海陆边缘沉积磷在全球变化研究中的意义

翁焕新

摘　要：从磷的生物地球化学循环的角度，讨论了磷与大气圈O₂、CO₂的关联模式，并通过研究磷的环境地球化学行为，揭示了海陆边缘沉积磷对古气候、古环境变化的记录及其对指示古全球变化的关键性，同时提出了中国东部沿海近代沉积磷的积累与全球变化的耦合作用关系，在中短时间尺度的全球变化研究中所具有的特殊意义。
关　键　词：海陆边缘；沉积磷；生物地球化学；全球变化
中图分类号：P593；P578.92　　　文献标识码：A　　　文章编号：1001-8266(1999)05-0524-05

SIGNIFICANCE OF SEDIMENTARY PHOSPHORUS IN
SEA-CONTINENTAL MARGIN IN
RESEARCHES ON GLOBAL CHANGE

WENG Huanxin
(Department of Earth Sciences, Zhejiang University, Hangzhou　310027，China)

　　Abstract：The related pattern of phosphorus and O₂, CO₂ in the atmosphere is discussed from the point of view of phosphorus’ biogeochemical cycle. It is revealed through studying the environmental geochemical behavirous of phosphorus that the sedimentary phosphorus in sea-continental margin recorded the paleoclimatic and paleoenvironmental changes information and its critical significance of indicating past-global changes. Simultaneously, it is advanced that the coupled relationship between the accumulation of modern sedimentary phosphorus in the eastern coast of China and global changes have a special significance in the researches on the global changes of middle-short time scale.
　　Key words:Sea-continental margin； Sedimentary phosphorus；Biogeochemistry； Global changes.

　　在全球变化研究中，恢复地质时期及历史时期气候和环境的变化历史，是了解气候和环境变化的原因及其机制，建立可靠的预测模型的基础，因此，最近十几年来，国内外科学家对获得高分辨率古气候和古环境变化的信息，进行了大量的工作，并取得了一系列重要的结果。综合这些研究成果，有关不同时间尺度的古气候变化的信息主要是通过对冰芯^〔1～3〕、黄土^〔4、5〕、海底沉积^〔6、7〕、湖积物^〔8〕、树木年轮^〔9〕、洞穴碳酸盐^〔10〕，以及生物遗迹^〔11〕等的研究获得的。这些沉积物记录了地球系统中生物、物理、化学过程的相互作用，以及自然因素和人为因素相互作用的信息，为建立古气候变化的时间系列，估计气候变化的幅度，了解气候变化的周期性与突变性，探讨气候变化的原因，从而为推断未来气候变化的趋势提供了重要的背景资料。
　　在全球变化的概念模型中，地球系统除包括气候系统外，还有生物地球化学系统^〔12〕。然而这些年来，特别是我国在古气候全球变化研究中存在重记录、轻机理的倾向，对从沉积记录反馈气候、环境变化过程中物理过程和化学过程的工作做了很多，而对可能对气候变化产生重大控制作用的生物地球化学过程则研究较少。因此，尽快将生物地球化学研究引入到古气候领域中来，是今后应予以重视的，并且生物地球化学研究有可能成为今后我国古气候、古环境研究中的新的学科生长点。

1　磷的生物地球化学循环与大气圈O₂、CO₂的关系

　　全球气候变化是与地球表面营养物质的循环密切相关的，它们之间的关系，有时是原因，有时是结果。Bolin等指出，全球气候变化对生物圈的生产量有重要影响，反过来，生物圈生产量的变化又可作用于气候变化，因此，需要对生物圈主要营养元素的各个过程做深入的研究，其中C、N、P、S应优先考虑^〔13〕。由于C、N、S直接参与大气圈的循环，并且是温室效应、全球增暖和酸雨等全球问题的主要相关元素，因此国内外对C、N、S的循环与全球变化之间的关系，投入了更多的关注^{〔14～16〕}，相比之下，对磷在全球变化中的特殊作用还未被引起足够的重视，特别是在国内，这方面的研究几乎还是空白。
　　磷对全球气候的贡献看起来似乎并不像C、N、S直接，但它却间接地影响了大气化学成分的变化，继而引起气候变化。正如Holland指出的那样，对大气圈O₂和CO₂起着主要控制作用的海洋碳循环强烈地决定于营养元素磷，这是因为在海洋生产中，磷是一个重要的限制因素^〔17〕。Holland^〔18〕认为，在大气圈O₂分压和O₂的产生速率之间，海洋PO^3-₄起了一个重要的连接作用，相当多的PO^3-₄从河流进入海洋，可以与有机碳一起被埋藏于沉积物中，在这个过程中所产生的O₂量是非常巨大的，因此，通过海洋磷循环，由有机碳埋藏而产生的O₂与大气圈O₂水平相关联。Broecker则强调，CO₂的变化在一定程度上是受磷的变化所致，它与滨海沉积物中碳的短期（104 a内）交换有关^〔19〕。据Filipek等^〔20〕的计算表明，海洋浅部沉积磷的释放率为6～55 μg/cm^2.a，是深海沉积磷释放的30～225倍，并证实每年平均28%～35%的沉积磷转化为浅海系统的初级生产力。Stewart也指出，大气中CO₂含量的进一步强化，在很大程度上取决于海洋继续充当CO₂主要吸收者的程度，即通过海洋植物-浮游生物的光合作用，将碳固定在有机物中，而磷在海洋浮游生物的繁衍和整个生物循环中起着主导作用^〔13〕。因此，我们从图1的模式中可以看出，从某种意义上说，营养物（P）控制着大气中O₂和CO₂的水平^〔19〕。

图1　磷与大气圈O₂、CO₂关联模式
　　Fig.1　Connected model of phosphorus and O₂,CO₂ in the atmosphere

2　沉积磷对古气候和古环境变化的指示

　　在营养元素的自然循环中，磷与N、C明显不同的是，在常温常压下不会形成气态的化合物。因此，当陆源磷在风化作用下被输入海洋后，不能直接由大气再回到陆地上，而只能通过沉积作用，先积累在海陆边缘的沉积物中，然后再进入海洋磷的循环系统。在海洋磷的来源中，来自陆地地表径流中以溶液、悬浮物、无机物和有机物等形式存在的磷是最主要的。输入海洋的绝大部分陆源磷，通过以下几种途径沉积在陆地的水下边缘：
　　（1） 通过海洋生物对磷的吸收，然后以排泄物或遗骸的形式沉积；
　　（2） 河水和海水两种不同电介质相遇，磷随悬浮物的沉淀而沉积；
　　（3） 铁与铝等的氢氧化物和粘土矿物对磷的吸附作用和共沉淀作用而发生沉积。
　　在磷的沉积过程中，不仅通过生物的吸收而产生的光合作用，对大气圈O₂和CO₂的水平产生影响，进而引起全球气候变化，而且对来自日地作用，如太阳辐射能量的变化，火山喷发产生的“阳伞”效应而产生的降温作用所引起的气候、降雨变化导致河流输入海洋磷通量改变的每一次事件，都会被海陆边缘沉积磷记录下来。海洋生物与磷之间的关系在正常情况下，表现为磷作为生物生长必需营养元素，这个关系是在环境中发生的，它必然受到环境系统背景的影响。因此，在沉积物中的生物遗体中除碳、氧同位素记录了古气候和古环境的变化的信息外，同时在磷方面也会有相应的记录。Levin等^〔21〕的研究表明，海洋沉积物中磷含量在垂直方向上的变化，与同位素（δ¹⁸O）的变化有一定的对应关系（图2）。

图2　沉积磷的积累速率随时间的变化（据Levin,1994）
Fig.2　Change in accumullative rate of sedimentary phosphorus with time (from Levin,1994)

　　沉积磷的积累速率在水平方向上的差异也是非常明显的，这种差异既反映了各局部地域陆源磷输入海洋在数量上的不同，也是区分磷的自然或人为来源的重要依据^〔22〕。
　　沉积物中的磷可以以不同的结合态存在，而不同的结合状态磷的相对含量敏感地受控于区域环境条件的变化。因此，从沉积物中区分出不同结合态的磷，能够更多更确切地获得有关磷的环境地球化学信息，从而更有助于揭示和理解沉积磷与环境变化的相互关系。目前，国际上通常采用连续提取的方法，把沉积磷区分为：与铁氧化物和氢氧化物有关的磷（Fe-P）、有机磷（O-P）、碎屑磷灰岩（Detr-P）、用醋酸溶液提取的磷（Acet-p）和自生磷矿物等^{〔23，24〕}。把沉积磷区分为上述几类，在分离技术上比较容易操作，由此而得到的信息，比单纯用总磷对理解全球磷的通量和建立磷的成岩全球模式更有说服力。但是，占有沉积磷中主要部分的无机磷本身以不同的结合态存在，而这些结合态磷的相对比例对环境变化的反映更为灵敏。翁焕新和Presley曾在研究美国墨西哥湾和华盛顿地区潮汐河中的沉积磷时，成功地区分了铁、钙、铝结合的5种不同形态的磷，由于不同结合态磷的形成是多种环境参数的函数，因此利用它们的相对百分含量不仅指出了磷的来源^{〔25，26〕}，而且揭示了不同结合态磷与海水盐度的关系（图3）^〔22〕。Nelson^〔27〕根据沉积物中磷的不同结合形态与盐度之间存在的显著的相关性，利用不同形态沉积磷来推测古海水的盐度。古海水的盐度的变化无疑是指示古气候和古环境变化极为重要的参数。

图3　沉积物中不同结合态磷与盐度的相互关系
^。资料来自参考文献〔27〕；+资料来自参考文献〔26〕；^.资料来自参考文献〔22〕
Fig.3　Relatronship between diferent binding species of phosphorus in sediment and salinity

　　海陆边缘沉积物既是陆源磷迁移的最终归宿，也是海洋磷循环的新起点。沉积物中的磷在与底层水的接触过程中，由于多种因素的影响，如通过沉积物的搅动、有机物的腐解、扩散作用、解吸作用和淋滤作用，从沉积物中析出而进入水体。有关的研究表明，从日本大陆坡的还原沉积物上部层转移到底层水中的磷，占原始含磷量的25%；纽约湾每平方米的陆源沉积物中每年约有1 000 mg的磷进入海水，在最旺盛的生物繁衍带中，由于上升洋流的影响，磷从沉积物中析出现象更为显著^〔28〕。在磷从沉积物中析出使底层水中发生磷富集的同时，间隙水也参与了磷的交换过程，这个过程是可逆的，并取决于溶液的pH值、盐度和磷的含量，以及水和沉积物的缓冲性质，另外，氧化还原条件（Eh）也对磷从沉积物中析出产生明显的影响^〔30〕。
　　上述磷的生物地球化学特征和沉积磷所蕴藏的古气候和古环境变化的信息，使我们不难理解，沉积磷有可能成为了解全球气候和环境变化的一个关键性的指示剂。正因为如此，在大洋钻探计划（ODP）第138航次的研究中，开始对沉积物中的磷输入通量进行推测，直接求取营养元素的供应，以了解古生产率的变化来进而了解古气候的变化^〔31〕。

3　中国东部沿海近代沉积中磷的积累及其意义

　　中国东部沿海地处东亚季风区，它背靠世界第一大陆、面临世界第一大洋，在地质构造上恰好位于第三阶梯上，并通过海岸带及宽广的大陆架与由东亚岛弧围成的边缘海即第四阶梯相连，兼有海陆两种不同属性的环境特征。这一地区由于一方面所处的特殊构造地理位置，而成为全球变化所产生的自然灾害在中国范围内最受影响的地区^{〔32，33〕}，另一方面又因高速发展的经济活动和迅速增长的人口，而成为人类活动作为全球变化第三促动因素的典型区域。
　　中国土壤磷的含量为2250～3375 kg/hm²，如果这些养分全部对作物有效，按1985年中国粮食产量的平均水平，如完全不施肥，将在60～90 a内耗尽^〔34〕。为了增产和保持土壤中N、P、K的平衡，给土壤增加磷的养分逐年增加，据统计，1990年投入土壤中的磷（P₂O₅）为2.578×10⁶ t，预计2000年将增至3.09×10⁶ t^〔35〕。试验结果表明，磷肥的利用率大约在10%～25%之间，这就意味着土壤中的自然磷和人为加入的磷，除小部分被植物吸收外，大部分将被地表径流带入海洋。中国河流众多，其中流入太平洋的河流面积占总面积的58.2%，在这个流域内的河流，大部分通过中国东部沿海地区流入太平洋。我国是世界上土壤受水蚀最为严重的国家之一，水土流失面积达150万km²，每年入海泥沙总量达20亿t，流失土壤50多亿t，相当于每亩土地被冲掉1 cm土层，折合N、P、K约4 000万t^〔36〕，其中每年向近海输送土壤中所含的全磷为103万t。而实际磷的输送量远大于这个估计量，这是因为磷一般在酸性溶液中或还原条件下才能溶解^〔37〕，中国东部沿海地区降水的pH值偏低^〔34〕，这导致了这个地区岩石和土壤中的磷加速流失，从河流和地表径流输入海洋的陆源磷，大部分以沉积磷这样一种相对稳定的过渡态储存于海陆边缘的沉积物中。因此，中国东部沿海近代沉积磷呈现出明显的积累趋势，最高的全磷含量出现在近岸现代浅海沉积区的范围内^〔38〕。由自然因素和人为因素所造成的如此巨大的磷的输送量，必定对海洋生态系统带来明显的影响，进而对全球变化产生重要的贡献。中国东部沿海这一人地系统作用特别敏感的地区，不仅与青藏高原隆起和黄土沉积一样，是研究全球变化不可缺少的组成部分，而且这一地区海陆边缘积累的近代沉积磷，可以为我们连续观察全球变化过程提供一条新的研究途径，因为，海陆边缘沉积磷既是过去气候和环境变化完好的记录载体，又是当今和未来全球环境变化的潜在影响因素。对全球变化过程进行连续观察具有极其重要的意义，它可以弥补只利用过去环境事件遗留的记录来了解气候、环境变化的机制难免偏离真实的缺陷，这是因为全球变化不仅在过去发生和现代正在发生，而且未来也要继续发生。全球气候和环境变化又是非线性的，异常复杂的影响因素使之具有偶然性和突变性，这使得一些历史记录难以成为总结过去气候变化规律和预测未来气候变化的可靠依据。
　　在具有行星尺度的全球变化的不同尺度中，中等时间尺度即数十年至数百年这个时间尺度的全球变化的研究最为薄弱，而中国东部沿海沉积磷的明显积累，正是数百年来全球变化的结果，因此，它不仅记录了过去这一时间尺度内全球气候和环境的变化，而且通过磷的生物地球化学循环，对未来数十年至数百年时间尺度的全球环境变化将产生潜在的影响。在历史时期短尺度气候变化时间序列研究中，国内外均存在同一个问题，即如何从气候变化的记录中，区分出自然变化与人为因素所引起的气候变化的不同信号，而解决这个问题无论在理解短尺度气候变化机制上，还是在预测今后气候演化趋势上都是至关重要的，而通过建立中国东部沿海沉积磷高分辨率的时间序列，进而研究近代沉积磷的积累过程，极有可能为区分短尺度自然变化与人为因素所引起的气候变化的不同信号，提供有效的研究手段。
　　随着国际上建立模型来模拟古气候及预测未来气候工作的不断深入，对模型建立过程中所包含的参数要求越来越高，为了力求接近自然界的真实情况，必须将生物地球化学过程的有关参数引入到模型之中。开展中国东部沿海沉积磷的研究，不仅可以填补我国利用沉积磷来研究古气候变化的研究空白，丰富我国东亚季风区的古环境数据，而且也为生物地球化学过程要素引入模拟古气候和预测未来气候的模型，提供可靠的信息参数。

作者简介：翁焕新，男，1951年2月出生，教授，主要从事环境地球化学和生物 地球化学研究。

作者单位：浙江大学地球科学系，浙江　杭州　310027

参考文献

〔1〕　 Hafildason H,Sejrup H P,Kristensen D K,et al.Coupled response of the late glacial climatic shifts of northwest Europe reflected in Greenland ice cores: Evidence from the northern North Sea〔J〕. Geology,1995,23:1 059～1 062.
〔2〕　 GRIR Members.Climate instability during the last interglacial period recorded in the GRIP ice core〔J〕.Nature,1993,364:203～207.
〔3〕　 姚檀栋, Thompson L G, 施雅风，等.古里雅冰芯中末次间冰期以来气候变化记录研究〔J〕. 中国科学（D辑），1997，27（5）：442～446.
〔4〕　 丁仲礼，任建璋，刘东生,等. 晚更新世季风-沙漠系统千年尺度的不规则变化及其机制问题〔J〕，中国科学(D辑)，1996，26：385～391.
〔5〕　 王苏民, 羊向东,马燕, 等. 江苏固城湖15 ka来的环境变迁与古季风关系的探讨〔J〕. 中国科学（D辑），1996，26（2）：137～141.
〔6〕　 Heinbrich H. Origin consequences of cyclic ice rafting in the northeast Atlantic Ocean during the past 130 000 year〔J〕. Quaternary Research,1988,29:143～152.
〔7〕　翦知　，李保华，汪品先，等. 西太平洋晚新世变冷事件〔J〕. 中国科学（D辑），1996，26(5)：461～466.
〔8〕　Thouveny N, Jacques-louis de Beaulieu,Bonifay E,et al. Climate variations in Europe over the past 140 kyr deduced from rock magnetism〔J〕. Nature,1994, 371:503～506.
〔9〕　 Fen X ,Epstein S. Climatic implications of an 8000-year hydrogen isotope time series from Bristlecone pine tree〔J〕. Sience,1994,256:1 074～1 081.
〔10〕　刘东生,谭明,秦小光,等. 洞穴碳酸钙微层理在中国的首次发现及其对全球变化研究的意义〔J〕. 第四纪研究，1997,1:41～51.
〔11〕　Fronval T, Jansen E,Bloemendal J,et al. Oceanic evidence for coherent fluctuations in fennoscandian and Laurentide ice sheets on millennium time scales〔J〕. Nature,1995,374:443～446.
〔12〕　温刚,严中伟,叶笃正. 全球环境变化〔M〕.长沙：湖南科学技术出版社,1997.76～87.
〔13〕　马隆 T F，罗尔德 J G. 全球变化〔M〕.曹可珍，耿庆国，宋炳忠，等译.北京：地震出版社，1990.31～38.
〔14〕　 Bolin. B, Degens F T. The Global Carbon Cycle〔R〕.
SCOPE，1970，13：416～437.
〔15〕　Jenknson S. An introduction to the globle nitrogen cycle〔J〕.Soil Use and Management,1990,6(2):58～60.
〔16〕　洪业汤, 张鸿斌, 朱泳煊,等. 中国煤的硫同位素组成特征及燃煤过程硫同位素的分馏〔J〕. 中国科学（B辑），1992，8:868～873.
〔17〕　Berner R A, Rao J L. Phosphorus in sediments of the Amazon River and estuary:Implication for the global flux of phosphorus to the sea〔J〕. Geochimica et Cosmochimica Acta,1994,58(10):2 333～2 339.
〔18〕　Holland H D. The phosphorus-oxygen connection〔A〕. Ocean Sciences Meeting〔C〕.1994.
〔19〕　Mcelroy M B. Marine biological controls on atmospheric CO₂ and climate〔J〕.Nature,1983,302:328～329.
〔20〕　Filipek L H, Owen R M. Diagenetic controls of phosphorus in outer continental sholf sediments from the Gulf of Mexico〔J〕. Chemical Geology,1981,33:181～204.
〔21〕　 Levin A L, Filipelli G M. et al. Glacial/interglacial variation in phosphorus accumulation rates in equatorial Pacific sediments〔A〕. Ocean Sciences Meeting〔C〕.1994.
〔22〕　 Weng Huanxin, Presley B J, Armstrong D. Distribution of sedimentary phosphorus in Gulf of Mexico estuaries〔J〕. Marine Environmental Research, 1994, 37:375～392.
〔23〕　Ruttenberg K C, Berner R A. Authigenic apatite formation and burial in sediments from non-upwelling, continental margin environment〔J〕. Geochimica et Cosmochimica Acta,1993,57:991～1 007.
〔24〕　Gabriel M F,Delaney M L. Phosphorus geochemistry of equatorial Pacific sediments〔J〕. Geochimica et Cosmochimica Acta,1996,60(9):1 479～1 495.
〔25〕　翁焕新.河流沉积物中磷的结合状态及其环境地球化学意义〔J〕. 科学通报,1993,38(13):1 219～1 222.
〔26〕　 Weng Huanxin,Preslely B J, Velinsky D J. Distribution and sources of phosphorus in tidal river sediments in the Washington,D C area〔J〕.Environmental Geology,1997,(2):224～230.
〔27〕　Nelson B W. Sedimentary phosphorus method for esimating paleosalinities〔J〕. Science,1967, 158:917～920.
〔28〕　 格尼巴图林. 海底磷块岩〔M〕. 北京：地质出版社，1982.
〔29〕　Pomeroy L R, Smith E E, Grant C M. The exchange of phsphate between estuarine water and sediments〔J〕. Limnol Oceanogr， 1965, 10(2):167～172.
〔30〕　翁焕新,刘云峰,Aan Armstrong.沿海沉积磷和间隙水中的磷研究〔J〕. 环境科学学报,1997,17(2): 148～153.
〔31〕　Filipelli G M, Delaney M L. Phosphorus geochemistry and acumulation rates in the eastern equatorial Pacific Ocean:results from Leg138〔J〕. Proc ODP,Sci Results,1995,138:757～767.
〔32〕　李克让，张豪禧，伊思明.中国沿海地区灾害发生的环境和社会经济背景〔J〕.地理研究，1995， 14（4）：23～31.
〔33〕　刘燕华，李钜章，赵跃龙. 中国近代自然灾害程度的区域特征〔J〕. 地理研究，1995，14（3）：14～24.
〔34〕　叶笃正，陈泮勤. 中国的全球变化预研究〔M〕.北京： 地震出版社，1992.193.
〔35〕　中国农业科学院土壤肥料研究所. 中国肥料〔M〕.上海： 上海科学技术出版社，1994.206～208
〔36〕　 胡鞍钢，王毅. 生态与发展〔M〕.北京： 科学出版社，1989.112～113.
〔37〕　Strahler A N, Strahler A H. Introduction to environmental science〔M〕.Santa Barbare,California: Hamilton Publishing Compang,1974.
〔38〕　王成厚.东海海底沉积地球化学〔M〕.北京： 海洋出版社,1995.176～177.