石學(xué)法，董 江，胡利民，馮 晗，姚政權(quán)，喬淑卿

（1.自然資源部 第一海洋研究所海洋地質(zhì)與成礦作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過(guò)程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；3.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100）

北冰洋常年被海冰覆蓋且連通“三大洲”和“兩大洋”，是全球冷熱循環(huán)中的重要冷源。北冰洋不僅對(duì)氣候變化響應(yīng)非常敏感，還通過(guò)影響大西洋經(jīng)向環(huán)流和熱輸運(yùn)而成為全球氣候變化的放大器和驅(qū)動(dòng)器[1-2]。作為近百年來(lái)全球增暖最顯著的區(qū)域，北極正以2 倍于全球平均速率的速度快速升溫，經(jīng)歷著快速的氣候變化[3-6]。近幾十年來(lái)，北冰洋夏季海冰覆蓋面積急劇下降，影響著海氣之間的熱量交換，并導(dǎo)致周邊陸地植被群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，同時(shí)還伴隨著出現(xiàn)了海底甲烷釋放、淡水輸入增加、鹽度下降和海洋酸化加劇等現(xiàn)象[7-12]。北冰洋海冰的快速減少降低了地表反照率，增加了太陽(yáng)輻射吸收，顯著提高了初級(jí)生產(chǎn)力，這與陸地升溫、凍土退化及植被的改變密切相關(guān)[13]；另一方面，植被的群落結(jié)構(gòu)變化及其對(duì)地表輻射平衡的改變也對(duì)氣候變化有直接的貢獻(xiàn)，并影響著北極地區(qū)生物地球化學(xué)過(guò)程[11,14-15]。近年來(lái)的研究表明，與北極地區(qū)植被吸收的碳相比，目前每年北極地區(qū)向地球大氣中釋放出更多的碳。例如，2003—2017 年，北極多年凍土地區(qū)釋放出約17 億t 的碳，而同期全球植被平均吸收了10 億t 碳[16]。這些變化將加劇高緯氣候的放大效應(yīng)，對(duì)全球氣候變暖具有正反饋[15,17-18]。此外,在全球變暖背景下北極快速變化所引起的一系列大氣、冰雪、海洋、陸地等多圈層相互作用的改變，對(duì)北極地區(qū)環(huán)境以及包括我國(guó)在內(nèi)的中高緯度地區(qū)的氣候環(huán)境有直接的影響。如北極地區(qū)春季海冰面積的變化與中國(guó)東部和南方地區(qū)的異常天氣聯(lián)系密切[19]，而北極地區(qū)變暖也可能是導(dǎo)致中國(guó)冬季霧霾頻發(fā)的重要原因之一[20]。

北極快速氣候變化及其環(huán)境效應(yīng)已經(jīng)成為當(dāng)前地球科學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)問(wèn)題[21-22]。不過(guò)，受限于對(duì)海冰、海流、溫度、入海徑流、有機(jī)碳等要素直接觀測(cè)資料的時(shí)間尺度，人們難于從僅有的短短幾十年的器測(cè)資料中深入認(rèn)識(shí)北極地區(qū)快速變化的過(guò)程、機(jī)理及環(huán)境效應(yīng)，從而限制了對(duì)北極地區(qū)快速變化機(jī)制的認(rèn)知及對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。因而從更長(zhǎng)時(shí)間尺度上開(kāi)展研究，特別是將不同時(shí)間尺度的沉積記錄與數(shù)值模擬相結(jié)合，才有可能深入認(rèn)識(shí)北極地區(qū)快速氣候變化的歸因和驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

北冰洋最顯著的地質(zhì)特征是發(fā)育有世界上最寬廣平坦的淺水陸架，約占世界陸架面積的25%，約占整個(gè)北冰洋面積的40%[23]。北極陸架主要分布在北冰洋東部區(qū)域（0°～180°，水深＜100 m），簡(jiǎn)稱(chēng)“東北陸架”（圖1），是現(xiàn)今北冰洋海冰變化最明顯的區(qū)域[24-26]。而且北極東北陸架還是“冰上絲綢之路”航道的核心區(qū)域，對(duì)于未來(lái)國(guó)際航運(yùn)和海上貿(mào)易具有重要的意義。末次冰消期以來(lái)，伴隨著海平面的快速上升，冰期時(shí)暴露出的大陸架被快速淹沒(méi)[27-28]，經(jīng)歷了自末次盛冰期以來(lái)的最大波動(dòng)，沉積環(huán)境、物質(zhì)供給量及其“源—匯”格局、冰蓋、海洋環(huán)流、海冰和碳循環(huán)等都發(fā)生了很大變化[29-31]。隨著陸架被淹沒(méi)，海洋環(huán)流和海冰逐漸成為沉積作用及生物地球化學(xué)過(guò)程的重要控制因素[32]，但不同時(shí)期、不同地區(qū)海冰的演化并不一致[33,34-36]。另一方面，太平洋入流水和多條世界性大河向該區(qū)輸入了大量的淡水和沉積物，使其陸海相互作用強(qiáng)烈，沉積速率相對(duì)較高[32,37]。由于北極東北陸架聯(lián)通陸地—河流—海洋—海冰等關(guān)鍵過(guò)程，其沉積對(duì)氣候演變的記錄能夠在百年—千年尺度甚至更長(zhǎng)時(shí)間尺度上捕捉到現(xiàn)代氣候的發(fā)展軌跡和特點(diǎn)，成為過(guò)去氣候環(huán)境變化的敏感“記錄者”，因而成為北極地區(qū)古氣候古環(huán)境變化研究的最優(yōu)勢(shì)地區(qū)之一[29]。近幾十年以來(lái)，國(guó)際上對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了多次科學(xué)考察和研究工作，取得了階段性的研究進(jìn)展。

圖1 北極東北陸架區(qū)域地理概況圖（海流流向修改自文獻(xiàn)[46-47]）Fig.1 Map showing location of the northeastern Arctic Shelf（the currents are modified by references [46-47]）

從長(zhǎng)時(shí)間尺度來(lái)看，綜合大洋鉆探計(jì)劃（International Ocean Discovery Program，IODP）302 航次在羅蒙諾索夫海嶺獲取的鉆孔巖芯沉積記錄表明，始新世北冰洋的海表溫度峰值約為26.5 ℃，遠(yuǎn)高于現(xiàn)今北冰洋夏季海表溫度，之后海表溫度呈現(xiàn)出階梯式下降的趨勢(shì)[38]。從百年—千年時(shí)間尺度來(lái)看，末次冰消期以來(lái)在全球整體變暖背景下，不同地區(qū)的氣候都表現(xiàn)出快速變化的顯著特征，如溫度回升不穩(wěn)定、呈波動(dòng)式變化[39]，主要表現(xiàn)為經(jīng)歷了一系列百年—千年尺度的氣候快速變化事件。在北極地區(qū)，全新世大暖期時(shí)北極陸架海冰覆蓋呈現(xiàn)千年尺度的相對(duì)低值[33,40-42]，盡管變暖的驅(qū)動(dòng)機(jī)制可能不同，但這種地質(zhì)歷史暖期的海冰衰退與當(dāng)前氣候變暖情景下北極地區(qū)快速變化的情景具有一定相似性。現(xiàn)代觀測(cè)資料還表明，受輻射強(qiáng)迫變化的影響，近百年來(lái)北極地區(qū)夏季海冰的減退與區(qū)域溫度上升及植被變化存在密切的關(guān)系[43]。這說(shuō)明從末次冰消期以來(lái)，北冰洋一直存在著快速氣候變化的情況，并且氣候變化的非線性和快速變化表現(xiàn)得尤為明顯[44-45]，相關(guān)機(jī)制的解析和對(duì)比研究可為解釋不同氣候背景下的北極地區(qū)快速變化提供依據(jù)，并可增強(qiáng)對(duì)北冰洋現(xiàn)代海冰快速融化及環(huán)境變化原因機(jī)制的認(rèn)知，同時(shí)為預(yù)測(cè)北極地區(qū)氣候快速變化的發(fā)展趨勢(shì)及評(píng)估全球氣候變化提供宏觀背景。

迄今為止，雖然國(guó)內(nèi)外科學(xué)界十分重視北極地區(qū)氣候環(huán)境快速變化的研究，但現(xiàn)有研究主要集中在北冰洋的深水大洋區(qū)及基于年際/年代際的現(xiàn)有觀測(cè)資料，而對(duì)于地位極其重要、快速變化極其顯著、沉積記錄發(fā)育良好的具有寬廣面積的北極東北陸架的研究則相對(duì)薄弱，我國(guó)組織的歷次北極科學(xué)考察也幾乎未涉及這一區(qū)域。我們通過(guò)聚焦北極東北陸架的研究成果，旨在總結(jié)北極地區(qū)末次冰消期以來(lái)快速氣候變化背景下陸架環(huán)境變化研究進(jìn)展，闡述沉積物“源—匯”過(guò)程、海冰變化、碳循環(huán)和快速氣候變化事件等方面的研究成果，并指出了目前研究中存在的若干問(wèn)題，展望了未來(lái)的研究方向，以深化對(duì)北極氣候和環(huán)境演化過(guò)程及其機(jī)制的研究，為評(píng)估和預(yù)測(cè)變暖背景下的北極氣候環(huán)境演化格局提供依據(jù)。

1 北極東北陸架概況

北極陸架總面積約2.5 × 106km2[23]。分布在北冰洋東部的喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海和楚科奇海的淺水區(qū)域（水深≤100 m）（圖1），被稱(chēng)為北極東北陸架。在每年的10 月到次年6 月，北極東北陸架完全被海冰覆蓋，是冬季北冰洋海冰的重要補(bǔ)給源區(qū)[29,48-49]，其河流徑流輸入量幾乎為零[50-51]；在其他月份，河流徑流量明顯增加[52]，海冰范圍明顯減少。特別是近十幾年來(lái)，受人類(lèi)活動(dòng)影響，9 月該陸架區(qū)域幾乎無(wú)冰，是近現(xiàn)代北冰洋海冰變化最顯著的區(qū)域之一[25]。

喀拉海與拉普捷夫海通過(guò)北地群島南部狹窄的維利基茨基海峽（寬度約50 km，水深約200 m）相連通?？５钠骄罴s110 m，面積約為9.26 × 105km2，其中陸架區(qū)域面積約為7.7 × 105km2，寬度約為350 km，坡度約為0.000 3°（圖1）?？Ｋ畧F(tuán)主要受到來(lái)自大西洋的中層暖水團(tuán)（AW）、西伯利亞沿岸流（SCC）和河流徑流量的影響[46,50]。其中，喀拉海的淡水主要來(lái)源于葉尼塞（Yenisey）河和鄂畢（Ob）河輸入，其徑流量分別為620 km3·a-1和390 km3·a-1（表1）?？ｊ懠軈^(qū)域表層沉積物類(lèi)型空間分布不均勻，總體表現(xiàn)為由岸向海沉積物粒度增大：葉尼塞河和鄂畢河下游區(qū)域沉積物類(lèi)型以黏土質(zhì)粉砂為主；近岸區(qū)域沉積物以細(xì)粒級(jí)的粉砂質(zhì)黏土和黏土質(zhì)粉砂為主，砂含量較高的區(qū)域局限在葉尼塞河河口的東北部區(qū)域；在該陸架中部和外部，沉積物中砂粒級(jí)組分含量明顯增加，主要沉積物類(lèi)型為粉砂質(zhì)砂和少量的粉砂質(zhì)黏土[31]。在喀拉海，黏土礦物、沉積物磁學(xué)性質(zhì)、有機(jī)地球化學(xué)和微體古生物等多種指標(biāo)表明，河流入海物質(zhì)主要沉積在河口和三角洲區(qū)域，并在西伯利亞沿岸流的攜帶下向東北方向輸運(yùn)，是喀拉海內(nèi)陸架細(xì)粒級(jí)沉積物的主要物質(zhì)來(lái)源，而外陸架沉積物質(zhì)多為晚更新世低海平面時(shí)期的殘留沉積[31]。

表1 注入北極東北陸架的代表性河流[50]Table 1 Typical rivers discharged into the northeastern Arctic shelf[50]

拉普捷夫海位于北地群島和新西伯利亞群島之間，面積約為4.98 × 105km2（圖1），被稱(chēng)為北冰洋的“冰工廠”[29]。拉普捷夫海陸架區(qū)域面積約為4.4 × 105km2，寬度為350～400 km，其中大部分區(qū)域水深＜50 m，在水深100 m 左右發(fā)育陸架坡折。拉普捷夫海冬季海冰發(fā)育，而夏季水動(dòng)力特征主要受到勒拿（Lena）河徑流量（520 km3·a-1）的影響，其溫鹽混合層厚度為5～10 m，而潮汐作用極弱，一般流速＜3 cm·s-1，未觀測(cè)到潮汐作用顯著影響該區(qū)域海流變化的現(xiàn)象[23,50]。拉普捷夫海西側(cè)表層沉積物主要來(lái)源于西伯利亞沿岸玄武巖風(fēng)化侵蝕物質(zhì)和少量河流物質(zhì)供給，東側(cè)沉積物主要來(lái)自勒拿河等河流物質(zhì)供給，多數(shù)物質(zhì)在西伯利亞沿岸流作用下被向東搬運(yùn)，少量物質(zhì)被向北或向西北方向搬運(yùn)至中外部陸架區(qū)域[53-55]。

東西伯利亞海西起新西伯利亞群島，向東至弗蘭格爾島，面積約為9.87 × 105km2（圖1）。東西伯利亞海陸架區(qū)域面積約為8.2 × 105km2，寬度為480～850 km，在水深100 m 左右發(fā)育陸架坡折[23]。東西伯利亞海陸架西部（160°E 以西）水體環(huán)境受到河流徑流輸入和拉普捷夫海水團(tuán)的直接影響[23,50,56]。注入東西伯利亞海陸架西部的代表性河流為科累馬（Kolyma）河和因迪吉爾卡（Indigirka）河，其年平均徑流量分別為120 km3和55 km3（表1）。東西伯利亞海陸架東部（160° E 以東）受到太平洋流入水團(tuán)的顯著影響[46,56]。近岸區(qū)域的水體環(huán)境還受到寒冷、低鹽度和流速流向多變的東向西伯利亞沿岸流的影響[57]。東西伯利亞海陸架西側(cè)沉積物主要來(lái)源于沿岸基巖侵蝕風(fēng)化和因迪吉爾卡河及勒拿河等河流物質(zhì)輸入[37]。而在東西伯利亞海陸架東側(cè)和楚科奇海陸架，表層沉積物主要來(lái)源于河流物質(zhì)供給和太平洋流入水團(tuán)攜帶的亞北極地區(qū)河流物質(zhì)的影響[33,58-59]。楚科奇海位于弗蘭格爾島、阿拉斯加半島和白令海峽之間，面積約為5.82 × 105km2，平均水深約77 m（圖1）。楚科奇海陸架水團(tuán)主要受到太平洋流入水的顯著影響[60-61]。

不同于喀拉海陸架表層沉積物空間分布，寬廣平坦的東西伯利亞海陸架、拉普捷夫海陸架和楚科奇海陸架區(qū)域表層沉積物總體表現(xiàn)為由岸向海沉積物粒度變?。航逗涌谝苑凵昂蜕百|(zhì)粉砂為主，中外陸架以粉砂和黏土為主[62-63]。

2 北極東北陸架氣候環(huán)境快速變化的沉積記錄

現(xiàn)代全球變化的一個(gè)顯著特征是北冰洋正在快速升溫，并由此引發(fā)北冰洋環(huán)境的快速變化。主要表現(xiàn)在如下3 個(gè)方面：①陸架沉積物來(lái)源、輸運(yùn)和沉積等過(guò)程發(fā)生明顯變化，河流輸入物質(zhì)增加，沿岸凍土侵蝕加劇，海洋環(huán)流方向和強(qiáng)度變化頻繁[47,52,63-65]；②季節(jié)性海冰變化明顯增強(qiáng)，夏秋季海冰大范圍消融，冬季海冰變薄，導(dǎo)致北半球暴風(fēng)雪等異常氣候事件發(fā)生頻率顯著增加[25,66-67]；③海冰的快速減退伴隨著海底凍土快速融化和甲烷大量釋放[17,68-69]、初級(jí)生產(chǎn)力提高和有機(jī)質(zhì)輸入及埋藏效率等發(fā)生明顯的變化[13,70-71]。這些都改變了地球表層各圈層之間相互作用的進(jìn)程[15,72-73]。

2.1 末次冰消期以來(lái)沉積環(huán)境變化

北極東北陸架對(duì)氣候變化有敏感的響應(yīng)記錄[29]。該區(qū)80%以上的海底區(qū)域發(fā)育凍土，是對(duì)氣候變化反應(yīng)敏感和環(huán)境脆弱的地區(qū)[56,74]。陸架是河流輸入物質(zhì)重要的“沉積匯”[75]，其沉積作用受到河流沉積物供應(yīng)、海洋環(huán)流、波浪、潮汐和區(qū)域地貌形態(tài)（如大陸架的寬度）等的影響[76-78]。北極東北陸架區(qū)域具有相似的共性，例如都屬于寬廣平坦的陸架，發(fā)育季節(jié)性海冰（冬季海冰覆蓋而短暫的夏季幾乎無(wú)冰），夏季波浪潮汐作用弱，沿岸流變化頻繁，每年接收大量河流注入的淡水和陸源碎屑物質(zhì)[23,25,46,50,52]。在全球變暖背景下，北冰洋接收了大量的沿岸侵蝕物質(zhì)，其沿岸侵蝕速率最大可達(dá)10 m·a-1，快速的基巖侵蝕向陸架海貢獻(xiàn)了大量冰期時(shí)形成的凍土老碳[65,71]。沿岸基巖侵蝕主要受控于熱侵蝕和熱風(fēng)化過(guò)程，與河流輸入熱量直接相關(guān)，而與海冰發(fā)育呈負(fù)相關(guān)[79-80]，因此現(xiàn)代北極東北陸架沉積作用主要受物源供給和與海冰過(guò)程相關(guān)的動(dòng)力環(huán)境的綜合影響（圖2）。拉普捷夫海受河流輸入的影響較大，是北冰洋的“海冰工廠”，陸海相互作用非常強(qiáng)烈[81-82]。東西伯利亞海是北冰洋最為寬淺的陸架，覆蓋大面積的永久凍土，其西部受河流影響明顯，東部受太平洋入流水影響顯著[33]，是北冰洋季節(jié)性海冰變化最強(qiáng)烈的區(qū)域之一。楚科奇海是北冰洋最大的陸架邊緣海之一，被季節(jié)性海冰覆蓋，同時(shí)受太平洋和大西洋水團(tuán)、北極冰蓋以及陸地河流的影響，在北極地區(qū)氣候變化中扮演著重要的角色，是氣候變化研究的重要海域[83]。

圖2 北極東北陸架表層沉積物供給及輸運(yùn)示意圖（河流輸沙量數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[50,64]，沿岸基巖侵蝕風(fēng)化速率數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[65]，“?”代表未知的輸運(yùn)速率）Fig.2 Schematic diagram of the surface sediment supply and transport on the northeastern Arctic shelf（the data on river sediment flux are from references [50,64],the data on coastal erosion rate are from reference [65],the ‘?’ indicates unknown transport rate）

末次冰消期以來(lái)，在大氣CO2含量迅速回升、氣候整體變暖的背景下，北半球高緯地區(qū)冰蓋在全新世中期達(dá)到現(xiàn)代水平，伴隨著海平面上升約120 m，冰期時(shí)暴露出的大陸架重新被快速淹沒(méi)[84-85]。這期間北極東北陸架環(huán)境經(jīng)歷了自末次盛冰期（Last Glacial Maximum，LGM）以來(lái)的最大波動(dòng)，沉積環(huán)境、物質(zhì)“源—匯”格局、冰蓋、海洋環(huán)流、海冰和碳循環(huán)等都發(fā)生了較大變化[28,30]。在18.0～14.7 ka，較低的海平面使得裸露的陸架主要被東西伯利亞河流的古河道覆蓋，但此時(shí)河流入海流量較少[42];在B?lling/Aller?d 暖期（14.7～12.9 ka），降水的增多使得河流入海流量增大，新仙女木早期（12.9～11.7 ka）發(fā)生了一次大規(guī)模淡水注入事件[86]，這可能與勒拿河上游冰川堰塞湖的崩潰有關(guān)[87]，大量的河流入海物質(zhì)在低海平面條件下沉積在中外陸架區(qū)域；在早中全新世（11.7～8.0 ka），隨著海平面的升高，沿岸流侵蝕加劇，使得陸架的沉積速率較高[32]，而此時(shí)河流入海流量卻呈現(xiàn)較低水平[86]；在中全新世以來(lái)海平面相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期（8.0～0 ka），受到海冰發(fā)育狀況、沿岸流和河流入海物質(zhì)供給量的調(diào)控，陸源碎屑物質(zhì)主要沉積在河口及其鄰近陸架區(qū)域[29,31,42,88]?？傮w而言，從末次冰消期向全新世過(guò)渡期間，該區(qū)沉積環(huán)境經(jīng)歷了由河流輸入和海平面控制向全新世海冰過(guò)程和水團(tuán)作用控制的轉(zhuǎn)變。隨著陸架被淹沒(méi)，海洋環(huán)流和海冰逐漸成為沉積作用及生物地球化學(xué)過(guò)程的控制因素[32,89-90]。

末次冰消期以來(lái)是東北陸架沉積的關(guān)鍵時(shí)期，海面上升過(guò)程中的海岸侵蝕、陸源河流的輸入和太平洋水團(tuán)的侵入對(duì)陸架沉積物“源—匯”格局具有重要影響[31-32,37]。13.0～11.0 ka，喀拉海水團(tuán)通過(guò)淹沒(méi)的維利基茨基海峽將高含量蒙皂石和輝石的物質(zhì)輸送至拉普捷夫海西部，而東拉普捷夫海在中全新世才出現(xiàn)蒙皂石和輝石含量增多的趨勢(shì)，這可能與全新世拉普捷夫海入海河流流量增多和海平面上升導(dǎo)致的海岸侵蝕加劇有關(guān)[91]。在大約11.0 ka，海平面為目前-60 m 左右，楚科奇海沉積物地球化學(xué)和礦物學(xué)物源示蹤研究表明，太平洋水開(kāi)始穿過(guò)白令海峽并對(duì)東西伯利亞陸架產(chǎn)生重要影響[28,92]。然而早全新世（11.0～8.0 ka）來(lái)自白令海的貢獻(xiàn)相比波弗特環(huán)流攜帶的北美物質(zhì)偏少[93]，直至中全新世（7.2～2.0 ka）白令海物質(zhì)開(kāi)始在楚科奇海陸架沉積物中占主導(dǎo)地位[33,94-95]。以上這些復(fù)雜因素共同導(dǎo)致了陸架沉積速率呈現(xiàn)顯著的時(shí)空差異。地震剖面和多根巖芯的沉積學(xué)研究表明，全新世喀拉海年平均沉積通量約為1.94 × 108t·a-1，其中大約有1.2 ×107t·a-1的河流入海物質(zhì)在陸架沉積，使其沉積速率高達(dá)50～100 cm·ka-1[31-32]。拉普捷夫海年平均沉積通量約為0.67×108t·a-1，西側(cè)由于相對(duì)缺少河流物質(zhì)供給，全新世沉積速率極低（＜10 cm·ka-1）；在河流入海物質(zhì)的影響下，陸架東側(cè)全新世沉積速率可達(dá)約50 cm·ka-1[32]。東西伯利亞海年平均沉積通量約為1.09×108t·a-1，另外基于2016—2020 年中俄北極聯(lián)合科學(xué)考察航次所獲取的巖芯分析結(jié)果，全新世東西伯利亞海陸架沉積速率約為50 cm·ka-1（圖3），與多根短柱狀巖芯210Pb 測(cè)年結(jié)果[70-71]基本一致，表明全新世北極東北陸架沉積格局的空間差異性受水動(dòng)力環(huán)境的影響較小，而可能主要受到陸源物質(zhì)供給量的影響。在楚科奇海陸架，年平均沉積通量約為0.19×108t·a-1，全新世沉積速率明顯升高（70～90 cm·ka-1，圖3），這與已有的研究結(jié)果[33,94]一致。截至目前，對(duì)東北陸架的沉積物“源—匯”過(guò)程研究主要局限于拉普捷夫海和楚科奇海，且存在物源指標(biāo)單一，缺乏內(nèi)陸架物源記錄等問(wèn)題。因此，今后需利用多指標(biāo)手段針對(duì)東北陸架空間上更多的沉積巖芯開(kāi)展沉積物“源—匯”過(guò)程研究。

圖3 全新世北冰洋沉積速率分布（修改自文獻(xiàn)[32]）Fig.3 Holocene distribution of sedimentation rate in the Arctic Ocean（modified from reference [32]）

2.2 不同時(shí)間尺度海冰演化歷史重建

海冰覆蓋是北冰洋及其鄰近陸架海域表層最顯著的特征。北極東北陸架作為連接太平洋和北冰洋的主要區(qū)域，季節(jié)性海冰覆蓋程度高且季節(jié)間海冰邊緣遷移距離較遠(yuǎn)[25-26,66]。該區(qū)近10 a 來(lái)海冰消退面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于北冰洋其他地區(qū)[96]。東北陸架不僅是西伯利亞陸源物質(zhì)的主要沉積區(qū)，同時(shí)也是現(xiàn)代氣候條件下北冰洋海冰重要的生成地和輸送源區(qū)，并與背景氣候緊密相關(guān)[48]，該區(qū)域?qū)焖贇夂蜃兓哂懈呙舾卸鹊捻憫?yīng)[29]。目前對(duì)現(xiàn)代海冰的定量評(píng)估多基于衛(wèi)星遙感、船基觀測(cè)和固定站位的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和資料[6,97]?；谟^測(cè)資料、數(shù)值模擬和理論研究，發(fā)現(xiàn)近百年來(lái)北冰洋及其鄰近區(qū)域海冰演變的影響因素主要包括冰雪反射率、植被、河流流域降水及其入海淡水通量、溫鹽環(huán)流強(qiáng)度、大氣溫室氣體濃度及其環(huán)流模式等[4,33,98]。然而，近百年來(lái)全球變化受到人類(lèi)活動(dòng)的顯著影響，利用有限的觀測(cè)數(shù)據(jù)很難進(jìn)一步探討千年及更長(zhǎng)時(shí)間尺度北冰洋海冰演化的控制機(jī)制，也無(wú)法區(qū)分自然因素和人為因素對(duì)海冰發(fā)育的影響[25]。因此，重建地質(zhì)歷史時(shí)期北冰洋及其鄰近區(qū)域海冰的演化歷史可為預(yù)測(cè)和評(píng)估北極地區(qū)氣候環(huán)境變化提供更全面的科學(xué)依據(jù)[99]。

重建海冰演化歷史的方法主要分海冰指標(biāo)示蹤[100]和數(shù)值模擬二大類(lèi)方法[41]，其中海冰示蹤指標(biāo)主要包括碎屑礦物等無(wú)機(jī)指標(biāo)[35,101-102]、IP25（C25型高支鏈類(lèi)異戊二烯烴）等有機(jī)地球化學(xué)指標(biāo)[103-105]、溝鞭藻囊孢與有孔蟲(chóng)生物殼體等古海洋指標(biāo)[34,106]和海岸浮木[107]以及植被等陸地和冰心記錄等間接指標(biāo)[35]。目前對(duì)全新世特定時(shí)期（如6.0 ka）北冰洋季節(jié)性海冰的數(shù)值模擬已比較成熟[41]，然而在不同因子脅迫下，數(shù)值模擬結(jié)果展示出不同的海冰演化趨勢(shì)[4,108]。因此全新世北冰洋海冰長(zhǎng)期且連續(xù)的瞬態(tài)模型模擬需要地質(zhì)記錄的校正，即海冰示蹤是研究末次冰消期以來(lái)北冰洋海冰演化的關(guān)鍵指標(biāo)。另外，重建末次冰消期以來(lái)海冰演化歷史所需巖芯樣品位置的選取也至關(guān)重要。北冰洋東部外陸架巖芯末次冰消期的沉積速率較高，而其全新世時(shí)期沉積速率較低[42,88]，導(dǎo)致該陸架區(qū)域重建全新世百年—千年時(shí)間尺度海冰演化歷史的工作進(jìn)展相對(duì)困難[32]。雖然北極東北內(nèi)陸架全新世沉積速率較高，但巖芯沉積物受到河流沖淡水的顯著影響，表現(xiàn)為生物生產(chǎn)力極低且淡水屬種眾多，導(dǎo)致與海冰相關(guān)的硅藻和介形蟲(chóng)含量極少，幾乎不含有孔蟲(chóng)[100,109-110]。考慮到單一指標(biāo)的受控因素較多，無(wú)法精準(zhǔn)和全面反映北冰洋海冰演化，因此北極東北陸架多時(shí)空尺度和多指標(biāo)的綜合分析是重建末次冰消期以來(lái)海冰演化的必要條件。

北極東北陸架是北冰洋季節(jié)性海冰的最主要形成源地之一[48,81-82]。近年來(lái)，許多學(xué)者利用多種沉積記錄重建了末次冰消期以來(lái)北極東北陸架及其鄰近區(qū)域海冰演化歷史，但研究程度存在明顯的時(shí)空的不均衡（圖4）。末次冰消期（18.0～8.0 ka），北極東北陸架及其鄰近區(qū)域海冰演化歷史以海冰快速變化為特征。拉普捷夫海IP25和浮游植物生物標(biāo)志物數(shù)據(jù)表明，17.2～15.5 ka 拉普捷夫海被永久性海冰覆蓋，而末次冰消期季節(jié)性海冰在B?lling/Aller?d 暖期（14.5～13.0 ka）出現(xiàn)最小值，在Younger Dryas 時(shí)期（12.9～11.6 ka）出現(xiàn)最大值，在11.6～8.0 ka 時(shí)期，海冰呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[42,88]。雖然Younger Dryas 時(shí)期高海冰覆蓋也在喀拉海陸架有機(jī)地球化學(xué)記錄中被發(fā)現(xiàn)，但是在早全新世（10.0～8.0 ka）時(shí)期出現(xiàn)海冰覆蓋的低值[111]。相對(duì)于末次冰消期，中全新世以來(lái)海平面相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期北極東北陸架海冰演化的研究相對(duì)較多，主要集中在楚科奇海及其鄰近海域，但根據(jù)不同指標(biāo)重建的全新世海冰演化趨勢(shì)的結(jié)果相差較大（圖4）。例如，楚科奇海巖芯沉積物中溝鞭藻囊孢和有孔蟲(chóng)δ18O 記錄[36]及其西北部陸坡巖芯沉積物中的IP25等指標(biāo)[112]均表明，受北大西洋中層水等海洋環(huán)流的影響，研究區(qū)海冰在早中全新世非常發(fā)育，而在晚全新世海冰密集度明顯降低。這一演化趨勢(shì)與格陵蘭島附近海域海冰演化趨勢(shì)[107,113-114]呈現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的“蹺蹺板”演化模式，表明全新世東西北冰洋海冰演化的驅(qū)動(dòng)因素很可能不一致。然而，與之相反的早全新世以來(lái)由弱到強(qiáng)的海冰演化趨勢(shì)在喀拉海陸架[111]、拉普捷夫海陸坡（全新世沉積記錄受到沉積間斷的影響）[42,88]和楚科奇海及其鄰近海域[33,115]巖芯的有機(jī)地球化學(xué)沉積記錄中否定了北冰洋東西兩側(cè)全新世海冰呈現(xiàn)“蹺蹺板”演化模式的假設(shè)?？?nèi)陸架巖芯有機(jī)地球化學(xué)數(shù)據(jù)表明，全新世海冰演化總體呈現(xiàn)高（8.0～4.5 ka）—低（4.5～3.0 ka）—高（3.0～0 ka）的演化模式，并呈現(xiàn)出450 a 和950 a 的短周期性快速波動(dòng)，響應(yīng)頻繁變化的北極地區(qū)或北大西洋氣候振蕩[116]。此外，根據(jù)拉普捷夫海西部巖芯沉積物中的冰筏碎屑記錄[117]、楚科奇海北部巖芯沉積物中有孔蟲(chóng)δ18O 數(shù)據(jù)、介形蟲(chóng)Mg/Ca 比值以及甲藻囊孢等替代指標(biāo)定量重建的8.0 ka 以來(lái)海冰和底層海水溫度的結(jié)果[34]，發(fā)現(xiàn)海冰呈現(xiàn)百年—千年時(shí)間尺度上頻繁的震蕩而未發(fā)現(xiàn)明顯軌道時(shí)間尺度上的變化，這可能與北大西洋暖水團(tuán)的溫度和強(qiáng)度有密切關(guān)系。對(duì)于上述海冰演化歷史研究結(jié)果存在的不確定性，需要對(duì)更多沉積連續(xù)且空間分布廣泛的巖芯沉積記錄進(jìn)行綜合研究，并結(jié)合數(shù)值模擬以探討末次冰消期以來(lái)北冰洋東部海冰是區(qū)域性還是更廣泛的系統(tǒng)性演化，以此來(lái)揭示其主控因素。這對(duì)于認(rèn)識(shí)過(guò)去和未來(lái)不同氣候背景下北極地區(qū)氣候演變和海冰變化具有重要意義[118]。例如，基于“海洋-海冰”耦合數(shù)值模式，Dyck 等研究了早全新世海洋和大氣相互作用過(guò)程對(duì)海冰變化的影響，發(fā)現(xiàn)在距今8 ka 左右，東西伯利亞海和拉普捷夫海海冰厚度小于現(xiàn)在的狀態(tài)，但在波弗特海和加拿大北極群島的海冰厚度則變化不大，這說(shuō)明海冰過(guò)程主要跟大氣驅(qū)動(dòng)有關(guān)[41]。

圖4 末次冰消期以來(lái)北極東北陸架及其鄰近區(qū)域海冰演化歷史Fig.4 Sea ice evolution in the northeastern Arctic shelf and the adjacent regions since the last deglaciation

2.3 碳循環(huán)對(duì)快速氣候變化的響應(yīng)

作為占世界陸架面積25%的全球最大的陸架，北極陸架雖然面積只占海洋的2.5%，但其沉積有機(jī)碳埋藏量卻約占全球海洋的11%[119]。不同于中低緯度大河三角洲及其毗鄰陸架，北極陸架周邊不僅有世界級(jí)大河的輸入，而且還發(fā)育有廣袤的凍土層和季節(jié)性的海冰，使得其沉積有機(jī)碳源—匯過(guò)程獨(dú)具特色[120]（圖5），主要表現(xiàn)：①海洋自生源有機(jī)碳輸出受季節(jié)性海冰過(guò)程相關(guān)的“生物泵”作用的顯著影響[121]；②北極地區(qū)凍土碳（old permafrost carbon,PF/C）占全球土壤有機(jī)碳的50%[122]；陸源不同類(lèi)型有機(jī)碳的輸入不僅受徑流的影響，而且流域/海岸侵蝕排放（如凍土老碳）也有重要貢獻(xiàn)[71,123]；③入海沉積有機(jī)碳的輸運(yùn)和沉積過(guò)程不僅受徑流、環(huán)流和侵蝕作用的影響，而且受制于海冰搬運(yùn)作用[124]；④海冰變化和不同類(lèi)型陸源碳（如土壤碳、凍土碳）輸入的區(qū)域性差異導(dǎo)致近海陸架沉積有機(jī)碳源—匯過(guò)程呈現(xiàn)出高度的時(shí)、空差異[71,123]。例如，來(lái)自土壤上層的有機(jī)碳（年齡：103a）、深層多年凍土碳與沿岸的苔原富冰凍土碳（年齡：104a）[71,123]和化石源古老有機(jī)質(zhì)[125]以及來(lái)自浮游生物的有機(jī)碳[126]在北冰洋周邊不同陸架區(qū)沉積物中的分布和埋藏記錄具有顯著的差異。特別是在全球變暖和北極放大效應(yīng)下，近幾十年來(lái)海冰快速消退，海水層化增強(qiáng)、徑流輸入增加、混合和環(huán)流變化加劇，改變了海洋“物理泵”、“生物泵”和“微型生物碳泵”作用的強(qiáng)度和方式，對(duì)北極地區(qū)碳的源—匯效應(yīng)產(chǎn)生了深刻影響[72-73]；也勢(shì)必導(dǎo)致受海冰和凍土碳輸入制約下的近海沉積有機(jī)碳源—匯過(guò)程的區(qū)域性差異更加明顯[71,73,127]。如北冰洋陸源有機(jī)物質(zhì)的礦化、運(yùn)輸和分布情況受到氣候變化的制約[128]，而海源有機(jī)物質(zhì)的產(chǎn)生則受到海冰、光照等因素的控制，在營(yíng)養(yǎng)鹽上升流的海冰邊緣區(qū)域生產(chǎn)力比較高[13,129]。因此，北極陸架沉積物中的有機(jī)碳是多種物源信號(hào)的復(fù)雜“集合體”。

圖5 東西伯利亞海岸侵蝕和凍土分布（修改自文獻(xiàn)[120]）Fig.5 Coastal erosion and permafrost coverage of East Siberia（modified from reference [120]）

分析和評(píng)估北冰洋邊緣海沉積有機(jī)碳庫(kù)的源—匯格局，需要區(qū)分其中海源/陸源不同端元（如浮游植物、現(xiàn)代土壤、老碳）的貢獻(xiàn)。如利用烷烴和木質(zhì)素等標(biāo)志物指示不同陸源有機(jī)碳的組成和陸架搬運(yùn)及降解保存情況[123,128]；利用四醚膜脂化合物GDGTs 指示海源和陸源土壤有機(jī)碳在陸架上的分布特征及相對(duì)貢獻(xiàn)[126]；利用烷烴、脂肪酸和木質(zhì)素等單體分子碳同位素組成（13C、14C）區(qū)分陸源土壤和永久凍土來(lái)源的不同年齡的有機(jī)質(zhì)以及評(píng)估這些組分在陸架搬運(yùn)的時(shí)間[130]。此外，一些生物標(biāo)志物也被用于指示海源有機(jī)碳與水溫和群落結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系[131]?？傮w來(lái)看，這些指標(biāo)可有效區(qū)分不同類(lèi)型陸源有機(jī)碳的輸入、搬運(yùn)及保存降解[71]。另一方面，在全球變暖背景下，北極陸架沉積物中的海源有機(jī)質(zhì)的輸入和埋藏與海冰相關(guān)的“生物泵”過(guò)程密切相關(guān)[132]。然而，由于缺乏長(zhǎng)時(shí)間序列的海冰觀測(cè)資料，很難從長(zhǎng)時(shí)間序列建立海冰變化與沉積有機(jī)碳埋藏之間的聯(lián)系。近年來(lái)，一種新的海冰硅藻指示物——C25支鏈烯烴標(biāo)志物（IP25）被提出可用于古海冰重建[103,133]。但是，在應(yīng)用上述指標(biāo)重建古海冰時(shí)還應(yīng)考慮不同的流域氣候條件（徑流輸入、源巖特征和凍土）對(duì)近海顆粒有機(jī)碳總有機(jī)質(zhì)的輸入和性質(zhì)的影響[120]。如相比亞歐陸架西部地區(qū)的鄂畢河和葉尼塞河，東部地區(qū)的勒拿河、因迪吉爾卡河和科累馬河流域氣候偏干旱、廣泛發(fā)育連續(xù)的凍土沉積，使其輸入的陸源顆粒有機(jī)碳的年齡更老而降解程度較小[134]。

在全球氣候快速變化背景下，北極陸架不同海區(qū)對(duì)不同氣候因素的響應(yīng)可能各不相同，這直接影響著不同時(shí)間尺度有機(jī)碳的沉積埋藏過(guò)程。近幾十年來(lái)北極地區(qū)的快速變化主要表現(xiàn)為夏季海冰覆蓋面積減退、海水溫度升高、徑流加大，凍土退化和初級(jí)生產(chǎn)力提高等[13,52,66,135]。這些因素通過(guò)對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力的影響，改變著海源有機(jī)碳的輸入和埋藏，也同時(shí)顯著改變著陸源有機(jī)碳的輸入和組成，對(duì)有機(jī)碳埋藏及保存降解都帶來(lái)直接的影響[136]。隨著全球變暖、海冰消退，該區(qū)碳的源—匯過(guò)程及環(huán)境效應(yīng)正發(fā)生著改變。海冰融化加劇、陸源有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽輸入增加，促進(jìn)“生物泵”運(yùn)轉(zhuǎn)，改變了海洋浮游植物生產(chǎn)力和群落結(jié)構(gòu)[136]；徑流輸入以及永久凍土融化導(dǎo)致陸源有機(jī)質(zhì)輸入與埋藏顯著變化[127]，這些都改變著原有沉積有機(jī)碳庫(kù)的構(gòu)成，對(duì)陸架碳的源—匯格局有重要影響[18,73]。研究顯示，與海冰消融相關(guān)的初級(jí)生產(chǎn)量可高達(dá)60%以上[13]；海冰的提前融化可引起浮游植物（如冰藻）的勃發(fā)，提高了沉積碳輸出通量[13,132]，并改變海洋浮游植物群落結(jié)構(gòu)和有機(jī)碳的來(lái)源[136-137]。作為全球高生產(chǎn)力的海區(qū)，楚科奇海具有很高的有機(jī)碳埋藏保存效率，同時(shí)也是北冰洋海冰變化最為顯著的地區(qū)之一[138]，近幾十年來(lái)海冰融化使得該區(qū)有機(jī)碳循環(huán)正發(fā)生著變化[139]。

凍土退化日益加劇不僅引起甲烷等溫室氣體直接排放，而且會(huì)導(dǎo)致封存其中的陸源有機(jī)碳加速釋放，并被微生物利用而快速進(jìn)入現(xiàn)代碳循環(huán)過(guò)程[140]。不同的周邊流域環(huán)境導(dǎo)致陸源有機(jī)碳輸出類(lèi)型多樣，比如河流主要影響表層土壤有機(jī)碳（相對(duì)年輕）輸出，而凍土老碳的釋放則主要與凍土發(fā)育狀態(tài)、水文條件和熱喀斯特侵蝕作用有關(guān)[123]。在此背景下，通過(guò)河流或海岸侵蝕釋放的陸源有機(jī)碳通量將不斷升高，組成也顯著變化[123,131]。而受控于區(qū)域水文循環(huán)過(guò)程，俄羅斯北極陸架由河流和海岸侵蝕向海輸送了大量的凍土老碳[131]。綜上所述，這些近期變化不僅會(huì)影響北極地區(qū)有機(jī)碳庫(kù)的平衡和穩(wěn)定，也對(duì)未來(lái)氣候變化的影響帶來(lái)一定的不確定性[18]。

末次冰消期以來(lái)，隨全球升溫而導(dǎo)致的海冰快速消融的現(xiàn)象與現(xiàn)今類(lèi)似，但是有關(guān)快速氣候變化對(duì)北極東西伯利亞陸架碳循環(huán)的影響的研究?jī)H僅局限在個(gè)例。冰期過(guò)程形成的凍土沉積碳（yedoma）具有較高活性，將在較短的時(shí)期（百年內(nèi)）以CO2形式快速重新參與碳循環(huán)，這對(duì)全球變暖的進(jìn)程起到顯著促進(jìn)作用[140-141]；但從更長(zhǎng)時(shí)間尺度看，這些陸源沉積有機(jī)碳的遷移和再埋藏或成為全新世以來(lái)大氣CO2的重要匯[125]。相比于陸地苔原凍土，海底凍土更加敏感和脆弱，現(xiàn)今已有分別超過(guò)80%和50%的東西伯利亞海的底層和表層水體甲烷處于過(guò)飽和狀態(tài)，其融化將導(dǎo)致海底甲烷大量泄漏并直接釋放到大氣中[17,68]，在地質(zhì)歷史時(shí)期，這類(lèi)海底甲烷的釋放可能與快速氣候環(huán)境變化有密切關(guān)系[142]，但尚需進(jìn)一步研究證實(shí)。可見(jiàn)，這些碳的生物地球化學(xué)過(guò)程及其與氣候環(huán)境的作用機(jī)制對(duì)北極地區(qū)變暖及其未來(lái)狀態(tài)發(fā)展具有不可忽視的影響。Keskitalo 等針對(duì)全新世以來(lái)凍土沉積碳的輸入和埋藏研究發(fā)現(xiàn)，在西伯利亞陸架早全新世（9.5～8.2 ka B.P.）陸源凍土沉積碳的輸入顯著高于其他時(shí)期，推測(cè)這可能跟全新世早期氣候變暖和海平面上升有密切關(guān)系，而海岸侵蝕作用對(duì)此起了重要作用[143]。Stein 等則通過(guò)浮游植物生物標(biāo)志物記錄結(jié)合礦物指標(biāo)記錄定性地總結(jié)該區(qū)域全新世初級(jí)生產(chǎn)力的變化及其對(duì)海冰變化的響應(yīng)[33]。

總之，末次冰消期以來(lái)東北陸架在快速氣候變化中碳的生物地球化學(xué)過(guò)程的響應(yīng)機(jī)制還不清楚，有待深入研究。如何在陸架定量估算長(zhǎng)時(shí)間尺度不同來(lái)源有機(jī)碳貢獻(xiàn)并確定其與海冰和沉積環(huán)境的關(guān)系?地質(zhì)歷史時(shí)期海底甲烷釋放與古氣候環(huán)境的作用機(jī)制如何?這些問(wèn)題的解決將會(huì)大大促進(jìn)對(duì)地質(zhì)歷史上氣候快速變化時(shí)期北冰洋碳匯作用的認(rèn)識(shí)。

2.4 快速氣候變化事件與陸架環(huán)境響應(yīng)

自20 世紀(jì)80—90 年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)末次冰消期以來(lái)百年—千年尺度的氣候快速變化給予了很大關(guān)注[144-147]。研究者逐漸認(rèn)識(shí)到末次冰期氣候系統(tǒng)非常不穩(wěn)定且具有全球性[148]，而且進(jìn)入全新世這類(lèi)快速波動(dòng)同樣存在[149]。在末次冰消期全球變暖的背景下，氣候表現(xiàn)為快速變化的顯著特征，溫度回升不穩(wěn)定、呈波動(dòng)式變化，主要表現(xiàn)為經(jīng)歷了一系列百年—千年尺度的氣候快速變化事件，如B?lling/Aller?d 暖期、Heinrich 1 和Younger Dryas 時(shí)期快速變冷、全新世大暖期（Holocene Thermal Maximum）、8.2 ka 冷期、中世紀(jì)暖期等不同時(shí)間尺度、波動(dòng)式的氣候冷暖突變事件。這些高頻、不穩(wěn)定的氣候冷暖快速變化過(guò)程在冰芯和世界其他地區(qū)沉積物中都有過(guò)明顯表現(xiàn)和響應(yīng)[150-153]。一般認(rèn)為末次冰消期氣候波動(dòng)是地球氣候系統(tǒng)內(nèi)部相互作用的結(jié)果，但機(jī)制尚不清楚，不同地區(qū)的記錄響應(yīng)與北半球高緯地區(qū)氣候變化的關(guān)系仍不太明確[39,154]。

作為全球最寬廣的陸架，北極陸架的巨厚沉積物比周?chē)纳詈Ｅ璧鼐哂懈叩某练e速率（全新世沉積速率為10～300 cm·ka-1[32]），因而記錄了海平面上升以來(lái)高分辨率的氣候環(huán)境變化信息，而陸架沉積速率存在顯著的時(shí)空差異。末次冰消期以來(lái)，海冰逐漸成為聯(lián)系陸地—海洋—大氣—生物圈相互作用的關(guān)鍵因素[32]。關(guān)于陸架對(duì)快速氣候變化的響應(yīng)，目前認(rèn)為冰后期主要存在2 種模式：一種是受太陽(yáng)輻射、海平面和氣候冷暖變化影響的千年尺度變化，另一種則是中晚全新世后出現(xiàn)的百年尺度高頻變異[33,42,145,149]。后者這類(lèi)獨(dú)立于千年尺度的海冰短期快速振蕩波動(dòng)（約200 a）在高海面以來(lái)變得更加明顯，這可能與太陽(yáng)活動(dòng)和水團(tuán)作用有關(guān)[33,155-156]，對(duì)沉積物質(zhì)輸運(yùn)也有直接影響[33]，但這些變化在末次冰消期海平面快速上升時(shí)期是如何響應(yīng)的尚不清楚。從末次冰消期到全新世以來(lái)，高緯地區(qū)氣候快速變化和非線性控制機(jī)制受到較多關(guān)注，例如研究發(fā)現(xiàn)北大西洋濤動(dòng)（North Atlantic Oscillation，NAO）會(huì)影響北大西洋經(jīng)向環(huán)流從低緯向北極地區(qū)的熱量輸運(yùn)，進(jìn)而對(duì)北極以及亞北極地區(qū)造成顯著影響[45]；而北半球“大氣橋”會(huì)對(duì)高緯海區(qū)的表層溫度造成區(qū)域異質(zhì)性，在時(shí)間尺度上表現(xiàn)為非線性以及突變性特征[44-45]。同時(shí)，北極陸架環(huán)境變化也會(huì)反過(guò)來(lái)對(duì)末次冰消期以來(lái)的快速氣候變化產(chǎn)生影響。如全新世東西伯利亞陸架的逐漸淹沒(méi)會(huì)通過(guò)?！懽饔脺p弱極地渦旋，并經(jīng)過(guò)一系列負(fù)反饋?zhàn)饔脺p少北極海冰向北大西洋的輸出，從而減弱大西洋經(jīng)向環(huán)流，導(dǎo)致北歐變冷[157]。東西伯利亞陸架的淹沒(méi)和陸源淡水的注入使北極海冰面積的擴(kuò)大，導(dǎo)致地表反射率增大，這一過(guò)程可能放大了中全新世以來(lái)北大西洋的降溫幅度[158]。

迄今為止，我國(guó)在北極東北陸架氣候環(huán)境快速變化的記錄方面只開(kāi)展了少許工作。部分學(xué)者基于我國(guó)歷次北極科學(xué)考察對(duì)楚科奇海陸架邊緣地區(qū)的沉積記錄及其晚第四紀(jì)以來(lái)古氣候古海洋的意義開(kāi)展了研究[159-162]，主要涉及楚科奇海陸坡海盆沉積環(huán)境、冰筏碎屑、冰期/間冰期的大西洋水團(tuán)的影響、海冰過(guò)程及生產(chǎn)力和有機(jī)碳保存等方面，對(duì)于其他陸架沉積記錄研究則還基本未涉及。

3 問(wèn)題與展望

3.1 主要問(wèn)題

盡管迄今已開(kāi)展了許多圍繞北極東北陸架的快速變化研究工作，但研究程度仍非常薄弱。主要存在4 個(gè)問(wèn)題。

1）尚未對(duì)東北陸架末次冰消期以來(lái)的快速氣候變化和環(huán)境效應(yīng)開(kāi)展系統(tǒng)的研究。東北陸架區(qū)不同海區(qū)的沉積環(huán)境、物質(zhì)輸入和古氣候古環(huán)境演化具有顯著的區(qū)域差異，但已有研究非常有限。東西伯利亞海是北極陸架面積最大的海區(qū)，拉普捷夫海是海冰生產(chǎn)源區(qū)（“海冰工廠”）和受陸源輸入影響強(qiáng)烈的海域，楚科奇海則是連接北太平洋和北冰洋的主要通道，這3 個(gè)相互連接的地區(qū)是北極地區(qū)對(duì)全球變化響應(yīng)最敏感的區(qū)域，其各自環(huán)境變化的控制因素又不盡相同，需要進(jìn)一步深入研究。

2）尚未從指標(biāo)觀測(cè)記錄和數(shù)值模擬相結(jié)合的角度研究末次冰消期以來(lái)的北極東北陸架海冰快速變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。受限于研究條件，前期的研究很少利用觀測(cè)記錄與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式揭示海冰快速退化的歸因，從而限制了對(duì)海冰變化過(guò)程中的自然變化與人類(lèi)影響相對(duì)貢獻(xiàn)的區(qū)分。據(jù)沉積記錄反演的海冰退化過(guò)程既可以對(duì)應(yīng)于海冰密集度減少，又可以理解為海冰覆蓋時(shí)間縮短；而這對(duì)揭示海洋沉積環(huán)境、物源輸運(yùn)起著決定性的作用。因此，在涉及“氣候控制機(jī)制”理解上存在不確定性，需要與數(shù)值模擬結(jié)合起來(lái)才能揭示出明確的原因。

3）缺乏將沉積作用、動(dòng)力環(huán)境和海冰過(guò)程等邊界條件與海區(qū)生物地球化學(xué)過(guò)程及生態(tài)系統(tǒng)演變進(jìn)行聯(lián)系和銜接。冰消期以來(lái)北極陸架的沉積環(huán)境及其與周邊海洋、陸地的相互作用從過(guò)去到現(xiàn)在都在發(fā)生復(fù)雜的變化，但前期對(duì)這些的研究方法相對(duì)單一，缺乏多學(xué)科交叉研究。例如，目前仍然不清楚海岸侵蝕作用對(duì)于陸源輸入和初級(jí)生產(chǎn)力等過(guò)程的影響程度，尤其是在末次冰消期海面快速上升的階段；而陸架沉積環(huán)境、海洋環(huán)流、海冰過(guò)程等與生物地球過(guò)程（如生產(chǎn)力、甲烷釋放）之間的作用機(jī)制如何?目前這些問(wèn)題也都沒(méi)有答案。

4）缺乏對(duì)比研究較長(zhǎng)時(shí)間尺度氣候快速變化及其環(huán)境效應(yīng)。當(dāng)前的海冰退化是近千年來(lái)最為嚴(yán)重的一次，但目前仍然不清楚這種情況在末次冰消期以來(lái)氣候快速變化（尤其暖期）背景下是如何表現(xiàn)及影響的。末次冰消期海平面上升以來(lái)北極陸架沉積環(huán)境、海冰、海洋過(guò)程及相關(guān)生物地球化學(xué)過(guò)程可能存在不同時(shí)間尺度（百年—千年）的演化特征和響應(yīng)模式，而要認(rèn)識(shí)快速氣候變化下的不同情景模式與環(huán)境效應(yīng)，需要立足于更長(zhǎng)的地質(zhì)歷史背景，從古今結(jié)合的視角，綜合對(duì)比研究陸架氣候環(huán)境演化的歷史及控制因素。

3.2 展 望

1）發(fā)起大型國(guó)際合作計(jì)劃。北極快速氣候變化及其環(huán)境效應(yīng)受到眾多因素的影響，北極東北陸架的環(huán)境變化又與北冰洋的整體變化密切相關(guān)。而北極東北陸架地域上主要位于北極各國(guó)的管轄海域，涉及眾多學(xué)科協(xié)作研究，因此亟需發(fā)起一個(gè)以北極陸架快速氣候變化為主題的大型國(guó)際合作計(jì)劃開(kāi)展綜合研究。

2）實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的北極陸架快速氣候和環(huán)境變化研究。大數(shù)據(jù)正在成為地球科學(xué)研究的一種新思路和新方法，其實(shí)質(zhì)是對(duì)海量有效數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、進(jìn)而深入分析和尋求解決問(wèn)題。北極陸架研究涉及領(lǐng)域多、數(shù)據(jù)量巨大且類(lèi)型多樣，可以通過(guò)廣泛的國(guó)際合作建立海量數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的挖掘和應(yīng)用，進(jìn)一步研究北極陸架快速氣候變化的內(nèi)在機(jī)理。

3）運(yùn)用現(xiàn)代觀測(cè)—地質(zhì)記錄—數(shù)值模擬有機(jī)結(jié)合、多學(xué)科多手段交叉的思路開(kāi)展研究。數(shù)值模擬已成為深入理解北極快速氣候變化內(nèi)在機(jī)制和預(yù)測(cè)未來(lái)北極氣候發(fā)展趨勢(shì)的重要手段，其準(zhǔn)確性一方面依賴于氣候模式本身的設(shè)計(jì)特征，另一方面也有賴于邊界條件的選取?，F(xiàn)代觀測(cè)可以獲得北極近幾十年的大氣環(huán)流、海洋環(huán)流、海洋環(huán)境和海冰變化等信息，為數(shù)值模擬提供高分辨率的邊界條件；而地質(zhì)記錄則可以將北極氣候變化信息追溯至百年—千年甚至更長(zhǎng)時(shí)間尺度。將現(xiàn)代觀測(cè)和地質(zhì)記錄與數(shù)值模擬相結(jié)合，可以更加全面地在更高的時(shí)空分辨率和更長(zhǎng)的時(shí)間尺度了解北極快速氣候變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，并為預(yù)測(cè)未來(lái)北極快速氣候變化提供重要的手段和方法支撐。

4）開(kāi)展不同時(shí)間尺度北極快速氣候變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究。受全球變暖的影響，北極地區(qū)的近地表氣溫以超過(guò)全球平均兩倍以上的速度快速上升。由于北極快速氣候變化引起的一系列大氣、冰雪、海洋、陸地、植被等多圈層相互作用間的平衡發(fā)生改變，成為全球氣候變化的放大器和驅(qū)動(dòng)器。北極快速增溫是理解北極快速氣候變化的核心，但是目前對(duì)于北極地區(qū)快速升溫的驅(qū)動(dòng)機(jī)制仍無(wú)定論,不同研究結(jié)論之間存在很大的分歧，選擇不受人類(lèi)活動(dòng)干擾、可作為“現(xiàn)代氣候相似型”的地質(zhì)歷史時(shí)期典型暖期開(kāi)展北極快速氣候變化研究，有助于深入理解北極快速氣候變化的特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

5）加強(qiáng)北極快速氣候變化與東亞及我國(guó)環(huán)境變化的關(guān)系研究。北極是影響東亞天氣和氣候的關(guān)鍵區(qū)域之一。隨著持續(xù)的北極快速增暖和北極海冰快速減少，造成包括我國(guó)在內(nèi)的東亞地區(qū)冬季氣候變率以及極端嚴(yán)寒事件的發(fā)生概率上升，對(duì)我國(guó)洪澇、干旱災(zāi)害頻次和強(qiáng)度的增加和冬季霧霾頻發(fā)有重要影響。因此，未來(lái)要加強(qiáng)不同時(shí)間尺度北極快速氣候變化機(jī)制及其與東亞地區(qū)氣候的聯(lián)系研究，為預(yù)測(cè)未來(lái)全球變暖背景下北極及中緯度東亞地區(qū)氣候的發(fā)展趨勢(shì)提供重要科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，隨著全球變暖和北極升溫加劇，“冰上絲綢之路”和北極航道終年開(kāi)通的可能性受到越來(lái)越多的關(guān)注，而北極航道的開(kāi)通將在很大程度上改變世界貿(mào)易格局，因而需要加強(qiáng)北極快速氣候變化對(duì)“冰上絲綢之路”影響的研究。