利用高支链类异戊二烯(HBIs)重建极地海冰的研究进展

吴嘉琪 赵军 韩正兵 李栋 张海峰 范高晶 郭晓泽 金海燕 潘建明 张海生

研究进展

利用高支链类异戊二烯(HBIs)重建极地海冰的研究进展

吴嘉琪1,2赵军1,2韩正兵1,2李栋1,2张海峰1,2范高晶1,2郭晓泽1,2金海燕1,2潘建明1,2张海生1,2

(1自然资源部第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012;2自然资源部海洋生态系统动力学重点实验室, 浙江 杭州 310012)

海冰的准确重建对反演气候和环境变化具有重要意义。近期研究表明, 有机指标高支链类异戊二烯(HBIs)具有重建极地海冰状况的潜质, 海洋沉积物中具有海冰特异性的单烯HBI(IP25)和双烯HBI(IPSO25)指标已分别成为研究北极和南极海冰变化的有力工具。本文综述了IP25、IPSO25的提出和验证, 分析了影响HBIs生成、迁移和埋藏的诸多因素, 总结了为实现精细化区分海冰状况和定量化重建海冰密集度而提出的新指标的发展及应用, 并就目前存在的问题和未来研究方向进行了探讨和展望。

高支链类异戊二烯 海冰重建 IP25IPSO25

0 引言

近几十年来, 极地海冰的快速变化对气候和环境产生了重要影响, 引起了人们的广泛关注[1-2]。极地海冰面积约占全球海洋总面积的4%—6%, 是地球上最重要的生物栖息地之一, 其变化会调控极地海域浮游植物的初级生产以及整个生态系统的群落结构, 进而影响极地碳的源汇格局[3]。海冰的变动亦会直接影响海−气界面的热量和物质交换, 对极地深层水的形成产生重要影响[4]。然而, 目前通过遥感技术获取的大范围极地海冰的数据仅有几十年, 这不足以深入了解极地海冰变化的机制[5]。因此, 通过间接手段来重建更长时间尺度的极地海冰变化显得尤为重要。

目前, 海冰重建的替代指标有冰筏碎屑、甲藻孢囊、硅质或钙质生物的微体化石[5-9]。但是这些指标均存在一些问题, 可能导致这些指标对海冰的重建存在偏差或无法进行。例如, 冰筏碎屑是冰山或海冰融化时释放的陆源物质, 虽然冰山和海冰携带的陆源物质的粒径不一样, 但是二者之间的界限不明确[5]; 沉积物中硅质或钙质壳体可能由于其显著溶解效应而不具备普适性[6]; 甲藻孢囊虽然能在沉积物中得到较好的保存, 但是它与海冰不是直接相关[8-9]。因此, 古海洋学家一直努力寻找能够保存良好、信号明确、具有海冰特异性的替代指标。

生活在海冰中的冰藻有可能产生满足上述条件的生物标志物——高支链类异戊二烯(Highly Branched Isoprenoids, HBIs), 逐渐成为研究的重点[10-12]。这其中的两种化合物——单烯HBI[11](HBI I, 主要应用于北极海冰重建)和二烯HBI[12](HBI II, 主要用于南极海冰重建), 近年来被提出作为新型的有机生物标志物类极地海冰指标, 已得到了深入的研究和广泛的应用[10]。本文综述了近10年来针对HBIs类极地海冰重建指标提出的理论依据和后续的研究进展及应用情况, 分析了目前存在的问题和未来可能的研究方向, 以期更好地利用该指标重建极地海冰。

1 HBIs类海冰指标的提出及验证

HBIs是来自特定硅藻的次生代谢产物[13-14], 广泛存在于湖泊、海洋水体及沉积物中[15-20]。较为常见的是含有2—5个双键共25个碳的HBIs[16]。培养实验表明,等硅藻产生的HBIs中双键数目会随着温度的降低而减少——在25°C、15°C、5°C时主要的化合物分别为四烯(HBI IV)、三烯(HBI III)、二烯(HBI II)[21]。因此, 在温度更低的极地海冰中, 冰藻(主要是硅藻)能否产生双键数目更少的HBI, 成为HBI能否作为海冰重建指标的关键[11]。

1.1 北极海冰指标IP25的提出及验证

Belt等[11]在分析加拿大北极地区春季藻类旺发期间的海冰样品时, 检测到了仅有一个双键的HBI——HBI I(结构如图1所示)。同时, 他们还分析了无冰海域的浮游植物样品以及不同海冰覆盖条件下的沉积物样品, 发现HBI I仅存在于季节性海冰及其下方的沉积物中, 而不存在于在全年冰或开阔水域及其下方的沉积物中。因此, 提出可以利用HBI I指示北极季节性海冰, 并将其命名为IP25(Ice Proxy with 25 carbon atoms)[11]。

图1 文中涉及的高支链类异戊二烯(Highly branched isoprenoids, HBIs)的结构

Fig.1. Structures of highly branched isoprenoids (HBIs) described in this study

此后, 科学家们通过分析IP25在海冰、水体颗粒物、沉积物捕获器和海底表层沉积物中的分布情况, 并结合遥感海冰数据和δ13C数据来检验IP25指示海冰的合理性。

Brown等[22]分别对北极阿蒙森湾和波弗特海的季节性海冰进行了时间序列观测, 发现大约有90%的IP25是在春季(3月中旬到5月末)积累的, 因此提出IP25是指示北极春季海冰的指标。同时, 通过对不同月份冰下水体样品的分析, 发现水体中IP25仅在海冰刚融化时检出, 表明IP25指示海冰具有合理性[22]。进一步研究显示, 至少95%的IP25由等冰藻产生。虽然这些冰藻的丰度较小(占冰藻总量的1%—5%), 但是其广泛分布于泛北极地区, 因此, 将IP25应用于北极海冰的重建具有广泛的适用性[23]。

北极大范围表层沉积物调查研究(大于500个样品, 图2)显示, 绝大多数检测出IP25的样品都位于冬季海冰覆盖范围内, 无冰区表层沉积物样品基本上没有检出IP25[24], 表明沉积物中IP25可以用来定性指示北极海冰[10,24]。值得注意的是, 多年冰覆盖区表层沉积物中的IP25含量较低(或为0)[25], 因此需要结合其他生物标志物来区分多年冰区和无冰区[24]。此外, 在海冰密集度小于90%的区域(即持续性海冰覆盖区、冰边缘区、季节性海冰覆盖区域或无冰区), IP25和春季海冰密集度有良好的线性关系。例如, Müller等[26]通过分析东格陵兰岛和西斯匹次卑尔根岛边缘海表层沉积物中的IP25含量, 发现其与遥感观测得到的海冰密集度存在良好的线性相关关系(2=0.67)。Navarro-Rodriguez等[27]在北冰洋巴伦支海得到了类似结果。Stoynova等[28]发现北大西洋和北太平洋表层沉积物中IP25浓度的对数值与春季海冰密集度之间有良好的相关性。但是Xiao等[25]发现多年冰覆盖区表层沉积物中IP25的浓度很低, 降低了整个北极地区IP25和春季海冰密集度之间的相关性。因此, 利用IP25来定量重建极地海冰仍需进一步探究。

图2 已开展IP25和IPSO25研究的站位分布(重绘自文献[24,29]). a)为北极地区; b)为南极地区. 蓝色虚线和黑色虚线分别表示1981—2010年平均最小海冰边缘线和最大海冰边缘线 (数据来源: 美国国家冰雪数据中心). 三角形、圆形和正方形分别代表水体样品、表层沉积物样品和柱状沉积物样品. 橙色和红色均表示检出海冰标志物, 白色表示未检出海冰标志物(北极海冰标志物为IP25, 南极海冰标志物为IPSO25)

Fig.2. Locations of sediment and/or water samples used for HBIs studies. a) Arctic and b) Antarctica (modified from references[24,29] ). Bule and black dash lines refer to mean satellite-derived minimum and maximum sea-ice extent for the interval 1981—2010, respectively (Data Source: National Snow and Ice Data Center). The locations of water samples, surface sediments, and core sediments are shown by triangles, dots, and squares, respectively. In both figures, the locations with the presence of sea ice biomarkers are shown in orange or red, while the locations without the signal of sea ice biomarkers are shown in white ( the sea ice biomarkers are IP25in Arctic, and IPSO25in Antarctica)

此外, 有研究报道, 与水体浮游植物相比, 冰藻中有机物的δ13C值偏正。例如北极海冰中有机物的δ13C值通常为−5‰—−22‰, 而无冰区水体或其中浮游植物的δ13C值仅为−22‰— −30‰[30]。Belt等分析了北极富兰克林湾沉积物捕获器的样品, 发现IP25的δ13C值(−19.6‰±1.1‰)接近海冰来源的有机物, 这亦证明了IP25来源于海冰[31]。

1.2 南极海冰指标IPSO25的提出及验证

IP25在北极海冰重建中获得成功应用。然而, 在南极的沉积物中并没有发现IP25, IP25由一些特定冰藻生产, 南极目前还未发现能够产生IP25的硅藻[32]。尽管如此, 南极沉积物中HBI I I (图1)的δ13C偏正(−9.1‰—−9.4‰)[33-34], 与海冰来源的有机物类似, 可能是一种指示南极海冰的生物标志物[12,33]。Massé等[12]在南极做了与Belt等类似的工作, 通过分析HBI II在南极海冰、水体、表层沉积物(东南极, 5个)中的分布, 发现HBI II仅存在于海冰和海冰覆盖范围内的表层沉积物中, 且无冰区夏季藻类爆发时海水样品中没有检测到HBI II, 首次明确提出HBI II可以指示南极海冰的可能性。

Belt等[35]检测了西南极149个表层沉积物(图2), 结果显示HBI II仅出现在有固定冰覆盖的表层沉积物中, 其含量随着离岸距离的增加而降低, 表明HBI II可以作为南极海冰的指标。进一步研究表明,Medlin是南极沉积物中HBI II的主要生产者[35]。由于的丰度在春季藻类爆发和海冰开始融化的时候增加, 所以该指标被认为可以指示春末/夏初海冰的存在情况, 并被命名为IPSO25(Ice Proxy for the Southern Ocean with 25 carbon)[35]。不过, IPSO25来自于的发现仅是基于南极半岛一根冰芯得到的结果, 而南极不同区域海冰中的冰藻组成不同[36]。因此, 该结果是否具有代表性, 尚需对不同区域的海冰样品开展进一步研究工作才能知晓。

2 影响HBIs指示极地海冰状况有效性的因素

IP25及IPSO25已被广泛应用于极地海冰重建, 但仍需深入了解其在海冰中的时空分布, 及其在迁移转化和埋藏过程中的影响因素, 以准确评估HBIs重建极地海冰的合理性。

2.1 影响HBIs准确定量的因素

准确测定样品中HBIs的含量对海冰重建至关重要。这依赖于恰当的样品保存条件以及准确的、重复性高的预处理、分析方法。实验室观测研究表明, 在24个月内, 当沉积物样品以干样的形式避光保存于玻璃瓶中时, IP25和IPSO25的降解率很低, HBI III和HBI IV由于存在三取代双键, 有明显的降解[37-38]。目前存在的两种预处理方法的主要差异是萃取方式不同(超声萃取[39]和加速溶剂萃取[40]), 无论用哪种方法, IP25的回收率是接近的, 但是加速溶剂萃取所采用的高温高压的萃取方式会破坏HBI II(IPSO25)以及HBI III的双键, 导致这两种化合物的回收率明显降低[41]。值得注意的是, 不同实验室的对比实验表明, 即使是相同的样品, 同一批内标, 不同实验室的实验结果有较大的差异, 这可能是由于不同实验室的萃取效率存在差异导致的[41]。因此在使用HBIs的绝对含量表征海冰过程与变化时需要谨慎, 需要使用比测标准品来保证数据的可靠性和可比较性[41]。

2.2 影响海冰中HBIs时空分布的因素

海冰中的光照强度、盐度以及营养盐的可利用性会通过影响冰藻的生物量进而影响HBIs的产量[3]。海冰上覆雪的厚度会影响到达生物栖息地的光照强度。Brown[42]通过时间序列采样(2008年3月8日—4月8日)对比分析不同冰厚度覆盖下冰藻的生长状况, 结果表明雪厚度的增加导致透光强度减弱, 海冰中的IP25逐渐减少直至消失。但由于海冰中IP25的峰值出现在5月份[22], 上述研究缺失后续月份海冰中的IP25数据, 未能完整观测到雪的厚度对海冰中IP25生长周期的影响。在此基础上, Ringrose[43]在加拿大雷索卢特海峡的研究(4月11日—6月11日)表明, 不同上覆雪厚度的冰中IP25的累积速率不同, 但是其含量的峰值接近。Mundy等[44]人观测到海冰上覆雪厚度的变化对海冰中叶绿素a积累速率的影响与对IP25的一致。海冰中的盐度和IP25浓度没有明显的相关性, 但是IP25主要分布在海冰中卤水体积占比大于5%的地方[22,42]。对雷索卢特海峡的调查显示, 2012年海冰中IP25和叶绿素a的积累量均高于2011年, 推测这可能是更多的营养盐供给所致[45], 但是由于缺乏该海域的营养盐数据, 该解释需要进一步验证。此外, 在海冰密集度相同的情况下, 北大西洋表层沉积物中IP25的含量高于北太平洋(分别为1.6—166.4 μg·g–1OC和0—38.5 μg·g–1OC)[28], 可能原因是这两个海域在温度、盐度、营养盐等方面存在差异, 影响着藻类的生长[4], 进而导致IP25的含量不同[28]。

2.3 影响HBIs迁移转化的因素

横向输送、光降解、微生物降解及动物摄食均可能会导致HBIs在沉降过程中通量的降低[46]。Navarro-Rodriguez等[27]对北极巴伦支海117个表层沉积物的研究发现, 10个检出IP25的样品位于海冰覆盖范围外, 其浓度比季节海冰区的沉积物低, 推测这部分站位的IP25并非来自上层水体垂向输送, 可能是邻近陆坡横向输送而来, 这意味着沉积物中的IP25存在受外来信号干扰的可能。对不同双键数目HBIs的实验室模拟光降解实验显示, IP25和IPSO25缺乏光敏氧化降解反应活性[47-48], 这意味着这两种化合物在穿过真光层时受光降解的影响很小。沉降过程中微生物对有机物的降解作用十分明显, 但是目前为止, 针对微生物对沉降过程中HBIs降解作用的研究很少。海冰融化所释放出来的冰藻(含有IP25或IPSO25)在沉降过程中有一部分会被浮游动物摄食, 并且会通过食物网传递至高营养级的海洋动物体内[49], 传递过程中结构是否发生变化未知, 停留时间尚不确定, 该过程导致水体中HBIs移除或是重新分布的程度亦未知。

2.4 影响HBIs埋藏的因素

降解模拟实验表明IP25和IPSO25都缺乏自氧化降解活性[37,47]。因此, 基于IP25和IPSO25重建海冰的研究通常忽略HBIs的降解对重建工作的影响。但是最近研究显示沉积物中HBIs存在降解现象[42,50-51]。Brown[42]对两个深海短柱样品的研究发现, 沉积物中IP25含量从上部有氧层的14 ng·cm−3下降到氧化还原界面的3 ng·cm−3, 这表明在有氧环境中, 微生物的代谢过程可能会导致IP25的降解。Rontani等[51]发现沉积物中的有氧层有多种IP25的降解产物, 这验证了Brown的观察。由于这些降解产物极易发生二次降解, 所以在重建古海冰时, 无法通过检测样品中IP25的降解产物来区别沉积物中信号值改变是何种因素(海冰变化或微生物氧化降解)占主导地位。虽然如此, 一些短柱状样(近一个世纪)的研究显示, IP25含量的变化和已知的历史气候变化一致, 这说明气候变化可能是沉积物中IP25含量变化的主控因素[51-52]。另外, 在缺氧环境中, IPSO25与沉积物中的硫结合形成有机硫化物可能是该化合物在沉积物中降解的一种潜在途径[33]。因此, 在利用沉积物中HBIs重建极地古海冰时, 必须考虑埋藏过程中HBIs降解的可能影响。

物理扰动及生物扰动也可能干扰沉积记录。例如, 北极阿蒙森湾不同水深、离岸距离的箱式沉积物对比研究表明, 浅水沉积物可能受到更为强烈的物理或生物扰动影响, 造成IP25的原始沉积信号上下混合, 无法有效反演海冰的历史变化[42]。因此, 在这种沉积环境下重建古海冰时, 需要结合210Pb数据来去除浅层沉积物中受干扰的信号。

此外, Xiao等[53]在研究北极喀拉海和拉普捷夫海的表层沉积物时发现, IP25和海冰密集度没有明显的相关性, 推测这可能是由于河流输入的陆源物质稀释沉积物中IP25的信号所导致的。因此在复杂环境下, 需要结合多种参数/指标才能更准确的进行海冰重建。

3 HBIs海冰指标的发展及应用

虽然IP25和IPSO25为极地海冰重建提供了新思路和新方法[54-55], 但是由于IP25或IPSO25集中产生于春季海冰/边缘冰, 因此无法区分开阔水域和多年冰区[10], 也不能很好的指示春季海冰密集度[25]。为解决这些问题, Müller等[26]将指示开阔水域的光合浮游植物生物标志物(例如菜籽甾醇)和指示海冰的标志物IP25相结合, 提出了一个新指标——浮游植物-IP25指标(PIP25); Belt引入HBI III (图1)作为无冰区浮游植物的生物标志物, 并提出另一个新指标——PIIIIP25重建北极古海冰[56]。此外, 不同HBI的比值可以提供更加详细的海冰状况信息, 例如HBI II和IP25的比值(DIP25)有可能指示北极不同海域海冰类型的差异[57-58]; IPSO25和HBI III的比值(II/III)有可能指示南极不同海域海冰持续时间的差异[59-60]。

3.1 PIP25

虽然多年冰区和开阔水域沉积物中IP25的含量极低, 但是光合浮游植物生物标志物的分布特征在这两种区域有显著的差异: 开阔水域沉积物中的含量远高于多年冰区沉积物中的(图3)。基于此, Müller首次提出PIP25指标(公式1), 用来半定量重建北极海冰密集度[25]:

其中, P表征样品中浮游植物生物标志物的浓度, 浓度平衡因子c= IP25的平均浓度/光合浮游植物标志物的平均浓度。平衡因子c的引入是为了平衡沉积物中浮游植物生物标志物的浓度和IP25的浓度之间的显著差异, 使得PIP25结果对海冰变化更具敏感性, 亦有利于不同研究结果之间对比。

Müller[26]计算了表层沉积物中三种常见的光合浮游植物生物标志物相对应的PIP25值(菜子甾醇-IP25称为PBIP25, 甲藻甾醇-IP25称为PDIP25, 短链正构烷烃-IP25称为PAlkIP25), 并结合卫星遥感的海冰数据对比分析, 发现PBIP25与海冰密集度的线性关系最强(2=0.74)。Xiao等[25]总结400多个北极表层沉积物的PIP25(以下特指PBIP25或PDIP25)的数据, 分析发现无论是PBIP25还是PDIP25都与真实的海冰密集度显著相关(＜0.05)。因此, 沉积物中相对较高的PIP25值可能指示该区域覆盖的海冰密集度更高。此外, 对比表层沉积物中PIP25值与不同季节的海冰覆盖范围, 发现PIP25值亦可以指示不同海域海冰的类型或持续时间。例如, PIP25值较高(＞0.75)说明该区域海冰类型为多年冰(持续时间最长), PIP25值在0.5—0.75之间说明该区域是稳定的边缘海冰区或者是季节海冰(持续时间较长), PIP25值在0.1—0.5之间表示较少的海冰(持续时间较短), PIP25值为0说明该区域是开阔水域, 没有海冰覆盖(持续时间最短)[25-26]。

图3 不同海冰分布状况下, 沉积物中IP25和浮游植物生物标志物的含量以及PIP25值变化情况示意图(据Müller等[26]和陈建芳等[61]改绘)

Fig.3. Schematic representing different PIP25values and contents of IP25and phytoplankton biomarkers in different sea ice conditions (modified from Müller et al.[26]and Chen et al.[61])

PIP25指标已经在北极不同区域和地质年龄的海洋沉积物中得到应用。Stein等通过分析罗蒙诺索夫海岭区域柱状沉积物中的IP25、PIP25、长链烯酮、甲藻甾醇, 重建了晚新生代(7.2—5.3 Ma BP 托尔托纳阶/墨西拿阶界限)、中新世中心北冰洋古海冰覆盖情况, 首次发现晚新生代、中新世晚期的北冰洋中心区夏季无冰[62-63]。Xiao等[64]首次利用PIP25等生物标志物重建了过去15 ka以来冰岛北陆架的海冰情况, 发现在Bølling/Al­lerød及新仙女木时期, 该区域的海冰持续时间较长, 而在全新世早期, 该区域全年无冰。Ruan等[65]利用IP25、PIP25、TEX86重建北白令海全新世的海冰情况以及夏季海表面温度, 发现全新世时期, 白令海的海冰持续时间长, 而且夏季海表面温度呈现下降趋势。

虽然利用PIP25重建北极海冰已经得到大范围的应用, 但是该指标在应用过程中仍然存在一些不确定性[10]。首先, 沉积物中的部分甾醇可能来源于冰藻, 这可能导致不同海冰覆盖区域的沉积物中的甾醇的差别较小, 进而可能影响PIP25指标的准确性[10,32], 这表明在使用PIP25重建极地古海冰时, 亦应该考虑冰藻产生的甾醇对该指标的影响[66]。其次, 平衡因子c的不确定性。例如当季节冰区(时期)和无冰区(时期)的样品数量比例不同时, 会导致平衡因子出现较大的变化, 进而影响重建结果[10]。

为了解决PIP25指标存在的问题, 需要寻找一个物质来代替甾醇作为浮游植物的生物标志物, 该物质应仅由浮游植物产生, 且在沉积物中的含量与IP25的相当。研究显示, HBI III仅来源于海洋浮游植物[67], 其在表层沉积物中的分布趋势和IP25相反, 例如, 海冰持续时间更长区域的IP25含量越高, 而HBI III的含量在冬季海冰边缘(或冰边缘区)显著升高[56]。且相比于甾醇, HBI III在表层沉积物中的浓度更接近IP25[56], 利用其作为浮游植物生物标志物可能降低平衡因子c的变化对PIP25指标有效性的影响。基于此, Belt等[56]提出将HBI III与IP25结合(命名为PIIIIP25, 公式2)来指示海冰密集度以及冬季海冰边缘的位置。Smik等[67-68]通过分析巴伦支海表层沉积物样品中的PIIIIP25, 对比卫星遥感来源的海冰数据, 研究发现相比于PBIP25, PIIIIP25和海冰密集度之间的线性关系更强(2=0.9)。且无论是否考虑平衡因子c(不考虑平衡因子c时, c=1), PIIIIP25与海冰密集度之间的线性关系没有出现明显波动[67]。然而, 当样品中HBI III和IP25的浓度有较大差别时, 平衡因子c会使得PIIIIP25指标对海冰的变化有更敏感的响应[69]。

此前, Cabedo-Sanz等[70]分析挪威安峡湾柱状沉积物样品的研究显示, 在Allerød暖期, IP25信号消失并伴随着甾醇含量下降, 这说明安峡湾在Allerød暖期可能没有海冰覆盖, 也可能是冰川重新增长。而在重新分析该样品中的HBI III数据后, 发现HBI III在Allerød暖期升高, 排除了后一种情况的可能, 确定安峡湾在Allerød暖期没有海冰覆盖[57]。Detlef等[71]利用PIIIIP25重建东白令海中更新世转换(MPT)时期的海冰状况, 发现海冰覆盖程度在MPT时期有大幅度的增加。

3.2 DIP25

HBI II和IP25结合使用得到的新指标——DIP25的差异也可能反映北极海冰状况的不同。其计算公式如下:

Cabedao-Sanz等[58]对比研究了北安斯峡湾、巴罗海峡、冰岛北陆架三个不同位置区域的沉积物柱状样中的DIP25值, 发现DIP25值稳定的时候指示海冰状态状况相对稳定, 当该值发生很大变化的时候, 说明海冰条件状况发生了较大的变化, 这与之前Fahl和Stein[46]的结论类似。此外, 海冰状态不同的三个研究区域的DIP25值存在的差异, 也可能说明不同的DIP25用来指示不同的海冰类型, 如固定冰或浮冰[58]。

此外, DIP25升高可能指示海表面温度(海冰融化与否的主控因素)升高。Xiao等[53]对比研究北极不同纬度的表层沉积物中的DIP25时发现, 海表面温度越高, DIP25的值也随之升高。虽然DIP25指标的意义仍需要进一步确认, 但是这些研究结果显示DIP25可以提供有价值的海冰状况信息。

3.3 II/III

IPSO25和HBI III的比值(即II/III)亦有指示南极海冰状况的潜力[59]。Smik等[72]通过对不同海冰覆盖状况(全年无冰覆盖海区(POOZ)、夏季海冰覆盖海区(SIZ)、介于POOZ和SIZ之间的边缘冰海区(MIZ))的表层水体分析表明, IPSO25仅存在于MIZ和SIZ的表层水中(最高浓度出现在SIZ), HBI III在所有区域的表层水中都有发现(最高浓度出现在MIZ)。因此, Smik等[72]提出相对高的II/III是SIZ区域的特征, 指示更长的海冰覆盖时间(在夏季也有海冰覆盖), 而相对低的 II/III可能指示这是一个MIZ区域。尽管如此, 由于HBI III和IPSO25的光降解速度不同[37], 二者在表层水体的分布并不能代表它们在表层沉积物中的分布情况。因此, 仍需要大范围调查表层沉积物样品中HBIs的分布以及II/III值, 以进一步明确 II/III 比值所代表的意义[72]。

4 总结及展望

综上所述, IP25和IPSO25结构相对稳定且具有海冰特异性, 能分别指示北极、南极春末/夏初的海冰状况。将海冰指标IP25、IPSO25与光合浮游植物生物标志物(如甾醇、HBI III)结合后的指标(如PBIP25、PIIIIP25)能够辨识出更多的海冰覆盖情况, 可用来半定量地重建极地海冰。HBI II和IP25的比值(即DIP25)以及IPSO25和HBI III的比值(即II/III)亦分别有指示北极、南极海冰不同状况的潜力。目前, 这一系列指标作为重建极地海冰的新型工具, 已被古海洋学家广泛接受并加以应用。

然而, 这一新方法仍然有很多问题亟待解决。例如, 冰藻如何调控HBIs生产使其对海冰状况产生响应的生理学机理尚不清晰, 这些基于HBIs的海冰指标尚不能完全定量重建海冰密集度。对这些问题的研究与认识, 在应用HBIs类海冰指标精细化、定量化重建海冰状况的研究中具有重要的科学意义。随着我国极地海洋科学研究的深入, 未来可在以下几方面开展工作, 以发展和完善极地海冰反演的研究工作: (1)进一步研究影响HBIs生成的生理学机制, 尤其是不同类型海冰(例如固定冰、饼状冰等)中HBIs的差异可能会为极地海冰重建提供新的思路; (2)对南、北极大空间尺度的沉积物中HBIs进行分析研究, 以期能够建立可靠的经验公式或模型来定量重建极地海冰; (3)相较于北极, 南极海冰的变化对全球气候的变化有着更为深远的影响, 但利用HBIs重建南极海冰的研究起步较晚, 有许多问题仍未得到解决, 在后续的研究中, 可以结合其他生物标志物或者HBI的单体同位素来指示南极海冰变化。

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ADVANCES OF USING HIGHLY BRANCHED ISOPRENOIDS (HBIS) AS A POLAR SEA ICE PROXY

Wu Jiaqi1,2, Zhao Jun1,2, Han Zhengbing1,2, Li Dong1,2, Zhang Haifeng1,2, Fan Gaojing1,2, Guo Xiaoze1,2, Jin Haiyan1,2, Pan Jianming1,2, Zhang Haisheng1,2

(1Second Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Hangzhou 310012, China;2Key Laboratory of Marine Ecosystem Dynamics, Ministry of Natural Resources, Hangzhou 310012, China)

Understanding long-term sea ice variations is crucial for reconstruction of past climate and prediction of future climate. Recently, highly branched isoprenoids (HBIs), which is an organic geochemical lipid biomarker, has been proposed as a possible indicator of polar sea ice conditions. Mono-HBI (IP25) and dine-HBI (IPSO25), which are produced by diatoms living in association with seasonal sea ice, have been considered as potential measures of Arctic and Antarctic sea ice, respectively. In this paper, we summarize the research on polar sea ice reconstruction using HBIs. These include verification of proxies, factors influencing effectiveness of proxies, and development and application of indices to categorize sea ice conditions and reconstruct sea ice concentration quantitatively. We also highlight research gaps and propose future research directions in this field.

highly branched isoprenoid, sea ice reconstruction, IP25, IPSO25

2019年1月收到来稿, 2019年4月收到修改稿

国家自然科学基金(41976228, 41976227, 41376193)、自然资源部第二海洋研究所基本科研业务费专项资金项目(JG1805)、南北极环境综合考察与评估专项(CHINARE01-04)资助。

吴嘉琪, 女, 1994年生。硕士研究生, 主要从事极地海洋有机地球化学研究。E-mail: jq.wu@outlook.com

潘建明, E-mail: jmpan@sio.org.cn; 赵军, E-mail: jzhao@sio.org.cn

10. 13679/j.jdyj.20190004