全球變暖對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的諸多方面都具有顯著的影響,近年來(lái)該方面的研究逐漸受到了越來(lái)越多的關(guān)注。但是,到目前為止,氣候變化是通過(guò)何種途徑來(lái)對(duì)生物和環(huán)境產(chǎn)生影響的尚不清楚。理解過(guò)去才能更好的預(yù)測(cè)未來(lái),研究歷史時(shí)期的生態(tài)和氣候演化過(guò)程對(duì)于預(yù)測(cè)未來(lái)的生態(tài)環(huán)境變化必不可少。海鳥(niǎo)頻繁活動(dòng)于海洋和海島之間,其生物遺跡是研究歷史時(shí)期生態(tài)環(huán)境對(duì)氣候變化響應(yīng)的理想載體。西沙群島是我國(guó)著名的鳥(niǎo)島,我們對(duì)其進(jìn)行了野外考察,并從五個(gè)小島(甘泉島、廣金島、晉卿島、金銀島和琛航島)上采集了糞土沉積柱樣(編號(hào)分別為GQ、GJ3、JQ、JY2和CH)。這些沉積物中有大量保存完好的海鳥(niǎo)遺跡(如骨骼、蛋殼、鳥(niǎo)糞等),通過(guò)對(duì)這些生物遺跡和全糞上沉積樣品的元素地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)和生物地球化學(xué)分析,我們從歷史的角度對(duì)這些島嶼生態(tài)系統(tǒng)的演化過(guò)程進(jìn)行了深入討論,主要的發(fā)現(xiàn)點(diǎn)闡述如下 1.環(huán)境核素和年代序列建立 通過(guò)對(duì)鳥(niǎo)糞土沉積物全巖樣品中一些自然和人造放射性核素(包括210Pb、226Ra、137Cs等)的活度分析,我們發(fā)現(xiàn)210Pb定年技術(shù)可以應(yīng)用于西沙群島富含鳥(niǎo)糞的珊瑚砂質(zhì)沉積物。并分別用常量初始濃度(CIC)模式和恒定初給速率(CRS)模式計(jì)算了幾個(gè)小島表層沉積物的210Pb年齡。計(jì)算所得到的幾個(gè)島嶼的210Pb平均大氣沉降通量為126Bq m-2a-1,與北半球的平均值(125Bqm-2a-1)非常接近,137Cs沉降通量比較小。通過(guò)鳥(niǎo)糞顆粒與糞土全巖樣品中過(guò)剩210Pb的放射性活度分析,我們識(shí)別出西沙珊瑚砂糞土沉積物中的過(guò)剩210Pb主要來(lái)自于大氣沉降。鳥(niǎo)糞并不是其主要的來(lái)源,海鳥(niǎo)活動(dòng)并未對(duì)核素的蓄積量產(chǎn)生明顯影響,沉積物中來(lái)自鳥(niǎo)糞和植物殘?bào)w的有機(jī)物在核素滯留方面起了很重要的作用。在210Pb定年的基礎(chǔ)上,我們也分析了沉積剖面中保存完好的鳥(niǎo)骨遺跡的AMS14C定年。五根沉積柱的年代序列由表層沉積物的210Pb年齡與底部鳥(niǎo)骨14C年齡共同建立,年齡模式顯示沉積柱中最底部的樣品其年齡超過(guò)2000年。 2.鳥(niǎo)糞土沉積物的元素地球化學(xué)性質(zhì)及其環(huán)境意義的識(shí)別 西沙GQ、GJ3、JQ和JY2沉積柱中糞土沉積的元素地球化學(xué)分析表明,四個(gè)沉積剖面有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)元素含量分別在11cm、15cm、7cm和12cm深度處出現(xiàn)較大變化,反映沉積物質(zhì)來(lái)源組成發(fā)生了顯著變化。這種迅速變化反映了西沙群島沉積物在次表層由珊瑚砂-鳥(niǎo)糞二元體系轉(zhuǎn)化為珊瑚砂-鳥(niǎo)糞-腐殖質(zhì)三元體系,暗示了海鳥(niǎo)登陸各個(gè)島嶼的時(shí)間要明顯早于植被的發(fā)育。Cu、Zn、Cd、P、Ba、As、Se等7種元素組合是整個(gè)西沙群島海鳥(niǎo)糞土沉積層的生物地球化學(xué)組合的標(biāo)型特征,其含量主要受控于海鳥(niǎo)糞的輸入海鳥(niǎo)活動(dòng)和植被發(fā)育改造了沉積物的結(jié)構(gòu),對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育起著積極的作用,四個(gè)剖面無(wú)機(jī)元素含量綜合分析結(jié)果表明,物源的組成(即海鳥(niǎo)糞、珊瑚砂和植物腐殖質(zhì)相對(duì)比例)是控制西沙群島海鳥(niǎo)糞土沉積剖面中元素地球化學(xué)特征的主要因素,海鳥(niǎo)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育起著核心的作用。 3.過(guò)去2000年海鳥(niǎo)數(shù)量恢復(fù)及其變化原因分析 利用沉積物全樣中海鳥(niǎo)標(biāo)型元素含量和近紅外光譜學(xué)分析,我們恢復(fù)了西沙群島過(guò)去2000年的海鳥(niǎo)數(shù)量變化記錄。結(jié)果顯示,不同島嶼上的海鳥(niǎo)數(shù)量變化記錄具有相當(dāng)?shù)囊恢滦�。在小冰期時(shí)(1400-1850AD),西沙各島的海鳥(niǎo)數(shù)量達(dá)到最高水平,并維持長(zhǎng)達(dá)幾百年的時(shí)間,這說(shuō)明相對(duì)涼爽的氣候條件更適合西沙群島地區(qū)的海鳥(niǎo)繁衍。其可能的機(jī)制為：在比較冷的時(shí)期,較低的SST和較強(qiáng)的東亞冬季風(fēng)使得海水的混合作用加強(qiáng),海洋底部的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳輸至海洋表層；此外,較強(qiáng)的東亞冬季風(fēng)也會(huì)攜帶富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的粉塵到達(dá)南海,這會(huì)使得海洋初級(jí)生產(chǎn)力增加,海鳥(niǎo)的食物(如魚(yú)類)豐度也相對(duì)較高,最終促成了海鳥(niǎo)數(shù)量的增加。此外,根據(jù)對(duì)骨膠原C、N穩(wěn)定同位素的分析,我們發(fā)現(xiàn)在海鳥(niǎo)數(shù)量較多時(shí),其營(yíng)養(yǎng)級(jí)也較高,這可能與海鳥(niǎo)的種內(nèi)和種間競(jìng)爭(zhēng)有關(guān)。在較冷時(shí)期.海洋生產(chǎn)力較高,海鳥(niǎo)數(shù)量較多,海洋單位面積上的食物載荷加大；種內(nèi)和種間競(jìng)爭(zhēng)可能迫使海鳥(niǎo)潛水更深、或飛行到更遠(yuǎn)的地方去覓食。最近150年海鳥(niǎo)數(shù)量的迅速下降可能主要與人類活動(dòng)有關(guān),過(guò)去150年人類活動(dòng)已經(jīng)超過(guò)了氣候條件對(duì)海鳥(niǎo)數(shù)量的影響。 4.千年級(jí)尺度南海海洋生產(chǎn)力的恢復(fù) 根據(jù)對(duì)西沙各島古鳥(niǎo)糞中的微量元素的分析,我們識(shí)別出鳥(niǎo)糞中的Cd可作為指示四沙附近海域海洋初級(jí)生產(chǎn)力的指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上,我們恢復(fù)了南海西沙海域過(guò)去1000年的海洋初級(jí)生產(chǎn)力變化,結(jié)果顯示在較為寒冷的小冰期,海洋生產(chǎn)力相對(duì)較高,與海鳥(niǎo)數(shù)量記錄基本一致,這進(jìn)一步加深了我們對(duì)海鳥(niǎo)數(shù)量變化機(jī)制的認(rèn)識(shí)。結(jié)合東亞季風(fēng)的記錄,我們發(fā)現(xiàn)東亞冬季風(fēng)可能足控制南海西沙附近海域海洋生產(chǎn)力和生物有效性的限制性因子。在寒冷的小冰期,東亞冬季風(fēng)較強(qiáng),這會(huì)促進(jìn)上下層海水的混合和海洋底部營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán),促進(jìn)海洋表層浮游植物的發(fā)育；同時(shí)冬季風(fēng)攜帶的粉塵中含有大量營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)生產(chǎn)力的增加也會(huì)產(chǎn)生促進(jìn)作用。在千年級(jí)時(shí)間尺度上,太陽(yáng)輻射的變化可能是南海西沙群島地區(qū)海鳥(niǎo)生態(tài)的最終控制要素。 5.西沙海鳥(niǎo)糞土層中人類活動(dòng)的記錄 GJ3沉積剖面中有大量保存完好的鳥(niǎo)蛋殼,這些蛋殼中Hg的含量反映了海洋環(huán)境中的大氣Hg沉降；此外,利用GJ3、JQ和JY2沉積柱全巖樣品,我們也計(jì)算了過(guò)去700年的大氣Hg沉降,所得到的記錄與蛋殼Hg的記錄基本一致。過(guò)去700年,環(huán)境中的Hg與人類活動(dòng)密切相關(guān).如中國(guó)明朝永樂(lè)年間的冶金活動(dòng),對(duì)歐洲和美洲的開(kāi)發(fā)和第二次世界大戰(zhàn)等都可以在我們的數(shù)據(jù)中找到相應(yīng)的記錄.此外,Hg的沉降記錄也放映了20世紀(jì)70年代以后全球Hg的生產(chǎn)重心由歐洲和美洲向亞洲地區(qū)的轉(zhuǎn)移。這三個(gè)沉積剖面過(guò)去400年的黑碳(BC)沉降記錄也較為相似,其在20世紀(jì)以前保持在相對(duì)低的水平,在1900AD年以后開(kāi)始迅速上升,并在20世紀(jì)70年代達(dá)到峰值。最近幾十年BC的沉降通量逐漸降低,這可能反映了南海周邊地區(qū)能源結(jié)構(gòu)的變化和污染控制技術(shù)的進(jìn)步。 6.鳥(niǎo)糞中古DNA的提取 我們嘗試了從古鳥(niǎo)糞顆粒中提取DNA分子,結(jié)果顯示西沙鳥(niǎo)糞中確實(shí)含有DNA,但其含量非常低,這說(shuō)明鳥(niǎo)糞顆粒中的DNA嚴(yán)重降解。PCR分析表明,提取到的短片段DNA存在被成功擴(kuò)增的可能性。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2012
【中圖分類】：X171
【文章目錄】：
摘要
Abstract
目錄
第1章 文獻(xiàn)綜述
    1.1 生態(tài)地質(zhì)學(xué)研究進(jìn)展
    1.2 過(guò)去2000年氣候變化的研究
    1.3 生物傳輸作用的研究
    1.4 歷史時(shí)期海鳥(niǎo)種群數(shù)量動(dòng)態(tài)的研究
    1.5 海鳥(niǎo)古食譜（捕食行為）的研究
    1.6 南海古海洋環(huán)境研究
    1.7 南海珊瑚島嶼的生態(tài)研究
    參考文獻(xiàn)
第2章 研究?jī)?nèi)容與研究方法
    2.1 研究背景與研究意義
    2.2 研究目標(biāo)
    2.3 研究?jī)?nèi)容
    2.4 研究方法
    參考文獻(xiàn)
第3章 研究區(qū)域與樣品采集
    3.1 南海概況
    3.2 西沙群島概況
    3.3 樣品采集
    3.4 樣品前處理
    3.5 分析方法
    參考文獻(xiàn)
第4章 放射性核素的環(huán)境特征和年代學(xué)意義
210Pb-¹³⁷Cs高分辨率定年在西沙群島的應(yīng)用'>    4.1 ²¹⁰Pb-¹³⁷Cs高分辨率定年在西沙群島的應(yīng)用
14C年代學(xué)與代表性沉積剖面的年代學(xué)建立'>    4.2 ¹⁴C年代學(xué)與代表性沉積剖面的年代學(xué)建立
    參考文獻(xiàn)
第5章 西沙群島糞土層沉積物元素地球化學(xué)特征及環(huán)境意義
    5.1 西沙各島糞土層沉積物物源組成的變化過(guò)程
    5.2 糞土層沉積物中海鳥(niǎo)標(biāo)型元素的識(shí)別
    5.3 海鳥(niǎo)活動(dòng)和植被發(fā)育對(duì)沉積物特性的改造
    參考文獻(xiàn)
第6章 過(guò)去2200年甘泉島海鳥(niǎo)數(shù)量恢復(fù)
    6.1 過(guò)去2200年甘泉島海鳥(niǎo)數(shù)量變化記錄重建
    6.2 西沙群島海鳥(niǎo)生態(tài)深化規(guī)律
    6.3 小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第7章 過(guò)去1000年海鳥(niǎo)數(shù)量變化原因分析
    7.1 反射光譜 恢復(fù)海鳥(niǎo)數(shù)量的新方法
    7.2 海鳥(niǎo)數(shù)量變化原因分析
    7.3 小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第8章 過(guò)去2000年西沙海鳥(niǎo)食譜的同位素記錄
    8.1 穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)簡(jiǎn)介
    8.2 骨膠原樣品C、N穩(wěn)定同位素分析方法
    8.3 廣金島、晉卿島過(guò)去1000年海鳥(niǎo)食譜記錄
    8.4 甘泉島過(guò)去2000年海鳥(niǎo)食譜記錄
    8.5 小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第9章 西沙附近海域過(guò)去1000年海洋生產(chǎn)力記錄恢復(fù)
    9.1 背景介紹
    9.2 鳥(niǎo)糞顆粒中的Cd含量及其環(huán)境意義
    9.3 太陽(yáng)活動(dòng)、東亞季風(fēng)、海洋生產(chǎn)力和海鳥(niǎo)數(shù)量之間的潛在關(guān)聯(lián)
    9.4 小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第10章 人類活動(dòng)在海鳥(niǎo)糞土層中的記錄
    10.1 廣金島蛋殼中700年Hg記錄
    10.2 中國(guó)南海永樂(lè)群島鳥(niǎo)糞土沉積層中Hg沉降記錄
    10.3 西沙永樂(lè)群島近400年來(lái)黑碳沉降記錄及環(huán)境意義
    參考文獻(xiàn)
第11章 提取鳥(niǎo)糞顆粒古DNA分子的初步研究
    11.1 氣候變化與生物進(jìn)化
    11.2 古DNA研究
    11.3 西沙鳥(niǎo)糞顆粒中古DNA的提取
    參考文獻(xiàn)
結(jié)論
致謝
在讀期間發(fā)表的論文與其它研究成果

【參考文獻(xiàn)】

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