Benthic Foraminiferal Mn/Ca as Low-Oxygen Proxy in Fjord Sediments  

底棲有孔蟲錳鈣比作為峽灣沉積物低氧指標的研究  

來源：Global Biogeochemical Cycles, Volume 37, Article e2023GB007690

《全球生物地球化學循環》第37卷，文章編號 e2023GB007690

 

摘要內容

 

本研究通過分析瑞典Gullmar峽灣底棲有孔蟲（Bulimina marginata 和 Nonionellina labradorica）的錳鈣比（Mn/Ca），探討其作為低氧環境代用指標的潛力。研究結合季節性采樣（2018-2019年）、孔隙水地球化學分析（溶解氧、錳濃度）及高分辨率技術（激光剝蝕ICP-MS、同步輻射X射線熒光成像），發現：  

B. marginata 的Mn/Ca對低氧條件（<130 μmol/L O?）敏感，能有效記錄氧化還原變化。  

 

N. labradorica 的Mn/Ca受生物因素（如葉綠體截留、包囊形成）干擾，無法可靠指示環境氧濃度。  

 

峽灣深層站點因錳富集和季節性缺氧，是校準Mn/Ca指標的理想環境。  

 

研究目的

評估底棲有孔蟲Mn/Ca作為峽灣低氧環境代用指標的可行性。  

 

量化生物因素（物種特異性、個體發育、微生境）對Mn/Ca信號的影響。  

 

建立Mn/Ca與孔隙水錳濃度（[Mn]?w）和底層水氧濃度（[O?]??）的定量關系。  

 

研究思路

采樣設計：  

 

在Gullmar峽灣選取淺水（GF 71，69-71 m）和深水站點（GF 117，115-117 m），分三季（2018年9月、2019年2月、2019年6月）采集沉積物樣品。  

 

同步測量底層水氧濃度（[O?]??）和孔隙水錳濃度（[Mn]?w）。  

分析技術：  

 

激光剝蝕ICP-MS：測量有孔蟲殼體Mn/Ca、Mg/Ca、Sr/Ca（圖3，表1）。  

 

 

同步輻射X射線熒光成像：高分辨率繪制B. marginata殼體Mn/Ca空間分布（圖5）。  

 

 

孔隙水地球化學：氧微剖面儀測量沉積物氧滲透深度（圖2）。  

 

 

測量的數據及研究意義

有孔蟲Mn/Ca比值（圖3，表1）：  

 

數據：B. marginata的Mn/Ca范圍為0.004–2.883 mmol/mol，N. labradorica為0.016–27.521 mmol/mol。  

 

意義：反映物種對錳的生物富集差異，B. marginata的Mn/Ca與[O?]??呈負相關，證明其作為低氧指標的潛力；N. labradorica的高Mn/Ca受生物過程主導，限制其環境指示意義。  

孔隙水錳濃度（[Mn]?w）與氧分布（圖2）：  

 

數據：深層站點（GF 117）孔隙水[Mn]?w >200 μM，氧滲透深度淺（<1 cm）；淺層站點（GF 71）[Mn]?w低且氧滲透深。  

 

意義：證實峽灣沉積物錳富集與低氧條件耦合，為Mn/Ca指標提供地球化學背景。  

殼體Mn/Ca空間分布（圖5）：  

 

數據：B. marginata幼年殼室（如胚殼）Mn/Ca顯著高于成年殼室（相差5-10倍）。  

 

意義：指示個體發育階段（如幼體在低氧層生長）或微生境遷移對Mn/Ca的影響。  

 

結論

物種特異性差異：B. marginata的Mn/Ca可定量指示低氧條件（[O?]?? <130 μmol/L），而N. labradorica因生物干擾（葉綠體截留、包囊）不適用。  

 

環境閾值：Mn/Ca指標在[O?]?? >130 μmol/L時失效，因氧滲透加深使錳還原層低于有孔蟲生長深度。  

 

生物因素影響：殼體初始殼室的高Mn/Ca反映幼體階段在低氧微生境鈣化，需在古環境重建中校正。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

盡管本文未直接使用Unisense電極，但同類微電極技術（如氧微剖面儀）的應用意義如下：  

高分辨率氧梯度測量：  

 

微電極以毫米級分辨率獲取沉積物-水界面的溶解氧剖面（圖2b），直接量化氧滲透深度（OPD）和氧虧（DOU）。  

 

校準后數據精度高（如缺氧層作為零氧基準），為計算有孔蟲微生境的氧化還原狀態提供可靠依據。  

揭示錳循環機制：  

 

電極數據顯示低氧期（如2019年2月）表層沉積物[Mn]?w升高（圖2a），證實錳氧化物在缺氧條件下溶解為Mn2?，促進有孔蟲錳吸收。  

 

OPD與[Mn]?w的負相關關系（r = -0.8）支持Mn/Ca作為氧代用指標的地球化學基礎。  

支持生物解釋：  

 

氧微剖面與有孔蟲Mn/Ca的關聯（如B. marginata在低氧層高Mn/Ca）驗證了物種的微生境偏好（B. marginata為淺棲種）。  

 

深層氧虧損（如GF 117）與N. labradorica的高Mn/Ca對比，突顯生物過程（如反硝化）對錳富集的潛在影響。  

方法學貢獻：  

 

結合彈性網算法優化氧剖面模型，提升DOU計算準確性（R2 >0.97），為類似研究提供標準流程（如OPD定義為<1 μmol/L氧的深度）。