过去2000年西沙群岛生态环境对气候变化和人类活动的响应

摘要

全球变暖对于生态系统的诸多方面都具有显著的影响，近年来该方面的研究逐渐受到了越来越多的关注。但是，到目前为止，气候变化是通过何种途径来对生物和环境产生影响的尚不清楚。理解过去才能更好的预测未来，研究历史时期的生态和气候演化过程对于预测未来的生态环境变化必不可少。海鸟频繁活动于海洋和海岛之间，其生物遗迹是研究历史时期生态环境对气候变化响应的理想载体。西沙群岛是我国著名的鸟岛，我们对其进行了野外考察，并从五个小岛（甘泉岛、广金岛、晋卿岛、金银岛和琛航岛）上采集了粪土沉积柱样（编号分别为GQ、GJ3、JQ、JY2和CH）。这些沉积物中有大量保存完好的海鸟遗迹（如骨骼、蛋壳、鸟粪等），通过对这些生物遗迹和全粪土沉积样品的元素地球化学、同位素地球化学和生物地球化学分析，我们从历史的角度对这些岛屿生态系统的演化过程进行了深入讨论，主要的发现点阐述如下。
　　 1.环境核素和年代序列建立
　　 通过对鸟粪土沉积物全岩样品中一些自然和人造放射性核素（包括210Pb、226Ra、137Cs等）的活度分析，我们发现210Pb定年技术可以应用于西沙群岛富含鸟粪的珊瑚砂质沉积物。并分别用常量初始浓度(CIC)模式和恒定初给速率(CRS)模式计算了几个小岛表层沉积物的210Pb年龄。计算所得到的几个岛屿的210Pb平均大气沉降通量为126Bqm-2a-1，与北半球的平均值（125Bqm-2a-1）非常接近，137Cs沉降通量比较小。通过鸟粪颗粒与粪土全岩样品中过剩210Pb的放射性活度分析，我们识别出西沙珊瑚砂粪土沉积物中的过剩210Pb主要来自于大气沉降。鸟粪并不是其主要的来源，海鸟活动并未对核素的蓄积量产生明显影响，沉积物中来自鸟粪和植物残体的有机物在核素滞留方面起了很重要的作用。在210Pb定年的基础上，我们也分析了沉积剖面中保存完好的鸟骨遗迹的AMS14C定年。五根沉积柱的年代序列由表层沉积物的210Pb年龄与底部鸟骨14C年龄共同建立，年龄模式显示沉积柱中最底部的样品其年龄超过2000年。
　　 2.鸟粪土沉积物的元素地球化学性质及其环境意义的识别
　　 西沙GQ、GJ3、JQ和JY2沉积柱中粪土沉积的元素地球化学分析表明，四个沉积剖而有机质和无机元素含量分别在11cm、15cm、7cm和12cm深度处出现较大变化，反映沉积物质米源组成发生了显著变化。这种迅速变化反映了两沙群岛沉积物在次表层由珊瑚砂-鸟粪二元体系转化为珊瑚砂-鸟粪-腐殖质二元体系，暗示了海鸟登陆各个岛屿的时间要明显早于植被的发育。Cu、Zn、Cd、P、Ba、As、Se等7种元素组合是整个西沙群岛海鸟粪土沉积层的生物地球化学组合的标型特征，其含量主要受控于海鸟粪的输入。海鸟活动和植被发育改造了沉积物的结构，对生态系统的发育起着积极的作用。四个剖面无机元素含量综合分析结果表明，物源的组成（即海鸟粪、珊瑚砂和植物腐殖质相对比例）是控制西沙群岛海鸟粪土沉积剖面中元素地球化学特征的主要因素，海鸟活动对生态系统的发育起着核心的作用。
　　 3.过去2000年海鸟数量恢复及其变化原因分析
　　 利用沉积物全样中海鸟标型元素含量和近红外光谱学分析，我们恢复了西沙群岛过去2000年的海鸟数量变化记录。结果显示，不同岛屿上的海鸟数量变化记录具有相当的一致性。在小冰期时(1400-1850AD)，西沙各岛的海鸟数量达到最高水平，并维持长达几百年的时间，这说明相对凉爽的气候条件更适合西沙群岛地区的海鸟繁衍。其可能的机制为：在比较冷的时期，较低的SST和较强的东亚冬季风使得海水的混合作用加强，海洋底部的营养物质传输至海洋表层；此外，较强的东亚冬季风也会携带富含营养物质的粉尘到达南海，这会使得海洋初级生产力增加，海鸟的食物（如鱼类）丰度也相对较高，最终促成了海鸟数量的增加。此外，根据对骨胶原C、N稳定同位素的分析，我们发现在海鸟数量较多时，其营养级也较高，这可能与海鸟的种内和种间竞争有关。在较冷时期，海洋生产力较高，海鸟数量较多，海洋单位面积上的食物载荷加大；种内和种间竞争可能迫使海鸟潜水更深、或飞行到更远的地方去觅食。最近150年海鸟数量的迅速下降可能主要与人类活动有关，过去150年人类活动已经超过了气候条件对海鸟数量的影响。
　　 4.千年级尺度南海海洋生产力的恢复
　　 根据对西沙各岛古鸟粪中的微量元素的分析，我们识别出鸟粪中的Cd可作为指示西沙附近海域海洋初级生产力的指标。在此基础上，我们恢复了南海西沙海域过去1000年的海洋初级生产力变化，结果显示在较为寒冷的小冰期，海洋生产力相对较高，与海鸟数量记录基本一致，这进一步加深了我们对海鸟数量变化机制的认识。结合东亚季风的记录，我们发现东亚冬季风可能是控制南海西沙附近海域海洋生产力和生物有效性的限制性因子。在寒冷的小冰期，东亚冬季风较强，这会促进上下层海水的混合和海洋底部营养物质的循环，促进海洋表层浮游植物的发育；同时冬季风携带的粉尘中含有大量营养元素对生产力的增加也会产生促进作用。在千年级时间尺度上，太阳辐射的变化可能是南海西沙群岛地区海鸟生态的最终控制要素。
　　 5.西沙海鸟粪土层中人类活动的记录
　　 GJ3沉积剖而中有大量保存完好的鸟蛋壳，这些蛋壳中Hg的含量反映了海洋环境中的大气Hg沉降：此外，利用GJ3、JQ和JY2沉积柱全岩样品，我们也计算了过去700年的大气Hg沉降，所得到的记录与蛋壳Hg的记录基本一致。过去700年，环境中的Hg与人类活动密切相关，如中国明朝永乐年间的冶金活动、对欧洲和美洲的开发和第二次世界大战等都可以在我们的数据中找到相应的记录。此外，Hq的沉降记录也反映了20世纪70年代以后全球Hg的生产重心由欧洲和美洲向亚洲地区的转移。这三个沉积剖面过去400年的黑碳(BC)沉降记录也较为相似，其在20世纪以前保持在相对低的水平，在1900AD年以后开始迅速上升，并在20世纪70年代达到峰值。最近几十年BC的沉降通量逐渐降低，这可能反映了南海周边地区能源结构的变化和污染控制技术的进步。
　　 6.鸟粪中古DNA的提取
　　 我们尝试了从古鸟粪颗粒中提取DNA分子，结果显示西沙鸟粪中确实含有DNA，但其含量非常低，这说明鸟粪颗粒中的DNA严重降解。PCR分析表明，提取到的短片段DNA存在被成功扩增的可能性。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1.1 生态地质学研究进展

1.2 过去2000年气候变化的研究

1.3 生物传输作用的研究

1.4 历史时期海鸟种群数量动态的研究

1.5 海鸟古食谱(捕食行为)的研究

1.6 南海古海洋环境研究

1.7 南海珊瑚岛屿的生态研究

参考文献

第2章 研究内容与研究方法

2.1 研究背景与研究意义

2.2 研究目标

2.3 研究内容

2.4 研究方法

参考文献

第3章 研究区域与样品采集

3.1 南海概况

3.2 西沙群岛概况

3.3 样品采集

3.4 样品前处理

3.5 分析方法

参考文献

第4章 放射性核素的环境特征和年代学意义

4.1 210Pb-137Cs高分辨率定年在西沙群岛的应用

4.2 14C年代学与代表性沉积剖面的年代学建立

参考文献

第5章 西沙群岛粪土层沉积物元素地球化学特征及环境意义

5.1 西沙各岛粪土层沉积物物源组成的变化过程

5.2 粪土层沉积物中海鸟标型元素的识别

5.3 海鸟活动和植被发育对沉积物特性的改造

参考文献

第6章 过去2200年甘泉岛海鸟数量恢复

6.1 过去2200年甘泉岛海鸟数量变化记录重建

6.2 西沙群岛海鸟生态演化规律

6.3 小结

参考文献

第7章 过去1000年海鸟数量变化原因分析

7.1 反射光谱:恢复海鸟数量的新方法

7.2 海鸟数量变化原因分析

7.3 小结

参考文献

第8章 过去2000年西沙海鸟食谱的同位素记录

8.1 稳定同位素生态学简介

8.2 骨胶原样品C、N稳定同位素分析方法

8.3 广金岛、晋卿岛过去1000年海鸟食谱记录

8.4 甘泉岛过去2000年海鸟食谱记录

8.5 小结

参考文献

第9章 西沙附近海域过去1000年海洋生产力记录恢复

9.1 背景介绍

9.2 鸟粪颗粒中的Cd含量及其环境意义

9.3 太阳活动、东亚季风、海洋生产力和海鸟数量之间的潜在关联

9.4 小结

参考文献

第10章 人类活动在西沙群岛海鸟粪土层中的记录

10.1 广金岛蛋壳中700年Hg记录

10.2 中国南海永乐群岛海鸟粪土沉积层中Hg沉降记录

10.3 西沙永乐群岛近400年来黑碳沉降记录及环境意义

参考文献

第11章 提取鸟粪颗粒古DNA分子的初步研究

11.1 气候变化与生物进化

11.2 古DNA研究

11.3 西沙鸟粪颗粒中古DNA的提取

参考文献

结论

致谢

在读期间发表的论文与其它研究成果