蔡雯沁，黃恩清，柳雙權(quán)，田軍

1. 同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092

2. 中國(guó)科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所，三亞 572000

“中生代海洋浮游生物革命”之后，海洋浮游真核藻類出現(xiàn)三大分支，即顆石藻、溝鞭藻和硅藻，它們共同構(gòu)成了現(xiàn)代大洋顆粒有機(jī)碳泵以及大洋輸出生產(chǎn)力的主體[1]。其中硅藻輻射分異的最晚，在新生代始新世、漸新世之交，即東南極冰蓋擴(kuò)張之后，化石記錄中的硅藻多樣性程度才出現(xiàn)第一次的顯著增加[2]。但硅藻演化相當(dāng)迅速，目前已經(jīng)分異出數(shù)百個(gè)屬和大約十萬(wàn)個(gè)種[3]。硅藻發(fā)展出一系列特殊的本領(lǐng)。首先，生活在開(kāi)放大洋環(huán)境的硅藻，發(fā)育占了細(xì)胞40%體積以上的大液泡，這個(gè)液泡可以儲(chǔ)存高濃度的硝酸鹽和磷酸鹽[4]。因此，在營(yíng)養(yǎng)鹽存在頻繁脈沖式供應(yīng)的地區(qū)，例如在近岸上升流或者高緯紊流發(fā)育的海區(qū)，硅藻具有明顯的生存競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。一方面，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)鹽供應(yīng)突然增加時(shí)，硅藻可以高效利用、儲(chǔ)存并快速勃發(fā)；另一方面，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)鹽供應(yīng)突然消失時(shí)，液泡儲(chǔ)存的營(yíng)養(yǎng)鹽讓硅藻在短時(shí)間內(nèi)可以不依賴于外界的供應(yīng)[2]。其次，由于通過(guò)基因水平交換獲得了其他真核生物體的緣故（即二次內(nèi)共生），硅藻存在類似動(dòng)物的“尿素循環(huán)”[5]。這種功能可以加快細(xì)胞內(nèi)碳和氮的周轉(zhuǎn)和運(yùn)移，促進(jìn)新陳代謝過(guò)程所需的含氮化合物的合成（例如多氨和谷氨酰胺）。因此，當(dāng)水體環(huán)境出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)鹽供應(yīng)時(shí)，“尿素循環(huán)”可以幫助硅藻迅速增殖，從長(zhǎng)期氮限制環(huán)境中快速恢復(fù)和繁盛[5]。

正是硅藻在細(xì)胞尺度上的特殊本領(lǐng)，使得硅藻在全球規(guī)模的碳、氮循環(huán)中扮演重要角色。據(jù)估算，現(xiàn)今硅藻貢獻(xiàn)了整個(gè)大洋約40%的凈生產(chǎn)力和高達(dá)50%的有機(jī)碳輸出[6]。每年全球硅藻固定二氧化碳的規(guī)模，與整個(gè)熱帶雨林相當(dāng)[3]。硅藻也是著名的大洋“鐵肥實(shí)驗(yàn)”（Iron Fertilization）的研究焦點(diǎn)。在南大洋“高營(yíng)養(yǎng)鹽低葉綠素海區(qū)”撒入溶解二價(jià)鐵之后，會(huì)出現(xiàn)小型硅藻的勃發(fā)，并且大約一半的勃發(fā)生物量能夠沉降到水深超過(guò)1 000 m 的海水中，由此可以推測(cè)硅藻勃發(fā)在“碳封存”中的重要角色[7]。

在地質(zhì)時(shí)間尺度上，顆石藻和溝鞭藻在白堊紀(jì)—古近紀(jì)繁盛，而硅藻在漸新世之后崛起。推測(cè)在“暖室期”氣候條件下，高緯異常溫暖，經(jīng)向能量差異小，全球風(fēng)場(chǎng)和洋流較弱，相對(duì)靜水環(huán)境有利于顆石藻和溝鞭藻生長(zhǎng)。而漸新世之后極地冰蓋體積快速增大，高緯顯著降溫，高緯海區(qū)風(fēng)場(chǎng)、紊流的發(fā)育有利于硅藻的繁盛[2,8]。但硅藻并非環(huán)境變化的被動(dòng)產(chǎn)物，硅藻崛起很可能深刻塑造了地球的表層環(huán)境。有學(xué)者推測(cè)硅藻繁盛導(dǎo)致海洋生物泵效率提高，造成大氣二氧化碳濃度的持續(xù)降低，推動(dòng)地球氣候從“暖室期”進(jìn)入“冰室期”[3]。這一推測(cè)目前還未獲得地質(zhì)記錄的佐證，但是硅藻與氣候系統(tǒng)的相互作用已經(jīng)有了明確證據(jù)。晚新生代硅藻多樣性程度的幾次顯著增加，與始新世、漸新世之交的C3草原擴(kuò)張，中中新世C4草類出現(xiàn)以及晚中新世C4草原擴(kuò)張，在時(shí)間上都存在著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[2]。推測(cè)草類植被可以加速陸地硅酸鹽風(fēng)化，而入海溶解硅通量的增加促進(jìn)了硅藻的分異和繁盛。反過(guò)來(lái)，海洋硅藻勃發(fā)加劇了碳埋藏以及氣候變冷趨勢(shì)，而氣候干旱化和季節(jié)性的增強(qiáng)又有利于草原植被替代森林植被[2,9-10]。因此，氣候、硅藻、陸地草原生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同演化是晚新生代地球表層圈層相互作用的一個(gè)精彩例子。

除了在動(dòng)蕩、富營(yíng)養(yǎng)鹽水體中快速勃發(fā)的小型硅藻，還有一個(gè)重要類群是在層化水體或者洋流鋒面交界處勃發(fā)的大型硅藻。這種大型硅藻生長(zhǎng)周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)月，死亡之后可以快速通過(guò)水柱沉降在海底，形成限制底棲生物活動(dòng)的席狀或網(wǎng)狀沉積物，稱為硅藻席沉積(Diatom-mat Deposits)。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)這種硅藻席沉積物在全球大洋都有發(fā)現(xiàn)。近年來(lái)隨著我國(guó)遠(yuǎn)洋科考航次的增多，多家海洋研究單位在熱帶-亞熱帶西太平洋水深超過(guò)5 000 m 的數(shù)十個(gè)站位，都發(fā)現(xiàn)了末次冰期以及冰消期的硅藻席沉積[11]。中文文獻(xiàn)中，對(duì)該學(xué)術(shù)主題也做過(guò)介紹[12-13]。據(jù)估算，大型硅藻勃發(fā)對(duì)大洋初級(jí)生產(chǎn)力以及有機(jī)碳、硅輸出的貢獻(xiàn)并不亞于小型硅藻勃發(fā)[14-15]。但無(wú)論現(xiàn)代觀測(cè)還是地質(zhì)記錄，對(duì)大型硅藻勃發(fā)儲(chǔ)碳作用的研究程度都不充分，這導(dǎo)致許多碳循環(huán)模型和生物地球化學(xué)模型并不包含硅藻席模塊。鑒于此，本文從硅藻席沉積時(shí)空分布和勃發(fā)機(jī)制等角度綜述該主題的研究進(jìn)展，并嘗試討論硅藻席沉積對(duì)軌道時(shí)間尺度上全球碳-氮循環(huán)的潛在影響。

1 硅藻席沉積屬種、時(shí)空分布及其勃發(fā)機(jī)制

1.1 硅藻席屬種

硅藻席主要由大型硅藻組成（圖1)，包括海毛藻Thalassiothrixspp.、根管藻Rhizosoleniaspp.、半管藻Hemiaulusspp.、角毛藻Chaetocerosspp.、掌狀冠蓋藻Stephanopyxis palmeriana、圓篩藻Coscinodiscusspp. 和大篩盤(pán)藻Ethmodiscus rex等。其中E. rex是熱帶深海硅藻軟泥的常見(jiàn)屬種，根據(jù)Kolbe 的記載[16]，最早由科林伍德在孟加拉灣發(fā)現(xiàn)。1952 年英國(guó)“挑戰(zhàn)者”號(hào)科考船在馬里亞納海溝南部水深10 505 m地方再次獲得含這種硅藻碎片的沉積物，Wiseman與Hendey 將其正式命名為Ethmodiscus rex(Rattray)Hendey[17]。

圖1 常見(jiàn)成席硅藻屬種A：海毛藻屬Thalassiothrix spp..[14], B：角毛藻屬Chaetoceros spp.[18], C：根管藻屬Rhizosolenia spp.（拍攝者Lars Edler, http://nordicmicroalgae.org）,D：半管藻屬Hemiaulus spp.[19], E：圓篩藻屬Coscinodiscus spp.[20], F：大篩盤(pán)藻Ethmodiscus rex（本次研究，樣品來(lái)自西北太平洋馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵）。Fig.1 Images of typical mat-forming diatomsA: Thalassiothrix spp.[14], B: Chaetoceros spp.[18], C: Rhizosolenia spp.(photo by Lars Edler, http://nordicmicroalgae.org), D: Hemiaulus spp.[19],E: Coscinodiscus spp.[20], F: Ethmodiscus rex (this study; samples were taken from the Challenger Deep, the Mariana Trench).

不論小型硅藻勃發(fā)，還是大型成席硅藻沉降，都容易形成具有紋層構(gòu)造的沉積物（圖2）。這有兩方面的原因：首先，硅藻和陸源輸入物通量隨時(shí)間發(fā)生交替變化，同時(shí)陸源輸入的營(yíng)養(yǎng)鹽也會(huì)促使硅藻的優(yōu)勢(shì)種屬發(fā)生更迭，這些會(huì)導(dǎo)致層狀沉積特征的形成。其次，如前所述，成席硅藻大規(guī)?？焖俪两翟诤５仔纬上癄罨蛘呔W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即便在底層水充氧條件良好狀況下也會(huì)限制底棲生物的掘穴和擾動(dòng)活動(dòng)，因此有利于原始層狀沉積構(gòu)造的保存。例如，在加利福利亞灣全新世沉積剖面里，發(fā)現(xiàn)Thalassiothrix longissima硅藻殼體相互鉸接，形成了硅藻席沉積的紋層構(gòu)造[21-22]。

圖2 大洋硅藻席沉積形成的紋層構(gòu)造a：加利福尼亞灣（站位JPC56, 27°30′N、112°6′W, 水深818 m）, 主要硅藻屬種是Thalassiothrix spp.[22]；b：赤道西太平洋（站位TS01-B10, 11°11.7′N、141°48.7′E, 水深8 638 m），主要硅藻屬種是E.rex(本次研究)。Fig.2 Laminated structure of diatom-mat depositsSamples are from (a) Guaymas Basin, Gulf of California (JPC56, 27.5°N,112.1°W, 818 m water depth). The dominant diatom species was Thalassiothrix spp.[22]; (b) the equatorial Western Pacific (TS01-B10,11°11.7′N, 141°48.7′E, 8638 m water depth). The main diatom species is E.rex (this study).

1.2 硅藻席沉積的時(shí)空分布

現(xiàn)代表層沉積物調(diào)查表明，硅藻軟泥（Diatom Ooze，硅藻殼體占比超過(guò)30%，由小型硅藻、大型硅藻或者二者混合物構(gòu)成）主要分布在高緯海區(qū)，其中3/4 的沉積量分布在南緯50°寬約900～2 000 km的緯向環(huán)帶中；其次分布在北緯40°以北的太平洋阿拉斯加灣、白令海、鄂霍次克海、日本海等海區(qū)[23]。硅藻席沉積除了分布于上述高緯海域外，在中低緯以及赤道海域也大量出現(xiàn)（圖3）。不同海域硅藻席的主要構(gòu)成種屬也存在差別。

圖3 目前發(fā)現(xiàn)的全球硅藻席沉積的時(shí)空分布其中紅色圓點(diǎn)為E. rex 硅藻席, 藍(lán)色圓點(diǎn)為其他種屬的硅藻席[14,35-49]。有明確年齡的E. rex 硅藻席沉積用圓圈標(biāo)注。熱帶-亞熱帶西太平洋和熱帶印度洋E. rex 硅藻席的年齡主要集中在末次冰期[13,17,24-27,50-61], 東太平洋的E. rex 硅藻席沉積大致在上新世和更新世[53,62-64], 大西洋E. rex 硅藻席沉積發(fā)生在中—晚更新世冰期[28-31,65-68], 南極洲附近的E. rex 硅藻席沉積, 根據(jù)古地磁年齡判斷約為4.0～3.8 Ma[32,69-71]。Fig.3 Spatiotemporal distribution of global diatom-mat deposits discovered so farRed dots denote diatom-mat deposits comprised of E. rex, and blue dots represent those comprised of other diatom species[14,35-48]. The E. rex diatom-mat deposits with reliable chronology constraints are circled. The E. rex blooming events in the tropical-subtropical western Pacific and tropical Indian Ocean occurred during the last glacial period[13,17,24-27,50-61], and the blooming in the eastern Pacific occurred in both Pliocene and Pleistocene[53,62-64], while those in the Atlantic occurred across the Mid-Late Pleistocene ice ages[28-31,65-68]. The E. rex blooming event close to Antarctica occurred during 4.0 ～ 3.8 Ma, constrained by paleomagnetic dating[32,69-71].

由于鉆孔調(diào)查資料的限制，目前發(fā)現(xiàn)的硅藻席沉積主要集中在晚第四紀(jì)。其中更新世冰期時(shí)全球熱帶、亞熱帶海區(qū)出現(xiàn)大規(guī)模的E. rex硅藻席沉積。目前具有可靠定年數(shù)據(jù)的沉積區(qū)域，包括熱帶-亞熱帶西太平洋（氧同位素期次4 和2，MIS 4 和2）[11,24-26]、赤道東印度洋（MIS 2）[27]和熱帶東大西洋（MIS 6 和4）[28-29]以及30°S 附近的亞熱帶南大西洋（MIS 14 和12）[30]（圖3）。地質(zhì)歷史時(shí)期寡營(yíng)養(yǎng)熱帶海區(qū)出現(xiàn)大范圍E. rex硅藻席沉積的現(xiàn)象，被稱為“E. rex難題”[31]，它的成因迄今仍在爭(zhēng)論。此外，E.rex硅藻席沉積在南極威德?tīng)柡^(qū)域也有發(fā)現(xiàn)，古地磁方法給出的約束年齡約為4 Ma[32]。

在更老的地層中，硅藻席沉積也有零星報(bào)道。例如在更新世北非季風(fēng)強(qiáng)盛期，地中海出現(xiàn)硅藻席勃發(fā)和腐泥層沉積，主要由rhizosolenid diatom（廣義根管藻，主要包括Rhizosoleniaspp.、Probosciaspp.和Pseudosoleniaspp.等多個(gè)屬種）和Hemiaulusspp.組成[33]。15～4.4 Ma 期間，赤道東太平洋區(qū)域深海鉆探鉆孔里也出現(xiàn)數(shù)次成規(guī)模的硅藻席沉積，主要由Thalassiothrixspp.組成[34]。

1.3 大型硅藻勃發(fā)機(jī)制

目前通過(guò)遙感技術(shù)、沉積物捕獲器以及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等技術(shù)手段，發(fā)現(xiàn)大型成席硅藻勃發(fā)與沉降常常發(fā)生在兩種水文環(huán)境中，即層化水體或者水團(tuán)鋒面交匯處（圖4)。熱帶-亞熱帶大洋環(huán)流圈(tropicalsubtropical oceanic gyres）占據(jù)了全球大洋約60%的面積，區(qū)域內(nèi)水體溫度較高，層化較強(qiáng)，次表層營(yíng)養(yǎng)鹽很難通過(guò)垂向運(yùn)移輸送到表層水體中。再加上遠(yuǎn)離大陸，缺乏陸源營(yíng)養(yǎng)鹽供應(yīng)，絕大部分熱帶-亞熱帶環(huán)流圈的營(yíng)養(yǎng)鹽含量和生物量較低[72-73]。但是成席硅藻的一系列特殊本領(lǐng)卻讓它們?cè)谶@種層化水體中獲得了生存競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。首先，部分成席硅藻可以在弱光環(huán)境下生長(zhǎng)，如Rhizosoleniaspp. 和Stephanopyxisspp.[74]，因此可以利用深層葉綠素高值區(qū)（Deep Chlorophyll Maxima, DCM，一般在100 m以下水深）中的營(yíng)養(yǎng)鹽。由于它們生活在表層水團(tuán)的底部，因此也可以利用風(fēng)暴等強(qiáng)擾動(dòng)事件打破溫躍層障礙上涌的營(yíng)養(yǎng)鹽[14,20,75]。其次，成席硅藻的細(xì)胞尺寸較大，可以主動(dòng)調(diào)節(jié)自身浮力，使其在深層營(yíng)養(yǎng)源和透光層之間垂向移動(dòng)，因此既可以利用次表層海水中營(yíng)養(yǎng)鹽，又可以利用表層海水中的光照條件[76-77]。例如Rhizosoleniaspp.個(gè)體可達(dá)175 μm，通過(guò)相互連接，長(zhǎng)度可達(dá)30 cm，通過(guò)調(diào)控浮力下沉到營(yíng)養(yǎng)躍層攝入營(yíng)養(yǎng)鹽后，再上浮到表層進(jìn)行光合作用[78]。E. rex也可以下潛至水深200 m 左右次表層海水中[31]?？梢栽谌豕鈼l件下生存或者具有浮力機(jī)制的成席硅藻也被稱為“樹(shù)蔭種”硅藻（Shade Flora Diatoms）[20]。第三，成席硅藻都具有巨大的液泡，可以儲(chǔ)存所攝取的營(yíng)養(yǎng)鹽，能夠應(yīng)付長(zhǎng)期營(yíng)養(yǎng)不足的環(huán)境[79]。最后，部分成席硅藻可以與固氮藍(lán)細(xì)菌共生，獲得氮供應(yīng)（下文詳述）[80]。因此，在相對(duì)寡營(yíng)養(yǎng)、層化的海洋環(huán)境中，大型成席硅藻可以占據(jù)優(yōu)勢(shì)的生態(tài)位[14,20,75,81]。

圖4 “樹(shù)蔭種”硅藻的生長(zhǎng)和沉降機(jī)制A：生長(zhǎng)于深層葉綠素高值區(qū)的典型“樹(shù)蔭種”硅藻, B：鋒面匯聚帶水團(tuán)相互作用導(dǎo)致的成席硅藻生長(zhǎng)和沉降, C：季節(jié)性海洋層化結(jié)構(gòu)破壞造成的硅藻席沉積（改自Kemp and Villareal[15]）。Fig.4 Mechanisms for the growth and the deposition of shade flora diatomA: Schematic showing the growth of typical shade flora diatom in the “Deep Chlorophyll Maxima” zone, B: the growth and the deposition of mat-forming diatom in the oceanic frontal convergence zone, C: seasonal breakdown of stratification results in a massive deposition of giant diatom (after Kemp and Villareal)[15].

Kemp 等[14]對(duì)季節(jié)尺度海洋表層環(huán)境變化與硅藻勃發(fā)的關(guān)系做過(guò)詳細(xì)描述。在加利福尼亞灣和地中海，春季時(shí)海水混合增強(qiáng)，水體上涌帶來(lái)了豐富的營(yíng)養(yǎng)物，導(dǎo)致小型硅藻迅速生長(zhǎng)。春末夏初海洋層化加強(qiáng)，表層營(yíng)養(yǎng)成分逐漸耗盡，小型硅藻勃發(fā)結(jié)束并快速沉降，以上過(guò)程稱為“春季勃發(fā)”（Spring Bloom）[14]。從早夏到晚秋，海洋表層水由于溫度變暖而密度減小，形成較穩(wěn)定的層化結(jié)構(gòu)，進(jìn)入成席硅藻占據(jù)優(yōu)勢(shì)的季節(jié)[75]。秋末冬初時(shí)隨著上層水體的擾動(dòng)，成席硅藻大量死亡并造成大規(guī)模堆積的“秋季傾瀉”現(xiàn)象（Fall Dump）[14-15,75]。

此外，Yoder 等[82]在赤道太平洋水團(tuán)鋒面交匯處也觀測(cè)到成席硅藻的勃發(fā)和沉積事件。赤道太平洋葉綠素濃度最高的水體并不在赤道上升流區(qū)域，而是位于與熱帶不穩(wěn)定波（tropical instability waves, TIWs）傳播路徑相吻合的水團(tuán)鋒面交匯處。鋒面南側(cè)為水溫較低的南赤道流，北側(cè)為水溫較高的北赤道逆流。根管藻（Rhizosoleniaspp.）在暖水一側(cè)大量富集，導(dǎo)致水體呈暗綠色，而冷水一側(cè)硅藻數(shù)量相對(duì)較少，水體為淺色。這種水體顏色分界線可以延伸數(shù)百千米。推測(cè)大型硅藻可能在鋒面冷水側(cè)吸收和存儲(chǔ)上升流帶來(lái)的營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)，然后主動(dòng)遷移到暖水一側(cè)進(jìn)行生長(zhǎng)和勃發(fā)（圖4B），導(dǎo)致顆粒有機(jī)碳輸出在熱帶不穩(wěn)定波的活躍期間顯著增強(qiáng)[14,82-84]。

如前所述，晚第四紀(jì)冰期熱帶-亞熱帶大洋出現(xiàn)規(guī)模巨大的E. rex勃發(fā)（圖2），但每個(gè)海區(qū)的勃發(fā)機(jī)制存在差異。西太平洋和赤道東印度洋E. rex勃發(fā)都與大洋層化水體相關(guān)。冰期時(shí)亞洲冬季風(fēng)可以向西太平洋供應(yīng)風(fēng)塵硅[11]，但印度洋的營(yíng)養(yǎng)鹽來(lái)源存在爭(zhēng)議。Broecker 等認(rèn)為通過(guò)印度尼西亞貫穿流，太平洋溫躍層水團(tuán)可以向東印度洋輸送硅藻席勃發(fā)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[27]。De Deckker 等則認(rèn)為由于冰期季風(fēng)降雨減少有助于東印度洋表層形成高鹽度和高營(yíng)養(yǎng)鹽的環(huán)境，從而促進(jìn)了硅藻席勃發(fā)[61]。

熱帶-亞熱帶大西洋E. rex席勃發(fā)與洋流鋒面位置的關(guān)系更加密切。在熱帶大西洋，北大西洋中央水團(tuán)（North Atlantic Central Water, NACW）與南大西洋中央水團(tuán)（South Atlantic Central Water, SACW）在16°～25°N 位置、水深100～500 m 的地方相遇，形成了佛得角鋒面（Cape Verde Frontal Zone）。該鋒面在冰期時(shí)向赤道方向移動(dòng)了10～15 個(gè)緯度[85]。由于西非岸外大量硅藻席沉積站位與該鋒面位置重合，推測(cè)硅藻席很可能在鋒面兩側(cè)通過(guò)位置遷移發(fā)生勃發(fā)。此外，非洲河流可以向近岸地區(qū)輸入硅藻勃發(fā)所需的硅酸鹽[29]。在亞熱帶南大西洋，E.rex硅藻席勃發(fā)一般被認(rèn)為與阿古拉斯洋流（Agulhas Current）輸送的營(yíng)養(yǎng)鹽相關(guān)[86]。

2 現(xiàn)代大洋成席硅藻與碳-氮耦合循環(huán)

據(jù)推測(cè)，大型硅藻勃發(fā)可能貢獻(xiàn)了整個(gè)大洋約20%的初級(jí)生產(chǎn)力和25%的顆粒有機(jī)碳輸出[14-15]。雖然有硅藻外殼的保護(hù)，硅藻勃發(fā)產(chǎn)生的絕大部分有機(jī)碳還是發(fā)生了降解，并不能進(jìn)入地質(zhì)儲(chǔ)庫(kù)中[87]。在全球大洋沉積物調(diào)查中也常常發(fā)現(xiàn)，高生物硅含量的深海沉積物往往只有均值水平的有機(jī)質(zhì)含量[88]。成席硅藻勃發(fā)可能是通過(guò)影響大洋“呼吸碳庫(kù)”的方式來(lái)調(diào)控碳循環(huán)（詳見(jiàn)第3 部分）。由于成席硅藻碳循環(huán)和硅利用方式已經(jīng)有文獻(xiàn)的詳細(xì)介紹，本節(jié)主要聚焦前人較少關(guān)注的氮循環(huán)部分。

2.1 現(xiàn)代大洋氮循環(huán)與同位素分餾

海洋氮循環(huán)可以調(diào)控大洋硝酸鹽和銨鹽的濃度水平，因此是決定海洋初級(jí)生產(chǎn)力和生物泵效率的關(guān)鍵要素之一，并與碳循環(huán)過(guò)程緊密相連。海洋氮循環(huán)主要包括固氮作用和反硝化作用，此外還包括生物同化作用、再礦化作用和硝化作用等。氮在海洋中的滯留時(shí)間約為3 000 年，以硝酸鹽為主，儲(chǔ)量約為6 000 億t[89]。生物固氮作用是大洋氮輸入的最重要途徑，主要發(fā)生在寡營(yíng)養(yǎng)開(kāi)闊大洋的表層海水中，依靠自養(yǎng)型的藍(lán)細(xì)菌完成，每年固氮總量達(dá)到約1.63 億t[90]。相比于大氣氮?dú)獾耐凰刂担ǘx為0），生物固氮產(chǎn)物的氮同位素相較于大氣氮?dú)馄?fù)（其值約-2‰～0）[91]，低于大洋硝酸鹽的平均氮同位素值（5‰）[92]。

海洋反硝化作用主要發(fā)生在赤道東太平洋、熱帶東南太平洋和阿拉伯海等缺氧海區(qū)，將硝酸鹽還原為氮?dú)鈁89]。水柱反硝化過(guò)程中氮同位素分餾效應(yīng)比較顯著，分餾幅度達(dá)到約25‰，但沉積物中反硝化作用幾乎不產(chǎn)生同位素分餾效應(yīng)[91]。每年從水柱和沉積物中通過(guò)反硝化途徑離開(kāi)海洋的氮分別約為0.68 和1.32 億t[89-90]。

2.2 成席硅藻與固氮藍(lán)細(xì)菌共生體

如前所述，部分成席硅藻可以利用次表層海水中的營(yíng)養(yǎng)鹽，另一部分成席硅藻可以通過(guò)與藍(lán)細(xì)菌共生獲得氮營(yíng)養(yǎng)[81]。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以形成硅藻-固氮生物共生體（Diatom-diazotroph Associations,DDAs）的成席硅藻包括半管藻、根管藻、角毛藻以及掌狀冠蓋藻等屬[93-94]。固氮藍(lán)細(xì)菌將大氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為可以被寄主硅藻利用的含氮化合物，幫助硅藻突破寡營(yíng)養(yǎng)海域氮營(yíng)養(yǎng)的限制。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)共生體中藍(lán)細(xì)菌約22%的碳元素由宿主硅藻提供，宿主硅藻78%～91%的氮元素來(lái)自藍(lán)細(xì)菌。硅藻細(xì)胞越大，固氮和固碳的速率越高[95]。此外，藻類-藍(lán)細(xì)菌共生體的固氮/固碳效率還受到多種因素的影響，在一定范圍內(nèi)，光照、溫度與固氮效率呈正相關(guān)關(guān)系[95]。加入鐵元素和風(fēng)塵也可以加強(qiáng)藍(lán)細(xì)菌UCYN-A 對(duì)氮?dú)獾墓潭╗96]。硅藻與藍(lán)細(xì)菌共生體的固氮量十分可觀，在熱帶北大西洋海域，硅藻-藍(lán)細(xì)菌共生體（Hemiaules-Richelia）與藍(lán)細(xì)菌中的束毛藻Trichodesmiumspp.一起為表層水提供了近25%的氮營(yíng)養(yǎng)來(lái)源[97]。

2.3 硅藻沉積物氮同位素指標(biāo)與海洋生產(chǎn)力

氮同位素是追蹤地質(zhì)歷史時(shí)期氮循環(huán)過(guò)程的最重要工具。但是直接測(cè)量海洋沉積物全巖樣品獲得的氮同位素（δ15Nbulk）是一個(gè)混合信號(hào)，很多時(shí)候并不能有效地追蹤氮循環(huán)過(guò)程，這是因?yàn)閺暮Ｑ笊蠈拥袈涞念w粒氮，在水柱中發(fā)生了降解和再礦化作用。在氧化條件下，富含14N 的氨基酸更易被分解，產(chǎn)生的NH4+被黏土吸附，或替代層狀硅酸鹽礦物中的鉀離子[91,98]。這些過(guò)程會(huì)導(dǎo)致氮同位素發(fā)生分餾。但是在還原條件下，有機(jī)質(zhì)降解的同位素分餾效應(yīng)很小，可以較好地保存海洋有機(jī)質(zhì)的初始δ15N 組成[98]。此外，沉積物樣品中有機(jī)氮有多個(gè)來(lái)源，包括陸源輸入和多種海洋浮游藻類的生產(chǎn)力貢獻(xiàn)。

在富含硅藻的沉積物，尤其是硅藻席樣品中，有機(jī)質(zhì)主要由勃發(fā)的硅藻產(chǎn)生，來(lái)源相對(duì)單一，并且硅藻產(chǎn)生的蛋白石可以作為保護(hù)有機(jī)質(zhì)的儲(chǔ)層，使得硅藻殼體內(nèi)嵌合的有機(jī)質(zhì)在沉降和埋藏過(guò)程中相對(duì)不容易受到成巖作用的影響。因此，富含硅藻沉積物常常是氮同位素測(cè)試的良好載體。利用硅藻沉積物樣品，可以測(cè)試有機(jī)氮同位素（δ15Norg）、葉綠素（Chlorophyll）氮同位素（δ15Nchl）、硅藻內(nèi)嵌（Diatom-bound）有機(jī)質(zhì)氮同位素（δ15Ndb）等指標(biāo)。根據(jù)室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)δ15Norg與δ15Ndb變化趨勢(shì)一致，但二者同位素值存在偏移，δ15Ndb總是小于δ15Norg，偏差幅度在1.0‰～14.0‰之間。綜合來(lái)看，利用同一種屬硅藻測(cè)試的δ15Ndb指標(biāo)，是反演表層水體硝酸鹽利用程度以及古生產(chǎn)力變化最為可靠的指標(biāo)[99]。

利用硅藻沉積物氮同位素已經(jīng)成功回答了地質(zhì)歷史時(shí)期海洋生產(chǎn)力變化的一些重要問(wèn)題。例如，東地中海海底存在著名的腐泥層沉積，有機(jī)碳含量可以達(dá)到5%。一般認(rèn)為這些腐泥層形成于北半球夏季太陽(yáng)輻射量的高值期和北非季風(fēng)的強(qiáng)盛期（例如早全新世和末次間冰期），一方面非洲尼羅河泛濫和營(yíng)養(yǎng)鹽輸入導(dǎo)致地中海生產(chǎn)力勃發(fā)，另一方面淡水注入后打斷了地中海表層海水的潛沉，底層海水通風(fēng)減弱逐漸失去氧氣，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)在缺氧條件下得到較好的保存[33]。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，腐泥層沉積中事實(shí)上存在大量的成席硅藻Hemiaulusspp.和rhizosolenid 硅藻[100]，硅藻勃發(fā)是當(dāng)時(shí)海洋生產(chǎn)力的主力。通過(guò)測(cè)試氮同位素，發(fā)現(xiàn)在上層海水層化條件加強(qiáng)的情況下，成席硅藻是通過(guò)利用次表層營(yíng)養(yǎng)鹽實(shí)現(xiàn)大規(guī)模勃發(fā)的，并與固氮藍(lán)細(xì)菌共生形成廣泛的固氮作用[15,101]。這糾正了之前的認(rèn)識(shí)，即非洲季風(fēng)強(qiáng)盛并沒(méi)有造成地中海表層水的富營(yíng)養(yǎng)化[101]。值得一提的是，白堊紀(jì)時(shí)特提斯洋洋底也沉積了大規(guī)模富含有機(jī)碳的黑色頁(yè)巖，同樣也是成席硅藻Hemiaulusspp.和rhizosolenid 硅藻勃發(fā)造成的[102]。

3 大規(guī)模硅藻席沉積與大洋碳-氮循環(huán)

3.1 冰期熱帶硅藻席沉積與全球碳循環(huán)

第四紀(jì)大氣CO2濃度在冰期-間冰期旋回過(guò)程中有80～100 p.p.m.v (Parts Per Million by Volume，百萬(wàn)分比濃度)波動(dòng)，其變化機(jī)制是學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期探索的課題。一般認(rèn)為，大氣CO2濃度變化主要是通過(guò)調(diào)節(jié)深海碳儲(chǔ)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的[103]。由于冰期大洋內(nèi)部通風(fēng)速率下降，再礦物作用產(chǎn)生的“呼吸碳”（Respired Carbon），可以更長(zhǎng)久地滯留在大洋內(nèi)部，引起了大洋無(wú)機(jī)碳含量上升和溶解氧濃度下降[104-105]。冰消期時(shí)，在南大洋附近隨著深部海水上翻，大洋內(nèi)部“老碳”釋放并再次進(jìn)入大氣圈中[106]。

過(guò)去認(rèn)為冰期深海內(nèi)部發(fā)生降解的顆粒有機(jī)碳主要來(lái)自表層生產(chǎn)力輸出，但晚第四紀(jì)冰期熱帶大洋廣泛存在的E. rex成席硅藻勃發(fā)事件（圖3），說(shuō)明在大洋寡營(yíng)養(yǎng)海區(qū)的次表層海水中，也存在規(guī)?？捎^的生產(chǎn)力輸出事件。據(jù)估算，在熱帶西太平洋，E. rex勃發(fā)事件期間的海洋初級(jí)生產(chǎn)力與近岸上升流地區(qū)水平一致[87]。不過(guò)硅藻席沉積物的有機(jī)碳含量?jī)H為0.2%～0.3%[87]，說(shuō)明硅藻勃發(fā)產(chǎn)生的絕大部分有機(jī)質(zhì)在水柱以及水-沉積物界面處發(fā)生降解，成為冰期大洋內(nèi)部的“呼吸碳”，因此冰期E.rex勃發(fā)充當(dāng)了從大氣向深海內(nèi)部運(yùn)輸碳的重要角色。但成席硅藻勃發(fā)在碳循環(huán)中的角色長(zhǎng)久被忽略，未來(lái)需要進(jìn)一步調(diào)查，厘定冰期E. rex勃發(fā)事件規(guī)模及其對(duì)大洋碳存儲(chǔ)的影響。

此外，在冰期-間冰期時(shí)間尺度上，海洋固氮作用與反硝化作用的比例波動(dòng)調(diào)控了海洋氮儲(chǔ)庫(kù)總量和大洋初級(jí)生產(chǎn)力，它們也可以影響到大氣CO2濃度[2,89,107]。一般認(rèn)為，冰期時(shí)大陸架暴露、赤道上升流增強(qiáng)等因素，可以增加磷元素供應(yīng)，刺激固氮作用[107-109]。同時(shí)冰期水體混合增強(qiáng)，溶解氧含量增加，總體上會(huì)削弱反硝化作用[110]。因此，冰期大洋氮儲(chǔ)庫(kù)總量水平上升。模擬實(shí)驗(yàn)也表明，相比于全新世，末次冰盛期時(shí)全球海洋氮儲(chǔ)庫(kù)最多可能增加了一倍，即從6 000 億t 提高到1.2 萬(wàn)億t[111]。同樣地，這些研究忽略了冰期E. rex勃發(fā)事件對(duì)大洋固氮作用的影響。目前對(duì)冰期E. rex勃發(fā)機(jī)制和營(yíng)養(yǎng)鹽來(lái)源還存在爭(zhēng)論。在熱帶西太平洋，硅同位素示蹤研究結(jié)果表明，E. rex勃發(fā)利用的是亞洲內(nèi)陸的風(fēng)塵硅輸入[11]。根據(jù)現(xiàn)代生態(tài)調(diào)查，E. rex并不能與固氮藍(lán)細(xì)菌共生，很可能是通過(guò)浮力機(jī)制利用了次表層水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽，包括硝酸鹽和磷酸鹽等，因此獲得了生存競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)并觸發(fā)了勃發(fā)事件。冰期熱帶大洋E. rex大規(guī)模勃發(fā)提高了上層海洋營(yíng)養(yǎng)鹽的周轉(zhuǎn)速率和利用水平，因此可能刺激廣大寡營(yíng)養(yǎng)海區(qū)固氮微生物的生產(chǎn)力，從而提升大洋的固氮作用。

3.2 硅藻席沉積與大洋碳同位素重值現(xiàn)象

新生代以來(lái)，大洋無(wú)機(jī)碳碳同位素（δ13C）最顯著的軌道周期就是40 萬(wàn)年長(zhǎng)偏心率周期[112]。最近5 Ma 以來(lái)，全球大洋δ13C 波動(dòng)一共出現(xiàn)了約13 次長(zhǎng)偏心率周期，在每個(gè)偏心率低值期，都會(huì)出現(xiàn)δ13C 偏重現(xiàn)象，被命名為碳同位素重值期（δ13Cmax）。其中，近1.6 Ma 以來(lái)，大洋δ13C 波動(dòng)不再嚴(yán)格跟隨天文長(zhǎng)偏心率周期，而是拉長(zhǎng)成為延續(xù)時(shí)間達(dá)到50 萬(wàn)年的事件[113-114]。最近兩次碳同位素重值事件分別發(fā)生在氧同位素13 期（δ13Cmax-II, 0.53～0.47 Ma）和3-1 期（δ13Cmax-I, 0.05～0 Ma）（圖5）。先前研究已經(jīng)注意到，這兩次碳同位素重值事件都伴隨著大洋硅藻席勃發(fā)事件。首先，氧同位素14 和12 期時(shí)亞熱帶南大西洋發(fā)生E. rex勃發(fā)事件[30]，對(duì)應(yīng)于δ13Cmax-II事件。其次，末次冰期熱帶西太平洋-印度洋以及赤道東大西洋E. rex勃發(fā)事件[11,24-29]，對(duì)應(yīng)于δ13Cmax-I事件（圖5）。目前還未查清E. rex勃發(fā)與大洋碳同位素重值信號(hào)是否存在機(jī)制上的關(guān)聯(lián)。

圖5 80 萬(wàn)年以來(lái)兩次大洋碳同位素重值事件與成席硅藻勃發(fā)事件的可能關(guān)聯(lián)a：地球偏心率變化來(lái)自La2004[115], b：全球底棲有孔蟲(chóng)氧同位素合成曲線來(lái)自LR04[116], c：南海ODP 1143 站位浮游有孔蟲(chóng)δ13C 記錄(9°22′N、113°17′E, 水深2 772 m)[117], d：亞熱帶南大西洋GeoB3813-3 站位生物硅含量變化（32°16′S、 21°58′W, 水深4 331 m）[118]。藍(lán)色陰影標(biāo)示碳同位素重值事件，綠色虛線框標(biāo)示大洋硅藻席勃發(fā)事件。Fig.5 Potential linkage between oceanic δ13Cmax events and diatom blooming events over the past 800 thousand yearsa: The Earth’s orbital eccentricity changes (from La2004) [115]; b: global stack of benthic foraminiferal δ18O, LR04[116]; c: the δ13Cmax events represented by planktonic foraminifera δ13C of ODP Site 1143, southern South China Sea (9°22′N、113°17′E, water depth 2 772 m)[117]; d: biogenic silica concentration(SiO2%) of core GeoB3813-3, South Atlantic (32°16′S、 21°58′W, water depth 4 331 m)[118]. Blue rectangles indicate the duration of the δ13Cmax events and green dotted line boxes show the mat-forming diatom blooming events.

為了解釋大洋δ13C 的長(zhǎng)偏心率周期，先前研究提出“溶解有機(jī)碳假說(shuō)”[114]?，F(xiàn)在全球海洋溶解有機(jī)碳庫(kù)總儲(chǔ)量為6 620 億t，與大氣碳儲(chǔ)庫(kù)7 500 億t接近[119]。并且海洋溶解有機(jī)碳庫(kù)中的95%為惰性溶解有機(jī)碳[120]，在海洋中滯留長(zhǎng)達(dá)6 000 年[121]。因此，海洋溶解有機(jī)碳庫(kù)變化可以大幅度影響到大氣CO2濃度以及海洋無(wú)機(jī)碳δ13C 值。根據(jù)假說(shuō)，在偏心率低值期，由于熱帶季節(jié)性和季風(fēng)減弱，入海營(yíng)養(yǎng)鹽輸入和海洋真核藻類生產(chǎn)力減弱，導(dǎo)致大洋生產(chǎn)力以原核類生物為主，海洋溶解有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量擴(kuò)大，扣押了大量12C，導(dǎo)致海洋無(wú)機(jī)碳δ13C 值上升[114]。

由于硅藻席勃發(fā)時(shí)，大量有機(jī)質(zhì)在水柱中發(fā)生了降解，只有極少部分有機(jī)質(zhì)進(jìn)入埋藏的海洋沉積物中[87]。推測(cè)硅藻席有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)物中，除了一部分形成無(wú)機(jī)形式的“呼吸碳”，還有一部分被微生物轉(zhuǎn)化，形成溶解有機(jī)碳。這兩種碳的賦存形式對(duì)大洋無(wú)機(jī)碳δ13C 值的作用剛好相反?！昂粑肌钡耐凰刂递^輕，會(huì)降低大洋無(wú)機(jī)碳的δ13C 值；但如果形成溶解有機(jī)碳，相當(dāng)于從其他儲(chǔ)庫(kù)中帶走12C，最終使得大洋無(wú)機(jī)碳δ13C 值升高。因此，硅藻席勃發(fā)如何影響偏心率低值期的大洋無(wú)機(jī)碳δ13C 重值信號(hào)，還需要大量記錄的約束以及模擬的驗(yàn)證。上的關(guān)聯(lián)。未來(lái)更深入的研究需要對(duì)地質(zhì)歷史時(shí)期的硅藻席勃發(fā)和沉積事件進(jìn)行更廣泛的調(diào)查，再結(jié)合模型來(lái)定量約束硅藻席勃發(fā)事件在軌道尺度的大洋碳-氮循環(huán)中的作用。

4 結(jié)論與展望

（1）成席硅藻在層化或鋒面環(huán)境中勃發(fā)可能與其獨(dú)特的生理結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。硅藻在海洋浮游藻類演化序列上出現(xiàn)和分異的時(shí)間較晚，導(dǎo)致硅藻具備了與藍(lán)細(xì)菌共生和尿素循環(huán)等特殊功能。成席硅藻更是進(jìn)一步發(fā)展出大液泡，可以通過(guò)浮力調(diào)控機(jī)制利用次表層水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽，從而在面積廣闊的熱帶-亞熱帶層化和寡營(yíng)養(yǎng)海洋中獲得了生存競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，形成大規(guī)模勃發(fā)事件。

（2）硅藻席勃發(fā)和沉積過(guò)程可能促進(jìn)了冰期大氣二氧化碳濃度的降低。一方面，成席硅藻席勃發(fā)過(guò)程中，由于絕大部分有機(jī)質(zhì)在水柱中發(fā)生了降解，推測(cè)可以貢獻(xiàn)冰期深海內(nèi)部的“呼吸碳庫(kù)”。另一方面，硅藻席勃發(fā)還可以提高海洋上層營(yíng)養(yǎng)鹽的周轉(zhuǎn)速率，很可能導(dǎo)致冰期大洋氮儲(chǔ)庫(kù)容量和表層生產(chǎn)力的擴(kuò)增。這兩個(gè)過(guò)程都可以促進(jìn)冰期大氣二氧化碳濃度的降低。

（3）成席硅藻勃發(fā)事件的氣候意義并沒(méi)有得到充分的重視和理解。在晚第四紀(jì)冰期階段，成席硅藻E. rex在熱帶-亞熱帶大洋發(fā)生大規(guī)模的勃發(fā)和埋藏，向大洋深部和海底沉積物輸送了大量有機(jī)碳和生物硅，但現(xiàn)在的碳循環(huán)模型以及海洋生物地球化學(xué)模型都缺少硅藻席模塊。

（4）低緯大洋E. rex的勃發(fā)事件可能與大洋無(wú)機(jī)碳碳同位素重值事件相關(guān)。50 萬(wàn)年以來(lái)海洋無(wú)機(jī)碳碳同位素出現(xiàn)兩次重值事件，期間都伴隨低緯大洋E. rex的成規(guī)模勃發(fā)，推測(cè)兩者之間存在成因