南极拜尔斯半岛企鹅粪土沉积物的元素地球化学特征及生态环境意义

摘要

南极半岛地区是全球变化背景下温度升高最快的地区之一，气候变化会对整个南极地区的生态系统产生影响。企鹅处在南极生态系统食物链的顶端，气候条件的改变对其种群数量变化会产生显著的影响。目前关于南极地区企鹅数量变化和气候变化资料的观测时间尺度都比较短，再加上人类活动也会对企鹅生态产生影响，这就难以揭示企鹅的生态演变与全球变化之间的关联，为此我们需要知道人类未涉足南极之前的企鹅种群数量变化规律。
　　 生物粪土层具有海洋沉积、湖泊沉积以及生物沉积的三重属性，是开展南极无冰区生态地质学研究的良好载体。笔者所在的极地环境研究室研究人员利用生物粪土沉积层对阿德雷岛和东南极戴维斯站区的企鹅、海豹等海鸟海兽的古生态演化过程进行了成功研究。为了比较环南极无冰区企鹅古生态变化过程，更好地揭示环南极企鹅生态对全球气候变化的响应，有必要对其它新的地区开展相关研究。本文对西南极拜尔斯半岛的含粪沉积剖面P1、H和P4开展了元素和同位素地球化学分析，并结合AMS14C和210Pb-137Cs定年结果，识别出该地区企鹅粪土沉积层中的生物标型元素组合，并重建了中全新世以来南极拜尔斯半岛的企鹅种群数量变化的历史记录。在此基础上，通过与气候变化资料的对比，从历史角度深入探讨了企鹅种群数量变化对气候变化的响应关系。文章涉及的主要内容和获得主要结论如下:
　　 1.识别出拜尔斯半岛企鹅粪土层标型元素组合特征
　　 通过对沉积物中总有机碳(TOC)、C/N、δ13Corg和δ15N的分析，发现P1、H和P4沉积剖面中有机质主要来源于企鹅粪。对沉积剖面中20余种无机元素含量进行了分析，并利用富集系数、相关性分析、主成分分析等统计分析方法，识别出P1沉积柱中P、F、Cu, Hg, As、S六种元素具有共同的来源，与企鹅粪的输入密切相关，并且这些元素与TOC和δ15N显著正相关，说明P1沉积柱中这些元素含量在深度剖面上的变化主要受控于企鹅粪的输入。利用同样的地球化学分析方法和数理统计分析手段，得到H、P4含粪沉积物的标型元素组合为P、F、Cu、Hg, As、S、Se、Sr、Ca和Zn。与H、P4沉积剖面相比，P1沉积剖面受企鹅粪影响的程度相对较弱，因而导致了上述标型元素组合存在一定的差异。通过与长城站区阿德雷岛(Ardley Island)、东南极戴维斯站加德纳岛(GardnerIsland)企鹅粪土沉积物的标型元素特征比较，发现上述三个地区的标型元素具有一定的共性，其中P和F应为南极地区企鹅粪土沉积物中优选标型元素。
　　 2.建立了研究剖面的年代学
　　 对H和P4沉积剖面采用210Pb-137Cs定年法确定其年龄，P1沉积剖面则通过AMS14C和210Pb-137Cs定年法相结合建立其年代学。由于H剖面鸟粪含量相对较高，且可能受到现代企鹅活动的扰动，210Pb和226Ra未能达到平衡，故无法确定其年龄;利用CRS模式计算的P4沉积剖面底部年龄为1857AD;P1沉积剖面的年龄最长，超过了5000年，说明在距今5000年前拜耳斯岛就已经发生了冰盖后退，但大量企鹅在岛上活动的时间却开始于1500 aBP以后，相对于冰退时间滞后了将近3000多年。
　　 3.恢复了拜尔斯半岛企鹅种群数量变化的历史记录，并与气候变化资料进行了对比分析
　　 根据各个剖面生物标型元素组合特征，采用Q型因子分析法提取了沉积剖面中企鹅粪含量的相对变化，并结合年代学数据重建了拜尔斯半岛中全新世以来的企鹅数量变化记录。结果表明，企鹅于1500 aBP以后开始在拜尔斯半岛活动，在1500-800 aBP期间该地区的企鹅种群数量达到峰值，并在随后几百年因气候变得恶劣(对应小冰期)而逐渐减少。近现代以来，从1860-1980AD拜尔斯半岛的企鹅数量又有缓慢上升的趋势，但在1980AD以后岛上的企鹅数量急剧下降，我们推测这可能与气候变暖以及磷虾数量的减少有直接关联。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 南极地区气候变化研究进展

1．2 企鹅种群数量变化研究

1．3 企鹅数量对气候变化的响应

参考文献

第二章 研究区域概况及样品的采集与分析

2．1 利文斯顿岛环境概况

2．2 拜尔斯半岛环境概况

2．3 样品的采集

2．4 样品分析测试方法

参考文献

第三章 拜尔斯半岛企鹅粪土沉积层标型元素组合识别

3．1 P1沉积剖面的物质来源

3．2 P1沉积剖面企鹅粪土沉积物标型元素组合识别

3．3 H沉积剖面企鹅粪土标型元素组合的识别

3．4 P4沉积剖面企鹅粪土标型元素组合的识别

3．5 不同地区企鹅粪土沉积物生物标型元素组合的比较

参考文献

第四章 拜尔斯半岛沉积剖面的年代序列

4．1 定年原理

4．1．1 14C定年原理

4．1．2 210Pb和137Cs定年原理

4．2 拜尔斯半岛P1、H和P4沉积剖面的210Pb-137Cs定年结果

4．3 拜尔斯半岛P1沉积剖面年代学的建立

参考文献

第五章 拜尔斯半岛企鹅种群数量变化历史记录恢复

5．1 中晚全新世以来拜尔斯半岛的企鹅数量变化

5．2 近150年以来拜尔斯半岛的企鹅数量变化

参考文献

结论

致谢

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