南海西沙群島生態(tài)環(huán)境演化過程的碳氮同位素地球化學(xué)研究.pdf

1、全球變化對地球上各個地區(qū)不同的生態(tài)系統(tǒng)都產(chǎn)生了一定影響。地處低緯度熱帶地區(qū)的珊瑚島對氣候變化和人類活動響應(yīng)靈敏，從歷史角度對珊瑚島生態(tài)環(huán)境演化過程的深入研究有助于我們更好地預(yù)測生態(tài)環(huán)境未來變化趨勢，從而可以更好地保護脆弱的島嶼生態(tài)系統(tǒng)、維護島嶼生態(tài)安全。西沙群島是位于我國南海的著名鳥島，其中的大多數(shù)島嶼屬于珊瑚島。前人的研究工作恢復(fù)出了西沙部分島嶼過去2000年海鳥數(shù)量變化的歷史記錄，識別出了以海鳥為核心的珊瑚島生態(tài)系統(tǒng)演化過程，但對海

2、鳥數(shù)量變化帶來的影響，包括捕食行為的變化，以及海鳥對島嶼生物地球化學(xué)循環(huán)的影響尚不清楚。關(guān)于這些問題，穩(wěn)定同位素方法在全球其他地區(qū)生態(tài)環(huán)境演化研究中已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用。本研究主要區(qū)域包括西沙群島永樂群島和宣德群島七連嶼等地，在野外科學(xué)考察中采集到珊瑚砂糞土沉積物、土壤、植物等環(huán)境樣品，并從鳥糞土沉積剖面中獲得了鳥糞顆粒、鳥骨、魚骨、魚鱗、蛋殼等大量生物殘體，另外作為對比，采集了海鳥、飛魚、魷魚等現(xiàn)代生物樣品，室內(nèi)主要使用穩(wěn)定同位素地

3、球化學(xué)的原理和方法，對所采樣品進行碳氮同位素分析，并引入了單體氨基酸同位素、氨氮、硝氮同位素分析等新穎分析手段，輔以210Pb和14C定年以及基本理化性質(zhì)分析。在大量實驗分析基礎(chǔ)上，從碳氮元素生物地球化學(xué)循環(huán)的角度出發(fā)，解析西沙珊瑚島生態(tài)環(huán)境演化過程及其主要控制因素，主要的發(fā)現(xiàn)點闡述如下:
　　1.過去千年西沙海鳥食譜變化特征
　　在開展古生態(tài)研究時，尋找替代性材料是十分重要的。通過對現(xiàn)代飛魚魚肉和魚鱗的碳、氮同位素分析表明

4、，魚肉和魚鱗的同位素組成之間具有顯著的正相關(guān)性，因此魚鱗可以作為魚肉的替代性材料進行穩(wěn)定同位素分析。飛魚碳、氮同位素的主要影響因素是不同的，δ15N和魚的重量之間有很好的正相關(guān)關(guān)系，而δ13C的主要影響因素是飛魚生活區(qū)域環(huán)境特征，對于西沙周邊海域的飛魚來說主要是生活區(qū)域離島的遠近。根據(jù)魚肉和魚鱗同位素值之間的函數(shù)關(guān)系可以利用魚鱗同位素值推測魚肉同位素值。此外，對古今飛魚和海鳥不同組織的同位素分析表明，同位素值有很明顯的組織特異性，這歸因

5、于不同組織代謝速率不同、氨基酸組成差異等多種因素，因此使用同位素方法分析食譜和營養(yǎng)級時需要考慮到這一點。不同種魚的魚鱗形貌和結(jié)構(gòu)有著特異性，據(jù)此可以鑒定魚類種屬，為使用古代飛魚魚鱗樣品研究海鳥和飛魚古生態(tài)變化過程提供了基礎(chǔ)。采自南海海域的現(xiàn)代飛魚樣品的δ15N和δ13C之間沒有顯著相關(guān)性，與之不同的是，從七連嶼糞土沉積物中挑選出的古代飛魚魚鱗樣品，其碳氮同位素之間有著顯著負相關(guān)關(guān)系，這可能與飛魚的繁殖習(xí)性有關(guān):飛魚在近岸產(chǎn)卵，長大后向遠

6、海游去，生物體δ15N隨年齡和體重而升高，浮游生物δ13C隨離岸距離增大而降低，因此小飛魚具有更低的δ15N和更高的δ13C值，而大飛魚具有更高的δ15N和更低的δ13C值，因此七連嶼古代飛魚魚鱗δ15N和δ13C之間有著明顯的負相關(guān)關(guān)系。現(xiàn)代飛魚樣品采樣范圍更大，可能有著不同的繁殖地點，加上人類活動干擾，這種負相關(guān)性被打破。
　　前人研究表明，海鳥的食物組成和捕食行為與氣候環(huán)境等因素是有關(guān)系的。以廣金島為研究地點，氮同位素混合模

7、型的計算結(jié)果表明，歷史時期海鳥的食物組成與海鳥數(shù)量和氣候變化有關(guān)。小冰期海鳥數(shù)量相對較多，傾向于捕食更多的魷魚（占比為37±30％）;而在中世紀暖期，海鳥數(shù)量較少，其食物組成和現(xiàn)代一樣以飛魚為主、魷魚為輔，飛魚占比為88±2％。對南島歷史時期海鳥數(shù)量和捕食特征的研究也表明，小冰期海鳥數(shù)量總體上處于峰值，但存在著波動，海鳥可能遷徙到鄰近的島嶼造成南島海鳥突然減少，此時海鳥更多地捕食近岸小飛魚，魚鱗有著較低的δ15N和較高的δ13C值。而在

8、海鳥數(shù)量較多時整個七連嶼的海鳥必須更多地飛向遠海捕食具有更高δ15N和更低δ13C值的大飛魚，此時七連嶼周圍海域存在飛魚相對缺乏的“阿什摩爾環(huán)”(Ashmole、s Halo)。此外，氨基酸碳、氮同位素分析結(jié)果表明，單一氮同位素營養(yǎng)級分餾系數(shù)法可以用來計算飛魚的營養(yǎng)級，但不適用于熱帶海鳥。前人從企鵝喂食實驗得到的多變氮同位素營養(yǎng)級分餾系數(shù)法是計算西沙熱帶海鳥營養(yǎng)級的有效手段，計算結(jié)果與根據(jù)食譜法算出的熱帶海鳥營養(yǎng)級非常接近。氨基酸同位素

9、方法與海鳥組織全樣δ15N分析相比，不僅可以定性指示營養(yǎng)級相對高低，還可以定量計算出結(jié)果。
　　2.糞土沉積物碳同位素值變化與島嶼生態(tài)環(huán)境演化
　　不同來源的有機碳其δ13C值往往是不同的，據(jù)此可以分析有機質(zhì)來源。通過對廣金島和晉卿島糞土沉積物中挑選出的鳥糞顆粒和植物腐殖質(zhì)等樣品進行碳同位素分析，結(jié)果表明二者具有明顯不同的有機δ13C值，該值在埋藏以后相對穩(wěn)定。珊瑚砂糞土沉積物的主要組成成分是珊瑚砂、鳥糞顆粒和植物殘體，其中

10、珊瑚砂幾乎不含有機質(zhì)，因此沉積物有機質(zhì)來源只有鳥糞顆粒和植物殘體兩種。碳同位素端元分解方法可以定量解析出沉積物樣品中兩種有機質(zhì)來源各自所占的比例，據(jù)此可以重建島嶼的生態(tài)環(huán)境演化歷史。西沙典型島嶼最開始的住戶是在周邊海域取食的熱帶海鳥，海鳥在大約距今約800～600年開始大量登陸，海鳥糞的輸入為島嶼帶來豐富的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，最終于距今約200～100年繁育出大量的植被，然而最近100多年來西沙多數(shù)島嶼海鳥大量減少。這些結(jié)果與先前我們使用

11、標型元素地球化學(xué)方法、近紅外反射光譜方法得到的結(jié)果相一致，證明了碳同位素端元分解方法的有效性。此外，該方法也可用于近海海洋沉積物有機質(zhì)來源的分析，相關(guān)研究結(jié)果表明海南東部萬泉河口斷面上的海洋沉積物在近半個世紀以來陸源有機質(zhì)輸入減少，海洋源輸入相對增多，主要原因是人類活動增多導(dǎo)致萬泉河徑流量和輸沙量的減少。
　　3.珊瑚島生態(tài)系統(tǒng)演化過程中的土壤—植物氮循環(huán)
　　很多研究表明，海鳥的生物傳輸可以顯著改變島嶼生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)過程。

12、宣德群島七連嶼由一組發(fā)育程度不同的珊瑚島礁組成，包括光禿禿的西沙洲、北沙洲、中沙洲，茂密灌木覆蓋在島嶼中部的趙述島、北島、中島和南島，以及介于兩類島嶼之間的南沙洲。對土壤、植物（草海桐和紅草）、鳥糞等樣品進行碳氮含量和同位素分析，結(jié)果表明在海鳥大量登陸之前，貧瘠的珊瑚島上零星矮小的植物以及相應(yīng)的土壤處于氮限制的狀態(tài)，島嶼的主要氮源是大氣沉降。隨著鳥糞輸入的增多，大量植被開始繁育，除了珊瑚島邊緣少量的草本植物外，島上中部區(qū)域的灌木植物和土

13、壤的氮變得充足，主要氮源變?yōu)楹ｘB糞輸入。氨氮和硝氮同位素分析結(jié)果表明，由于硝氮含量比氨氮更高，當(dāng)島嶼氮源主要是大氣沉降時，植物更多地利用硝氮;由于使用氨氮消耗能量更少，當(dāng)?shù)粗饕区B糞輸入時，植物主要利用氨氮?？傊?，海鳥糞的輸入很大程度上改變了西沙珊瑚島土壤—植物的氮循環(huán)過程。
　　4.糞土沉積物碳氮流失與同位素特征
　　海鳥糞的輸入為島嶼帶來了大量的營養(yǎng)物質(zhì)，而最近100多年海鳥數(shù)量大量減少甚至滅絕，鳥糞輸入減少乃至終止，

14、有可能威脅到島嶼生態(tài)安全，因此很有必要評估鳥糞輸入后其中的營養(yǎng)物質(zhì)流失狀況。初步研究表明，沉積物中的鳥糞在被埋藏之后，其中的營養(yǎng)物質(zhì)可以被植物利用或者流失，從而參與到島嶼內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)中。碳、氮等元素的流失過程也會產(chǎn)生同位素分餾效應(yīng)，尤其對于氮元素，西沙多個沉積剖面中鳥糞顆粒的δ15N值自上而下呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，不同形態(tài)無機氮δ15N的變化較為復(fù)雜，總體看無機氮含量占比很低，總氮δ15N的變化歸咎于具富集15N的氮從鳥糞中優(yōu)先流出。