南海珊瑚礁及其对全新世环境变化的记录与响应

　　摘要：综述了南海珊瑚礁的生态现状及其对全新世环境历史的记录与响应.生态监测结果表明,南海珊瑚礁总体处于退化之中,主要表现为活珊瑚覆盖度的大幅度下降和珊瑚共生虫黄藻密度的降低,并导致珊瑚钙化率和珊瑚礁碳酸钙生产力的下降,这一现象是由全球气候变暖和人类活动的双重影响所致.作为高分辨率环境记录的载体,南海珊瑚礁清楚地记录了全新世温度历史和气候突变事件、千年尺度的活动强弱变化、千年-百年尺度的海平面波动、周期性的强风暴活动以及东亚季风、海水酸度和污染状况等.珊瑚礁对全新世环境变化的响应方面,南沙群岛珊瑚礁记录显示过去200年来曾经多次发生高温引起的珊瑚礁热白化事件;中全新世高温期块状珊瑚死亡后恢复的时间为10-20年;中全新世高温期曾经周期性地发生低温气候事件导致的珊瑚冷白化,冷白化后珊瑚礁的恢复期一般为20-30年.这些研究有助于正确认识气候环境的变化过程和珊瑚礁生态系统对环境变化的响应规律.

　　关键词：珊瑚礁；生态；环境；气候；全新世；南海

　　作为生物多样性最高、资源最丰富的生态系统,珊瑚礁为全球约6.5亿人提供资源服务,包括食物供给、休闲旅游、海岸保护等.珊瑚礁的主要构建者珊瑚,以其对环境变化极其敏感、年生长量大(块状珊瑚每年生长1-2cm,枝状珊瑚则更大)、年际界线清楚(像树轮一样)、连续生长时间长(一般块状珊瑚可连续生长200-300年,最长达800年左右)、文石质骨骼适合高精度铀系测年(如(12±1)a)、分布广等特点,是高分辨率地记录过去环境变化过程的重要载体,并在揭示低纬度热带海区环境变化过程及其在全球气候变化中的作用等方面发挥着重要功能,如大堡礁近420年的珊瑚记录显示全球小冰期气候在一定程度上是由于热带太平洋水汽加强向极地传输所致;太平洋和印度洋的珊瑚记录也显示热带海区对全球气候变化的驱动作用.

　　南海珊瑚礁星罗棋布,从近赤道的曾母暗沙(~4°N),一直到南海北部雷州半岛、涠洲岛(~20~21°N)以及台湾岛南岸恒春半岛(~24°N)都有分布;包括环礁、岛礁和岸礁等多种类型;发育历史可追述至早中新世或晚渐新世.与世界其他海域的珊瑚礁一样,南海珊瑚礁一直在资源供给等方面发挥着重要作用;近年来南海珊瑚礁在记录高分辨率的过去环境变化过程与珊瑚礁对环境变化的响应规律等方面显示出巨大的潜力.

　　1、南海珊瑚礁的分布与生态现状

　　从分布的区域出发,南海珊瑚礁可大体分为南沙群岛、西沙群岛、中沙群岛、东沙群岛、海南岛、台湾岛、华南大陆沿岸、越南沿岸和菲律宾沿岸9大区域.初步估计南海现代珊瑚礁的面积约8000km2(未包括越南和菲律宾沿岸的珊瑚礁),但珊瑚礁碳酸盐台地的面积要大得多,因为深水碳酸盐台地和水深50m以下的珊瑚礁面积没有统计进来.

　　生态监测结果显示,南海珊瑚礁在过去几十年来处于急剧退化之中.从最能反映珊瑚礁健康状况的活珊瑚覆盖度这一指标来看,南海北部大亚湾海区活珊瑚覆盖度从1983/1984年的~76.6%下降到2008年的~15.3%;海南三亚鹿回头岸礁从1960年的80%~90%下降到2009年的~12%;西沙群岛永兴岛从1980年的~90%下降到2008~2009年的~10%.南海珊瑚礁的退化主要是由于加剧的人类活动的影响,如海南三亚鹿回头珊瑚礁自20世纪60年代以来先后经历了礁石挖掘、破坏性捕捞、海上养殖、海岸工程建设和潜水旅游等几个阶段.受人类活动加剧和全球气候变暖(导致珊瑚白化)的双重影响,近几十年来世界范围内珊瑚礁总体处于严重退化之中,如澳大利亚大堡礁在1960~2003年间活珊瑚覆盖度从~50%下降到~20%;加勒比海珊瑚礁区在1977~2001年间活珊瑚覆盖度从~50%下降到约10%.南海及大堡礁和加勒比海活珊瑚覆盖度的长期变化趋势.南海各珊瑚礁中,人类活动影响相对较小的南沙群岛美济礁2007年的活珊瑚覆盖度约40%(未发表);但与珊瑚共生的虫黄藻密度研究结果显示,南沙群岛珊瑚的虫黄藻密度远低于南海北部的珊瑚,与其正常状况相比平均损失了31%~90%的共生虫黄藻,表明看起来健康的南沙群岛珊瑚礁正经历高温的威胁,实质上也并不健康.

　　迄今为止,世界上几乎没有了处于“原始状态”的珊瑚礁,这正是南海珊瑚礁现代状况的写照.珊瑚礁的退化严重影响到珊瑚礁生态功能及其在碳循环中的作用,如海南三亚鹿回头珊瑚礁的退化导致其碳酸盐生产力自1960年以来下降了80%~90%;初步估计南海现代珊瑚礁的碳酸盐年产量为2.12×1010kg,约相当于全球珊瑚礁碳酸盐产量的1.6%~3.3%,当然与珊瑚礁的面积估算一样,这也是最小估计.

　　虽然关于珊瑚礁是大气CO2的“源”或“汇”方面还有不少争议,但一般认为当珊瑚占优势时珊瑚礁区多表现为大气CO2的源,而当大型藻类占优势时珊瑚礁则表现为CO2的汇.历史上珊瑚礁可能通过参与碳循环而对调控气候变化起到过关键作用,如珊瑚礁假说提出14ka前冰盖消退过程中大气CO2含量的增加是由于珊瑚礁沉积速率的变化引起的.对南海南沙群岛永暑礁(环礁)、西沙群岛永兴岛(岛礁)和海南三亚鹿回头岸礁进行的海-气CO2交换的监测结果表明,海水和大气CO2的分压(PCO2)均存在明显的日周期变化,表现为夜间上升,白天下降;虽然不同礁区海-气CO2交换通量具有明显的区域差异,南海现代珊瑚礁总体上在夏季是大气CO2的源.

　　大气CO2含量的增加导致了海水酸化,也影响到了珊瑚的钙化能力.最新的研究发现20世纪90年代以来大堡礁等海域的珊瑚钙化率明显下降,幅度可达14%~21%,超出了过去400a内的变化幅度,推测是大气CO2含量上升和全球变暖对珊瑚的影响所致.南海南沙群岛美济礁珊瑚的钙化率研究显示,近200年来珊瑚的钙化率可分5个阶段,即1770~1830,1870~1920和1980~2000年为钙化率总体增长阶段,1830~1870和1920~1980年为钙化率总体下降阶段;其中1770~1830年和1920~1980年分别为近200多年来的最大增幅(4.5%)和最大降幅(6.2%)时段,最近的时段1980~2000年间珊瑚钙化率有小幅度上升,钙化率的年代际变化仍维持在历史的变图2南海及大堡礁、加勒比海珊瑚礁的退化动范围之内.进一步分析显示,美济礁珊瑚钙化率对大气CO2含量的上升和热带海区水温变暖之间的关系并不显著.对南海北部大亚湾海区近46年珊瑚的钙化率研究则显示,在相对高纬度海区,温度上升对珊瑚礁钙化率具有促进作用;但温度持续上升并超过珊瑚适应的温度上限之后,则会降低珊瑚的钙化率.可见,南海珊瑚钙化对大气CO2和海水温度的响应程度也具有明显的区域差异,这主要受不同珊瑚礁区的气候条件所制约.

　　2、南海珊瑚礁记录的环境变化过程

　　对环境变化极其敏感的珊瑚,其快速生长的骨骼能够清楚地记录其所经历的多种环境变化过程,如温度的波动、海平面的升降、的强弱、风暴活动的频率、海水的酸碱度、洪水泛滥历史等,因此被广泛应用于热带海区高分辨率的过去环境重建.星罗棋布地分布于南海的珊瑚礁揭示出了多种环境变化信息,如全新世高温期存在高频率且大幅度的冬季降温事件、全新世存在千年和百年尺度的相对高海平面波动、强风暴和活动的周期性、东亚季风的强弱变化等.

　　2.1南海珊瑚记录之中、晚全新世温度过程与气候事件

　　迄今已基本建立了南海各主要珊瑚礁区的珊瑚地化指标与温度之间关系式,包括南沙群岛、西沙群岛、海南岛、雷州半岛和台湾岛等,为进一步开展高分辨率的过去温度重建提供了温度标尺.依据建立的温度标尺,雷州半岛全新世不同时期发育的珊瑚月分辨率的Sr/Ca和.18O记录显示,海水表层温度(SST)自~6800年前至~1500年前总体上在波动中呈下降的趋势,其中6.8~5.0kaBP期间SST比现代(20世纪90年代,本区最暖的10年)高0.9~0.5℃,~2.5kaBP时SST与现代相当,~1.5kaBP.

　　SST比现代低约2.2℃.这一温度的总体下降过程同时伴随着有效蒸发量的减少,导致了海水.18O值降低.但与~6800年来的总体趋势相反,20世纪后期以来珊瑚记录显示温度急剧上升,与器测记录一致,可能反映了人类活动导致的温室气体对气候的影响.雷州半岛珊瑚记录的中全新世高温特征在海南三亚的珊瑚记录中得到了很好的重现,如距今6.5~6.1ka期间的3段珊瑚骨骼Sr/Ca记录表明,当时冬季温度与现代相当,但夏季温度则高于现代1~2℃;距今约540年前的西沙群岛珊瑚Sr/C珊瑚记录之中、晚全新世温度过程(a)与碳库年代(b)7.5ka来的碳库年代(R)的总体下降的趋势指示ElNi.o活动是一个总体增强的过程;7.2~5.6和3.5~2.5kaBP之间2个高碳库年代峰值指示弱活动期则显示当时温度比现代低约1℃左右,对应于历史上的“小冰期”.西沙群岛珊瑚生长率和Sr元素含量则记录了近100~220年的温度变暖特征,总体与器测温度记录一致,佐证了珊瑚记录温度的可靠性.

　　6.8~5.0kaBP的夏季高温指示当时是一个强夏季风时期.但在6.8kaBP以前则经历过一段冬季风异常强劲的时期.南海北部雷州半岛独特发育的角孔珊瑚Sr/Ca记录显示,约7.5~7.0kaBP期间,当时夏季温度与现代(20世纪90年代)相当,而冬季温度则比现代低约2~3℃,反映当时冬季风强劲.以角孔珊瑚为绝对优势种构成的面积超过1km2而厚逾4m的珊瑚礁是中全新世雷州半岛珊瑚礁的特色,极高的角孔珊瑚覆盖度(>90%)显示当时的气候环境是珊瑚礁发育的适宜期,但该珊瑚礁剖面中的多个间断面又指示当时发生过多次环境突变事件.进一步对间断面附近珊瑚骨骼Sr/Ca和骨骼密度等的研究揭示,20~50年一次的异常强劲的冬季风所导致大幅度(>7℃)的冬季降温事件,是导致珊瑚死亡并形成间断面的主要原因.这种降温事件被称为“雷州事件”,表明中全新世高温期气候并不稳定,至少发生过9次大幅度的冬季降温事件.