范围 平均值 南海西部泰国湾（本文） LSC05柱样 15～20 0.41～1.56 0.88 — WLE08柱样 10 0.60～1.52 1.11 南海北部陆坡 ODP1144钻孔 2 037 — 1.50（ 1050 ～900 ka）[42-43] 3.80（900 ka后） 南海北部 表层沉积物 ＜200 — 1.59 [19] ＞200 — 2.06 南海中部 ODP1143钻孔 2 722 1.31～3.38 - [22, 43] 南海南部 表层沉积物 ＜200 0.37～1.86 — [32] ＞1 000 3.39～9.00 — 东印度洋爪哇岛以南 CJ01-185柱样 1 538 — 1.41 [3]
下载: 导出CSV
-
[1] 刘素美, 张经. 沉积物中生物硅分析方法评述[J]. 海洋科学, 2002, 26(2):23-26 doi: 10.3969/j.issn.1000-3096.2002.02.009 LIU Sumei, ZHANG Jing. A Study on the measurement of biogenic silica[J]. Marine Sciences, 2002, 26(2):23-26.] doi: 10.3969/j.issn.1000-3096.2002.02.009
[2] 赵颖翡, 刘素美, 叶曦雯, 等. 黄、东海柱状沉积物中生物硅含量的分析[J]. 中国海洋大学学报, 2005, 35(3): 423-428 ZHAO Yingfei, LIU Sumei, YE Xiwen, et al. The Analysis of Biogenic Silica in the Sediments of the East China Sea and the Yellow Sea[J]. Periodical of Ocean University of China, 2002, 26(2): 23-26.]
[3] Xu Y H, Wang L, Lai Z K, et al. The biogenic silica variation and paleoproductivity evolution in the eastern Indian Ocean during the past 20000 a[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2019, 38(1):78-84. doi: 10.1007/s13131-019-1372-z
[4] 刘升发, 石学法, 刘焱光, 等. 近2 ka以来东海内陆架泥质区高分辨率的生物硅记录及其古生产力意义[J]. 沉积学报, 2011, 29(2):321-327 LIU Shengfa, SHI Xuefa, LIU Yanguang, et al. High-Resolution Record of Biogenic Silica and Its Paleoproductivity Implication in Mud Area, East China Sea Inner Shelf over the Last 2000 Years BP[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2011, 29(2):321-327.]
[5] Armbrust E V. The life of diatoms in the world's ocean[J]. Nature, 2009, 459:185-192. doi: 10.1038/nature08057
[6] Tréguer P, Bowler C, Moriceau B, et al. Influence of diatom diversity on the ocean biological carbon pump[J]. Nature Geoscience, 2018, 11:27-37. doi: 10.1038/s41561-017-0028-x
[7] Danelian T. Radiolarians in the Sedimentary Record[J]. Revue De Micropaléontologie, 2001, 47(1):53.
[8] 陈敏, 戚洪帅, 沈林南, 等. 海洋风暴沉积的微体生物研究进展[J]. 应用海洋学学报, 2022, 41(3):516-523 doi: 10.3969/J.ISSN.2095-4972.2022.03.016 CHEN Min, QI Hongshuai, SHEN Linnan, et al. Research progress of microorganisms from marine storm deposits[J]. Journal of Applied Oceanography, 2022, 41(3):516-523.] doi: 10.3969/J.ISSN.2095-4972.2022.03.016
[9] Sha L B, Li D L, Liu Y G, et al. Biogenic silica concentration as a marine primary productivity proxy in the Holsteinsborg Dyb, West Greenland, during the last millennium[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2020, 39(9):78-85. doi: 10.1007/s13131-020-1648-3
[10] 王汝建, 翦知湣, 肖文申, 等. 南海第四纪的生源蛋白石记录: 与东亚季风、全球冰量和轨道驱动的联系[J]. 中国科学(D辑:地球科学), 2007, 37(4):521-533 WANG Rujian, JIAN Zhimin, XIAO Wenshen, et al. Quaternary biogenic opal records in the South China Sea: Implications for the East Asian monsoon, global ice volume, and orbital forcing[J]. Science China(Series D:Earth Sciences), 2007, 37(4):521-533.]
[11] Ragueneau O, Tréguer P, Leynaert A, et al. A review of the Si cycle in the modern ocean: recent progress and missing gaps in the application of biogenic opal as a paleoproductivity proxy[J]. Global Planetary Change, 2000, 26:317-365. doi: 10.1016/S0921-8181(00)00052-7
[12] 贾国东, 翦知湣, 彭平安, 等. 南海南部17962柱状样生物硅沉积记录及其古海洋意义[J]. 地球化学, 2000, 29(3):293-296 doi: 10.3321/j.issn:0379-1726.2000.03.014 JIA Guodong, JIAN Zhimin, PENG Pingan, et al. Biogenic silica records in core 17962 from southern South China Seaand their relation to paleoceanographical events[J]. Geochimica, 2000, 29(3):293-296.] doi: 10.3321/j.issn:0379-1726.2000.03.014
[13] 邹杨浩, 冉莉华, Wiesner M G, 等. 140kaBP以来南海西南部上升流影响区沉积记录及其古海洋环境变化[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2019, 39(2):123-133 ZOU Yanghao, RAN Lihua, Wiesner M G, et al. Sediment records and their paleoceanographic implications in the upwelling area of the southwestern South China Sea during the last 140.000 years[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2019, 39(2):123-133.]
[14] 汪品先. 追踪边缘海的生命史: "南海深部计划"的科学目标[J]. 科学通报, 2012, 57(20):1807-1826 doi: 10.1360/csb2012-57-20-1807 WANG Pinxian. Tracing the life history of a marginal Sea-On the“South China Sea Deep” Research Program[J]. Chinese Science Bulletin, 2012, 57(20):1807-1826.] doi: 10.1360/csb2012-57-20-1807
[15] 汪品先, 赵泉鸿. 十五万年来的南海: 南海晚第四纪古海洋学研究阶段报告[M]. 上海: 同济大学出版社, 1995: 1-4 WANG Pinxian, ZHAO Quanhong. The South China Sea in the past 150, 000 years: A report on the Late Quaternary paleo-oceanographic study of the South China Sea[M]. Shanghai: Tongji University Press, 1995: 1-4.]
[16] Shi X F, Liu SF, Fang X H, et al. Distribution of clay minerals in surface sediments of the western Gulf of Thailand: Sources and transport patterns[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2015, 105(4-5):390-398.
[17] 王承涛, 陈敏, 戚洪帅, 等. 中晚全新世泰国湾Chanthaburi海岸Welu河口区沉积物的敏感粒级组分及其对季风气候变化的指示意义[J]. 地球与环境, 2021, 49(5):480-491 WANG Chengtao, CHEN Min, QI Hongshuai, et al. Sediment Sensitive Grain-size Fractions and Its Implication for Monsoon Variability during the Mid-late Holocene in the Welu Estuary of Chanthaburi Coast, Gulf of Thailand[J]. Earth and environment, 2021, 49(5):480-491.]
[18] Duc D M, Mai T N, Chu V N, et al. Sediment distribution and transport at the nearshore zone of the Red River delta, Northern Vietnam[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2007, 29(4):558-565. doi: 10.1016/j.jseaes.2006.03.007
[19] Ma Y W, Yang B, Zhou N, et al. Distribution and dissolution kinetics of biogenic silica in sediments of the northern South China Sea[J]. Frontiers in Marine Science, 2023, 10:1-15.
[20] 王汝建, 林隽, 郑连福, 等. 1993—1995年南海中部的硅质生物通量及其季节性变化: 季风气候和El Nino的响应[J]. 科学通报, 2000, 45(9):974-978 doi: 10.1360/csb2000-45-9-974 WANG Jianru, LIN Jun, ZHENG Lianfu, et al. Siliceous biofluxes and their seasonal variations in the Central South China Sea from 1993 to 1995: monsoon climate and El Nino responses[J]. Chinese Science Bulletin, 2000, 45(9):974-978.] doi: 10.1360/csb2000-45-9-974
[21] 王汝建, 房殿勇, 邵磊, 等. 南海北部陆坡渐新世的蛋白石沉积[J]. 中国科学(D辑:地球科学), 2001, 31(10):867-872 WANG Jianru, FANG Dianyong, SHAO Lei, et al. Oligocene opal deposits on the northern continental slope of the South China Sea[J]. Science China (Series D:Earth Sciences), 2001, 31(10):867-872.]
[22] 王汝建, 李建. 南海ODP1143站第四纪高分辨率的蛋白石记录及其古生产力意义[J]. 科学通报, 2003, 48(1):74-77 doi: 10.3321/j.issn:0023-074X.2003.01.019 WANG Jianru, LI Jian. The Quaternary high-resolution opal record at ODP1143 in the South China Sea and its paleoproductivity significance[J]. Chinese Science Bulletin, 2003, 48(1):74-77.] doi: 10.3321/j.issn:0023-074X.2003.01.019
[23] Mortlock R A, Froelich P N. A simple method for the rapid determination of biogenic opal in pelagic marine sediments[J]. Deep Sea Research Part A Oceanographic Research Papers, 1989, 36(9):1415-1426. doi: 10.1016/0198-0149(89)90092-7
[24] Lyle M, Murray D W, Finney B P, et al. The record of Late Pleistocene biogenic sedimentation in the eastern tropical Pacific Ocean[J]. Paleoceanography, 1988, 3(1):39-59. doi: 10.1029/PA003i001p00039
[25] Demaster D J. The supply and accumulation of silica in the marine environment[J]. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 1981, 45(10):1715-1732. doi: 10.1016/0016-7037(81)90006-5
[26] Liu Z, Zhao Y, Colin C, et al. Source-to-sink transport processes of fluvial sediments in the South China Sea[J]. Earth-Science Reviews, 2016, 153:238-273. doi: 10.1016/j.earscirev.2015.08.005
[27] 王承涛. 泰国湾尖竹汶海岸沉积物组成和分布特征及其环境意义[D]. 自然资源部第三海洋研究所 WANG Chengtao. Grain-Size composition and distribution characteristics of sediments in the Chanthaburi coast, Gulf of Thailand and its environmental significance[D]. Third Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources.]
[28] 陈敏, 王承涛. 泰国尖竹汶海岸古环境演变历史研究(内部资料未发表)[M]. 自然资源部第三海洋研究所. 2019 CHEN Min, WANG Chengtao. A study on the evolution history of the Ancient environment the Chanthaburi coast, Gulf of Thailand[M]. Third Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources.]
[29] 黄永建, 王成善, 汪云亮. 古海洋生产力指标研究进展[J]. 地学前缘, 2005, 12(2): 163-170 HUANG Yongjian, WANG Chengshan, WANG Yunfiang. Progress in the study of proxies of paleocean productivity[J]. Earth Science Frontiers, 2005, 12(2): 163-170.]
[30] 李丽, 王慧, 罗布次仁, 等. 南海北部4万年以来有机碳和碳酸盐含量变化及古海洋学意义[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2008, 28(6): 79-85 LI Li, WANG Hui, LUO Burenci, et al. The characterizations and paleoceanographic significances of organic and inorganic carbon in northern South China Sea during past 40 ka[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2008, 28(6): 79-85.]
[31] Wu B, Wu X D, Shi X F, et al. Influences of tropical monsoon climatology on the delivery and dispersal of organic carbon over the Upper Gulf of Thailand[J]. Marine Geology, 2020, 426:10629.
[32] 张兰兰, 陈木宏, 向荣, 等. 南海南部表层沉积物中生物硅的分布及其环境意义[J]. 热带海洋学报, 2007, 26(3):24-29 doi: 10.3969/j.issn.1009-5470.2007.03.004 ZHANG Lanlan, CHEN Muhong, XIANG Rong, et al. Distribution of biogenic silica in surface sediments from southern South China Sea and its environmental significance[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2007, 26(3):24-29.] doi: 10.3969/j.issn.1009-5470.2007.03.004
[33] 王琦, 朱而勤. 海洋沉积学[M]. 北京: 科学出版社, 1989: 1-253 WANG Qi, ZHU Erqin. Marine Sedimentology[M]. Beijing: Science Press, 1989: 1-253.]
[34] 刘升发, 刘焱光, 于永贵, 等. 东海内陆架泥质区沉积物生物硅分布及其影响因素[J]. 海洋科学进展, 2014, 32(1):50-58 LIU Shengfa, LIU Yanguang, YU Yonggui, et al. Distribution of Sedimentary Biogenic Silica in the Muddy Area of Inner Continental Shelf of the East China Sea and Its Influence Factors[J]. Advances in Marine Sciences, 2014, 32(1):50-58.]
[35] Huang C Y, Wu S F, Zhao M X, et al. Surface ocean and monsoon climate variability in the South China Sea since the last glaciation[J]. Marine Micropaleontology, 1997, 32:71-94. doi: 10.1016/S0377-8398(97)00014-5
[36] Wang L, Sarnthein M, Erlenkeuser H, et al. East Asian monsoon climate during the Late Pleistocene: high-resolution sediment records from the South China Sea[J]. Marine Geology, 1999, 156:245-284. doi: 10.1016/S0025-3227(98)00182-0
[37] Akhir M F, Daud N R. Why South China Sea upwelling water does not enter the Gulf of Thailand?[J]. Geophysical Research Abstracts, 2018, 20.
[38] Liu K, Chao S, Shaw P, et al. Monsoon-forced chlorophyll distribution and primary production in the South China Sea: observations and a numerical study[J]. Deep Sea Research Part I Oceanographic Research Papers, 2002, 49(8):1387-1412. doi: 10.1016/S0967-0637(02)00035-3
[39] 向菲, 王汝建, 李建如, 等. 越南岸外上升流区48万年来高分辨率的生源组分记录及其古海洋学意义[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2006, 26(6): 81-89 XIANG Fei, WANG Rujian, LI Jianru, et al. High-resolution records of biogenic componentsand their Paleoceanographic implications in the upper up-welling area of the South China Sea off eastern Viet-nam over past 480 ka[J]. Marine Geology &. Quaternary Geology, 2006, 26(6): 81-89. 」.
[40] 高学鲁, 陈绍勇, 马福俊, 等. 南沙群岛西部海域两柱状沉积物中碳和氮的分布和来源特征及埋藏通量估算[J]. 热带海洋学报, 2008, 27(3):38-44 doi: 10.3969/j.issn.1009-5470.2008.03.007 Gao Xuelu, Chen Shaoyong, Ma Fujun, Dang Aicui, Long Aimin. Distribution and source characteristics of carbon and nitrogen and their burial fluxes in two core sediments from western Nansha Islands sea area[J]. Journal Of Tropical Oceanography, 2008, 27(3):38-44.] doi: 10.3969/j.issn.1009-5470.2008.03.007
[41] 刘瑞娟, 于培松, 扈传昱, 等. 南极普里兹湾沉积物中有机碳和总氮的含量与分布[J]. 海洋学报, 2014, 36(4):118-125 Han Zhengbing, Pan Jianming, Liu Ruijuan, Yu Peisong, Hu Chuanyu. Contents and distributions of organic carbon and total nitrogen in sediments of Prydz Bay, Antarctic[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2014, 36(4):118-125.]
[42] 李建, 王汝建. 南海北部一百万年以来的表层古生产力变化: 来自ODP1144站的蛋白石记录[J]. 地质学报, 2004, 78(2):228-233 LI Jian, WANG Rujian. Paleoproductivity Variability of the Northern South China Sea duringthe Past 1 Ma: The Opal Record from ODP 1144[J]. Acta Geologica Sinica, 2004, 78(2):228-233.]
[43] 周鹏, 李冬梅, 李海涛, 等. 大亚湾西部海域沉积物中生物硅的含量及其分布特征[J]. 应用海洋学学报, 2019, 38(1):109-117 ZHOU Peng, LI Dongmei, LI Haitao, et al. Biogenic silica contents and its distribution in the sediments of the west Daya Bay[J]. Journal of Applied Oceanography, 2019, 38(1):109-117.]
[44] 陈禹飞, 乔淑卿, 石学法, 等. 末次冰消期以来泰国湾沉积物物源变迁的元素地球化学证据[J]. 第四纪研究, 2020, 40(3):726-738 doi: 10.11928/j.issn.1001-7410.2020.03.11 CHEN Yufei, QIAO Shuqing, SHI Xuefa, et al. Geochemical evidence for the sediment provenance evolution in the Gulf of Thailand since the last deglacial[J]. Quaternary Sciences, 2020, 40(3):726-738.] doi: 10.11928/j.issn.1001-7410.2020.03.11
[45] 侯立军, 刘敏, 闫惠敏, 等. 长江口潮滩沉积物生物硅的分布及其影响因素[J]. 中国环境科学, 2007, 27(5):665-669 doi: 10.3321/j.issn:1000-6923.2007.05.020 HOU Lijun, LIU Min, YAN Huimin, et al. Distribution of biogenic silica in tidal flat sediments of Yangtze Estuary and its influence factors[J]. China Environmental Science, 2007, 27(5):665-669.] doi: 10.3321/j.issn:1000-6923.2007.05.020
[46] 梁宇钊, 冉莉华, 张兰兰. 中国海表层沉积生物硅含量与硅藻丰度空间分布规律[J]. 微体古生物学报, 2021, 38(1):112-130 LIANG Yuzhao, RAN Lihua, ZHANG Lanlan, et al. The spatial distribution of biogenic silica content and diatomabundance in the surface sediments of the china seas[J]. Acta Micropalaeontologica Sinica, 2021, 38(1):112-130.]
[47] 张杨硕. 泰国湾 T93 孔沉积特征: 晚更新世以来古温度及东亚冬季风演化记录[D]. 国家海洋局第一海洋研究所 ZHANG Yangshuo. Sediment Characteristics and Change of East Asian Winter Monsoon of Core T93 from Gulf of Thailand[D]. First Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources.]
[48] Rujinard S, Pornsilp P, Thaithaworn L, et al. Population dynamics of green Noctiluca scintillans (Dinophyceae) associated with the monsoon cycle in the upper Gulf of Thailand[J]. Journal of Phycology, 2008(3):44.
[49] Dan Ling Tang, Hiroshi Kawamura, Ping Shi, et al. Seasonal phytoplankton blooms associated with monsoonal influences and coastal environments in the sea areas either side of the Indochina Peninsula[J]. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2006.
[50] Buranapratheprat A, Yanagi T, Matsumura S. Seasonal variation in water column conditions in the upper Gulf of Thailand[J]. Continental Shelf Research, 2008, 28(17):2509-2522. doi: 10.1016/j.csr.2008.07.006
[51] Beget J E. Radiocarbon-dated evidence of worldwide early Holocene climate change[J]. Geology, 1983, 11(7):389-393. doi: 10.1130/0091-7613(1983)11<389:REOWEH>2.0.CO;2
[52] Linsley B K, Rosenthal Y, Oppo D W. Holocene evolution of the Indonesian throughflow and the western Pacific warm pool[J]. Nature Geoscience, 2010, 3:578-583. doi: 10.1038/ngeo920
[53] Grootes P M, Stuiver M. Oxygen 18/16 variability in Greenland snow and ice with 10-3 to 10-5 year time resolution[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 1997.
[54] Yongjin W, Hai C , Edwards R L, et al. The Holocene Asian monsoon: links to solar changes and North Atlantic climate[J]. Science, 2005, 308(5723): 854-857.
[55] Fleitmann D, Burns S J, Mudelsee M, et al. Holocene Forcing of the Indian Monsoon Recorded in a Stalagmite from Southern Oman[J]. Science, 2003, 300(5626):1737-1739. doi: 10.1126/science.1083130
[56] 袁帅, 张辉, 曹鹏, 等. 全新世以来泰国湾古气候演化历史-来自地球化学和矿物学证据[J]. 海洋科学进展, 2022, 40(2):233-246 YUAN Shuai, ZHANG Hui, CAO Peng, et al. Holocene paleoclimate evolution in the Gulf of Thailand: evidence from geochemistry and mineralogy[J]. Advances in Marine Science, 2022, 40(2):233-246.]
[57] 翦知湣, 汪品先, 李保华, 等. 西太平洋晚全新世变冷事件[J]. 中国科学:D辑, 1996, 26(5):461-466 JIAN Zhimin, WANG Pinxian, LI Baohua, et al. Late Holocene cooling event in the western Pacific[J]. Science China(Series D:Earth Sciences), 1996, 26(5):461-466.]
计量
- 文章访问数: 20
- HTML全文浏览量: 0
- PDF下载量: 12
