简析南海沉积物生物硅的研究现状

简析南海沉积物生物硅的研究现状
生物硅是指利用化学方法测定的来自于生物的无定形硅，其主要由硅藻、硅鞭毛虫、放射虫以和海绵骨针构成。

其中，硅藻被看作是浮游生物的重要类群，是海洋表层沉积物中生物硅的主要来源。

据Nelson等估算整个海洋初级生产力的40%都归因于硅藻，其每年固定的生物硅量约为240Tmol。

硅藻死亡后，其植物碎屑中的大部分生物硅成分会在真光层发生溶解并重新进入硅循环，最终只有约总量的3%被埋藏保存在海底沉积物中。

因此，沉积物中生物硅的含量在一定程度上能反映上层水体中硅藻等含硅生物生产力的分布，其时空分布还可指示古生产力的波动。

近年来，研究者围绕生物硅溶解机制做了研究。

通过研究生物硅的生成、溶解和保存过程，发现生物硅的埋藏与溶解在硅的生物地球化学循环过程中起着重要作用。

例如来自上陆坡及大陆架沉积物的证据表明，大陆边缘沉积物中生物硅的累积在海洋二氧化硅埋藏中所占的比例明显高于过去人们的认识，这对于硅在南极深海地区累积量的减少起到了补偿作用。

此外，了解沉积物中生物硅的分布还有助于对成岩作用的研究。

1 沉积物生物硅的研究方法
随着生物硅研究工作的不断深入，出现了多种测定生物硅含量的方法。

目前主要有X-ray衍射法、红外光谱法、大体积沉积物化学元素正规分布法、微化石计数及化学提取法。

这些方法都是依据无定型硅的物化性质的不同、生物硅与非生物硅的化学动力学不同而提出的，因此存在着受到非生物硅污染的问题。

化学提取法是迄今最灵敏和应用最广泛的方法，其包括湿碱消解样品预处理和分光光度计测试硅溶液两个过程。

以往人们在研究南海沉积物中的生物硅时，往往直接采用提取液中硅的含量作为生物硅的含量，但实际上碱液提取法所得溶液中，硅有两种来源，除生物硅外，还含有一定比例的陆源碎屑矿物成分的贡献。

因此，通过直接测试提取液中的硅不能准确得出沉积物中的生物硅含量，需要通过修正扣除陆源碎屑的贡献量。

Kamatani等研究发现粘土矿物组分释放的硅与时间并非是一直线关系，而是一曲线，并提出用提取液中铝的含量校正生物硅的含量。

该法已被用于消除陆源碎屑矿物中硅的影响。

2 南海沉积物生物硅的研究现状
南海的地理位置十分独特，同时又受到季风影响，已成为古海洋、古气候示踪研究的热点。

而对沉积物生物硅的研究是古海洋研究工作中的一个重要方面。

围绕南海沉积物中生物硅的研究工作近几年才开展，并且主要是利用生物硅在柱状沉积物样中的分布来揭示几百万年之前的古生产力情况，而对表层沉积物样品中生物硅的研究相对缺乏。

2.1 柱状沉积物生物硅的研究现状
目前，对南海沉积物生物硅的研究以柱状沉积物样品为主，通过研究结果得到古生产力信息。

贾国东等研究了南海南部17962柱状样品中生物硅3万多年来的堆积速率，结果表明南沙海区古生产力的升高和一系列变冷事件之间具有较好的对应关系，并且指出冬季风的强化及海洋古生产力的提高可能是出现上述较好对应关系的内因。

李建如等在对南海南部1143站沉积物样品中生物硅的进行研究时，发现生物硅的含量与堆积速率在晚中新世时期显著增加，与总堆积速率及碳酸钙堆积速率的变化也相一致，表明晚中新世南海南部“生物勃发事件”带来了生物高生产力。

可能是受到“中更新世革命”事件之后季风环流增强所导致的上升流和营养供给增加的影响，中更新世以来生物硅含量及堆积速率出现增加。

李建等对南海北部ODP1144站位沉积物中的蛋白石含量、堆积速率进行了测算，得出了南海北部105万年以来高分辨率的表层古生产力变化与冰期旋回以及东亚季风的关系：“中更新世革命”事件之后，全球开始变冷，致使表层生产力提高；第四纪冰期旋回使得该站在冰期时表层生产力增加，而间冰期时表层生产力降低，这种变化主要受到地球轨道周期的驱动。

2.2 表层沉积物生物硅的研究现状
对整个南海而言，缺乏对表层沉积生物硅的研究，张兰兰、周鹏和李木军等人开展过一些研究工作，得到了表层沉积物中生物硅的分布情况。

张兰兰等对南海南部海底表层沉积物开展了生物硅的测定分析，研究结果发现表层沉积物中生物硅含量与样品所处水深之间呈现出显著的正相关性。

生物硅在陆架浅水区表层沉积物中的含量非常低，不可用来反映表层水体中硅质生物的生产力，同时她推测这可能是受到了沉积类型、陆源物质输入等因素的影响。

而生物硅在深水区表层沉积物中的含量分布情况则表明，其不但可以反映出表层水体中硅质生物的古生产力水平，而且还可以指示海区内上升流的强弱，更进一步验证了使用沉积物生物硅的含量来示踪上升流的发育及其变化的可行性。

周鹏等人测定了南海东北部和南部海域表层沉积物的生物硅含量，研究结果表明，南海表层沉积物中的生物硅含量与站位水深呈正相关关系；南海东北部的表层沉积物中的生物硅含量与沉积物中的矿物含量、间隙水中的营养盐浓度、铁离子浓度不存在明显的相关性；南海南部海域表层沉积物中的生物硅含量与烧失量、有机碳含量、碳酸盐含量呈正相关关系，而与粘土矿物含量相关性不明显。

李木军通过测试研究南海西南部表层沉积物分析得出，在陆源物质输入较少，以海洋自生来源为主的深水区，生物硅可作为硅质生产力的指标；但是在有大量陆源物质输入的陆架浅水区，沉积物中生物硅含量的变化不能够反映硅质生产力的变化。

3 总结
沉积物生物硅含量能够揭示表层海水初级生产力以及古生产力波动情况。

目前对南海沉积物生物硅的研究，主要是利用生物硅在柱状沉积物样品中的分布情况来反演得到几百万年之前的古生产力情况，且测试方法主要未扣除非生物硅影响的碱液提取法，对表层沉积物生物硅的研究程度相对较低。

为进一步揭示南海的古生产力情况、生物硅近代沉积的分布规律及其与现代海洋环境之间的关系，在今后的研究中，需要更多的科研工作者利用不断发展的生物硅测试技术与分析方法更好地开展南海表层以及柱状沉积物样生物硅的研究。

参考文献：
[1]Nelson D M,Tregure P,Brezinski M A,et al.Production and dissolution of biogenic silica in the ocean:regional data and relationship to biogenic sedimentation[J].Global Biogeochem.Cyeles,1995(9):359-372.
[2]Dirk Richert,Michael ,and Klaus Wallmann.Dissolution kinetics of biogenic silica from the water column to the sediments. Geochimica Cosmochimica Acta, Vol.66,No.3,pp.439-455,2002.
[3]Broecker WS,Peng T H.Tracers in the Sea[M].New York:Eldigio Press,1982.
[4]叶曦雯,刘素美,张经.生物硅的测定及其生物地球化学意义[J].地球科学进展,2003,18(3):420-426.
[5]DeMaster D J.The supply and accumulation of silica in the marine environment.Geochim Cosmochim Acta,1981(45):1715-1732.
[6]Mortlock P A，Froelich P N，A simple method for the rapid determination of biogenic opal in pelagic marine sediment.Deep Sea Research,1989,36(9):1415-1426.
[7]Patricia Bern€醨dez, Ricardo Prego, Guillermo ,et al. Opal content in the de Vigo and Galician continental shelf: biogenic silica in the muddy fraction as an accurate paleoproductivity proxy.Continental Shelf Research 25 (2005) 1249-1264.
[8]杨茜,孙耀等.东海、黄海近代沉积中生物硅含量的分布及其繁衍潜力[J].海洋学报,2010,32(3):51-58.
[9]M.Gallinari,O.Ragueneau,D.J.DeMaster,et al.Influence of seasonal phytodetritus deposition on bigenic silica dissolution in marine sediments-Potential effects on preservation.Deep Sea Research Part II:Topical Studies in Oceanography,Volume 55 (2008) 2451-2464.
[10] Michael ,Michiel M.Rutgers van der Loeff,et al.Silica cycle in surface sediments of the South Atlantic.Deep-Sea Research I 45 (1998) 1085-1109.
[11] Suvasis Dixit, Philippe Van Cappellen, A. Johan van Bennekom.Processes controlling solubility of biogenic silica and pore water build-up of silicic acid in marine sediments.Marine Chemistry 73,2001.333-352.M.
[12] Panagiotis michalopoulos, ROBERT C. ALLER. Early diagenesis of biogenic silica in the Amazon delta-alteration, authigenic clay formation, and storage. Geochimica et Cosmochimica Acta,Vol.68,No.5,pp.1061-1085,2004.
[13] 刘素美,张经.沉积物中生物硅分析方法评述[J].海洋科学,2002,26(2):23-26.
[14] Muller P J,Schneider R. An automated leaching method for the determination of opal in sediments and particulate matter[J].Deep-Sea Research,1993,40(3):425-444.
[15] Eggimann D W,Manhcim F T,Berzer P R.Dissolution and analysis of amorphous silica in marine sediments[J].J Sediment Res,1980,50(1):215-225.
[16] Kamatani A,Oku O.Measuring biogenic in marine sediments[J].Mar Chem,2000, 68(3):219-229.
[17] 贾国东,翦知湣,彭平安,等.南海南部17962柱状样生物硅沉积记录及其古海洋意义[J].地球化学,2000,29(3):293-296.
[18] 王汝建,李建.南海ODP1143站第四纪高分辨率的蛋白石记录及其古生产力意义[J].科学通报,2003,48(1):74-77.
[19] 李建如,王汝建,李保华.南海南部12Ma以来的蛋白石堆积速率与古生产力变化[J].科学通报,2002,47(3):235-237.
[20] 陈建芳,李宏亮,金海燕,等.南海若干古生产力替代指标探讨[J].海洋学研究,2010,28(1):1-9.
[21] 张兰兰,陈木宏,向荣,等.南海南部表层沉积物中生物硅的分布及其环境意义[J].热带海洋学报,2007,26(3):24-29.
[22] 周鹏,李冬梅,刘广山,等.南海东北部和南部海域表层沉积物生物硅研究[J].热带海洋学报,2010,29(4):40-47.
[23] 李木军.南海西南部表层沉积物物质来源和输运趋势研究[D].上海:同济大学,2012.
[24] 戴纪翠,宋金亮,李学刚,等.沉积地球化学反映出的中国北部胶州湾近数百年的环境污染[J].环境污染,2007(145):656-667.
[25] 李建,王汝建.南海北部一百万年以来的表层古生产力变化：来自ODP114站的蛋白石记录[J].地质学报,2004,78(2):228-233.
[26] 黄维,汪品先.末次冰期以来南海深水区的沉积速率[J].中国科学(D 辑),1998,28(1):13-17.
[27] 王汝建,房殿勇,邵磊,等.南海北部陆坡渐新世的蛋白石沉积[J].中国科学(D辑),2001,31(10):867-872.。