張廣璐，楊俊，龍海燕，趙彥彥,2，鄒立，魏浩天，劉盛，楊丹丹，孫國靜

1.深海圈層與地球系統(tǒng)教育部前沿科學中心，海底科學與探測技術(shù)教育部重點實驗室，中國海洋大學海洋地球科學學院，青島 266100

2.青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室，青島 266237

3.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，青島 266100

鈣質(zhì)有孔蟲殼體的同位素和微量元素是反演古海洋環(huán)境和古氣候的重要手段和獲取現(xiàn)代海洋信息的重要方式[1]。浮游有孔蟲殼體的碳氧同位素組成（δ18O和δ13C）能反映海平面變化、生產(chǎn)力水平，指示季風和洋流變化等[2-4]；浮游有孔蟲的δ18O值和Mg/Ca比能恢復晚第四紀以來的表層海水溫度（SST）和鹽度（SSS）[5-7]；而底棲有孔蟲的Mn/Ca比和B/Ca比能夠?qū)Φ讓雍Ｋ幕瘜W環(huán)境作出指示[8-9]。

近些年來，隨著測試技術(shù)的不斷發(fā)展，電子探針（EPMA）、激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜（LAICP-MS）、離子探針（Nano SIMS）等原位測試技術(shù)已經(jīng)在雙殼類[10]、耳石[11]、珊瑚[12]、石筍[13]等碳酸鹽樣品上得到越來越廣泛的應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)的溶液法其復雜的前處理過程[14]，原位分析方法僅需少量個體和簡單的前處理步驟，便可獲取高空間分辨率下不同生物殼體、殼體上不同位置的主微量元素含量的分布信息，進而反映出生物體在不同生長階段中周圍環(huán)境的變化，尤其為一些珍貴樣品的測試提供新的思路方法。

有孔蟲殼體在形成時，海水中的Mg會與殼體中的Ca發(fā)生置換，該過程為吸熱過程，因此殼體中的Mg/Ca比能敏感地反映出海水的溫度變化[15]。先前的研究顯示有孔蟲殼體的Mg/Ca與其周圍海水溫度呈指數(shù)相關(guān)，并且認為溫度是控制有孔蟲殼體Mg/Ca比的主要機制[16-17]。但有孔蟲的微區(qū)測試則直觀地表明，其殼壁上呈現(xiàn)出不均一的變化，并且往往超過了其棲息深度海水溫度變化可以解釋的范圍[18-20]，這些結(jié)果都指向了Mg/Ca比變化的影響因素可能不僅只是溫度。一些有孔蟲殼壁上存在高Mg/Ca比條帶，如G.sacculifer、G.ruber和O.universa等，這些條帶變化有著一定的形成時間和形成機制，但是對于另外一些屬種如N.dutertrei等，Mg/Ca分布則相對比較均勻，且受到溶解的影響較大[21-23]。也可能由于都選擇了同一結(jié)殼程度的個體，導致Mg/Ca比的整體測試結(jié)果明顯偏高或偏低[24-26]。這些有孔蟲殼體中的元素分布和變化情況，在傳統(tǒng)測試中無法進行直接觀測，因此利用有孔蟲高空間分辨率原位測試方法，對研究和解釋Mg/Ca比的影響因素、避免重建海水溫度的誤差有著重要意義。

南海作為西太平洋最大的邊緣海，有著豐富的沉積物質(zhì)來源以及較快的沉積速率，是古海洋學研究的重點場所，但以往南海的研究多選擇水深較淺的陸架及陸坡區(qū)沉積物樣品進行測試分析，站位水深均小于2 000 m，位于碳酸鹽溶躍面（CCD）之上，有孔蟲殼體中的地球化學信息保存較為完整[27-29]。為了研究南海深水環(huán)境下有孔蟲殼體的地球化學指標變化，本研究選取南海東北部深水區(qū)的沉積物樣品進行測試分析。在顯微鏡觀察、掃描電鏡圖像（SEM）等基礎(chǔ)上，通過EPMA和LA-ICP-MS方法，對不同屬種浮游有孔蟲的微觀結(jié)構(gòu)、殼體元素分布以及主微量元素含量變化情況進行分析，同時對影響殼體Mg/Ca比值變化的因素進行探討，為今后南海東北部陸坡區(qū)較深水環(huán)境樣品的測試提供數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)。

1 材料與方法

此次研究的樣品DZ5為“向陽紅18”于2020年在中國南海東北部陸坡區(qū)（20°23.5' N、119°30.1' E）所取得的重力柱狀樣品，取樣水深3 071 m。本次研究所利用的浮游有孔蟲取自巖芯頂部0～1 cm的表層沉積物中。該巖心樣品在19 cm處的AMS14C 測年結(jié)果為1 162 a，因此認為本研究所選取的表層樣屬于現(xiàn)代沉積物樣品（表1）。

表1 DZ5重力柱狀樣品19 cm處的AMS14C測年數(shù)據(jù)和校正年齡Table 1 AMS14C dating data and corrected age of the gravity core sample of DZ5 at 19 cm

浮游有孔蟲G.ruber為共生種，其殼體易溶，表面發(fā)育針刺，廣泛存在于熱帶和亞熱帶水域中，主要生活在表層海水中，P.obliquiloculata和N.dutertrei主要生活在次表層，G.inflata為無刺的深層種有孔蟲 。 此 外 ，P.obliquiloculata、N.dutertrei、G.inflata通常均具有較厚的富低Mg方解石外殼[26]。了解有孔蟲在生命周期不同階段的變化，對這些地球化學指標更好地應(yīng)用于整體測試具有很大意義。因此本研究重點選擇對G.ruber、N.dutertrei、P.obliquiloculata和G.inflata4種有孔蟲進行測試，借以探討共生體和生長結(jié)構(gòu)等因素對不同水深有孔蟲殼體Mg/Ca比的影響。

在實驗室中將低溫、保存完好的沉積物濕樣置于500 mL燒杯中，加入適量濃度為10 %的H2O2溶液超聲清洗30 min至樣品充分分散，再浸泡樣品24 h以完全除去有機質(zhì)。之后用240目（孔徑0.063 mm）不銹鋼篩在超純水下沖洗樣品，將分離出的粗粒組分放入冷凍干燥儀中進行干燥。用80目（孔徑0.200 mm）不銹鋼篩對干燥后的樣品進行篩選。最后在體視顯微鏡下挑選出一定數(shù)量的浮游有孔蟲殼備用。挑選時要保證所選的樣品殼體完整且大小較一致，殼體表面干凈無明顯污染，以備下一步分析測試。

1.1 掃描電鏡觀察

為了更加清楚地觀察樣品的保存和受污染情況，以及不同屬種有孔蟲的殼體形態(tài)，首先在中國科學院殼幔物質(zhì)與環(huán)境重點實驗室對樣品應(yīng)用掃描電鏡進行了觀察。每個屬種選取4～6枚完整殼體，并用膠固定在碳帶上，之后用解剖針將每個屬種其中的1～2枚殼體輕輕壓碎。噴碳后，在Tescan Mira 3 LMH上進行觀察。

1.2 電子探針測試

選取G.ruber、P.obliquiloculata、N.dutertrei、G.inflata4個屬種的有孔蟲殼各4～8枚并制作環(huán)氧樹脂靶。測試在中國科學技術(shù)大學電子探針實驗室進行，實驗儀器為JOEL JXA-8530F plus。每個屬種選取2個形態(tài)較好的個體進行打點測試，電子束加速電壓為 10 kV，束流為 10 nA，束斑直徑為5和10 μm。選點時盡量在殼壁厚度不同的位置上打點，以保證得到不同殼層的地球化學信息，每個有孔蟲個體測試點數(shù)為10～15個。之后對有孔蟲進行Mg、Ca、Mn、Sr含量的面掃描，實驗過程中的電子束加速電壓為15 kV，束流為20 nA，電子束駐留時間為30 ms。

1.3 LA-ICP-MS 測試

為了獲得不同有孔蟲屬種、同屬種不同腔室以及不同殼體深度上主微量元素含量的變化情況，在中國海洋大學海底科學與探測技術(shù)教育部重點實驗室對G.ruber、P.obliquiloculata、N.dutertrei、G.inflata四個屬種進行了LA-ICP-MS測試。為了驗證實驗結(jié)果，首先將有孔蟲樣品分為兩部分，一部分樣品未清洗，另一部分樣品則用甲醇進行了清洗：在挑選的樣品中加入10 %的H2O2溶液靜置30 min，然后用去離子水清洗3次，再加入分析純級甲醇溶液并進行溫和的超聲處理，該過程重復3次且每次超聲時間＜5 s，去離子水清洗4次后將樣品在40 °C下烘24 h。同時測定已清洗和未清洗兩部分的樣品，以便比較不同處理方法對測試結(jié)果的影響。測試時，在每個殼體不同腔室上各選取1～3個分析位置，并由殼體外逐漸向內(nèi)進行激光剝蝕。由于有孔蟲殼壁較薄，激光能量和束斑直徑太大易使殼壁碎裂，因此測試時選取的能量密度為4 J/cm2，激光束斑直徑為32 μm，剝蝕頻率4～7 Hz。剝蝕總時間為105 s，其中載氣空白25 s，激光剝蝕時間40 s。如果剝蝕過后殼體沒有出現(xiàn)明顯的碎裂情況，表明所選儀器參數(shù)能夠滿足測試需求。測試過程中，選取電子探針獲得的43Ca含量作為內(nèi)標，選取美國國家標準技術(shù)研究院的NIST 610玻璃作為外標，每進行一個有孔蟲個體的分析之后，即插入兩個NIST 610標準進行校正。

由于有孔蟲中Ca含量分布相對均勻，因此激光剝蝕開始時，在信號圖上可明顯觀察到Ca信號均勻出現(xiàn)，而當激光穿透內(nèi)壁時，激光剝蝕剖面中Ca的信號值會突然減少，并且還可能會伴隨著Al和Mn信號的上升[30]（圖1）。因此，根據(jù)信號值的變化情況，我們主要選取了完整的剖面進行數(shù)據(jù)處理。

圖1 有孔蟲樣品LA-ICP-MS測試的元素信號圖Fig.1 Element signal diagram of foraminifera samples tested by LA-ICP-MS

2 結(jié)果

2.1 掃描電鏡觀察

利用掃描電鏡（SEM）能夠直觀觀察到有孔蟲殼體的生長方式、表面形態(tài)以及保存情況。G.ruber中觀察到較大的末腔室和較寬較高的口孔，而N.dutertrei可見5個腔室旋轉(zhuǎn)排列，所挑選的有孔蟲樣品腔室均完整，沒有明顯破碎（圖2a、f）。G.ruber和G.sacculifer表面孔隙較大且密集，但是沒有出現(xiàn)明顯的裂紋和變寬的跡象，G.ruber表面可觀察到孔隙間分布的刺根未被剝落（圖2b、c）。N.dutertrei表面存在不平整的凸起（圖2e），G.inflata部分孔隙被覆蓋或填充（圖2g），P.obliquiloculata則較為光滑地呈現(xiàn)出瓷質(zhì)光澤（圖2d），這些有孔蟲表面干凈沒有嚴重污染。殼體橫截面可見有孔蟲的層狀生長結(jié)構(gòu)（圖2h、i）。

圖2 有孔蟲的SEM圖像a, b.G.ruber的個體和表面形態(tài)，c.G.sacculier的孔隙，d.P.obliquiloculata的瓷狀外殼，e, f.N.dutertrei個體和殼體粗糙的表面，g, h.G.inflata表面被覆蓋了的孔隙及層狀生長結(jié)構(gòu)，i.G.truncatulinoide的層狀生長結(jié)構(gòu)，可見較厚的外部方解石層。Fig.2 SEM images of foraminiferaa, b.The individual of G.ruber and its outer surface morphology, c.pores of G.sacculier, d.porcelain like crust of P.obliquiloculata, e, f.the individual of N.dutertrei and its rough surface of crusts, g, h.covered pores on the surface and the layered growth structure of G.inflata, i.layered growth structure of G.truncatulinoide with thicker outer calcite crusts.

2.2 電子探針面掃

剖面的SEM圖顯示殼體外側(cè)的高低起伏程度很大，且外部方解石層與殼體外側(cè)的形狀保持一致，而不與內(nèi)側(cè)腔室的弧形相平行（圖3a黃色虛線）。電子探針面掃描圖像顯示，在有孔蟲殼內(nèi)Ca、Sr和 Mn元素含量分布均勻（圖3b、c、e），但所有樣品中Mg元素含量呈現(xiàn)條帶狀分布，由外到內(nèi)，G.ruber殼體中發(fā)育多組窄的高Mg條帶和較寬的低Mg條帶（圖3d）。

圖3 G.ruber的電子探針面掃描圖像黃色箭頭標記處為新老兩腔室交界。Fig.3 Electron microprobe elemental mappings of G.ruberThe yellow arrow marks the junction between old and new chambers.

相對而言，G.inflata、P.obliquiloculata和N.dutertrei發(fā)育更厚的低Mg外殼，其中G.inflata和P.obliquiloculata的中部殼層和最內(nèi)層附近均發(fā)育高Mg帶（圖4a2、b2）。N.dutertrei的Mg元素分帶不如其他屬種明顯，但仍可以清晰地觀察到Mg元素含量的變化（圖4c2）。不過，需要注意的是Mg元素含量在平面分布圖上，一些邊緣呈現(xiàn)的“高值”，也可能是測試時產(chǎn)生的“邊緣效應(yīng)”[31]。Mg/Ca比分布圖也與Mg元素含量較一致，呈現(xiàn)帶狀分布（圖4d、e）。此外，兩個腔室交界處顯示，新腔室形成的方解石層覆蓋在先前形成的腔室上（圖4a1、c1）。

圖4 G.inflata、P.obliquiloculata和 N.dutertrei的電子探針面掃描圖像a1, a2, d. G.inflata，b1, b2, e.P.obliquiloculata，c1, c2.N.dutertrei。黃色箭頭標記處為新老兩腔室交界。Fig.4 Electron microprobe elemental mappings of G.inflata, P.obliquiloculata and N.dutertreia1, a2, d.G.inflata, b1, b2, e.P.obliquiloculata, c1, c2.N.dutertrei.The yellow arrow marks the junction between old and new chambers.

2.3 LA-ICP-MS測試

2.3.1 Mg/Ca和Sr/Ca

LA-ICP-MS測試結(jié)果表明，G.ruber的不同個體、同一個體不同腔室以及同腔室的不同深度上，Mg/Ca和Sr/Ca比都具有不同的特征。為了描述方便，將未經(jīng)甲醇清洗的兩個G.ruber個體記為GR未1、GR未2，經(jīng)甲醇清洗的樣品記為GR已。同時，有孔蟲的腔室是按時間先后依次生長形成的（即初腔室最早形成，末腔室最后形成），為了獲得完整的生長序列的數(shù)據(jù)，對能測得的有孔蟲腔室都進行了測試。用F表示最末一個腔室，F(xiàn)1表示倒數(shù)第二個腔室（圖2a、f），f-a表示最末一個腔室的第一個激光剝蝕位置，f1-a表示倒數(shù)第二個腔室的第一個激光剝蝕位置，f1-b表示倒數(shù)第二個腔室的第二個激光剝蝕位置，依次類推。將同一個激光剝蝕位置上不同深度所有點的Mg/Ca比的平均值用來代表該位置上的Mg/Ca比；同一個體同一腔室上所有激光剝蝕位置的平均Mg/Ca比，代表此個體該腔室的Mg/Ca比；最后，用同一個體所有腔室的Mg/Ca平均值代表該個體的Mg/Ca比值。

測試結(jié)果表明，無論是已清洗的還是未清洗的樣品，G.ruber個體的Mg/Ca比隨測試深度的增加都存在較大變化。Mg/Ca高值均出現(xiàn)在距離腔室的外表面約1 μm的范圍內(nèi)，F(xiàn)腔室的Mg/Ca比較更早形成的腔室的Mg/Ca比低（圖5a——c）。相對已清洗過的G.ruber個體，未清洗的個體具有更高的Mg/Ca比，且變化范圍更大。其中未經(jīng)甲醇清洗GR未1個體的 Mg/Ca 比為 5.16 mmol·mol-1，由早到晚形成的F2、F1和F三個腔室的Mg/Ca比分別為5.93、5.53和4.02 mmol·mol-1；在深度上，f2-a 和 f1-b 的 Mg/Ca比均呈現(xiàn)出兩組先降低后升高的變化（圖5a）。未經(jīng)甲醇清洗的GR未2個體的Mg/Ca比為4.62 mmol·mol-1，由早到晚形成的F2、F1和F三個腔室的Mg/Ca比分別為 4.96、4.91 和 4.00 mmol·mol-1。Mg/Ca 比整體隨測試深度增加而平緩降低，f2-a位置外表面的Mg/Ca 比可高達約 8 mmol·mol-1（圖5b）。經(jīng)甲醇清洗GR已個體的Mg/Ca比值較GR未1和GR未2都要低，為2.66 mmol·mol-1，F(xiàn)2、F1和 F三個腔室的 Mg/Ca比分別為 3.08、2.75 和 2.14 mmol·mol-1。GR已的 f2-a、f-a和f-b位置均可見一個明顯的低Mg/Ca比值層（圖5c）。此外，G.ruber殼體的Sr/Ca比變化較?。▓D5d——f），不同個體間、同一個體不同腔室間及同一位置的不同深度，Sr/Ca比值標準偏差均＜0.15。

圖5 G.ruber的Mg/Ca和Sr/Ca在殼體深度上的變化Fig.5 Variations of Mg/Ca and Sr/Ca ratios of G.ruber in shells depth

N.dutertrei，G.inflata，P.obliquiloculata三個屬種的Sr/Ca變化幅度較小，個體間的變化范圍為1.04～1.16 mmol·mol-1。而同屬種中，已用甲醇清洗與未用甲醇清洗個體之間的Mg/Ca差異較大（圖6）。

為了便于表述，我們將未清洗與已進行清洗的N.dutertrei分別記為ND未和ND已，其余兩屬種同上。結(jié)果表明，ND未和ND已所有腔室的Mg/Ca比均呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，其中F腔室的fa和 f-b 具有最高的 Mg/Ca 比（圖6a、b），Mg/Ca 比分別為 4.65 和 2.23 mmol·mol-1。ND未外表面 1.5 μm處薄層的Mg/Ca比ND已更高，可高達9.74 mmol·mol-1（圖6a中的 f-a）。

G.inflata殼體，不同腔室不同位置Mg/Ca比隨測試深度的增加呈先降低后升高的變化趨勢，GI未和 GI已個體的 Mg/Ca比分別為 1.69和1.50 mmol·mol-1。兩個體中F腔室的Mg/Ca比均高于其他腔室，GI未個體的外表面發(fā)育高Mg/Ca比薄層（圖6c中的f3-a、f3-b、f1-a、f-b）。

P.obliquiloculata不發(fā)育高Mg/Ca比的外表薄層。PO未中f3-a和f3-b的Mg/Ca比先降低后升高，其他位置的Mg/Ca比均隨著測試深度的增加而升高（圖6e、f）。

圖6 N.dutertrei，G.inflata，P.obliquiloculata 的Mg/Ca在殼體深度上的變化Fig.6 Variations of Mg/Ca ratios of N.dutertrei, G.inflata, P.obliquiloculata in shells depth

2.3.2 Al/Ca和 Mn/Ca

測試結(jié)果還顯示，在同一屬種中，利用甲醇清洗過的個體比未進行甲醇清洗過的個體具有更低的平均Al/Ca比。所有個體中，未清洗的GR未1具有最高的 Al/Ca 比（4.12 mmol·mol-1），其 F2 腔室的Al/Ca比高達 7.50mmol·mol-1。而已清洗過的個體GR已、PO已、ND已和GI已的平均Al/Ca比分別為0.09、0.08、0.15、0.09 mmol·mol-1。

相比之下所有個體的平均Mn/Ca比則較低，除GR未1和PO未的平均Mn/Ca比稍高（分別為0.27和0.17 mmol·mol-1），其余各屬種殼體的 Mn/Ca 平均值均低于 0.15 mmol·mol-1（表2）。

表2 各屬種不同腔室的Mn/Ca、Al/Ca平均值Table 2 Average Mn/Ca and Al/Ca values in different chambers of each species

3 討論

3.1 殼體溶解情況

有孔蟲殼體中Mg元素含量分布不均，一般情況下，富Mg方解石溶解度相對較高，導致有孔蟲殼體發(fā)生選擇性溶解[32-33]。一般觀點認為，隨著水深的增加，如無針刺種G.tumida和深水種G.truncatuliboides等有孔蟲中的高Mg/Ca比的方解石組分會優(yōu)先溶解[34-35]。然而，先前也有實驗表明，伴隨高Mg/Ca比方解石組分優(yōu)先損失的同時也可能有低Mg/Ca比方解石的均勻溶解[21]。此外，隨著海水深度和壓力的增加，碳酸鹽組分的溶解度會增大，尤其在碳酸鹽溶躍面附近溶解作用會突然增強，而在碳酸鹽補償深度界面（CCD）以下，鈣質(zhì)有孔蟲殼體基本完全溶解。Sadekov等[22]對浮游有孔蟲G.sacculifer的研究發(fā)現(xiàn)，溶躍面以下的樣品存在明顯的高Mg/Ca比方解石損失，并推測這很可能與富Mg腔室的優(yōu)先溶解有關(guān)。Denkens等[36]通過對大西洋幾個區(qū)域沉積物表層樣的研究發(fā)現(xiàn)，位于溶躍面以下的有孔蟲樣品，其殼體Mg/Ca比也有明顯的下降。因此，隨著水深增加，鈣質(zhì)有孔蟲的殼體會遭到不同程度的溶蝕和破壞[37]。南海的碳酸鹽溶躍面和CCD約為3 000和3 500 m[38]，而本研究中樣品的水深為3 071 m，位于南海的碳酸鹽溶躍面附近，有孔蟲殼體很有可能發(fā)生部分溶解。張江勇等[39]研究發(fā)現(xiàn)，南海北部一些水深大于3 000 m的沉積物表層樣品中也有著較高的有孔蟲殼體豐度，說明在溶躍面附近也同樣存在受溶解作用較小的有孔蟲樣品。但為了避免溶解作用對測試結(jié)果造成影響，我們首先通過觀察超微結(jié)構(gòu)，識別出有孔蟲殼體是否已經(jīng)發(fā)生部分溶解。已有研究表明，有孔蟲的末腔較薄，最易遭受溶解破壞，并且隨著溶蝕程度的增大，有孔蟲的殼孔會變得更寬更深，孔間可能出現(xiàn)裂紋[40,41]，而發(fā)育針刺的有孔蟲，刺根會變小或被剝落[42]。本研究中，SEM圖像顯示有孔蟲的每個腔室都保存完整，殼體表面刺根較為完好，殼孔呈現(xiàn)圓形，且孔間表面光滑未出現(xiàn)裂隙，孔間脊完整（圖2），這表明各屬種殼體沒有被部分溶蝕，樣品保存完好。

不同的清洗方法也會對有孔蟲殼體的Mg/Ca比產(chǎn)生影響[43]。溶液法備樣過程中的“還原清洗”步驟可能會導致有孔蟲碳酸鹽部分發(fā)生溶解，使得有孔蟲整體的Mg/Ca比發(fā)生10 %～15 %的降低[14]。本研究選用LA-ICP-MS進行原位Mg/Ca比分析，避免了還原試劑對測試結(jié)果所造成的影響。

3.2 Mg/Ca比值的影響因素

3.2.1 殼體表面富Mg層

除P.obliquiloculata外，其余屬種在最外層向內(nèi)＜2 μm的位置出現(xiàn)高Mg/Ca比層，其中N.dutertrei表面的Mg/Ca比值最高（圖5——6）。張鵬等[44]通過對表層沉積樣品研究發(fā)現(xiàn)，G.ruber殼體表面具有高Mg/Ca比值，并認為這可能是沉積后成巖作用的污染所致；而拖網(wǎng)所獲取的活體G.ruber殼體表面的高Mg/Ca比可能是生物成因造成的[45]。但是在培養(yǎng)實驗中，未經(jīng)沉積作用的活體有孔蟲G.sacculifer的殼體表面同樣出現(xiàn)Mg元素的富集，這表明有孔蟲自身的生理活動也可以沉淀出富Mg方解石成分[17]。Hathorne等[46]對沉積物捕獲器中G.inflata和G.scitula有孔蟲進行測試，也發(fā)現(xiàn)殼體表層Mg元素含量較高，他們認為這是在垂直沉降過程中，有孔蟲吸附了黏土形成的。本研究結(jié)果表明，經(jīng)甲醇超聲清洗后的有孔蟲殼體表面的Mg/Ca比雖然均有所下降但比值仍較高（圖5c, 6b、 d）。因此，有孔蟲殼體表面的高Mg/Ca比，可能主要與有孔蟲的自身生命活動有關(guān)，但也可能是受到沉積之后污染的影響，這需要在后期的研究中進行驗證。

3.2.2 Mg/Ca比值的海水溫度重建

浮游有孔蟲在生命周期中，會在一定的水深范圍內(nèi)垂向遷移[47]。有孔蟲幼體自深部逐漸向上遷移并繼續(xù)生長，后期會從淺部溫暖的海水中再次向下遷移，并在深冷的海水中進行生殖[45,48-49]。前人研究認為浮游有孔蟲幼體大小在200 μm以下[50]，而本研究中的有孔蟲個體均大于200 μm，因此，本研究中有孔蟲屬于成年個體，最后發(fā)育的腔室反映了其生命后期的生長過程。

深層種G.inflata的鈣化范圍為100～600 m[51]，WOD數(shù) 據(jù) 庫 （World Ocean Databases：www.nodc.noaa.gov）記錄的研究區(qū)100～600 m水深的全年海水溫度范圍為7.2～22.5 °C。我們選取Groeneveld和Chiessi[26]利用G.inflata的Mg/Ca比建立的溫度經(jīng)驗公式，恢復已清洗過的G.inflata個體GI已的F2 和 F 腔室的鈣化溫度分別為 9.1 °C 和 12.3 °C，分布在現(xiàn)代海水溫度范圍內(nèi)。而F1腔室恢復的溫度為7.0 °C，稍低于WOD的記錄溫度，指示了G.inflata可能在更深層水中發(fā)生了鈣化。次表層有孔蟲N.dutertrei和P.obliquiloculata分別主要生活在0～100 m和50～150 m的深度范圍內(nèi)[52]，WOD記錄的全年海水溫度范圍分別為 20.9 ～ 28.8 °C、 17.5～27.2 °C。根據(jù)Huang等[53]的經(jīng)驗公式，已清洗過的N.dutertrei個體ND已的F4至F腔室記錄的溫度分別為 13.9 °C、13.1 °C、11.1 °C、16.8 °C 和 21.6 °C；而已清洗過的P.obliquiloculata個體PO已的F3至F 腔室的鈣化溫度分別為 15 °C、14.2 °C、13.3 °C 和17.6 °C，幾乎均低于實測的海水溫度。導致這個結(jié)果的原因還未知，不過極有可能是由于N.dutertrei和P.obliquiloculata在生長發(fā)育過程中向更深的水中遷移導致的。但是，由于最后形成的F腔室是在溫度最低、深度最大的海水中形成，如果殼體的Mg/Ca比僅是受溫度的制約，那么F腔室的Mg/Ca比記錄的海水溫度應(yīng)低于其余早形成的腔室所記錄的溫度。然而本研究的結(jié)果表明，3個屬種有孔蟲的F腔室的Mg/Ca比記錄的溫度均高于先形成的腔室。因此，有孔蟲殼體的Mg/Ca比還可能受其他因素的制約。

浮游有孔蟲G.ruber在其整個生命周期內(nèi)主要生活在表層0～50 m水深范圍內(nèi)，在其生命末期會在稍深的水中鈣化[54]。WOD數(shù)據(jù)庫記錄的研究區(qū)0～50 m水深范圍內(nèi)的年平均溫度為25.4～26.7 °C，根據(jù)Dekens[36]等建立的溫度公式，清洗后G.ruber殼體GR已的F2、F1和F腔室形成時的海水溫度分別為 26.7 °C、25.5 °C 和 22.7 °C。這說明G.ruber個體可能首先在0～50 m的深度范圍內(nèi)進行了鈣化，形成了F2和F1腔室，隨著其生長發(fā)育的進行，逐漸向更深的水中遷移，導致最后形成的F腔室記錄了更低的溫度。利用f2-a位置的Mg/Ca比恢復的殼體不同深度的溫度具有較大的變化范圍，呈現(xiàn)先降低后升高，最后又降低的變化趨勢，這一方面指示了周圍水體溫度并非均一穩(wěn)定，而是不斷變化的，另一方面也表明可能由其他因素影響了有孔蟲殼體的Mg/Ca比。f2-a位置最外層Mg/Ca比恢復的溫度為29.2 °C，稍高于研究區(qū)實測的夏季最高海水溫度28.8 °C，可能是由于鈣化過程中殼體表面富Mg層的影響（圖7）。

圖7 利用GR已個體f2-a位置的Mg/Ca比值恢復的溫度（Mg/Ca=0.38 exp 0.09[SST-0.61h-1.6]）[40]年平均溫度范圍和夏季最高溫度數(shù)據(jù)來自于WOD數(shù)據(jù)庫；陰影部分為本研究站位0～50 m的年平均溫度范圍。Fig.7 The temperature recovered by Mg/Ca of f2-a of GR已(Mg/Ca=0.38 exp 0.09[SST-0.61h-1.6]) [40]The annual average temperature range and summer maximum temperature data were obtained from the WOD; the shaded part is the annual mean temperature range from 0 to 50 m at this study station.

3.2.3 共生體的影響

有孔蟲常與藻類共生，藻類可以為有孔蟲提供能量來源，并幫助有孔蟲清理代謝物等，如共生藻類可通過光合作用獲取能量，供給宿主有孔蟲蛋白質(zhì)用于自身的生長和繁殖，并促使有孔蟲殼體增強鈣化[1]。這些共生藻類日間的光合作用和夜間的呼吸作用，可改變有孔蟲周圍微環(huán)境的pH：白天，共生藻的光合作用消耗CO2，使得微環(huán)境中的pH升高；相反，在夜間宿主有孔蟲及共生藻的呼吸作用釋放出CO2導致微環(huán)境中的pH降低，最終導致微環(huán)境中的pH產(chǎn)生較大的晝夜變化[55-56]。此外，有孔蟲攝食或代謝等生命活動變化以及呼吸速率的不同也能導致微環(huán)境中pH值發(fā)生明顯的波動[57]。共生種O.universa周圍環(huán)境的pH每增加0.1個單位，Mg/Ca比就會降低約5%～7 %，這將導致O.universa的Mg/Ca比在白天比在夜間更低，從而導致O.universa殼體中出現(xiàn)多組窄的高Mg條帶和寬的低 Mg 條帶[58]。

此外，由于一些有孔蟲在生命活動后期向更深更暗的海水中遷移，共生藻類接受到的光照水平會逐漸降低，藻類的活性也隨之下降，從而導致有孔蟲的Mg/Ca比發(fā)生變化[18]。一些淺水底棲有孔蟲中也發(fā)現(xiàn)有共生體存在，含共生體的底棲有孔蟲與不含共生體的底棲有孔蟲相比，其Mg/Ca比值甚至可高一個數(shù)量級[59]，如淺水底棲有孔蟲O.umbonatus中Mg/Ca比的異常高值便可能是受到共生藻類的光合和呼吸作用的影響[60]。因此，有孔蟲的共生藻類可間接地影響殼體的鈣化，進而影響有孔蟲殼體的Mg/Ca比。

本研究中，G.ruber表面存在的甲藻共生體[61]，會引起晝夜間有孔蟲周圍微環(huán)境 pH 值的變化，從而導致G.ruber殼體中出現(xiàn)了高Mg和低Mg條帶[62]（圖3d）。GR未1的 f2-a、f1-b和GR已的 f2-a、f-a、f-b的Mg/Ca比在深度上也出現(xiàn)高低的變化（圖5a、c），這種變化與前人對G.ruber的研究是一致的，Sadekov等[63]同樣認為這種變化不能僅歸因于鈣化溫度的波動，也與G.ruber的共生藻類的活性有一定關(guān)系。N.dutertrei屬于生活在溫躍層的無刺種有孔蟲，一般認為其屬于非共生種，早前通過對N.dutertrei進行電子探針面掃描測試，認為其同一些非共生種有孔蟲一樣，往往缺乏周期性的窄高Mg條帶，而出現(xiàn)更加寬厚的低高Mg分層[19]。但最近Fehrenbacher等[64]的研究認為，N.dutertrei存在著金藻共生體，通過納米二次離子質(zhì)譜測試（NanoSIMS）呈現(xiàn)出了清晰的高Mg條帶。但在本研究的電子探針面掃描圖像中，N.dutertrei的高Mg條帶并不明顯，并且Mg/Ca比在深度測試上也沒有出現(xiàn)多組高低變化（圖4c2, 圖6a、 b），因此認為在本研究中，其可能受共生體的影響較小或者未受到共生體的影響。P.obliquiloculata和G.inflata屬于非共生有孔蟲，雖然偶爾可見共生體存在于G.inflata殼體表面，但這兩種有孔蟲的殼體均缺乏共生種特有的周期性Mg條帶[19]。因此，共生體對P.obliquiloculata和G.inflata的影響不大。

3.2.4 外部方解石殼的影響

有孔蟲在向深水中遷移或在生命末期釋放配子體時，其外側(cè)常會被包裹一層方解石殼[65]（圖2i,圖4）。這種方解石殼較厚且在整個殼體中占很大比例，如G.sacculifer的方解石外殼可達到整體質(zhì)量的約28 %，而在某些有孔蟲中，這種外殼甚至可達整體的70 %[1]。通常，內(nèi)部層狀方解石晶體細小，但這種外殼中的方解石晶形較為粗大[46]，殼體表面孔隙會被覆蓋（圖2e——g）。此外，由于有孔蟲的這種方解石外殼具有較低的Mg/Ca比，因此會影響整個有孔蟲Mg/Ca比的測定結(jié)果[66]。例如，Bolton和Marr[24]發(fā)現(xiàn)具有外部方解石殼的G.inflata樣品的Mg/Ca比明顯低于不發(fā)育方解石殼的Mg/Ca比。在本研究中，這種低Mg外殼的存在導致N.dutertrei、G.inflata和P.obliquiloculata等有孔蟲的Mg/Ca比由外而內(nèi)均呈升高的趨勢（圖6）。

本研究中G.inflata和N.dutertrei有孔蟲個體末腔（F腔室）的Mg/Ca比明顯高于先前腔室（F1和F2）的值，van Raden等[67]通過對浮游生物拖網(wǎng)和巖芯沉積物中的G.inflata樣品的研究也發(fā)現(xiàn)，其F腔室的Mg/Ca比較F2和F1腔室的Mg/Ca比更高，并且這種差異可以達35 %。已有的研究表明，隨著腔室由老到新，G.inflata和N.dutertrei的方解石外殼厚度逐漸變薄，末腔甚至不再發(fā)育方解石外殼[24,68]，這可能是導致G.inflata和N.dutertrei中F腔室的Mg/Ca比較高的原因（圖6a——d）。與G.inflata和N.dutertrei不同的是，P.obliquiloculata光滑的外部方解石殼可能是在末腔形成之后形成的，同時覆蓋在了所有腔室的表面[66]，因此隨著深度增加，P.obliquiloculata各腔室均出現(xiàn)一段低Mg/Ca比（圖6e、 f）。而G.ruber一般不發(fā)育典型的方解石外殼[65,69]，隨著G.ruber向更深的水中遷移并伴隨著共生體的消失，F(xiàn)腔室的Mg/Ca比較F1和F2更低（圖5a——c）。

3.2.5 有孔蟲自身生理過程和個體發(fā)育的影響

有孔蟲的不同屬種、同一屬種不同個體、同一個體不同生長階段的生理過程不同，導致殼體形成過程中對海水中元素的吸收也存在差異，這種差異被稱作“生命效應(yīng)”[70]。生命效應(yīng)主要包括有孔蟲自身生理過程、個體發(fā)育、共生體影響等方面，會導致有孔蟲殼體的微量元素和同位素組成發(fā)生變化[71-72]。除共生體的影響外，有孔蟲自身生理過程和個體發(fā)育對有孔蟲殼體內(nèi)的Mg/Ca比也有重要影響。非共生種G.bulloides的實驗室恒溫培養(yǎng)結(jié)果表明，在25 °C的條件下其殼體的Mg/Ca比存在約2.3 mmol·mol-1的變化，很可能與有孔蟲自身的內(nèi)部調(diào)節(jié)有關(guān)[73]。在鈣化的過程中，有孔蟲自身生理過程參與始終，而不同礦化機制決定了鈣化液的來源[74]。海水中的Mg2+和Ca2+離子通過跨膜運輸或海水液化泡的方式進入有孔蟲體內(nèi)，并通過控制離子的泵出對鈣化液中各離子濃度進行嚴格控制，進而調(diào)控著殼體鈣化的開啟和關(guān)閉，使有孔蟲殼體的Mg/Ca比遠低于海水中的Mg/Ca比[75]。有孔蟲腔室壁呈雙層結(jié)構(gòu)，在一個新的腔室形成時，方解石在有機膜兩側(cè)開始沉淀，并且附近往往有較高的Mg/Ca比，Erez[76]認為這種高Mg方解石來源于富Mg礦物顆粒，并且與有機層結(jié)合緊密，而低Mg方解石是從海水中吸收進而沉淀到有機層的外側(cè)，因此殼體內(nèi)部的Mg/Ca不均勻分布可能是由于生物礦化機制的不同造成的。前人的研究表明P.obliquiloculata和G.inflata中的高Mg/Ca比部分與有機成分相關(guān)[20,46]，而在本研究對G.inflata和P.obliquiloculata進行的電子探針面掃描測試中，殼壁的中部和最內(nèi)層同樣顯示了兩條清晰的高Mg條帶（圖4a2、 b2）。因此認為，本研究中這兩種有孔蟲出現(xiàn)的高Mg條帶，很可能是其自身生理過程的調(diào)節(jié)引起的。

對于同屬種不同有孔蟲個體之間Mg/Ca比的差異也有諸多影響因素。尤其在利用Mg/Ca比進行海水溫度重建時，需要選擇盡可能多的個體來避免季節(jié)效應(yīng)對測試產(chǎn)生的誤差[77]。同一屬種不同基因型的有孔蟲也能造成δ18O和Mg/Ca比的明顯差異，如：G.rubersensu stricto (s.s.)和G.rubersensu lato(s.l.)具有不同的Mg/Ca、δ18O和δ13C，且利用這兩種形態(tài)的G.ruber恢復的溫度差異可高達5 °C[63,78-79]。但也有研究認為，不同形態(tài)的有孔蟲對δ18O和Mg/Ca比沒有十分顯著的影響[30,57,80]。目前，大家還未有統(tǒng)一的結(jié)論，還需要進一步研究，但本研究選擇的3個G.ruber個體，均屬于G.rubers.s.形態(tài)，因此認為不存在由于形態(tài)差異導致的個體間測試結(jié)果的不同。此外，不同發(fā)育階段的有孔蟲也會產(chǎn)生不同的Mg/Ca比，如3個腔室的G.inflata個體會比4個腔室的個體具有更高的Mg/Ca比，其差值可高達 1 mmol·mol-1[46]。在本研究選擇的G.inflata中，GI未發(fā)育4個腔室，GI已發(fā)育3個腔室，兩個體的平均 Mg/Ca 比相差較?。?.19 mmol·mol-1），但由于兩個體的清洗條件不同，因此自身生長差異對G.inflata殼體Mg/Ca比值的影響還需更多的個體來論證。有孔蟲殼體的大小同樣對Mg/Ca結(jié)果具有影響，Elderfield等[81]通過對17種有孔蟲的測試，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)有孔蟲隨著個體大小的增大Mg/Ca比升高，并認為這可能是不同大小個體鈣化率的不同導致的；Friedrich等[82]的實驗也表明大多數(shù)有孔蟲隨著個體的減小其Mg/Ca比隨之下降，可能與其配子成因方解石殼占比較大有關(guān)。隨著有孔蟲個體的增大，其表面共生體的密度也隨之增加，也會進一步導致不同個體微環(huán)境的改變[83-84]。在本研究中，我們挑選的同屬種的有孔蟲個體均在相近的大小范圍內(nèi)，不同個體間Mg/Ca比的差異受個體大小變化的影響較小。綜上，在進行有孔蟲的挑選時，要盡量選擇大小和形態(tài)一致的有孔蟲個體，避免使測試結(jié)果產(chǎn)生偏差。

3.2.6 污染相的影響

有孔蟲在海底被沉積物埋藏之后的成巖作用過程中，其表面會沉淀其他礦物，污染有孔蟲殼體的Mg/Ca比。這些污染組分可能來自吸附的黏土顆粒、沉淀的Fe-Mn氧化物和富Mn碳酸鹽等[85]，污染組分會改變有孔蟲殼體的整體Mg/Ca比，甚至出現(xiàn)異常高值[14]。富Mn的污染組分非常常見，尤其在海底熱液和上升流發(fā)育的地區(qū)，大量生物成因有機碳會耗盡沉積物和水界面附近的氧氣，在這種還原條件下形成了富Mn碳酸鹽沉淀，最終導致有孔蟲殼體中富含Mn元素[86]。這些富Mn的污染更易進入表面多孔且孔隙的穿透性更強的有孔蟲屬種的內(nèi)部，如G.ruber[31]。應(yīng)用LA-ICP-MS進行測試時，由于束斑的直徑遠大于有孔蟲表面孔隙，所以測試中很可能包含了這些孔內(nèi)的污染組分。因此，在測試之前，最好先去除這些污染相。機械清洗過程可以去除一部分與有孔蟲方解石結(jié)合較弱的污染組分，而還原清洗則可以更好地去除Mn的氧化物，但不能有效去除富Mn的碳酸鹽[31,87]。因此，即便使用更為繁瑣、復雜的清洗步驟，可能也無法完全去除污染組分的影響。不過，相對溶液法，LA-ICP-MS分析可以更為直觀地評估測試結(jié)果受到污染組分改造的程度。此外，在測試之前進行3～5個脈沖的預剝蝕，也可以有效地除去有孔蟲表面污染組分的影響[63]。

測試中，Al元素的含量常用來指示有孔蟲表面黏土顆粒的污染，而Mn元素的含量則可以指示富Mn碳酸鹽、Mn的氧化物和氫氧化物的污染程度[30,88]。本研究中，各屬種殼體的Mn/Ca比值均較低（表2），除 Gr1未和 Po已（r2=0.67；r2=0.73）外，其余有孔蟲Mn/Ca與Mg/Ca的相關(guān)性均較差（r2≤0.5），表明有孔蟲樣品沒有受到嚴重的富Mn礦物的污染，或者是樣品的清洗已去除了部分Mn的污染。此外，LA-ICP-MS測試結(jié)果表明，未經(jīng)過甲醇清洗的有孔蟲個體具有更高的Mg/Ca比值。其中，未清洗的 GR未1（5.16 mmol·mol-1）和 GR未2（4.62 mmol·mol-1）比清洗的 GR已（2.66 mmol·mol-1）的 Mg/Ca 比更高，其差值分別為2.50和1.96 mmol·mol-1，而在P.obliquiloculata和N.dutertrei中差值分別為2.01和1.35 mmol·mol-1，這可能與殼體表面吸附的黏土礦物有關(guān)。在本研究中，G.ruber比其他屬種的有孔蟲受到污染更多，比如未清洗的GR未1受黏土污染最為嚴重，整體Al/Ca平均值高達4.1 mmol·mol-1。已清洗過的GR已與未清洗的GR未1相比，其Al/Ca值為0.09 mmol·mol-1，降低了 98 % 之多（圖8）。雖然不同個體的Mg/Ca比值的不同可能是受到其自身生理差異的影響，但前人的研究結(jié)果表明，使用甲醇溶液超聲清洗過的O.universa具有更低的Mg/Ca比[89]。因此，即使應(yīng)用原位分析法，也需要對有孔蟲樣品進行多次甲醇超聲處理，以除去黏土礦物對測試結(jié)果的影響。其次，在挑選樣品時，也要選擇表面干凈的樣品，并且在最終處理數(shù)據(jù)時要注意剔除污染部分，降低污染對Mg/Ca結(jié)果的干擾。

圖8 G.ruber不同分析位置的Al/Ca、Mn/Ca平均值紅色符號為Al/Ca比值，藍色符號為Mn/Ca。Fig.8 Mean values of Al/Ca and Mn/Ca at different analysis positions of G.ruberThe red symbol is Al/Ca ratios and the blue symbol is Mn/Ca ratios.

4 結(jié)論

（1）通過SEM對來自南海東北部DZ5站位表層沉積物中的浮游有孔蟲觀察發(fā)現(xiàn)，其殼體保存較好，認為可以很好地記錄環(huán)境中的地球化學信息。利用EPMA和LA-ICP-MS測試對4種浮游有孔蟲G.ruber、N.dutertrei、P.obliquiloculata和G.inflata進行了原位微區(qū)分析，結(jié)果顯示Mg/Ca比值均存在較大的變化。

（2）利用Mg/Ca比與溫度方程進行海水溫度恢復發(fā)現(xiàn)，除海水溫度外，可能存在其他因素影響了有孔蟲殼體的Mg/Ca比。對于共生種G.ruber，殼體表面的共生藻類會影響其殼體的Mg/Ca比。而N.dutertrei、P.obliquiloculata和G.inflata殼體的Mg/Ca比在深度上以及不同腔室間的變化，則可能受到殼體外部低Mg方解石殼的制約，有孔蟲自身礦化過程可能影響了P.obliquiloculata和G.inflata殼體有機層附近高Mg分布。此外，個體發(fā)育情況也會使殼體的Mg/Ca比產(chǎn)生差異。

（3）將同屬種進行甲醇清洗與未進行的個體之間進行對比，結(jié)果表明，污染相的存在會導致Mg/Ca測試結(jié)果偏高，使用甲醇對樣品進行超聲清洗并結(jié)合LA-ICP-MS測試可以獲得較好的Mg/Ca比結(jié)果。

致謝：感謝中國海洋大學海底科學與探測技術(shù)教育部重點實驗室張洋老師協(xié)助進行有孔蟲的LA-ICP-MS測試，感謝中國科學技術(shù)大學中國科學院殼幔物質(zhì)與環(huán)境重點實驗室張少兵老師、李萬財老師以及夏梅老師在樣品測試過程中給予的指導和幫助，感謝評審專家提出的寶貴意見。