南沙群島現(xiàn)代濱珊瑚骨骼Sr/Ca、δ18O和δ13C對極端高溫事件響應

徐瀟峰，余克服，陳天然，陶士臣，嚴宏強，陳特固

（1. 中國科學院邊緣海與大洋地質重點實驗室，南海海洋研究所，廣州 510301；2. 中國科學院大學，北京 100049；3. 廣西大學珊瑚礁研究中心，廣西南海珊瑚礁研究重點實驗室，廣西大學海洋學院，南寧 530004；4. 南方海洋科學與工程實驗室，廣東 珠海 519080）

自工業(yè)革命以來，CO2大量排放引起的溫室效應已成為全球氣候變暖加劇的重要因素。隨著海洋表層海水溫度的不斷上升，以極端性高溫事件為標志的海洋熱浪成為珊瑚礁系統(tǒng)的最主要威脅（Couch et al., 2017; Smale et al., 2019; Dalton et al.,2020）。極端高溫效應導致大規(guī)模珊瑚白化事件頻繁發(fā)生，不僅加快了珊瑚礁退化進程，也給當?shù)厣鐣l(fā)展和人類健康造成嚴重危害（Hoegh-Guldberg,1999; Hughes et al., 2018; Bellwood et al., 2019;Zhao et al.,2019）。然而，2021 年IPCCAR6 第一工作組報告指出，即使碳排放保持當前水平不變，全球變暖的進程在2050年前無法逆轉（IPCC,2021），表明在未來很長一段時間內珊瑚礁的生存和發(fā)展仍會受到高溫事件的脅迫。因此，全面理解全球變暖進程下極端高溫事件的發(fā)生頻率、強度和相關規(guī)律對認識和評珊瑚礁未來的發(fā)展趨勢，以及制定珊瑚礁系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境保護策略等具有重要意義。

相比于陸地的溫度記錄，系統(tǒng)性海洋氣候器測記錄的時間跨度相對較短，這也導致近年來人們對海洋熱浪和極端高溫事件的認識和研究主要集中在近30 年的時間范圍內（Hobday et al., 2016; Couch et al.,2017;Oliver et al.,2018;Dalton et al.,2020；張文靜等，2020）。因此，重建和還原更早時期的海洋極端高溫歷史，獲取器測記錄以前的海洋異常高溫事件相關信息，有助于揭示長時間尺度下極端高溫事件的發(fā)生頻率、強度和變化特征，這對全面認識和理解全球變暖進程下珊瑚礁的演化發(fā)展規(guī)律具有重要意義。造礁石珊瑚廣泛分布于熱帶海洋淺水區(qū)，其骨骼的生長發(fā)育對氣候環(huán)境的變化極為敏感，而氣候環(huán)境變化會導致珊瑚的生理狀態(tài)發(fā)生改變，并影響珊瑚骨骼的鈣化過程。因此，基于珊瑚文石骨骼的古氣候學方法具有還原氣候記錄和重建歷史氣候事件的潛力。

大型濱珊瑚在各珊瑚礁區(qū)分布廣泛，骨骼連續(xù)生長跨度大且年代條紋明顯，導致其成為長時間尺度下高分辨率地球化學分析的良好材料。濱珊瑚骨骼的Sr/Ca 序列受到海洋表層溫度SST（Sea Surface Temperature）的控制，能反映多尺度的SST變化趨勢（Schrag,1999;Linsley,2000;Yu et al.,2005;Chen et al., 2013; Wang et al., 2018）。珊瑚骨骼的δ18O 同時受到海水SST 和海水表層鹽度SSS（Sea Surface Salinity）變化的控制，是能反映SST和SSS變化的相關性指標（McCulloch et al., 1994; Yu et al., 2005; Bolton et al., 2014;Wang et al., 2018）。珊瑚骨骼的δ13C 與徑流、降雨量和Suess 效應等影響海洋表層δ13Csw的諸多因素存在密切關系（McConnaughey, 1989; Swart et al., 2010; Deng et al., 2017;Han et al.,2019）。同時還因受到珊瑚光合共生藻類光合作用的影響而被認為具有指示珊瑚白化的潛力（Suzuki et al., 2003; Allison et al., 2012; Xu et al.,2017;Wang et al., 2021; Xu et al., 2022）。因此，通過對珊瑚骨骼條帶進行高精度Sr/Ca、δ18O和δ13C分析能同時還原在珊瑚生長時期內的氣候環(huán)境記錄和生理狀態(tài)特征變化。海洋極端高溫事件不僅會導致水體SST 明顯升高以及其他環(huán)境因素發(fā)生顯著變化，同時還會引起珊瑚共生藻大量流失甚至產(chǎn)生珊瑚白化現(xiàn)象。而這種水文條件和珊瑚生理的異常狀態(tài)將反映在珊瑚骨骼的地球化學元素變化中。因此，結合現(xiàn)代水文數(shù)據(jù)，探討珊瑚骨骼Sr/Ca、δ18O和δ13C等地球化學指標在極端高溫事件中的異常特征和相關規(guī)律，對于利用珊瑚重建過去高溫記錄，還原極端高溫事件的發(fā)生頻率、強度和變化趨勢等具有重要意義。

南海作為西太平熱帶海區(qū)最大的邊緣海，是造礁珊瑚的重要棲息地（Morton et al.,2001）。近代高溫事件的相關研究記錄多集中在南海中北部海區(qū)（Chen et al., 2012;Li et al., 2012; Huang et al., 2020;Xie et al.,2020；張文靜等，2020）。相比之下，南海南部海區(qū)的相關研究因缺乏器測資料而較為少見。因此，本研究擬通過對南海南沙群島生長時期在1971-1999年的2個現(xiàn)代濱珊瑚巖心樣品進行連續(xù)的珊瑚骨骼Sr/Ca，δ18O和δ13C分析，并結合現(xiàn)代氣候數(shù)據(jù)探討珊瑚骨骼地球化學指標的氣候意義、在歷史極端高溫事件中的響應特征以及對極端高溫事件的潛在應用價值。以期為珊瑚重建和還原過去的高溫記錄等相關研究提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

南沙群島坐落于南海西南部（圖1），共有島礁約120 個，包括大量環(huán)礁、臺礁以及少量的礁丘。該海區(qū)以熱帶季風氣候為主，海表溫度常年在25oC以上，且干濕季節(jié)極為明顯，受熱帶氣旋影響較大，強臺風作用在下半年極為明顯（林錫貴等，1990；聶寶符等，1997）。南沙群島珊瑚礁分布廣泛，已鑒定的種類超過100種，以鹿角珊瑚為主要優(yōu)勢種類，濱珊瑚是最為常見的大型種類（Dai et al.,1996;Zhao et al.,2013）?？傮w上，南沙群島海區(qū)的珊瑚生態(tài)調查資料仍以單個島礁為主，樣本覆蓋度低，其實際的珊瑚種類數(shù)必然更高。

圖1 南海南沙群島海區(qū)樣品采集示意Fig.1 Sampling location in the Nansha Islands,South China Sea

永暑礁位于南沙群島西北一側，坐標大致在9o30'-9o42'N、112o54'-113o04'E范圍內，距西北方向的中南半島海岸線最短直線距離不超過500 km，礁坪主體呈橄欖狀，東北至西南長軸約26 km，而西北至東南短軸僅為6 km，中央的潟湖面積近100 km2，最大水深約30 m（Yu et al.,2006）。永暑礁礁坪長期位于海平面以下，僅西南和東北區(qū)域部分礁坪在低潮時會露出海面。永暑礁海域的濱珊瑚數(shù)量較多，但個體相對較小，并未發(fā)現(xiàn)任何直徑超過1 m的濱珊瑚。

2 材料與方法

2.1 珊瑚樣品采集和前處理

采用水下原位鉆取法，于1999年5月在永暑礁海區(qū)通過鉆頭內徑為6 cm的水下鉆機獲取濱珊瑚巖心樣品YSL24 （生長時間為1985-1999 年） 和YSL2A（生長時間為1971-1999年），巖心長度分別為18 和25 cm。2 個巖心樣品均采自活珊瑚，表面距海平面均超過3 m，在最低潮位仍然位于水面以下。

將珊瑚巖心置于切割機上沿巖心延伸方向切割，獲得厚度約7 mm 的切片樣品。對巖心切片進行X光影相分析（圖2）。隨后將切片樣品放入15%的H2O2溶液中浸泡48 h。待徹底清除有機雜質殘留后將切片樣品放入超聲波清洗器，并加入適量去離子水清洗20 min，重復清洗4 次后將珊瑚切片取出置于烘箱中40oC低溫烘干。

圖2 南沙群島濱珊瑚板塊樣品骨骼X光影像Fig.2 The X-ray images of Porites coral slices in the Nansha Islands

根據(jù)X 光的條帶影像確定珊瑚板樣品主生長軸，并沿該軸線從頂部至下通過微型鉆機獲取連續(xù)的粉末樣品，每個粉末樣品采集的平均間隔約為0.7 mm，每年獲得13～15 個粉末樣品，2 個濱珊瑚切片共獲得533個珊瑚粉末樣品。

2.2 室內地球化學分析和數(shù)據(jù)處理

珊瑚粉末樣品的Sr/Ca 序列分析在Varian720E ICP-AES 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀完成。在各個珊瑚文石骨骼粉末樣品中稱取1 mg 置于15 mL 離心管中并以2%的硝酸稀釋，稀釋倍數(shù)達到12 000倍。待樣品充分溶解后放入ICP-AES自動進樣器行分析，為確保精度，每個樣品的分析工作重復5 次。同時，每隔3 個樣品中插入1 個監(jiān)控樣DOL-1 以校正儀器誤差，所有的監(jiān)控樣為同一溶液。

δ18O 和δ13C 分析工作在中國科學院南海海洋研究所邊緣海和大洋重點實驗室的Thermo-Fisher MAT-253穩(wěn)定同位素質譜儀上完成。將珊瑚粉末樣品分別放入MAT-253 的自動進樣器中，在70oC 高溫下以105%的過飽和磷酸充分溶解后釋放出CO2進入質譜儀，并對其氧、碳同位素的組成成分進行分析，并使用NBS-18 標樣［δ18O=-23.20±0.10‰；δ13C=5.01±0.04‰（1σ）］進行Vienna Pee Dee Belemnite（V-PDB）標準化校正。結果顯示，NBS-18的δ18O 測試精度為0.08‰，δ13C 的測試精度達到0.03‰。

本研究中海南文昌海區(qū)的月平均SST來自海洋氣象站清瀾站的器測記錄（王平等，2021）。南沙群島海區(qū)的SST 取自精度為1o×1o的網(wǎng)格OISST（Optimum Interpolation SST①https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.noaa.oisst.v2.html，）。ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation）活動指標以ONI 指數(shù)衡量②https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data，該指數(shù)以連續(xù)>0.5oC或＜-0.5oC時間超過5個月定義為1 次El Ni?o 以及La Ni?a 事件，而其中當指數(shù)最大值>2或者最小值＜-2時，該事件定義為超強El Ni?o以及La Ni?a事件。每月日平均降雨量數(shù)據(jù)來源于Global Precipitation Climatology Project（GPCP）v2.3 衛(wèi)星網(wǎng)格數(shù)據(jù)③http://climexp.knmi.nl/select.cgi？id=someone@somewhere＆field=gpcp_23，分析精度為2.5o×2.5o?？紤]到珊瑚骨骼多地化指標的影響因素差異導致的年周期相位差（余克服等，2002；Xu et al.,2022），采取最鄰插值和線性插值結合的方法對地球化學數(shù)據(jù)進行年周期插值處理（Bolton et al.,2014; Wang et al., 2018），將Sr/Ca 周期極值與月SST極值的主要控制點，然后以最鄰插值法插入各年份周期的相應月份，缺省部分進行線性插值處理。

3 結果分析

2個濱珊瑚Sr/Ca值在8.64～8.84 mmol/mol之間波動，并表現(xiàn)出明顯的周期性變化特征（圖3），這與溫度季節(jié)變化趨勢一致。YSL24 的δ18O 在-5‰～-6‰之間波動，而YSL2A 的δ18O 變化范圍為-5.4‰～-6.3‰。整體上，2個珊瑚骨骼的δ18O與Sr/Ca周期基本吻合，其周期的高值區(qū)大致與Sr/Ca周期極高值較為一致，但在部分序列周期δ18O極小值與Sr/Ca極小值位置差距明顯，這可能與δ18O在部分季節(jié)受到海水鹽度變化的影響有關。根據(jù)Gagan等（2000）的方法，結合Sr/Ca序列扣除δ18O的SST分量，獲得代表SSS分量的Δδ18O，具體公式為：

圖3 濱珊瑚YSL2A和YSL24的Sr/Ca、δ18O、Δδ18O和δ13C序列Fig.3 Sr/Ca,δ18O,Δδ18O and δ13C proxies of Porites coral YSL24 and YSL2A

式中：Tδ18Oanomaly是珊瑚骨骼的δ18O距平值和?δ18Ocoral/?T計算的δ18O-SST距平值，TSr/Caanomaly是珊瑚骨骼Sr/Ca距平值除以?（Sr/Ca）/?T計算的Sr/Ca-SST距平值，根據(jù)表1 中Sr/Ca、?δ18O 分別與SST 的擬合結果，以均值-0.145 作為?δ18Ocoral/?T值，以均值-0.042 作為?（Sr/Ca）/?T來計算TSr/Caanomaly值。從結果看，珊瑚骨骼的Δδ18O序列呈現(xiàn)明顯的周期性特征（見圖3），這與SSS年周期性變化特征相符合。

表1 濱珊瑚Sr/Ca和δ18O與SST的線性擬合結果Table 1 Linear relationship between the Sr/Ca or δ18O of the Porites corals and SST

2 個濱珊瑚樣品的δ13C 序列整體上在-0.4‰～-2.4‰的范圍波動，周期性特征明顯，但與Sr/Ca存在明顯的相位差，濱珊瑚YSL24 在1998 年的條帶中出現(xiàn)異常性負偏現(xiàn)象，其下降幅度達到1‰，導致δ13C 值降至-2.2‰。而YSL2A 骨骼δ13C 分別在1973、1983 和1998 年出現(xiàn)異常負偏，其幅度在1.2‰～1.6‰，使得δ13C值下降至-2.4‰。同步的Sr/Ca-SST 和Δδ18O 序列變化表明，這4 次異常負偏發(fā)生均在夏季（見圖3），導致δ13C迅速下降至極低水平，這可能表明珊瑚在此期間發(fā)生了較為強烈的生理性變化。

4 討論

4.1 南沙群島海區(qū)的極端高溫事件與濱珊瑚骨骼Sr/Ca序列的響應特征

作為西太平洋暖池的延伸部分，南海海區(qū)海水SST變化長期受到ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation） 活動的影響（Wang et al., 2000; Liu et al.,2011），從OISST 的結果顯示，所有超過南沙海區(qū)最大月份均值MMM（Monthly Maximum Mean）記錄的年份均處在El Ni?o時期，表明ENSO活動是南海南部海區(qū)發(fā)生高溫事件的重要控制因子。這其中，超強El Ni?o 事件對南海甚至整個西太平洋海區(qū)的SST提升最為顯著，并因此導致的極端性高溫事件對珊瑚的脅迫程度也最高（陳永利等，1997；王東曉等，2002；張祥玉等，2009；張文靜等，2020）。根據(jù)ONI 指數(shù)的強度變化（圖4），1970-1999 年發(fā)生了3 次超強El Ni?o 事件（1972/1973、1982/1983 和1997/1998）。南海南部海區(qū)在1998 年初出現(xiàn)異常的暖冬（SST>28°C），而夏季則達到1982 年以來的最高記錄（超過30.7°C），其整個年周期的SST 也顯著高于其他年周期，這與在1997/1998 超強El Ni?o 驅動下南海海區(qū)SST 全年均表現(xiàn)出極高的正距平效應相吻合（王東曉等，2002）。盡管OISST的記錄顯示SST在1983年的高溫并未達到1998年的異常程度，但該年度在南海及西太平洋多個海區(qū)發(fā)生的珊瑚白化以及大量死亡的記錄（Glynn et al., 1988; Goreau et al., 1994; Yu et al.,2012; Wang et al., 2018; Chen et al., 2021） 表 明，1982/1983超強El Ni?o導致的1983年夏季SST升高對整個西太平洋海區(qū)珊瑚都造成實質上的生態(tài)脅迫。與此同時，南海北部清瀾站1973 和1983 年夏季均有2個月的SST高出MMM值（30.6°C），其最高的SST 記錄僅次于1998 年夏季的高溫記錄（王平等，2021），充分表明這2次超強El Ni?o事件對南海海區(qū)的顯著升溫效應。

圖4 濱珊瑚Sr/Ca和δ18O序列與SST和ENSO活動的比較Fig.4 Sr/Ca and δ18O of the in Porites and a comparison with the OISST and ENSO

濱珊瑚YSL24和YSL2A的Sr/Ca與SST擬合結果反映二者之間存在極為顯著的線性負相關關系（見表1），同時，2個濱珊瑚建立的Sr/Ca溫度計斜率值與Mitsuguchi等（2008）在中南半島南部海區(qū)建立的Sr/Ca-SST溫度計斜率值（-0.044）也接近。在年際變化上，濱珊瑚YSL2A 和YSL24 骨骼在1998 年的Sr/Ca 周期中表現(xiàn)出比序列其他年周期更低的數(shù)值，這與該年度顯著高于其他年份的SST記錄特征相吻合。同時，濱珊瑚YSL2A的Sr/Ca序列在1973 和1983 年同樣表現(xiàn)出比其他年份更低的水平，表明Sr/Ca記錄的2個年份的SST水平也顯著高于其他年份。因此，濱珊瑚Sr/Ca 序列在3 次超強El Ni?o時期的異常低值，對應南沙群島海區(qū)因ENSO 活動導致SST 顯著升高的信號特征。綜上，濱珊瑚骨骼Sr/Ca在1973、1983和1998年表現(xiàn)出低于其他年周期的信號，與1970-1999 年3 次超強El Ni?o 時期的高溫特征相吻合，表明珊瑚骨骼Sr/Ca序列能清楚記錄歷史極端高溫事件。

4.2 南沙群島珊瑚骨骼δ18O 變化的氣候意義及與高溫事件的對應關系

在南沙群島海區(qū)，2個濱珊瑚骨骼δ18O序列均與SST 呈現(xiàn)顯著的負相關關系（r2>0.4，P＜0.000 1），且斜率值也處于南海濱珊瑚δ18O 溫度計斜率范圍內-1.2～-1.7（Yu et al., 2005; Su et al., 2006; Bolton et al.,2014;Wang et al.,2018）。在年際變化上，2個濱珊瑚的年平均δ18O 與Sr/Ca 值表現(xiàn)出相近的變化趨勢，表明δ18O同樣受到SST變化的強烈影響（見圖4）。濱珊瑚YSL24 和YSL2A 在1973、1983 和1998年的條帶δ18O值在整個序列中同樣處于較低的水平，這與高溫記錄吻合。但相比Sr/Ca序列，δ18O在3個超強El Ni?o年的溫度異常卻并不明顯。這可能與δ18O同時還受到SSS變化的影響有關。盡管濱珊瑚骨骼的δ18O 年周期與Sr/Ca 變化大致吻合，但在部分年份，δ18O 在年周期的后半段會出現(xiàn)與δ18O響應SST 變化特征不一致的低值。在南沙群島海區(qū)，SST 和SSS 變化對珊瑚骨骼的δ18O 的影響存在拮抗效應。SST 上升會加快蒸發(fā)作用導致SSS和海水δ18Osw的上升，而隨著SST 下降，南沙群島海區(qū)恰好進入雨季，強降水在降低SSS的同時也提升了水體δ18Osw（Deng et al., 2009; Bolton et al., 2014）。因此，珊瑚骨骼δ18O序列在年周期后半段的極低值應該是由海水δ18Osw變化抵消了SST 下降所致。Bolton 等（2014）發(fā)現(xiàn)南海中部海區(qū)珊瑚骨骼的δ18O 在雨季與降水之間存在顯著的正相關關系，正是海水δ18Osw對珊瑚骨骼δ18O的影響在部分季節(jié)超過SST 的體現(xiàn)。實際上，溫差越低的海區(qū)SSS變化對珊瑚骨骼δ18O 季節(jié)變化的影響還會進一步增加（Dunbar et al.,1984;Linsley et al.,1994）。相比于南海中北部海區(qū)，南沙群島海區(qū)無論是SST 年周期變化幅度還是年際變化幅度均大大降低，較低的溫差變化導致SST對δ18O的影響更弱，因而在部分季節(jié)可能更容易受到降雨、洋流等SSS相關因素的影響，從而導致δ18O 在異常高溫年份的信號不敏感。

而通過Sr/Ca序列去除溫度部分后，Δδ18O的周期性進一步體現(xiàn)出海水SSS變化的相應影響。在南沙群島海區(qū)，降雨是影響SSS和海水δ18Osw的重要因素（Xu et al., 2022），淡水大量輸入將導致水體δ18Osw急劇下降，因此降雨往往與珊瑚骨骼的Δδ18O周期呈現(xiàn)明顯的負相關特征（Gagan et al., 2000;Bolton et al.,2014）。根據(jù)南沙群島氣候特征，將年周期分為升溫少雨（1-4 月），高溫（5-8 月）和雨季（9-12月）3個時期，并對每年3個時期降雨量和珊瑚骨骼Δδ18O進行線性擬合，結果表明，2個珊瑚Δδ18O與降雨量之間存在顯著的負相關特征（圖5-a）。這不僅反映南沙群島海區(qū)的濱珊瑚Δδ18O 與SSS 變化的同步性，同時也證明δ18O 序列年際變化對高溫信號的不敏感性可能與降雨量變化帶來的SSS拮抗作用有關。另外，濱珊瑚在1973、1983和1998 年的升溫少雨時期的Δδ18O 值要略高于序列大部分年份，這可能與超強El Ni?o 事件帶來的升溫效應加快了水體蒸發(fā)并促進鹽度和水體δ18Osw的上升有一定關系。但同年的其他2個時期Δδ18O卻并未表現(xiàn)出特異性的變化，說明在整體年際變化趨勢上，與降雨等外源水體輸入相比，SST對于Δδ18O的影響并不明顯。因此，南沙群島海區(qū)Δδ18O的周期性能反映SSS和降雨量的變化狀況，但在作為反映高溫事件的指標方面則存在不確定性。

圖5 濱珊瑚骨骼Δδ18O與降雨量的年份（a）和季節(jié)（b）變化Fig.5 Annual(a)and seasonal(b)variation of skeletal Δδ18O in the Porites corals and the precipitation

4.3 南海濱珊瑚δ13C 序列變化與高溫事件的對應關系

不同于Sr/Ca 和δ18O 等氣候性指標，珊瑚骨骼δ13C 會受到珊瑚共生藻光合作用強度變化的強烈影響，因此，當高溫事件強度影響到珊瑚正常生理代謝過程時，珊瑚骨骼δ13C將會發(fā)生異常性變化。整體上，南沙群島海區(qū)珊瑚δ13C序列周期的低值往往發(fā)生在秋冬季節(jié)，其原因是臺風天氣和雨季減少了日照時長并導致水體懸浮物上升，這在一定程度上阻礙了珊瑚共生藻光合作用過程（余克服等，2002）。同步的Sr/Ca和Δδ18O序列則表明，2個濱珊瑚δ13C 序列分別在1973、1983 和1998 年夏季發(fā)生了快速而異常的負偏現(xiàn)象（幅度達到1‰）。盡管影響珊瑚骨骼δ13C變化的因素較為復雜，但南沙群島海區(qū)特殊的地理位置和氣候特征決定該海區(qū)的珊瑚骨骼夏季δ13C不會因陸源水文條件、工業(yè)活動和降雨等因素的影響而產(chǎn)生這種劇烈變化（Yu et al.,2006;Xu et al.,2022）；因此，高溫引起珊瑚共生藻光合作用強度急劇下降是導致該海區(qū)珊瑚骨骼δ13C在夏季發(fā)生異常負偏的最合理因素。事實上，珊瑚骨骼自身共生藻的流失既是珊瑚自身應對高溫時的一種生存策略，也是高溫造成濱珊瑚生理脅迫的結果。但當高溫事件最終引起珊瑚共生藻流失過多導致白化時，其伴隨的鈣化流體內碳同位素代謝分餾減弱將導致珊瑚骨骼δ13C在短時間內驟然下降至比正常時期更低的水平（Porter et al., 1989; Jokiel et al.,1990;Edwards et al.,2001;Grottolia,2000;Suzuki et al.,2003;Xu et al.,2017;Xu et al.,2022）。這與本研究濱珊瑚的幾次δ13C異常負偏事件導致的結果一致。因此，珊瑚骨骼夏季的異常負偏現(xiàn)象與極端高溫事件年份的對應，恰恰表明這種負偏現(xiàn)象是珊瑚在高溫事件脅迫下導致其短暫白化的結果。

Sun 等（2008）在海南島文昌海域報道的濱珊瑚部分年代的δ13C序列，根據(jù)珊瑚骨骼粉末樣的采集間隔和年生長率信息，發(fā)現(xiàn)南海北部海區(qū)濱珊瑚骨骼條帶的δ13C 序列同樣在1973 和1998 年夏季出現(xiàn)負偏（幅度超過1.4‰）的特征（圖6）。根據(jù)清瀾站的器測SST數(shù)據(jù)，1998年海南文昌海區(qū)最高的月SST達到32.1oC（見圖6），超出其海區(qū)MMM 值1.3oC，為該海區(qū)20 世紀的最高器測記錄，這與南海南部的SST結果一致。另外，海南島文昌濱珊瑚的另一次δ13C夏季負偏發(fā)生在1973年，而該年度夏季最高月平均溫度達到31.4oC，是該海區(qū)在1998年以前的最高值。這種響應高溫記錄的δ13C突發(fā)性負偏表明極端高溫事件導致濱珊瑚共生藻光合作用在夏季發(fā)生顯著降低，甚至有可能引起珊瑚發(fā)生短暫的白化。而南北海區(qū)濱珊瑚同時出現(xiàn)夏季δ13C負偏現(xiàn)象則進一步說明1973 和1998 年極端高溫事件對珊瑚的負面影響可能覆蓋了整個南海海區(qū)。

圖6 海南島文昌（a）（Sun et al.,2008）和南沙群島（b）（YSL2A）濱珊瑚的δ13C和器測SSTFig.6 δ13C in the Porites corals and instrumental SST in the Wenchang,Hainan Island(a)(Sun et al.,2008)and Nansha Islands(b)(YSL2A)

然而，極端高溫事件對于珊瑚骨骼的δ13C影響并不僅限于高溫時期，當珊瑚共生藻損失過多導致短時間內無法恢復高溫脅迫前的密度時，珊瑚光合作用總強度的上限會在很長一段時間內呈現(xiàn)顯著低于高溫事件發(fā)生之前的狀態(tài)，這將反映在珊瑚骨骼δ13C 后續(xù)的周期變化中。由于本研究濱珊瑚采集日期在1999年5月，無法對1998年高溫事件后的δ13C變化進行探討，但濱珊瑚YSL2A在1974和1984年的δ13C 周期的峰值要比1973 和1983 年之前幾年的峰值普遍低近0.4‰，這很可能表明珊瑚的共生藻光合作用強度在第二年未能恢復到高溫脅迫之前的水平。Wang 等（2018）發(fā)現(xiàn)南海北部海區(qū)多個珊瑚巖心年度δ13C均值往往在超強El Ni?o年后顯著降低的現(xiàn)象可能同樣與高溫脅迫導致共生藻光合作用變化有關。值得一提的是，海南島文昌濱珊瑚1986年條帶記錄了1次全年度的δ13C負偏過程（見圖6），而清瀾站的SST記錄表明該年度海南島東部海域夏季和冬季的溫度均未達到異常的強度，不會引起珊瑚白化，因此該年度的負偏作用可能是其他因素導致。當然，需要指出的是，對于未出現(xiàn)明顯白化信號的珊瑚而言，共生藻密度降低在δ13C年度的持續(xù)降低效應的貢獻程度仍有待驗證。該年度的負偏可能是由降雨和Suess 效應等其他因素的持續(xù)性影響或者油氣資源泄漏事件等所致（Swart et al., 2010;Xu et al., 2018; Han et al., 2019）。因此，盡管研究表明極端高溫事件能造成珊瑚骨骼δ13C的特異性變化，但該變化是否與溫度有關，需要結合相關海區(qū)的實時氣候環(huán)境特征進行具體分析。

總之，南海濱珊瑚骨骼δ13C在夏季的異常負偏反映珊瑚在應對極端高溫事件時的應激性生理過程，而次年δ13C周期總體水平的下降現(xiàn)象充分反映極端高溫事件對珊瑚造成的后續(xù)損傷。因此，δ13C異常變化特征與Sr/Ca 記錄下的極端高溫事件的一致性，不僅反映珊瑚骨骼δ13C序列在指示極端高溫事件中的應用價值，也表明南沙群島海區(qū)在1973、1983 和1998 年夏季的高溫很可能導致珊瑚自身發(fā)生白化。

4.4 南沙群島海區(qū)濱珊瑚骨骼高溫信號的環(huán)境生態(tài)意義

珊瑚骨骼Sr/Ca 以及δ13C 的記錄在高溫事件的異常性特征是基于高溫季節(jié)的氣候記錄和生理性響應的結果，而這種響應信號的明顯程度與高溫事件的強度以及珊瑚自身的耐受性有關。大型濱珊瑚是南海海區(qū)耐熱性最高的珊瑚類群之一，極高的共生藻密度保證其在極端高溫事件中極低的白化率和死亡率（Li et al., 2008; Sutthacheep et al., 2013; Xu et al.,2016）。因此，能引起濱珊瑚骨骼條帶年周期Sr/Ca值發(fā)生顯著變化，并同時引起珊瑚共生藻類光合作用大幅度降低導致濱珊瑚骨骼夏季δ13C異常負偏現(xiàn)象的高溫事件，往往對當?shù)厣汉魅郝渚哂袠O高的脅迫，甚至很可能導致敏感性種類的珊瑚發(fā)生白化死亡。Yu等（2012）對南沙群島海區(qū)大量死亡濱珊瑚進行U-Th 分析表明，其濱珊瑚死亡年代概率曲線在1970 年以后的峰值集中在1973、1983 和1998年附近，這與本研究中濱珊瑚骨骼極端高溫記錄年份對應，表明該研究發(fā)現(xiàn)的濱珊瑚死亡很可能是由高溫脅迫導致的珊瑚白化所致。而西太平洋諸多海區(qū)在1983 和1998 年夏季同步監(jiān)測到的大規(guī)模珊瑚白化現(xiàn)象，也正是珊瑚群落自身應對極端高溫事件的重要生態(tài)響應（Glynn et al., 1988; Goreau et al.,1994; McCulloch et al., 1994; Lough, 2000;Arceo et al., 2001; Suzuki et al., 2003; Sutthacheep et al.,2013）。因此，南海濱珊瑚的高耐熱性，決定了濱珊瑚骨骼δ13C 異常負偏與同步Sr/Ca 序列中顯著的高溫信號不僅是濱珊瑚骨骼在高溫事件中對氣候和自身生理狀態(tài)的記錄，更是極端高溫事件造成濱珊瑚所在群落發(fā)生白化事件的潛在信號。珊瑚骨骼δ13C 對極端高溫事件的指示是基于高溫對珊瑚造成明顯脅迫效應的反映，盡管該指標比Sr/Ca 等氣候性指標能更定性地表現(xiàn)出高溫對珊瑚的脅迫程度，但是否能被觀測到取決于珊瑚自身的耐受能力，當中等強度高溫事件導致珊瑚受脅迫程度較輕，珊瑚快速從白化事件中恢復健康甚至本身并未產(chǎn)生明顯的白化現(xiàn)象時，相關的骨骼條帶δ13C可能并不會出現(xiàn)相應的異常變化，因而導致難以獲取相關的高溫信息。因此，為了更加全面地了解珊瑚骨骼地球化學指標在高溫機制下的變化模式，仍需要對更多珊瑚樣品進行深入分析和探索。

5 結論

通過對南海南沙群島海區(qū)生長時間為分別為1987-1999年和1971-1999年的2個濱珊瑚巖心進行高分辨率的Sr/Ca、δ18O和δ13C分析，探討南海海區(qū)濱珊瑚骨骼地球化學指標對異常高溫的響應特征和氣候意義。結果表明：1）南沙群島海區(qū)濱珊瑚骨骼的Sr/Ca序列與SST顯示極顯著的負相關關系，在1973、1983 和1998 年條帶中的異常低值清楚地記錄了1971-1999 年3 次超強El Ni?o 導致的高溫事件。2）南沙群島海區(qū)濱珊瑚骨骼δ18O 與SST 存在顯著的負相關關系，但δ18O對極端高溫事件的反映相比Sr/Ca 序列并不顯著，其原因可能與珊瑚骨骼δ18O同時受到SST和SSS變化的影響有關。Δδ18O與降雨存在顯著的負相關關系，但在高溫年份沒有表現(xiàn)出與高溫相關的明顯異常信號。3）濱珊瑚骨骼δ13C 序列在1973、1983 和1998 年夏季發(fā)生了異常負偏現(xiàn)象，系高溫引致共生藻密度變化，進而導致光合作用強度大幅度降低所致。同時在濱珊瑚YSL2A 在1974 和1984 年的δ13C 周期值比高溫事件前有明顯的下降，可能與高溫導致珊瑚共生藻損失的恢復緩慢有關。綜上，濱珊瑚骨骼δ13C 與Sr/Ca記錄在極端高溫事件發(fā)生時具有明顯的異常特征，是記錄極端高溫事件以及珊瑚白化的良好指標。

闡明南沙群島海區(qū)現(xiàn)代濱珊瑚骨骼在極端高溫事件中的地球化學響應特征和相關機制，是利用珊瑚骨骼重建過去相關海區(qū)極端高溫和珊瑚大規(guī)模白化歷史的重要前提，為進一步研究長時間尺度的氣候變化和生態(tài)環(huán)境影響的效應規(guī)律提供重要信息。本研究揭示南沙群島海區(qū)珊瑚骨骼地球化學指標與1970-2000年范圍內的3次極端高溫事件存在特異性的效應關系。然而，受限于珊瑚的生長年限，未能對更多的極端高溫事件與珊瑚骨骼地球化學響應關系進行探討。為進一步驗證和探索更長時間尺度下珊瑚骨骼地球化學特征與高溫事件的效應關系，未來仍然需對更多珊瑚樣品進行研究。