大气CO2浓度在冰期-间冰期旋回的周期性变化是晚第四纪最显著的环境特征之一，冰期较低的大气CO2浓度被认为与深海碳储库的增加有关，是研究海洋吸收和储存CO2的天然对照组。
南大洋是海洋和大气进行碳交换的主要区域，其物理环流和生物地球化学过程可能控制了冰期-间冰期深海碳储库的变化。风力驱动的上涌过程将富含碳和营养物质（硅和氮等）的深层水带到南大洋表层，其中一部分碳被表层生物固定从而再次进入深海，另一部分碳则通过海气交换进入大气。冰期南大洋上涌强度减弱和表层营养利用率提高，可能是导致深海碳储库增加的首要原因。除此之外，有学者提出南大洋上涌流带来的营养物质（特别是硅）可能会被传输到中、低纬区域，从而提高这些区域的生物生产力和进一步的碳固定，造成冰期大气CO2浓度的降低，这被称为“硅酸泄露假说”。
验证“硅酸泄露假说”的关键是重建冰期南大洋表层海水的硅酸浓度。前人利用蛋白石通量、生物成因Ba通量、Ba/Fe比值等指示南大洋生物生产力的变化，尚无能够直接重建表层海水硅酸浓度的指标。近年来，研究人员利用硅藻硅同位素（δ30Si）来反映硅酸利用率，从而间接指示表层海水硅酸浓度的变化。但硅藻硅同位素受样品保存、成岩作用以及硅藻种属等影响较大，同时硅酸利用率并不能和硅酸浓度直接挂钩，还受到上涌流强度等过程的影响。
中国科学院南京地质古生物研究所副研究员李涛与南京大学教授陈天宇等学者合作，利用南大洋ODP1094钻孔样品，通过测定硅藻壳体Al/Si比值和沉积物232Th通量，限定了6万年以来南大洋南极区的表层海水硅酸浓度。研究发现末次冰期南大洋南极区表层海水硅酸浓度明显低于全新世，可能与末次冰期上涌流减弱和铁施肥增强的共同作用有关。相关研究成果近期发表在国际知名专业学术刊物《第四纪科学评论》（Quaternary Science Reviews）。
研究团队首先利用EDS-SEM、NMR和ICP-MS等测量手段，排除了成岩作用、孔隙水交代以及硅藻种属变化等因素的干扰，确认了硅壳的Al直接来自于硅藻在表层海水生物合成阶段吸收的Al，为利用ODP1094钻孔的硅壳Al/Si比值重建南极区表层海水Al/Si比值提供了理论基础。已有研究表明开阔大洋粉尘通量与表层海水溶解Al浓度具有较好的正相关关系，研究团队据此利用230Th校正后的232Th通量来反演南极区粉尘通量的变化，进而限定南极区表层海水溶解Al浓度的变化。最后将南大洋南极区表层海水Al/Si比值记录和溶解Al浓度记录相结合，获得了6万年以来南大洋南极区表层海水硅酸浓度记录。
重建结果表明末次冰期南大洋南极区表层硅酸浓度显著低于全新世。结合硅藻壳体硅同位素重建结果（指示了硅酸利用率），本研究认为末次冰期南大洋南极区较低的硅酸浓度和较低硅酸利用率是上涌流减弱和铁肥增强共同作用的结果。因此，本研究结果不支持“硅酸泄露假说”，推进了我们对南大洋物理环流和生物地球化学过程的认识。
论文的第一作者为南京大学杨昕瑜博士研究生。
本研究得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金以及古生物学与地层学国家重点实验室的支持。
论文相关信息： Xinyu Yang, Tao Li*, Tianyu Chen*, Jianfan Zheng, Wei Li, 2024. Incorporation of Al into diatom frustule as a proxy of seawater Al/Si ratios in the Antarctic Zone of the Southern ocean: Implications for surface silicic acid concentrations during the last glacial period. Quaternary Science Reviews 334. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2024.108724.
南大洋OPD1094钻孔位置图
ODP1094钻孔硅藻核磁共振27Al化学位移图
南大洋南极区重建的表层硅酸浓度相对变化与其他古海洋记录对比图
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