2020年8月，国际知名地学杂志《Quaternary Science Reviews》在线发表了万随博士等题为《Deep water [CO32-] and circulation in the South China Sea over the last glacial cycle》研究成果。
深海是调控晚第四纪大气CO2浓度冰期—间冰期旋回变化（~90 ppmv幅度）的关键角色，然而具体的调控机制仍不清楚，这一直是学界非常关注的焦点课题之一。海水碳酸根离子浓度（[CO32-]）和碳同位素（δ13C）记录，可以提供深海洋流和碳循环的重要信息，有助于理解深海调节大气CO2浓度变化的机制。本项研究即利用南海末次冰期旋回深水[CO32-]与δ13C的记录，对比太平洋的深水古海洋学信息，结合地球系统模型（MPI-ESM）模拟的结果，揭示了太平洋深部洋流和碱度的改变，会导致太平洋深海碳储库的变化，从而很大程度上调节着大气CO2浓度的冰期—间冰期变化，为理解深海调控CO2浓度变化的机制提供重要的证据。
图1. 太平洋径向翻转流及研究站位图
该研究首先利用南海MD05-2896与MD05-2904站位（图1）中底栖有孔虫材料采用Cibicidoides wuellerstorfi壳体B/Ca比值的方法，定量重建了末次冰期旋回南海深层水团[CO32-]记录（图2）。区域记录的对比显示南海深层水[CO32-]与太平洋深层水团[CO32-]、“太平洋型”CaCO3曲线具有大体一致的变化趋势，表明晚第四纪南海深水碳酸盐化学记录可以反映太平洋深层水团相应的变化。通过综合分析南海与太平洋[CO32-]、δ13C、CaCO3记录，揭示出MIS 5a-4过渡期太平洋海水碱度增加、深海碳储库增大；而末次冰消期太平洋海水碱度降低、深海碳储库减小；为此推测海水碱度的改变会影响深海碳储库变化，是影响大气CO2浓度冰期—间冰期的波动的重要因素。
图2. 末次冰期旋回[CO32-]、CaCO3、δ13C记录与大气CO2浓度对比。
进一步分析南海与太平洋[CO32-]及δ13C记录的梯度，揭示出太平洋深层洋流在冰期（MIS 2, 4, 6）相对间冰期（MIS 1, 5e）减弱（图3）；该推论得到西太平洋（91个站位）δ13C径向分布特征的佐证以及古气候模拟结果的支持（图4）。以此为基础还阐述了冰期太平洋深部洋流的减弱、分层性的增强，会促进深海吸纳更多的大气CO2，是冰期大气CO2浓度降低的重要原因。总而言之，该项研究以南海的深水古海洋记录为基础，从更宽阔的视角探讨和揭示了太平洋深部洋流和碳储库的变化对大气CO2浓度冰期—间冰期波动的影响。
图3. [CO32-]与δ13C梯度指示的太平洋深层洋流变化。
图4. LGM时期太平洋深层洋流变化的模拟结果。A)与B)：工业革命前太平洋深部水团的密度和流量分布；C)与D)：LGM时期相对于工业革命前的太平洋深部水团的密度和流量变化。
论文第一作者为学院博士毕业生万随（现为中科院南海海洋研究所助理研究员）、我室翦知湣教授为通讯作者，合作者还有德国亥姆霍兹极地与海洋研究中心宫勋博士和我室党皓文、吴家望与乔培军等多位教师。该研究得到科技部重点研发计划项目（2018YFE0202401）和国家自然科学基金（41606058, 41630965, 91958208、41606049）等项目的共同资助。
全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0277379120304613