地质气象站--砗磲如何记录过去天气变化

在之前的文章中，我们提到：砗磲壳体具有日生长纹层，纹层宽度5-60微米，利用激光共聚焦显微镜(LSCM)可获得清晰的日生长纹层成像（图1），据此可建立日分辨率的相对年代学框架和天生长序列记录；同时，利用二次纳米离子质谱(NanoSIMS)可从每个日生长纹层中获得小时分辨率的地球化学数据（图1），据此建立小时分辨率的地球化学指标。

接下来，今天我们将跟大家分享其中的细节，看看砗磲是如何记录台风、寒潮等极端天气事件，以及日周期循环、MJO等天气尺度变化的。

在获得砗磲激光共聚焦显微成像之后，我们首先会对砗磲的日生长纹层进行计数，获得砗磲的生命时间跨度和每一个日生长纹层的对应日期。

比如，我们在南海西沙北礁，采集了一个活体砗磲XB10（图2），采集的日期是2013年12月9日，然后我们对这个砗磲的日纹层进行计数，发现这个砗磲一共有680个日纹层。如果日纹层没有缺失的话，那么这个砗磲的生命跨度应该就是2013-12-09之前的680天，即2012-01-29到2013-12-09（图2-d）。

为了进行交叉检验，在数显微成像纹层的同时，我们也利用Sr/Ca的日周期循环来进行日纹层计数。基本原理就是：Sr/Ca的一个周期对应日纹层一天，那么通过计数Sr/Ca有多少个日周期循环，也可以获得砗磲的日纹层数（图2-e）。

这两种办法可以进行相互校验。比如上述我们提到的西沙活体砗磲XB10，我们让三个同学分别对显微纹层进行了计数，结果分别为677，681和682。然后又对Sr/Ca的日周期循环进行了计数，结果是680个日周期循环。两者基本上没有太大差别，根据这样一个交叉检验结果，我们就可以获得比较准确的砗磲日生长纹层计数。

讲到这里，我们可能会有两个小问题需要关心：

首先第一问题，砗磲的日生长纹层是连续的吗？是否有缺失呢？

验证是否缺层，最好的办法是进行砗磲培养实验，目前我们也正在进行，暂时还没有结果。除了培养试验外，有两个证据可以支持南海砗磲基本不存在缺层。首先，我们对多个寿命超过25年的砗磲进行了日纹层计数，同时根据年纹层和氧同位素的年周期确定这个砗磲存活了多少年，然后根据日纹层和年纹层来计算每年的日纹层数据，结果基本都在360-370层之间，说明基本上是一天一个日纹层。其次，我们也对一些有准确采集日期的现代活体砗磲进行了日纹层计算，同时获取一些生物地球化学指标，然后通过查看这些指标与器测资料之间的对应是否存在时间差，来检验砗磲日纹层是否连续；结果也支持南海砗磲日纹层基本没有缺失，在本文的后面部分我们也将展示这一结果。

第二问题，化石砗磲如何建立准确的天分辨率年代学框架？

化石砗磲的年代学框架，我们通常采用绝对年代+相对年代的方法构建；其中绝对年代通常用AMS14C方法获得，误差为几十年到一两百年；相对年代则由砗磲的年纹层、氧同位素年周期、日纹层、Sr/Ca日周期来确定，误差可以精确到天。比如我们有一个化石砗磲，AMS14C定年结果为距今6500±35年，表明这个砗磲是中全新世的砗磲；然后年纹层或者氧同位素年周期循环显示这个砗磲的生命跨度为50年，那么我们就可以将砗磲的生存时间定义为距今6475-6525±35这50年。当然这个定义肯定会有一些误差，但是对于我们研究中全新世的气候和天气变率，这样的绝对定年误差显然是可以接受的，也不会对结果有显著影响。在获得有误差的绝对年代后，接下来则需要通过年纹层和日纹层建立准确的相对年代学框架。利用年纹层和氧同位素年周期循环先把这50年逐一分开，然后利用日纹层和Sr/Ca日周期把每一年的365天逐一分开，据此获得可以精确到天的相对年代学框架。在获得精确的相对年代学框架后，我们就可以分析这50年里的气候和天气变率，比如ENSO活动频率如何，每年台风有多少等。最终我们可能获得的认识是：在距今6500年左右的中全新世，当时的温度相比于现在更高或者更低（可以通过月分辨率氧同位素或Sr/Ca获得），ENSO活动频率是几年一次，台风每年平均多少次等信息。这些信息对于我们理解不同气候背景下，极端气候和极端天气事件的状态和变率都有重要意义。

有了准确的年代标尺，我们就可以在这个标尺上建立生物地球化学的时间序列。

比如我们首先可以获得砗磲的天生长速率时间序列。这个可以通过直接测量每个天纹层的宽度获得，原理和测定树轮的年生长宽度一样。同时，还可以通过计算Sr/Ca的日周期循环的数据量来获得。原理是：我们测试Sr/Ca的时候是等间距测量，每两个相邻数据之间的空间间距为2微米，如果一个Sr/Ca日周期循环中有15个数据，那么代表这个日纹层宽度应该是15×2=30微米（图2-e所示，两个Sr/Ca峰值之间为一个日周期循环）。利用这两种方法的交叉检验，我们就可以获得2012-01-29到2013-12-09之间砗磲的天生长速率曲线（图3-a）。

在获得这些天-小时分辨率生物地球化学指标记录后，我们需要对其意义进行分析，以确定这些指标是否能够用来反映气候/天气变化。

天生长速率：在前面文章中，我们曾经介绍过砗磲的生活模式。砗磲实际上是不吃东西的，靠虫黄藻光合作用生活。它的外套膜上面有很多虫黄藻，虫黄藻光合作用直接给砗磲提供能量。因此可以推断，虫黄藻光合作用效率，对砗磲的天生长速率至关重要。而影响光合作用效率的因素，光照强度可能是最重要的，其他的因素如温度、营养供给、海流速度等，也会对光合作用效率产生影响。而在一些极端天气事件发生的时候，比如台风、寒潮时，不仅光照会下降，温度也会下降，海水搅动也会加大，这些因素都会削弱虫黄藻的光合作用效率，因此都可能造成砗磲天生长速率的快速下降。

Sr/Ca、Mg/Ca、B/Ca：目前的测试结果来看，这三个元素比值均表现出很好的日周期循环（图4）。海洋生物碳酸盐的Sr/Ca和Mg/Ca在月分辨率以及更低分辨率的尺度通常都被用来反映海表面温度的变化。但是在日尺度上，我们观测到的Sr/Ca变化基本无法用温度来解释。所以在我们近期的研究工作中，Sr/Ca等主要用来作为年代学标尺和计算天生长速率，暂时还没有直接用于重建气候/天气变化。至于到底是什么原因导致了砗磲Sr/Ca、Mg/Ca和B/Ca的日周期循环，最终的解决可能要靠实验室培养砗磲试验来解决。这一工作我们目前正在进行，暂时还没有明确的结果。

Fe/Ca、Ba/Ca、Mn/Ca：与Sr/Ca等的日周期循环不同，砗磲中Fe/Ca、Ba/Ca和Mn/Ca主要表现出脉冲式的突变（图3-c）。Fe、Ba等营养盐元素在海水中的分布通常是表层低，次表层和底层浓度逐渐升高。因此如果不考虑外源输入的话，海表面Fe、Ba等元素的突然升高通常都与上升流和海水混合加强有关。我们的采样点西沙北礁没有陆地，且远离大陆河口，因此外源输入导致脉冲突变的可能性较低。比较合理的解释是，突然增强的上升流或者海水上下混合（如大风状态）导致了海表面营养盐的升高。

荧光强度：砗磲壳体的荧光强度主要反应砗磲壳体中有机质含量的多少。比如，荧光显微成像展示的昼夜纹层就是因为砗磲昼夜生长速率不一致导致的碳酸盐中有机质夹杂不一样所产生的。除了昼夜纹层，砗磲壳体荧光强度序列还展现出很多异常亮条带，且每一个亮条带都很好的对应Fe/Ca、Ba/Ca的峰值（图2-f和图3-d）。可能的原因是：在开放海洋，表层生产力主要受营养盐限制。当Fe/Ca、Ba/Ca等营养盐突然升高的时候，海表浮游生产力通常也会爆发，会导致表层海水中有机质含量升高，从而在砗磲壳体中得到记录，展现出超亮的荧光条带。

从图3-a可以看出，砗磲的生长速率表现为夏秋季节较高，冬春季节较低。这可能主要与夏秋季节的高温和强光照有关。但是即使是在生长速率较高的夏秋季节，也存在很多突变现象。根据上面的分析，砗磲的天生长速率可能主要受控于虫黄藻光合作用效率，而虫黄藻光合作用则主要跟天气状况有关。通过对现代器测资料的分析，我们发现，南海西沙夏秋季节的天气突变，通常都与台风有关。台风袭击南海北部的时候，通常会带来多云、降温、强风、暴雨，这些都会影响虫黄藻的光合作用进而影响砗磲的生长速率。

为了验证夏秋季节砗磲生长速率下降是否与台风有关。我们将砗磲天生长速率与经过南海的台风活动进行对应。发现两者之间有很好的相关性。台风经过南海北部的时候，砗磲天生长速率均出现了剧烈的震荡（图6-b和c）。