近日，中國科大環境科學與工程系、極地環境與全球變化安徽省重點實驗室謝周清研究小組在企鹅古生態研究領域取得重要進展。研究成果以“6000-Year Reconstruction of Modified Circumpolar Deep Water Intrusion and Its Effects on Sea Ice and Penguin in the Ross Sea”（過去6000年羅斯海改性繞極深層水入侵及其對海冰和企鹅種群的影響）為題，發表在地學知名學術期刊《Geophysical Research Letters》上，AGU（美國地球物理學會）以“Preserved penguin poo reveals past Antarctic ocean circulation changes”為題對該研究成果進行了深入報導。該項研究創新性地採用企鹅糞土沉積物作為南大洋上升流的記錄載體，為探究過去大洋環流的變化及其與生態系統的聯系提供了有力工具。
風驅動的繞極深層水（CDW）上湧是影響氣候、環境與生態系統的關鍵要素，它導致了現時西南極冰架的快速消融；驅動了大洋深層CO2向大氣的釋放；其上湧的位置决定了南大洋生物群落的空間分佈。羅斯海是世界上緯度最高的海域，但卻擁有繁榮的生態系統，初級生產力占南大洋1/3，阿德利企鹅種群也占全球1/3，這很大程度上得益於CDW帶來的熱量和營養物質。現時，歷史時期CDW上湧强度的變化主要依賴海洋沉積柱中的溫度、海冰名額，既無法直接地訓示上升流變化，又無法瞭解大洋環流對生態系統造成的影響。
南極羅斯海的企鹅聚集區（高月嵩攝）
本研究利用南極羅斯海地區一系列的企鹅糞土沉積物，通過放射性碳測年和化學元素（Cd/P）的分析，重建了過去6000年CDW的上湧强度：距今6000-2800年以及1600-700年是兩個上湧較强的時期。同時當地的矽藻記錄指出此時近岸海冰較少、夏季海溫偏高；而羅斯海出土的企鹅殘體數目指出這兩個時期同樣是阿德利企鹅種群的繁盛期。相反，距今2800-1600年則是海冰擴張和企鹅種群衰落的時期。以上結果表明，CDW對於羅斯海海冰和生態變化起到了關鍵性作用。CDW上湧帶來的熱量减弱了近岸海冰的生成，輸入的營養物質導致海洋生產力新增，磷蝦和企鹅數量上升。同時上湧的Cd沿食物鏈富集並隨企鹅糞傳輸到南極大陸上，具備海洋和陸地雙重内容的企鹅糞成為了將南大洋深層環流與生態系統變化相聯系的理想資料。
“當前一個很大的問題是研究極地的大洋環流與生態系統的聯系，特別是涉及到高營養級生物的時候，這正是本研究的新穎之處……在對大洋環流的狀況給出約束的同時，更直接地將海洋與陸地上的生物聯系起來……為理解變化的冰凍圈對生態系統的產生效應提供了新的工具”，AGU在報導中如此評估。
南極羅斯海歷史時期的MCDW變化與企鹅和海冰的關係
本研究再次拓寬了企鹅糞土沉積物的應用前景。企鹅糞土沉積物是孫立廣-謝周清團隊於2000年提出的一種生態地質學研究載體（Sun，Xie et al.，Nature），20年來逐漸用於重建南極各地的企鹅種群數量、食性、棲息地等古生態變化，乃至人類活動排放的Hg、Pb、有機污染物等。近年來，該課題組利用企鹅糞探索大氣/海洋動力學的生態效應，接連取得突破。2018年在《Earth and Planetary Science Letters》上提出小冰期阿蒙森海低壓增强驅動的大氣-海洋-生態系統耦合變化新機制。同年，在東南極發現了大氣環流异常導致企鹅幼鳥大量死亡的生態災難事件，警示了在現代全球變化的背景下，極端氣候事件頻發，企鹅可能面對的又一生存挑戰（Journal of Geophysical Research: biogeosciences），被Nature以研究亮點進行了報導。2019年發現1000年來西風加强導致企鹅自西向東遷移，揭示了大尺度氣候模式作用下的島嶼地形對於企鹅種群盛衰和棲息地演化至關重要（Quaternary Science Reviews）。2020年在羅斯海地區發現的生態災難事件又以封面文章發表在《Journal of Geophysical Research: biogeosciences》上。前不久，課題組在糞土沉積物中找到關鍵證據，不僅解答了爭論已久的斯科特海岸“企鹅消失之謎”，還提出變冷條件下區域尺度的海洋要素和局部地形影響下的風和積雪對繁殖地適宜度的協同作用（Quaternary Science Reviews》。在全球變暖的背景下，企鹅的生存引起廣發的關注。氣候變化對企鹅種群的影響是多方位的，大氣環流、海洋條件、浮游生物群落等要素相互耦合，大尺度氣候模式和局部地形條件共同作用。研究團隊的一系列成果，不斷推動和拓展了人們對企鹅與氣候變化的認識。
該論文第一作者為環境科學與工程系碩士生許奇斌，謝周清教授和孫立廣教授為本文共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然基金重點專案和科技部重點研發項目的資助。
論文連結：
https://doi.org/10.1029/2021GL094545
AGU新聞報導：
https://news.agu.org/press-release/preserved-penguin-poo-reveals-past-antarctic-ocean-circulation-changes/