（地球化学专业论文）南海珊瑚的古环境研究.pdf

摘要 、f 弋我国很多地区的环境气候变化一方面受全球变化的总体格局的影响，另一方 面又因所处的地理位置而存在着区域气候特征。正确地认识我国不同地区古环境 变化的机制，对于准确预测全球和我国未来环境演变的趋势，具有重要的科学和 现实意义。 南海是半封闭型边缘海，又是热带海区，具备古海洋学研究得天独后的条件， 为中外学者所注目。同时南海是我国南方大陆降水的主要水汽源地、东亚季风的 主要活动地区之一、受到厄尔尼诺一南方涛动( e ln i f f o - - s o u t h e r no s c i l l a t i o n ， e n s o ) 事件的强烈影响，是研究环境变化的理想海区。 关于海洋方面的研究有很多方面，其中有关珊瑚的研究尤为突出。南海大部 分地区位于热带、亚热带季风区，珊瑚礁星罗棋布，成为天然的巨大信息库。与 其它地质环境信息载体相比，珊瑚具有以下研究优势：分布广泛、时间跨度较大、 记录连续完整、体系封闭性好、蕴含信息丰富、可选择的代用指标众多、易高精 度地确定时标、对比性强。 造礁珊瑚的生长率、钙化率，还有珊瑚骨骼中所含的有机物、元素和同位素 等，都可以示踪热带海洋环境的气候变化。找出珊瑚骨骼中的这些气候环境的代 用指标规律，重建过去环 预测未来环境演化趋势， 本论文重点探索珊瑚 变化，并对环境变化趋势做出初步的预测。本论文的研究结果： 1 珊瑚黄绿荧光与周边河流径流量的相关性。根据现有的气象资料，对1 9 8 2 至1 9 9 7 年以来的荧光测定数据进行了分析，得出了雨量计：y = ( 4 5 3 5x 0 9 6 ) + ( 8 8 9 2 3 0 ) ，相关系数r 为0 8 ，其中y 为降雨量，x 为珊瑚的荧光强度 2 用显微光密度计测得的密度值，计算了珊瑚生长率和钙化率，讨论了海表 面温度( s s t ) 和厄尔尼诺一南方涛动事件相关性。 通过对样品h n d 6 和h n d 7 的分析，得出生长率拟合s s t 温度计为： s s t = ( o 2 4 5 0 0 1 9 ) e + ( 2 3 0 8 0 2 2 ) ( h n d 6 ，) ，相关系数r = o 9 1 ； s s t = ( 0 2 1 2 0 0 1 8 ) e + ( 2 3 4 5 0 2 0 ) ( h n d 7 ，) ，相关系数r - - o 9 0 。 钙化率拟合的s s t 温度计为： 中国科学技术大学硕士学位论文 摘要南海珊瑚的古环境研究2 s s t = ( 0 2 9 1 0 0 3 2 ) c + ( 2 3 4 9 0 2 6 ) ( h n d 6 ，) ，相关系数r = 0 8 5 ； s s t = ( 0 2 2 6 0 0 2 1 ) c + ( 2 3 7 3 0 2 0 ) ( h n d 7 ，) ，线关系数r = 0 8 7 。 在上述温度计中e 指生长率，c 指钙化率 用最大熵法对生长率、钙化率和e n s o 事件进行分析，我们找到了2 3 年、 l o 年左右的周期，同时也找到了东亚季风对南海气候影响的证据。 关键词t 珊瑚荧光钙化率生长率海表面温度厄尔尼诺一南方涛动 a b s t r a c t i no n ea s p e c t m a n yd i s t r i c t so fc h i n aa r ea f f e c t e db yt h eg l o b a le n v i r o n m e n t a l c h a n g e o nt h eo t h e rh a n d t h e yh a v es o m e1 0 c a l c h a r a c t e r st o ob e c a u s eo ft h e i r s p e c i a lg e o g r a p h i cl o c a t i o n s o ，i ft h em e c h a n i s m f o rp a l e o e n v i r o n m e n t a lc h a n g ei n d i 毹r e n td i s t r i c to fc h i n ac a nb eu n d e r s t o o d ，i tw i l lb e n e f i tt ot h ep r e d i c t i o n so f f u t u r e e n v i r o n m e n t a lc h a n g ef o rb o t hc h i n aa n dt h ew o r l d s o u t hc h i n ao c e a n ，a sas e m i - c l o s e de d g eo c e a na n dt h eo n l yt r o p i co c e a na r e a o fc h i n a ，i sp r o v i d e dw i t hp a l e o o c e a n o g r a p h yr e s e a r c hq u a l i f i c a t i o n ，o b s e r v e db y c h i n e s ea n df o r e i g nc o u n t r i e ss c h o l a r s s o u t hc h i n ao c e a n sa d v a n t a g e ，a so n eo ft h e i d e a lo c e a na r e a sf o r r e s e a r c h i n g e n v i r o n m e n t a l c h a n g e r e p r e s e n t s t h es e v e r a l f o l l o w i n ga s p e c t s ：t h ep r i m a r yw a t e rv a p o r s o u r c eo fp r e c i p i t a t i o no ft h es o u t h c o n t i n e n to fc h i n a ；o n eo ft h em o n s o o na c t i v er e g i o n s ；o n eo ft h ei n t e n s ea f f e c t e d r e g i o n so f e ln i f i o s o u t h e mo s c i l l a t i o ne v e n t s ：t h er e g i o nd e r i v e df r o mw e s t e r n p a c i f i co c e a nw a r m p 0 0 1 a m o n gt h em a n yr e s e a r c ha s p e c t sa b o u to c e a n t h er e s e a r c ha b o u tc o r a l i s o u t s t a n d i n g m o s tr e g i o n so fs o u t hc h i n ao c e a nl o c a t et r o p i cm o n s o o nr e g i o nh a s r i c hp a l e o e n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o nc a r r i e r s c o r a l m a n ys c h o l a r sh a v ed o n eal o t w o r ki nt h ep a s t c o m p a r e dw i t ho t h e rp a l e o e n v i r o n m e n t a lc a r r i e r s c o r a lh a st h e f o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：i th a sav e r yw i d ed i s t r i b u t i o n i th a sal o n gt i m es c a l e i t s r e c o r d i n gi sc o n t i n u o u sa n dc o m p l e t e d ，i t ss y s t e mi sc l o s e d i th a s1 0 t si n f o r m a t i o n a b o u te n v i r o n m e n t a n di tc a nb e p r e c i s et i m e d t o o s o m em a s sc o r a l se n v i r o n m e n t a lp r o x i e s ，s u c ha se x t e n s i o nr a t e ，c a l c i f i c a t i o n r a t e ，t h eo r g a n i cc o m p o u n d a b s o r b e db yc o r a l ，t h ee l e m e n t sa n d i s o t o p e sa b s o r b e db y c o r a l a l lc a nt r a c ec l i m a t ec h a n g e so f t r o p i co c e a n i fw eu n d e r s t a n dt h e s e ”c o d e s ” i nc o r a ls k e l e t o n ，w ec a nr e c o n s t r u c tt h ep a s te n v i r o n m e n t ，e s t i m a t ep r e s e n th u m a n l i v i n ge n v i r o n m e n t a n df o r e c a s td e v e l o p m e n t a lt r e n do f e n v i r o n m e n t t h i st h e s i si s s t u d y i n gt h o s e “c o d e s ”i nc o r a l sy e l l o w g r e e nf l u o r e s c e n tb a n d e x t e n s i o nr a t ea n dc a l c i f i c a t i o nr a t e w ja l s oa r g u et h a th o wt ou s et h er u l eo rc l u e f o u n di nt h e s e c o d e s ”t or e c o n s t r u c tp a l e o e n v i r o n m e n t a lr e c o r d si ns o u t hc h i n as e a e x p l a i nt h ee n v i r o n m e n tp h e n o m e n o nt o d a ya n dp r e d i c tt h et r e n do fc l i m a t e t h e m a j o r r e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： n ) t h ei n t e n s i t yo fy e l l o w - g r e e nf l u o r e s c e n tb a n dc o r r e s p o n d st ol o c a lr a i n f a u f r o m1 9 8 2t o1 9 9 7 w eg e tt h el i n e a rf o r m u l ab e t w e e nc o r a lf l u o r e s c e n tb a n d i n t e n s i t y a n dp r e c i p i t a t i o n y = f 4 5 3 5 士0 9 8 ) x + ( 8 8 9 士2 3 0 ) ，r = o 8 h e r eym e a n sa n n u a l p r e c i p i t a t i o n ；xi sa n n u a lf l u o r e s c e n tb a n di n t e n s i t y ( 2 ) i m a g ed e n s i t y v a l u e so fx r a y n e g a t i v ep h o t o g r a p h o fc o r a ls k e l e t o n m e a s u r e db yt h em i c r o d e n s i t o m e t e rc a nb eu s e dt or e s e a r c hs e as u r f a c et e m p e r a t u r e ( s s t ) i ns o u t h c h i n ao c e a na n de ln i f i o - - s o u t h e r n0 s c i l l a t i o n ( e n s o ) e v e n t s w e f i n dt h et h e r m o m e t e r so fs s t 疗o mt 1 1 ed a t ao fe x t e n s i o nr a t eo f s a m p l e sh n d 6a n d h n d 7 ：s s t _ ( o 2 4 5 2 士o 0 1 9 ) x e + ( 2 3 0 8 3 士0 2 2 ) ( h n d 6 ，) ，r = 0 9 1 ；s s t - ( 0 2 1 2 4 4 - o 0 1 8 ) x e + ( 2 3 4 5 4 士0 2 0 ) ( h n d 7 ，) ，r = 0 9 0 w ea l s of i n dt h et h e r m o m e t e r so fs s tf r o m 中国科学技术大学磺士学位论文 a b s t r a c t南海疆瑚的古环境研究4 t h ed a t ao fc a l c i f i c a t i o nr a t eo f s a m p l e s i - i n d 6a n dh n d 7 ：s s t = ( o 2 9 1 2 ：t ：0 0 3 2 ) x c + ( 2 3 4 9 0 0 2 6 ) ( h n d 6 ，) ，r = 0 8 5 ；s s t = ( 0 2 2 6 4 士0 0 2 1 ) x c + ( 2 3 7 2 6 士0 2 0 ) ( h n d 7 ，) ，r = 0 8 7 em e a n s e x t e n s i o nr a t e ，cm e a n sc a l c i f i c a t i o nr a t e w e a n a l y z e de n s 0e v e n t s ，c a l c i f i c a t i o nr a t ea n de x t e n s i o nr a t eb ym a xe n t r o p y m e a n s f o r t u n a t e l yw ef i n dt h ep e r i o d so f 2 3y e a r sa n dd e c a d a ly e a r s w ea l s of i n d t h ei n f l u e n c eo fe a s ta s i am o n s o o n k e yw o r d s ： f l u o r e s c e n t b a n d ，e x t e n s i o nr a t e ，c a l c i f i c a t i o nr a t e ，s e as u r f a c e t e m p e r a t u r e ，e l n i f i o - - s o u t h e r no s c i l l a t i o n 1 。珊瑚的研究优势 前言 环境问题是当今人们关心的热点。环境总是不断地演变发展的，预知未来的 环境状况，必须要知道其过去的历史，尤其是与今天环境息息相关的第四纪历史。 第四纪古环境重建，不仅是目前地学领域的最热门研究课题之一，而且已成为研 究全球变迁，科学地评估人类目前的生存环境和准确预测其未来演化趋势的重要 根据。这一领域有许许多多有争议的重大问题亟待解决：比如最后间冰期的起止 时间和启动机制问题，气候剧变事件的发生时间和成因，海一气的互动规律以及 e n s o 事件、亚洲季风等活动的规律。这些重大问题的解决，都需要建立过去气 候环境指标的高分辨率记录，以便重建古气候、古环境。要建立过去多种气候环 境指标的高分辨率记录，必须选择很好的信息载体。活体珊瑚广泛应用于过去 1 0 0 0 2 0 0 0 年，特别是过去5 0 0 年的高精度高分辨率的热带海洋表层温度计、雨量 计等等研究。从珊瑚中提取的环境代用指标，往往可以达到高分辨率( 年或月的 分辨) ，而准确的时间定位，对于古环境研究是非常重要的。珊瑚由于有独特的生 物学和生态学特性，可以记录过去环境演变史，因此成为研究热带海洋环境的理 想信息载体，倍受环境研究的科学工作者的关注。 2 研究思路与内容 本文以南海珊瑚荧光与钙化率分析和古环境研究为主要内容，以南海造礁珊 瑚作为研究对象，结合具体的实验条件，从珊瑚中提取反映环境因素的示踪代用 指标，高精度和高分辨率地重建过去的环境记录，并寻找变化规律。本论文重点 探索珊瑚的黄绿荧光、生长率和钙化率的环境意义，解释古环境的变化，并对环 境变化趋势做出初步的预测。 1 用激光诱发海南岛万泉河口附近生长的珊瑚骨骼中有机物发光，建立珊瑚 的荧光雨量计，用来示踪海南岛东部的降水，以及探索我国南方干旱和洪涝的制 约因素。 2 用显微光密度仪在珊瑚的x 射线负片上沿生长轴自动读取影像密度值，用 影像密度值替代珊瑚骨骼的密度值，获得珊瑚的生长率和钙化率的信息，并用年 生长率和年钙化率重建南海边缘海区的s s t 序列，同时对e n s o 事件的规律进行 探讨。 3 。研究目的与意义 南海是中国的热带海洋，也是西太平洋暖池的西部重要延伸。近年的大量研 究表明，热带海洋，特别是“西太平洋暖池”对全球环境变化，尤其是全球灾害 气候的形成，有极其重要的影响。南海广泛分布的造礁珊瑚和珊瑚礁，年生长率 为1 0 m m 左右，这为古环境研究提供了丰富的热带海洋环境材料。无论是造礁珊 瑚骨骼的生长率、钙化率，还是珊瑚骨骼中所含的有机物、元素和同位素等，都 可以示踪热带海洋环境的要素变化。正确分析这些自然界中蕴含的信息，就可以 重建过去的古环境，为研究全球变化，科学地评估人类目前的生存环境和准确预 测其未来演化趋势提供重要的科学依据。 第一章珊瑚古环境研究现状及意义 热带海洋作为全球气候和环境变化的一个重要影响因素，一直受到国际海 洋科学界的重视。国际上多项重大研究计划均以热带海洋研究为主。热带海洋全 球大气计划( t o g a ) 、世界大洋环流试验( w o c e ) 和国际科联( i c s u ) 组织的国际 地圈与生物圈计划( i g b p ) 等国际重大研究计划及古全球变化( p a g e s ) 科学指 导委员会( s s c ) 研究的2 0 0 0 a 以来的时段均是以热带海洋为主。环境研究的最 终目的是预测未来的环境变化，为人类建立一个更合适的生活环境。要预测未来 的变化，首先就要有过去的资料及了解过去的变化规律。古环境的研究正是为了 这个目的而开展起来的。 通常要预测未来l o 年的气候，至少要有1 0 0 年以上的气候资料。但人类有 记录直接的气候资料实在难以满足科研的要求。寻找连续记录环境信息的载体， 用间接的方法获得过去的环境信息，是当前研究的重点。同时建立过去多种气候 环境指标的高分辨率记录，必须选择很好的信息载体。造礁珊瑚由于其独特的生 物学和生态学特性，准确记录过去了环境演变史，因此成为研究热带海洋环境的 理想信息载体，备受环境研究的科学工作者的关注。 1 1 珊瑚研究概况 我国已故马廷英教授从上个世纪3 0 年代就开始研究珊瑚，发表了造礁珊 瑚的成长率及其与海水温度的关系等一系列著作，尽管只限于各海区珊瑚多年 平均生长率与多年平均水温的关系，但他是国际上最早研究珊瑚生长率与水温变 化关系的科学家。 自1 9 6 3 年w e l l s 研究现代珊瑚和古代珊瑚化石的环纹，区分为日生长环纹 和年生长环脊，发现了生物钟，为古天文提供地学证据后，国际上对珊瑚生长率 的研究开始蓬勃发展起来。1 9 7 0 年b a r n e s 通过对活珊瑚的染色研究( 将活珊瑚 放在含有色素的营养液中生长) ，并对其切片进行了仔细观察，证实了珊瑚骨骼 中日生长线的存在。1 9 7 2 年k n u t s o n 的研究，确定了珊瑚骨骼中每对密度带代 表珊瑚一年的生长历程，为今后用x 射线照相法研究珊瑚奠定了基础。而后 d o d g e ( 1 9 7 7 ) 用珊瑚生长率推算巴巴多斯威斯康星间冰期的古气候。w e i le t a l ( 1 9 8 1 ) 、m c c u l l o c he ta 1 ( 1 9 9 4 ) 建立6 ”o 温度计。i s d a l e ( 1 9 8 4 ) 用紫外荧光激发 出珊瑚黄绿荧光测定澳大利亚伯德金河的降雨量与河流径流量。b e c k ( 1 9 9 2 ) 建立 高精度s r c a 温度计。m i n 等( 1 9 9 5 ) 研究了n e w c a l e d o n i a 和t a h i t i 的滨珊瑚 ( p o r i t e s ) u c a 比值，建立u c a 温度计。m i t s u g u c h i 等( 1 9 9 6 ) 建立m g c a 温度 计。f r a n ke u r b a ne ta l ( 2 0 0 0 ) 通过6 埔o 的变化对e n s o 事件进行研究。国际 上对珊瑚的研究还包括了利用珊瑚来研究过去火山活动、地震、海平面的变化及 海水中微量元素的变化。 国内关于珊瑚骨骼中地化环境指标及古环境的研究起步较晚，在上个世纪 8 0 年代末期才开始初步的研究。台湾汪中和、黄奇瑜( 1 9 8 7 ，1 9 8 9 ) 研究了o 、 c 同位素与水温、盐度的关系。方力行( 1 9 9 2 ) 研究了珊瑚荧光与当地降雨量的 关系。随后，中科院南海所郭丽芬、聂宝符、陈特固、余克服等人( 1 9 9 2 ，1 9 9 7 ， 1 9 9 8 ，1 9 9 9 ，2 0 0 1 ) 、中科院广州地球化学研究所的韦刚健( 1 9 9 6 ，1 9 9 8 ) 、中国 科学技术大学彭子成、何学贤等人( 1 9 9 8 ，1 9 9 9 ，2 0 0 0 ，2 0 0 1 ) 均对珊瑚生长率、 钙化率、氧同位素、荧光、s r c a 、u c a 、t “g c a 以及珊瑚中的微量元素等进行 了一系列深入而系统的研究。 1 2 影响珊瑚生长的因素 珊瑚对周围环境变化极为敏感，它只能在一定温度、盐度的环境下生长，同 时它对日照量、海水深度都有一定的要求。洋流、潮汐和风浪等其它气候因子也 会影响珊瑚的生长。 1 2 1 水温的影响 不同种属的珊瑚对温度的适应性不同，但过高和过低的温度均不适于珊瑚生 长。m a y e r ( 1 9 1 8 ) 指出尽管不少珊瑚可以在3 6 3 7 的高温生存，但很少有珊 瑚能在l l 或1 3 的低温下生存，甚至是几个小时也难。我国老科学家马廷英 ( 1 9 3 7 ，1 9 5 9 ) 在多年研究的基础上，指出造礁珊瑚的最适生长温度为2 5 2 9 。 w e l l s ( 1 9 5 7 ) 认为珊瑚生长环境年平均温度在2 3 2 5 为宜。戴昌风( 1 9 9 4 ) 认 为造礁珊瑚在2 3 2 8 的海水中生长最为合适，1 8 以下和3 0 以上均不利其生 长，但也有极少的造礁珊瑚在1 1 低温或4 0 高温仍生长的十分健壮( 米利曼， 1 9 7 4 ) 。 我国南沙群岛的永署礁年平均水温为2 8 卜3 0 4 ，月平均水温为 2 5 9 3 4 4 ；西沙永兴岛一带年平均水温为2 6 3 2 7 9 ，月平均为2 4 卜3 0 3 ；海南岛南岸年平均水温为2 6 2 2 7 6 。c ，月平均水温为2 0 0 3 2 6 。c ，基本 在珊瑚的生长温度区内( 聂宝符，1 9 9 7 ) 。 1 2 2 盐度的影响 造礁珊瑚在3 0 4 0 0 的盐度之间的海水中均可生存( w e l l s ，1 9 5 7 ) ，而且在经 i 过淡化的海水中也可生存较长时间( 1 ：1 稀释，m a y e r ，1 9 1 8 ) 。海南岛南部海水 的盐度为3 2 2 3 3 8 ，南沙盐度为3 2 o 一3 4 0 0 。 碳酸钙( c a c o ，) 的溶解度与礁区海水盐度有关，c a c o 。是珊瑚骨骼的主要成 份。盐度在3 0 4 0 之间的海水中，溶解的c a c o 。为过饱和，这就为珊瑚的生长 提供了足够的物资来源。 1 2 3 深度与日照程度 珊瑚的生长需要有足够的光照，不同纬度地区的日照量不同，不同海区的 海水透光率也随海水密度大小和所含微生物多少而不同，这也使得珊瑚在不同地 区的可生长深度不一样。南沙的珊瑚主要分布在3 0 m 左右，少数可达4 0 m ，海南 岛的最适生长范围为3 5 m ，生长下限为l o m 左右。 1 2 4 其它因素 不同岩性的岩石只要是坚实的基岩均可成为珊瑚生长的基底，砂质基地不 适于大多数的珊瑚生长；海流可以将珊瑚从一个地方传播到另一个地方；合适的 波浪可以增加海水中氧气的溶解量，为珊瑚的生长提供有利条件；季风的风向以 及强度也会影响珊瑚的生长。 1 3 造碓珊瑚记录环境变化的基本原理 由于造礁珊瑚的生长受外界环境因素严格制约，珊瑚在某种特定环境条件下 的成长过程中，已在其骨骸中记录下它的整个生长历程周围环境的变化。要研究 这种变化，必须先了解一些珊瑚记录环境变化的基本原理或概念。 1 3 1 限制因子定律 造礁珊瑚生长带同树木年轮的形成一样，遵循一条生物学定律，即限制因子 定律：任何一种生物学过程，它进行的速度都不可能超过主要限制因子所允许的 程度，如果某个因子发生变化，不再起限制作用，则某一生物学过程就会加快， 直到它又受到另一个或几个因子的限制为止。因此，任何一种生物学过程总是受 到外部或有机体内部一个或一组因子的限制( 郑斯中，1 9 9 2 ) 。 对于任何一种珊瑚( 包括造礁珊瑚) 而言，海水表层温度( 8 s t ) 就是一个 有季节性变化规律的主要限制因子。造礁珊瑚在最适生长温度( 2 5 2 9 。c ) 时， 生长速率最大，低于此温度时，将受到抑制。我们根据逐年珊瑚生长带宽度的变 化，可以推算对应年份水温的变化。 1 3 2 生化作用 造礁珊瑚骨骸的主要成分是c a c 0 3 ，其含量占全部骨骸的9 0 以上。造礁珊瑚 所在的海水，c a c 0 。含量通常是过饱和的，为造礁珊瑚制造骨骸提供了充足的物 质原料。而海水中含有的其它物质( 包括陆源腐殖酸) 和化学元素( 微量元素和放 射性同位素) ，也通过珊瑚虫生长过程中的营养吸收、新陈代谢等生物活动及各 种组分都参与的骨骸沉积作用，被珊瑚按时收集起来。我们通过地球化学的方法， 分析不同时期珊瑚骨骸中不同化学元素的组分、c a 与各种不同微量元素的比值， 或某些同位素的含量，或通过某些化合物的物理化学特性，甚至检测人为的核试 验造成的放射性污染等，均可测定相应的环境因素变化指标。如s r c a 、u c a 、 m g c a 和氧同位素温度计都是近年珊瑚古气候学方面很有成效的成果之一。 1 3 3 生长上限 造礁珊瑚是热带海洋浅水的底栖固着生物，即使在平静水体中，短时间露出 水面，有的种类也难以生存( m a y e r ，1 9 1 8 ) 。所以，像滨珊瑚这类构成礁骨架的 大型群体，其生长上限充其量只能达到大潮低潮面。在南海季风盛行区剧烈的水 动力作用下，大潮低潮面1 m 以下深处珊瑚就已经停止向上生长。 1 4 选取块状造礁珊瑚作为研究对象 自k n u t s o n 等( 1 9 7 2 ) 发现了块状珊瑚骨骼具有类似树木年轮的每年密度呈 带状分布格局，打开了利用珊瑚高分辨率和高精度研究近代环境之门，国内外关 于块状珊瑚示踪环境的研究成果不断涌现。块状珊瑚已成为高精度和高分辨率研 究热带海洋环境以及过去全球变化的不可缺少的材料。 块状珊瑚，既骨骼外型呈块状的造礁珊瑚，作为环境信息载体的优势表现在 几个方面： 科学性：块状珊瑚包含两个方面的记录，即与珊瑚礁自身所提供的环境信息 和生长过程中封闭在珊瑚骨骼中的各种物质反映的环境信息。在块状珊瑚骨骼生 长轴上有密度变化，其变化的旋回周期为一年( k n u t s o ne ta 1 ，1 9 7 2 ) ，同时也可以 利用封闭在珊瑚骨骼内的u 、t h 等同位素来精确测定珊瑚或珊瑚化石的年龄 ( e d w a r d se ta 1 ，1 9 8 6 ) 。这样就为准确解读珊瑚所包含的环境信息，重建过去环 境的演化历史提供了可靠的时间标尺。 地域性：珊瑚仅生长在热带浅水海洋环境，对研究热带浅水海洋环境有代表 性。能代表热带海洋环境的载体很少，因此，珊瑚成为研究热带海洋表面环境的 理想样品。 连续性：块状珊瑚生长具有连续性，块状珊瑚年生长速率5 2 0 毫米，高达 数米的块状珊瑚可以不间断地记录长达几个世纪的环境信息；珊瑚礁化石提供的 信息甚至可以延伸到整个第四纪。而且珊瑚物种目前并没有衰退的迹象，今后在 注重环境保护的前提下，珊瑚仍将生长茂盛，用珊瑚研究环境可以持续进行。 封闭性：珊瑚在生长过程中与环境相互作用，骨骼中包含了当时当地的环境 物质，在珊瑚骨骼一旦形成以后，这些物质就被封闭在内部，这种封闭系统可达 几千年不被破坏( l o u g h e ta 1 ，19 9 6 ) 。 可测性：珊瑚生长速度很快，一般每年生长约5 2 0 毫米。对于现在只需取 微量样品进行高精度高分辨的测试条件来说，做到月、周的时间分辨率研究已成 为现实。 1 5 小结 块状珊瑚的骨骼带状分布格局，说明块状珊瑚的生长环境中存在着以一年为 周期的要素循环，生长速度与生存环境有关。在环境条件较佳时，珊瑚生长速度 快，骨骼密度低；而环境条件差时，珊瑚生长速度慢，骨骼密度高。这种以年为 周期的骨骼密度变化的主要控制因子是海水温度和光照( l o u g he ta 1 ，1 9 9 0 ， 1 9 9 7 ：聂宝符等，1 9 9 7 ) ，一般是夏季生长较快，冬季生长慢。对珊瑚生长本身 的研究引伸出三个基本参数：生长率( 珊瑚骨骼生长轴上每年的密度带宽度，单 位是厘米年) 、骨骼密度( 每年的密度带的平均密度，单位是克厘米3 年) 和 钙化率( 生长率和年平均骨骼密度的乘积，单位是克厘米2 年) 。根据珊瑚的 骨骼生长受s s t 影响这个事实，研究者多将珊瑚骨骼的生长率、钙化率与当地 s s t 联系起来，建立s s t 温度计，这是珊瑚骨骼密度带研究的重要成果之一。利 用珊瑚的生长率、密度和钙化率还可研究厄尔尼诺、降水量、日照光强和水深等 等。 利用珊瑚具有的优势，很多研究者分别围绕珊瑚自身生长规律与环境的关系 和珊瑚骨骼中包含的物质与环境的关系两个方面来开展研究工作。研究珊瑚自身 生长规律的，侧重于研究珊瑚的生长率、骨骼密度和钙化率：研究珊瑚所包含物 质的，侧重于研究微量元素、同位素以及骨骼中的荧光物质等。这些研究所反映 的环境演化和环境事件非常多，主要有热带海洋表层水温( s s t ) 、盐度、沿岸降 水量、洋流、工业污染、季风和厄尔尼诺( e ln i o ) 等等。本文主要对珊瑚的荧 光强度、钙化率和生长率与环境变化得相关性进行研究。 第二章南海珊瑚黄绿荧光研究 珊瑚在生长过程中，其新陈代谢受到环境的影响，在从周围环境中不断 吸收养分的同时，也将周围的环境信息储存起来。珊瑚骨骼密度带与季节有 关，高低密度带的一个旋回代表了一年的生长周期( k n u t s o n ，1 9 7 2 ) 。在河口 生长的珊瑚，在其成长时中会吸收河水带来的陆源有机物腐殖酸，这些 腐殖酸被保存在珊瑚的骨骼中。研究表明在长波紫外线( u v ) 照射下，珊瑚骨 骼中保存的腐殖酸受激发射黄绿荧光，其光强就可以示踪降水量和河流径流 量( i s d a l ee ，1 9 8 4 ) ，而且荧光强度与河流的径流量成正比。进一步的研究发 现黄绿荧光是近岸珊瑚中普遍存在的一种现象，随着离岸距离增加，荧光强 度和富啡酸( f u l v i c ，一种腐殖酸) 的浓度都相应减弱。研究同时表明黄绿荧 光是珊瑚骨骼中含有的陆源富啡酸受激发光的结果，蓝色背景荧光是由海洋 富啡酸所引起的，它与陆源富啡酸所引发的荧光在光谱波段的范围不同 ( b o t oe ta 1 ，1 9 8 5 ) 。s m i t h 等( 1 9 8 9 ) 研究了佛罗里达海湾的孔星珊瑚，也 证实骨骼中黄一绿荧光带起因来源于陆源的富啡酸，其荧光强度与河流径流 量和陆地降雨量之间有很好的相关性，同时建立了1 8 8 卜1 9 3 9 年间的径流量 曲线，并发现在1 9 3 2 年以前有4 6 年的周期变化的韵律。k l e i n 等( 1 9 9 0 ) 对西奈地区珊瑚化石和现代珊瑚的研究发现，其珊瑚化石可以产生黄绿荧 光，而现代珊瑚却没有。他们通过进一步研究证实，化石中的荧光物质是在 珊瑚生长期储存在骨骼中，而不是在化石成岩期带入。他们的成果，进一步 扩大了珊瑚荧光的应用范围。随着研究的深入珊瑚荧光逐渐成为表征沿海地 区降水及河口径流量的代用指标。 2 1 珊瑚荧光机理研究 近年的研究表明沿岸珊瑚在长波紫外光( u v ) 照射下，发射出特征黄绿 荧光与一般蓝色背景荧光不同( i s d a l ，1 9 8 4 ) ，且与附近河流径流量在时间和 空间上有相关性。而在进一步的研究中发现( b o t oe t a l ，1 9 8 5 ) ，荧光光谱很 宽，最强在4 4 0 - 4 8 0 n m ，为胡敏酸和富啡酸( 腐殖质的一种) 发射区。 胡敏酸和富啡酸均能溶于无机碱液，而与其它腐殖质分离，但富啡酸同 时还溶于无机酸中，而胡敏酸则不溶于无机酸。基于上面的原因对珊瑚的荧 光物质进行研究了实验。将珊瑚样品溶于热碱液( 0 i n n a 0 h ) ，再酸化到p h = i ， 并通过在酸性条件下对腐殖酸化合物有强亲和力的a m b e r l i t ex a d 一2 离子交 换树脂，发现有9 0 的荧光物质被吸附树脂上，且能用氨水溶液洗提出来， 从而可以认为在9 0 的荧光物质来源于富啡酸。同时研究还表明蓝色荧光源 于海洋的富啡酸，而黄绿荧光则来源于入海陆地河流( b o t o ，1 9 8 5 ， s u s i c ，i 9 9 1 ，k l e i n ，1 9 9 0 ) 。河口或海湾周围的珊瑚在u v 照射下发射出的特 征黄绿荧光强的大小与珊瑚吸收的富啡酸浓度直接相关，离岸越远的珊瑚其 发射的荧光强度也越弱。同样在洪水或多雨季节，珊瑚保存的富啡酸浓度也 相应提高，在荧光谱上表现为较高的峰值。海洋中原生的富啡酸与陆源富啡 酸在结构和化学性质上有很大不同，珊瑚的黄绿荧光与蓝色背景荧光的最大 差别在4 8 0 - 5 3 0 n m ，随不同环境有细微的差异( b o t oe ta 1 ，1 9 8 5 ) 。 1 9 9 1 年s u s i c 等对大陆植被、土壤、河流、近岸水体和普通海水( 未与 河水混染) 的腐殖酸含量进行了研究，表明腐殖酸来源于植被，而土壤则是 腐殖酸的直接也是最大的储库。研究还表明珊瑚骨骼的荧光区比非荧光区、 近岸海域比深海区、洪水期比平时河口的腐殖酸浓度要高得多，且腐殖酸浓 度随离海岸的距离增加而呈指数下降，这与前人对黄绿荧光的研究结果相一 致。我们可以认为陆源物质及信息进入珊瑚的过程如下：当滨海地区降雨时， 雨水一部分渗入地表，为植物和土壤吸收；一部随即蒸发到空中；另一部分 则沿着地表流入附近的河流、湖泊，同时土壤中有机物质如腐殖酸，也随之 被带入河流和湖泊中。而腐殖酸已被证实可以作为陆源信息的载体，当部分 腐殖酸随河水流入海洋被近岸生长的珊瑚所吸收的同时，陆源的信息也就被 保存在珊瑚骨骸中。珊瑚骨骸的封闭性为人们研究古代环境提供很好的保 证。 2 2 珊瑚荧光研究现状 1 9 8 4 年i s d “e 成功地观察到来自p a r l o r 的礁珊瑚柱( 约8 8 5 m m 长) ，在 u v 照射下发出黄绿荧光，并与附近b u r d e k i n 河近六十年来径流量及流域内 的洪涝记录有很好的相关性。b u r d e k i n 流域1 9 3 1 年的旱季、1 9 5 8 年2 4 月的雨季及1 9 7 4 年的大洪水在荧光谱上都有很好的对应。 不久s c o m n 等将实验推进了一步。他们对巴布亚新几内亚南部m o t u p o r e 地区采集的珊瑚样品进行了荧光分析，并与附近m o r e b y 港口的降雨记录对 比，同样也得到了很好的相关性。如在1 9 8 1 1 9 8 2 年的雨季降雨量图上的 双峰记录，在荧光谱中对应着明显的双峰。而1 9 8 2 1 9 8 3 年降雨量较少的 情况下与之对应的荧光谱中黄绿荧光带也很微弱，这与当年的厄尔尼诺( e l n i f i o ) 现象相对应。s m i t h 等( 1 9 8 9 ) 研究了佛罗里达海湾的孔星珊瑚，也 证实骨骼中黄一绿荧光带起因来源于陆源的富啡酸，其荧光强度与河流径流 量和陆地降雨量之间有很好的相关性。作者还建立了1 8 8 1 1 9 3 9 年间的径流 量曲线，发现在1 9 3 2 年以前有4 6 年的周期变化的韵律。k l e i n 等( 1 9 9 0 ) 对 西奈地区珊瑚化石和现代珊瑚的研究发现，其珊瑚化石可以产生黄绿荧光， 而现代珊瑚却没有。他们通过进一步研究证实，化石中的荧光物质是在珊瑚 生长期储存在骨骼中，而不是在化石成岩期带入。他们的成果，进一步扩大 了珊瑚荧光的应用范围。 研究过程中，不少学者已经注意到珊瑚所处的地理位置，构造环境以及 入海河流所流经的地区状况，部可以影响珊瑚周围海域腐殖酸浓度。不同种 属珊瑚对腐殖酸的吸收能力也不同，为此合理选择珊瑚种属和取样点的位置 是非常重要的。 方力行等( 1 9 9 2 ) 在台湾南部不同地区( n a n w a n 港和h s i a o l u i c h i o 岛) 采集了两种珊瑚( 澄黄滨珊瑚p o r i t e l u t e a ，大蜂房珊瑚f a v i a g a x i m a ) 进行研究。在两地澄黄滨珊瑚生长率均高于大蜂房珊瑚( 澄黄滨珊瑚平均 1 0 8 c m y ，大蜂房珊瑚为0 8 3 c m y ) ，即澄黄滨珊瑚比大蜂房珊瑚更易于生 长、更能适应环境。n a n w a n 港由于接近台湾，其降雨量和周围海域富啡酸 荛磐 嫠震 年降雨量( m y ) 图1 、澄黄滨珊瑚、大蜂房珊瑚的降雨量和荧光相关性对比图 浓度均高于h l c 岛，且富啡酸浓度与降雨量的相关性，前者为0 9 5 1 9 后者 为0 0 9 2 1 。作者用n w 港和t t l c 岛为例对比研究了澄黄滨珊瑚和大蜂房珊瑚 的黄绿荧光与降雨的相关性，见图l 。 ”仙 从图1 看出，在h l c 岛附近海域的富啡酸浓度偏低时，大蜂房珊瑚对富 啡酸的吸收能力反而强于澄黄滨珊瑚，两者对荧光的相关性相差也大。可见 选取合适的珊瑚对于荧光研究有直接的影响。 随着对珊瑚荧光的不断研究及成果的取得，珊瑚荧光将逐渐成为表征沿 海地区降水及河1 ：3 径流量的代用指标。 2 ，3 珊瑚荧光实验装置 我们根据自身所具备的条件， 图2 、紫外激光诱发佚光的测试装蔷 参考国外的文献对实验装置进行了改进。 实验是在我校的国家同步辐射实验室 内进行，其装置如图2 所示。利用一台 q s 1 0 0y a g l a s e r 紫外激光器( 四级激 光器) ，输出波长为2 6 6 n m ，激发能量可 控，由光强计直接测出，实验的入射能 量为1 5 2 0 m j 。激光束斑直径在 o 5 1 5 m m 范围，以4 5 度角射入条带状 滨珊瑚的表面。由激光诱发的荧光经过 q b 5 牌号的滤光片( 3 5 0 5 0 0 n m ) ，进入 到光电倍增管内( 工作电压为1 1 0 0 v ) 。 由荧光产生的光电脉冲，被h p 型快速 储存示波器记录下来。条带状样品固定 在一个三维可动的平台上。实验测试点 移动步长为2 m m ，相应于卜2 个月左右的分辨率，与琼海地区降雨量的记录 可以匹配。步长移动用千分表精确测量。样品的激光照射和荧光测量系统， 是放在一个黑箱中进行的。 与前人的实验装置相比，我们使用了紫外激光器作为激发光源，有别于 目前国外学者所用的汞灯做激发光源。紫外汞灯产生的激发光束频带较宽， 且焦点在3 m m 左右，诱导出的荧光带较为复杂。激光器发射光为单色激光束， 脉冲控制，且光斑小。紫外激光器的光强可调、稳定，有利于获得更稳定、 更强、更灵敏的荧光信号；聚焦光斑小，有利于发现更精细的古降水变化规 律，为今后进一步研究月至周范围的分辨率打下基础。 2 4 样品的选择及简