末次冰消期以来北极东北陆架对快速气候变化的响应

石学法，董 江，胡利民，冯 晗，姚政权，乔淑卿

（1.自然资源部 第一海洋研究所海洋地质与成矿作用重点实验室，山东 青岛 266061；2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室，山东 青岛 266061；3.中国海洋大学 海洋地球科学学院海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100）

北冰洋常年被海冰覆盖且连通“三大洲”和“两大洋”，是全球冷热循环中的重要冷源。北冰洋不仅对气候变化响应非常敏感，还通过影响大西洋经向环流和热输运而成为全球气候变化的放大器和驱动器[1-2]。作为近百年来全球增暖最显著的区域，北极正以2 倍于全球平均速率的速度快速升温，经历着快速的气候变化[3-6]。近几十年来，北冰洋夏季海冰覆盖面积急剧下降，影响着海气之间的热量交换，并导致周边陆地植被群落结构发生显著变化，同时还伴随着出现了海底甲烷释放、淡水输入增加、盐度下降和海洋酸化加剧等现象[7-12]。北冰洋海冰的快速减少降低了地表反照率，增加了太阳辐射吸收，显著提高了初级生产力，这与陆地升温、冻土退化及植被的改变密切相关[13]；另一方面，植被的群落结构变化及其对地表辐射平衡的改变也对气候变化有直接的贡献，并影响着北极地区生物地球化学过程[11,14-15]。近年来的研究表明，与北极地区植被吸收的碳相比，目前每年北极地区向地球大气中释放出更多的碳。例如，2003—2017 年，北极多年冻土地区释放出约17 亿t 的碳，而同期全球植被平均吸收了10 亿t 碳[16]。这些变化将加剧高纬气候的放大效应，对全球气候变暖具有正反馈[15,17-18]。此外,在全球变暖背景下北极快速变化所引起的一系列大气、冰雪、海洋、陆地等多圈层相互作用的改变，对北极地区环境以及包括我国在内的中高纬度地区的气候环境有直接的影响。如北极地区春季海冰面积的变化与中国东部和南方地区的异常天气联系密切[19]，而北极地区变暖也可能是导致中国冬季雾霾频发的重要原因之一[20]。

北极快速气候变化及其环境效应已经成为当前地球科学研究的前沿和热点问题[21-22]。不过，受限于对海冰、海流、温度、入海径流、有机碳等要素直接观测资料的时间尺度，人们难于从仅有的短短几十年的器测资料中深入认识北极地区快速变化的过程、机理及环境效应，从而限制了对北极地区快速变化机制的认知及对未来发展趋势的预测。因而从更长时间尺度上开展研究，特别是将不同时间尺度的沉积记录与数值模拟相结合，才有可能深入认识北极地区快速气候变化的归因和驱动机制。

北冰洋最显著的地质特征是发育有世界上最宽广平坦的浅水陆架，约占世界陆架面积的25%，约占整个北冰洋面积的40%[23]。北极陆架主要分布在北冰洋东部区域（0°～180°，水深＜100 m），简称“东北陆架”（图1），是现今北冰洋海冰变化最明显的区域[24-26]。而且北极东北陆架还是“冰上丝绸之路”航道的核心区域，对于未来国际航运和海上贸易具有重要的意义。末次冰消期以来，伴随着海平面的快速上升，冰期时暴露出的大陆架被快速淹没[27-28]，经历了自末次盛冰期以来的最大波动，沉积环境、物质供给量及其“源—汇”格局、冰盖、海洋环流、海冰和碳循环等都发生了很大变化[29-31]。随着陆架被淹没，海洋环流和海冰逐渐成为沉积作用及生物地球化学过程的重要控制因素[32]，但不同时期、不同地区海冰的演化并不一致[33,34-36]。另一方面，太平洋入流水和多条世界性大河向该区输入了大量的淡水和沉积物，使其陆海相互作用强烈，沉积速率相对较高[32,37]。由于北极东北陆架联通陆地—河流—海洋—海冰等关键过程，其沉积对气候演变的记录能够在百年—千年尺度甚至更长时间尺度上捕捉到现代气候的发展轨迹和特点，成为过去气候环境变化的敏感“记录者”，因而成为北极地区古气候古环境变化研究的最优势地区之一[29]。近几十年以来，国际上对该区域进行了多次科学考察和研究工作，取得了阶段性的研究进展。

图1 北极东北陆架区域地理概况图（海流流向修改自文献[46-47]）Fig.1 Map showing location of the northeastern Arctic Shelf（the currents are modified by references [46-47]）

从长时间尺度来看，综合大洋钻探计划（International Ocean Discovery Program，IODP）302 航次在罗蒙诺索夫海岭获取的钻孔岩芯沉积记录表明，始新世北冰洋的海表温度峰值约为26.5 ℃，远高于现今北冰洋夏季海表温度，之后海表温度呈现出阶梯式下降的趋势[38]。从百年—千年时间尺度来看，末次冰消期以来在全球整体变暖背景下，不同地区的气候都表现出快速变化的显著特征，如温度回升不稳定、呈波动式变化[39]，主要表现为经历了一系列百年—千年尺度的气候快速变化事件。在北极地区，全新世大暖期时北极陆架海冰覆盖呈现千年尺度的相对低值[33,40-42]，尽管变暖的驱动机制可能不同，但这种地质历史暖期的海冰衰退与当前气候变暖情景下北极地区快速变化的情景具有一定相似性。现代观测资料还表明，受辐射强迫变化的影响，近百年来北极地区夏季海冰的减退与区域温度上升及植被变化存在密切的关系[43]。这说明从末次冰消期以来，北冰洋一直存在着快速气候变化的情况，并且气候变化的非线性和快速变化表现得尤为明显[44-45]，相关机制的解析和对比研究可为解释不同气候背景下的北极地区快速变化提供依据，并可增强对北冰洋现代海冰快速融化及环境变化原因机制的认知，同时为预测北极地区气候快速变化的发展趋势及评估全球气候变化提供宏观背景。

迄今为止，虽然国内外科学界十分重视北极地区气候环境快速变化的研究，但现有研究主要集中在北冰洋的深水大洋区及基于年际/年代际的现有观测资料，而对于地位极其重要、快速变化极其显著、沉积记录发育良好的具有宽广面积的北极东北陆架的研究则相对薄弱，我国组织的历次北极科学考察也几乎未涉及这一区域。我们通过聚焦北极东北陆架的研究成果，旨在总结北极地区末次冰消期以来快速气候变化背景下陆架环境变化研究进展，阐述沉积物“源—汇”过程、海冰变化、碳循环和快速气候变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问题，展望了未来的研究方向，以深化对北极气候和环境演化过程及其机制的研究，为评估和预测变暖背景下的北极气候环境演化格局提供依据。

1 北极东北陆架概况

北极陆架总面积约2.5 × 106km2[23]。分布在北冰洋东部的喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海和楚科奇海的浅水区域（水深≤100 m）（图1），被称为北极东北陆架。在每年的10 月到次年6 月，北极东北陆架完全被海冰覆盖，是冬季北冰洋海冰的重要补给源区[29,48-49]，其河流径流输入量几乎为零[50-51]；在其他月份，河流径流量明显增加[52]，海冰范围明显减少。特别是近十几年来，受人类活动影响，9 月该陆架区域几乎无冰，是近现代北冰洋海冰变化最显著的区域之一[25]。

喀拉海与拉普捷夫海通过北地群岛南部狭窄的维利基茨基海峡（宽度约50 km，水深约200 m）相连通。喀拉海的平均水深约110 m，面积约为9.26 × 105km2，其中陆架区域面积约为7.7 × 105km2，宽度约为350 km，坡度约为0.000 3°（图1）。喀拉海水团主要受到来自大西洋的中层暖水团（AW）、西伯利亚沿岸流（SCC）和河流径流量的影响[46,50]。其中，喀拉海的淡水主要来源于叶尼塞（Yenisey）河和鄂毕（Ob）河输入，其径流量分别为620 km3·a-1和390 km3·a-1（表1）。喀拉海陆架区域表层沉积物类型空间分布不均匀，总体表现为由岸向海沉积物粒度增大：叶尼塞河和鄂毕河下游区域沉积物类型以黏土质粉砂为主；近岸区域沉积物以细粒级的粉砂质黏土和黏土质粉砂为主，砂含量较高的区域局限在叶尼塞河河口的东北部区域；在该陆架中部和外部，沉积物中砂粒级组分含量明显增加，主要沉积物类型为粉砂质砂和少量的粉砂质黏土[31]。在喀拉海，黏土矿物、沉积物磁学性质、有机地球化学和微体古生物等多种指标表明，河流入海物质主要沉积在河口和三角洲区域，并在西伯利亚沿岸流的携带下向东北方向输运，是喀拉海内陆架细粒级沉积物的主要物质来源，而外陆架沉积物质多为晚更新世低海平面时期的残留沉积[31]。

表1 注入北极东北陆架的代表性河流[50]Table 1 Typical rivers discharged into the northeastern Arctic shelf[50]

拉普捷夫海位于北地群岛和新西伯利亚群岛之间，面积约为4.98 × 105km2（图1），被称为北冰洋的“冰工厂”[29]。拉普捷夫海陆架区域面积约为4.4 × 105km2，宽度为350～400 km，其中大部分区域水深＜50 m，在水深100 m 左右发育陆架坡折。拉普捷夫海冬季海冰发育，而夏季水动力特征主要受到勒拿（Lena）河径流量（520 km3·a-1）的影响，其温盐混合层厚度为5～10 m，而潮汐作用极弱，一般流速＜3 cm·s-1，未观测到潮汐作用显著影响该区域海流变化的现象[23,50]。拉普捷夫海西侧表层沉积物主要来源于西伯利亚沿岸玄武岩风化侵蚀物质和少量河流物质供给，东侧沉积物主要来自勒拿河等河流物质供给，多数物质在西伯利亚沿岸流作用下被向东搬运，少量物质被向北或向西北方向搬运至中外部陆架区域[53-55]。

东西伯利亚海西起新西伯利亚群岛，向东至弗兰格尔岛，面积约为9.87 × 105km2（图1）。东西伯利亚海陆架区域面积约为8.2 × 105km2，宽度为480～850 km，在水深100 m 左右发育陆架坡折[23]。东西伯利亚海陆架西部（160°E 以西）水体环境受到河流径流输入和拉普捷夫海水团的直接影响[23,50,56]。注入东西伯利亚海陆架西部的代表性河流为科累马（Kolyma）河和因迪吉尔卡（Indigirka）河，其年平均径流量分别为120 km3和55 km3（表1）。东西伯利亚海陆架东部（160° E 以东）受到太平洋流入水团的显著影响[46,56]。近岸区域的水体环境还受到寒冷、低盐度和流速流向多变的东向西伯利亚沿岸流的影响[57]。东西伯利亚海陆架西侧沉积物主要来源于沿岸基岩侵蚀风化和因迪吉尔卡河及勒拿河等河流物质输入[37]。而在东西伯利亚海陆架东侧和楚科奇海陆架，表层沉积物主要来源于河流物质供给和太平洋流入水团携带的亚北极地区河流物质的影响[33,58-59]。楚科奇海位于弗兰格尔岛、阿拉斯加半岛和白令海峡之间，面积约为5.82 × 105km2，平均水深约77 m（图1）。楚科奇海陆架水团主要受到太平洋流入水的显著影响[60-61]。

不同于喀拉海陆架表层沉积物空间分布，宽广平坦的东西伯利亚海陆架、拉普捷夫海陆架和楚科奇海陆架区域表层沉积物总体表现为由岸向海沉积物粒度变小：近岸河口以粉砂和砂质粉砂为主，中外陆架以粉砂和黏土为主[62-63]。

2 北极东北陆架气候环境快速变化的沉积记录

现代全球变化的一个显著特征是北冰洋正在快速升温，并由此引发北冰洋环境的快速变化。主要表现在如下3 个方面：①陆架沉积物来源、输运和沉积等过程发生明显变化，河流输入物质增加，沿岸冻土侵蚀加剧，海洋环流方向和强度变化频繁[47,52,63-65]；②季节性海冰变化明显增强，夏秋季海冰大范围消融，冬季海冰变薄，导致北半球暴风雪等异常气候事件发生频率显著增加[25,66-67]；③海冰的快速减退伴随着海底冻土快速融化和甲烷大量释放[17,68-69]、初级生产力提高和有机质输入及埋藏效率等发生明显的变化[13,70-71]。这些都改变了地球表层各圈层之间相互作用的进程[15,72-73]。

2.1 末次冰消期以来沉积环境变化

北极东北陆架对气候变化有敏感的响应记录[29]。该区80%以上的海底区域发育冻土，是对气候变化反应敏感和环境脆弱的地区[56,74]。陆架是河流输入物质重要的“沉积汇”[75]，其沉积作用受到河流沉积物供应、海洋环流、波浪、潮汐和区域地貌形态（如大陆架的宽度）等的影响[76-78]。北极东北陆架区域具有相似的共性，例如都属于宽广平坦的陆架，发育季节性海冰（冬季海冰覆盖而短暂的夏季几乎无冰），夏季波浪潮汐作用弱，沿岸流变化频繁，每年接收大量河流注入的淡水和陆源碎屑物质[23,25,46,50,52]。在全球变暖背景下，北冰洋接收了大量的沿岸侵蚀物质，其沿岸侵蚀速率最大可达10 m·a-1，快速的基岩侵蚀向陆架海贡献了大量冰期时形成的冻土老碳[65,71]。沿岸基岩侵蚀主要受控于热侵蚀和热风化过程，与河流输入热量直接相关，而与海冰发育呈负相关[79-80]，因此现代北极东北陆架沉积作用主要受物源供给和与海冰过程相关的动力环境的综合影响（图2）。拉普捷夫海受河流输入的影响较大，是北冰洋的“海冰工厂”，陆海相互作用非常强烈[81-82]。东西伯利亚海是北冰洋最为宽浅的陆架，覆盖大面积的永久冻土，其西部受河流影响明显，东部受太平洋入流水影响显著[33]，是北冰洋季节性海冰变化最强烈的区域之一。楚科奇海是北冰洋最大的陆架边缘海之一，被季节性海冰覆盖，同时受太平洋和大西洋水团、北极冰盖以及陆地河流的影响，在北极地区气候变化中扮演着重要的角色，是气候变化研究的重要海域[83]。

图2 北极东北陆架表层沉积物供给及输运示意图（河流输沙量数据来自文献[50,64]，沿岸基岩侵蚀风化速率数据来自文献[65]，“?”代表未知的输运速率）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）

末次冰消期以来，在大气CO2含量迅速回升、气候整体变暖的背景下，北半球高纬地区冰盖在全新世中期达到现代水平，伴随着海平面上升约120 m，冰期时暴露出的大陆架重新被快速淹没[84-85]。这期间北极东北陆架环境经历了自末次盛冰期（Last Glacial Maximum，LGM）以来的最大波动，沉积环境、物质“源—汇”格局、冰盖、海洋环流、海冰和碳循环等都发生了较大变化[28,30]。在18.0～14.7 ka，较低的海平面使得裸露的陆架主要被东西伯利亚河流的古河道覆盖，但此时河流入海流量较少[42];在Bølling/Allerød 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）发生了一次大规模淡水注入事件[86]，这可能与勒拿河上游冰川堰塞湖的崩溃有关[87]，大量的河流入海物质在低海平面条件下沉积在中外陆架区域；在早中全新世（11.7～8.0 ka），随着海平面的升高，沿岸流侵蚀加剧，使得陆架的沉积速率较高[32]，而此时河流入海流量却呈现较低水平[86]；在中全新世以来海平面相对稳定时期（8.0～0 ka），受到海冰发育状况、沿岸流和河流入海物质供给量的调控，陆源碎屑物质主要沉积在河口及其邻近陆架区域[29,31,42,88]。总体而言，从末次冰消期向全新世过渡期间，该区沉积环境经历了由河流输入和海平面控制向全新世海冰过程和水团作用控制的转变。随着陆架被淹没，海洋环流和海冰逐渐成为沉积作用及生物地球化学过程的控制因素[32,89-90]。

末次冰消期以来是东北陆架沉积的关键时期，海面上升过程中的海岸侵蚀、陆源河流的输入和太平洋水团的侵入对陆架沉积物“源—汇”格局具有重要影响[31-32,37]。13.0～11.0 ka，喀拉海水团通过淹没的维利基茨基海峡将高含量蒙皂石和辉石的物质输送至拉普捷夫海西部，而东拉普捷夫海在中全新世才出现蒙皂石和辉石含量增多的趋势，这可能与全新世拉普捷夫海入海河流流量增多和海平面上升导致的海岸侵蚀加剧有关[91]。在大约11.0 ka，海平面为目前-60 m 左右，楚科奇海沉积物地球化学和矿物学物源示踪研究表明，太平洋水开始穿过白令海峡并对东西伯利亚陆架产生重要影响[28,92]。然而早全新世（11.0～8.0 ka）来自白令海的贡献相比波弗特环流携带的北美物质偏少[93]，直至中全新世（7.2～2.0 ka）白令海物质开始在楚科奇海陆架沉积物中占主导地位[33,94-95]。以上这些复杂因素共同导致了陆架沉积速率呈现显著的时空差异。地震剖面和多根岩芯的沉积学研究表明，全新世喀拉海年平均沉积通量约为1.94 × 108t·a-1，其中大约有1.2 ×107t·a-1的河流入海物质在陆架沉积，使其沉积速率高达50～100 cm·ka-1[31-32]。拉普捷夫海年平均沉积通量约为0.67×108t·a-1，西侧由于相对缺少河流物质供给，全新世沉积速率极低（＜10 cm·ka-1）；在河流入海物质的影响下，陆架东侧全新世沉积速率可达约50 cm·ka-1[32]。东西伯利亚海年平均沉积通量约为1.09×108t·a-1，另外基于2016—2020 年中俄北极联合科学考察航次所获取的岩芯分析结果，全新世东西伯利亚海陆架沉积速率约为50 cm·ka-1（图3），与多根短柱状岩芯210Pb 测年结果[70-71]基本一致，表明全新世北极东北陆架沉积格局的空间差异性受水动力环境的影响较小，而可能主要受到陆源物质供给量的影响。在楚科奇海陆架，年平均沉积通量约为0.19×108t·a-1，全新世沉积速率明显升高（70～90 cm·ka-1，图3），这与已有的研究结果[33,94]一致。截至目前，对东北陆架的沉积物“源—汇”过程研究主要局限于拉普捷夫海和楚科奇海，且存在物源指标单一，缺乏内陆架物源记录等问题。因此，今后需利用多指标手段针对东北陆架空间上更多的沉积岩芯开展沉积物“源—汇”过程研究。

图3 全新世北冰洋沉积速率分布（修改自文献[32]）Fig.3 Holocene distribution of sedimentation rate in the Arctic Ocean（modified from reference [32]）

2.2 不同时间尺度海冰演化历史重建

海冰覆盖是北冰洋及其邻近陆架海域表层最显著的特征。北极东北陆架作为连接太平洋和北冰洋的主要区域，季节性海冰覆盖程度高且季节间海冰边缘迁移距离较远[25-26,66]。该区近10 a 来海冰消退面积要远远高于北冰洋其他地区[96]。东北陆架不仅是西伯利亚陆源物质的主要沉积区，同时也是现代气候条件下北冰洋海冰重要的生成地和输送源区，并与背景气候紧密相关[48]，该区域对快速气候变化具有高敏感度的响应[29]。目前对现代海冰的定量评估多基于卫星遥感、船基观测和固定站位的现场观测数据和资料[6,97]。基于观测资料、数值模拟和理论研究，发现近百年来北冰洋及其邻近区域海冰演变的影响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、温盐环流强度、大气温室气体浓度及其环流模式等[4,33,98]。然而，近百年来全球变化受到人类活动的显著影响，利用有限的观测数据很难进一步探讨千年及更长时间尺度北冰洋海冰演化的控制机制，也无法区分自然因素和人为因素对海冰发育的影响[25]。因此，重建地质历史时期北冰洋及其邻近区域海冰的演化历史可为预测和评估北极地区气候环境变化提供更全面的科学依据[99]。

重建海冰演化历史的方法主要分海冰指标示踪[100]和数值模拟二大类方法[41]，其中海冰示踪指标主要包括碎屑矿物等无机指标[35,101-102]、IP25（C25型高支链类异戊二烯烃）等有机地球化学指标[103-105]、沟鞭藻囊孢与有孔虫生物壳体等古海洋指标[34,106]和海岸浮木[107]以及植被等陆地和冰心记录等间接指标[35]。目前对全新世特定时期（如6.0 ka）北冰洋季节性海冰的数值模拟已比较成熟[41]，然而在不同因子胁迫下，数值模拟结果展示出不同的海冰演化趋势[4,108]。因此全新世北冰洋海冰长期且连续的瞬态模型模拟需要地质记录的校正，即海冰示踪是研究末次冰消期以来北冰洋海冰演化的关键指标。另外，重建末次冰消期以来海冰演化历史所需岩芯样品位置的选取也至关重要。北冰洋东部外陆架岩芯末次冰消期的沉积速率较高，而其全新世时期沉积速率较低[42,88]，导致该陆架区域重建全新世百年—千年时间尺度海冰演化历史的工作进展相对困难[32]。虽然北极东北内陆架全新世沉积速率较高，但岩芯沉积物受到河流冲淡水的显著影响，表现为生物生产力极低且淡水属种众多，导致与海冰相关的硅藻和介形虫含量极少，几乎不含有孔虫[100,109-110]。考虑到单一指标的受控因素较多，无法精准和全面反映北冰洋海冰演化，因此北极东北陆架多时空尺度和多指标的综合分析是重建末次冰消期以来海冰演化的必要条件。

北极东北陆架是北冰洋季节性海冰的最主要形成源地之一[48,81-82]。近年来，许多学者利用多种沉积记录重建了末次冰消期以来北极东北陆架及其邻近区域海冰演化历史，但研究程度存在明显的时空的不均衡（图4）。末次冰消期（18.0～8.0 ka），北极东北陆架及其邻近区域海冰演化历史以海冰快速变化为特征。拉普捷夫海IP25和浮游植物生物标志物数据表明，17.2～15.5 ka 拉普捷夫海被永久性海冰覆盖，而末次冰消期季节性海冰在Bølling/Allerød 暖期（14.5～13.0 ka）出现最小值，在Younger Dryas 时期（12.9～11.6 ka）出现最大值，在11.6～8.0 ka 时期，海冰呈现上升趋势[42,88]。虽然Younger Dryas 时期高海冰覆盖也在喀拉海陆架有机地球化学记录中被发现，但是在早全新世（10.0～8.0 ka）时期出现海冰覆盖的低值[111]。相对于末次冰消期，中全新世以来海平面相对稳定时期北极东北陆架海冰演化的研究相对较多，主要集中在楚科奇海及其邻近海域，但根据不同指标重建的全新世海冰演化趋势的结果相差较大（图4）。例如，楚科奇海岩芯沉积物中沟鞭藻囊孢和有孔虫δ18O 记录[36]及其西北部陆坡岩芯沉积物中的IP25等指标[112]均表明，受北大西洋中层水等海洋环流的影响，研究区海冰在早中全新世非常发育，而在晚全新世海冰密集度明显降低。这一演化趋势与格陵兰岛附近海域海冰演化趋势[107,113-114]呈现出此消彼长的“跷跷板”演化模式，表明全新世东西北冰洋海冰演化的驱动因素很可能不一致。然而，与之相反的早全新世以来由弱到强的海冰演化趋势在喀拉海陆架[111]、拉普捷夫海陆坡（全新世沉积记录受到沉积间断的影响）[42,88]和楚科奇海及其邻近海域[33,115]岩芯的有机地球化学沉积记录中否定了北冰洋东西两侧全新世海冰呈现“跷跷板”演化模式的假设。喀拉海内陆架岩芯有机地球化学数据表明，全新世海冰演化总体呈现高（8.0～4.5 ka）—低（4.5～3.0 ka）—高（3.0～0 ka）的演化模式，并呈现出450 a 和950 a 的短周期性快速波动，响应频繁变化的北极地区或北大西洋气候振荡[116]。此外，根据拉普捷夫海西部岩芯沉积物中的冰筏碎屑记录[117]、楚科奇海北部岩芯沉积物中有孔虫δ18O 数据、介形虫Mg/Ca 比值以及甲藻囊孢等替代指标定量重建的8.0 ka 以来海冰和底层海水温度的结果[34]，发现海冰呈现百年—千年时间尺度上频繁的震荡而未发现明显轨道时间尺度上的变化，这可能与北大西洋暖水团的温度和强度有密切关系。对于上述海冰演化历史研究结果存在的不确定性，需要对更多沉积连续且空间分布广泛的岩芯沉积记录进行综合研究，并结合数值模拟以探讨末次冰消期以来北冰洋东部海冰是区域性还是更广泛的系统性演化，以此来揭示其主控因素。这对于认识过去和未来不同气候背景下北极地区气候演变和海冰变化具有重要意义[118]。例如，基于“海洋-海冰”耦合数值模式，Dyck 等研究了早全新世海洋和大气相互作用过程对海冰变化的影响，发现在距今8 ka 左右，东西伯利亚海和拉普捷夫海海冰厚度小于现在的状态，但在波弗特海和加拿大北极群岛的海冰厚度则变化不大，这说明海冰过程主要跟大气驱动有关[41]。

图4 末次冰消期以来北极东北陆架及其邻近区域海冰演化历史Fig.4 Sea ice evolution in the northeastern Arctic shelf and the adjacent regions since the last deglaciation

2.3 碳循环对快速气候变化的响应

作为占世界陆架面积25%的全球最大的陆架，北极陆架虽然面积只占海洋的2.5%，但其沉积有机碳埋藏量却约占全球海洋的11%[119]。不同于中低纬度大河三角洲及其毗邻陆架，北极陆架周边不仅有世界级大河的输入，而且还发育有广袤的冻土层和季节性的海冰，使得其沉积有机碳源—汇过程独具特色[120]（图5），主要表现：①海洋自生源有机碳输出受季节性海冰过程相关的“生物泵”作用的显著影响[121]；②北极地区冻土碳（old permafrost carbon,PF/C）占全球土壤有机碳的50%[122]；陆源不同类型有机碳的输入不仅受径流的影响，而且流域/海岸侵蚀排放（如冻土老碳）也有重要贡献[71,123]；③入海沉积有机碳的输运和沉积过程不仅受径流、环流和侵蚀作用的影响，而且受制于海冰搬运作用[124]；④海冰变化和不同类型陆源碳（如土壤碳、冻土碳）输入的区域性差异导致近海陆架沉积有机碳源—汇过程呈现出高度的时、空差异[71,123]。例如，来自土壤上层的有机碳（年龄：103a）、深层多年冻土碳与沿岸的苔原富冰冻土碳（年龄：104a）[71,123]和化石源古老有机质[125]以及来自浮游生物的有机碳[126]在北冰洋周边不同陆架区沉积物中的分布和埋藏记录具有显著的差异。特别是在全球变暖和北极放大效应下，近几十年来海冰快速消退，海水层化增强、径流输入增加、混合和环流变化加剧，改变了海洋“物理泵”、“生物泵”和“微型生物碳泵”作用的强度和方式，对北极地区碳的源—汇效应产生了深刻影响[72-73]；也势必导致受海冰和冻土碳输入制约下的近海沉积有机碳源—汇过程的区域性差异更加明显[71,73,127]。如北冰洋陆源有机物质的矿化、运输和分布情况受到气候变化的制约[128]，而海源有机物质的产生则受到海冰、光照等因素的控制，在营养盐上升流的海冰边缘区域生产力比较高[13,129]。因此，北极陆架沉积物中的有机碳是多种物源信号的复杂“集合体”。

图5 东西伯利亚海岸侵蚀和冻土分布（修改自文献[120]）Fig.5 Coastal erosion and permafrost coverage of East Siberia（modified from reference [120]）

分析和评估北冰洋边缘海沉积有机碳库的源—汇格局，需要区分其中海源/陆源不同端元（如浮游植物、现代土壤、老碳）的贡献。如利用烷烃和木质素等标志物指示不同陆源有机碳的组成和陆架搬运及降解保存情况[123,128]；利用四醚膜脂化合物GDGTs 指示海源和陆源土壤有机碳在陆架上的分布特征及相对贡献[126]；利用烷烃、脂肪酸和木质素等单体分子碳同位素组成（13C、14C）区分陆源土壤和永久冻土来源的不同年龄的有机质以及评估这些组分在陆架搬运的时间[130]。此外，一些生物标志物也被用于指示海源有机碳与水温和群落结构之间的关系[131]。总体来看，这些指标可有效区分不同类型陆源有机碳的输入、搬运及保存降解[71]。另一方面，在全球变暖背景下，北极陆架沉积物中的海源有机质的输入和埋藏与海冰相关的“生物泵”过程密切相关[132]。然而，由于缺乏长时间序列的海冰观测资料，很难从长时间序列建立海冰变化与沉积有机碳埋藏之间的联系。近年来，一种新的海冰硅藻指示物——C25支链烯烃标志物（IP25）被提出可用于古海冰重建[103,133]。但是，在应用上述指标重建古海冰时还应考虑不同的流域气候条件（径流输入、源岩特征和冻土）对近海颗粒有机碳总有机质的输入和性质的影响[120]。如相比亚欧陆架西部地区的鄂毕河和叶尼塞河，东部地区的勒拿河、因迪吉尔卡河和科累马河流域气候偏干旱、广泛发育连续的冻土沉积，使其输入的陆源颗粒有机碳的年龄更老而降解程度较小[134]。

在全球气候快速变化背景下，北极陆架不同海区对不同气候因素的响应可能各不相同，这直接影响着不同时间尺度有机碳的沉积埋藏过程。近几十年来北极地区的快速变化主要表现为夏季海冰覆盖面积减退、海水温度升高、径流加大，冻土退化和初级生产力提高等[13,52,66,135]。这些因素通过对浮游植物群落结构和生产力的影响，改变着海源有机碳的输入和埋藏，也同时显著改变着陆源有机碳的输入和组成，对有机碳埋藏及保存降解都带来直接的影响[136]。随着全球变暖、海冰消退，该区碳的源—汇过程及环境效应正发生着改变。海冰融化加剧、陆源有机质和营养盐输入增加，促进“生物泵”运转，改变了海洋浮游植物生产力和群落结构[136]；径流输入以及永久冻土融化导致陆源有机质输入与埋藏显著变化[127]，这些都改变着原有沉积有机碳库的构成，对陆架碳的源—汇格局有重要影响[18,73]。研究显示，与海冰消融相关的初级生产量可高达60%以上[13]；海冰的提前融化可引起浮游植物（如冰藻）的勃发，提高了沉积碳输出通量[13,132]，并改变海洋浮游植物群落结构和有机碳的来源[136-137]。作为全球高生产力的海区，楚科奇海具有很高的有机碳埋藏保存效率，同时也是北冰洋海冰变化最为显著的地区之一[138]，近几十年来海冰融化使得该区有机碳循环正发生着变化[139]。

冻土退化日益加剧不仅引起甲烷等温室气体直接排放，而且会导致封存其中的陆源有机碳加速释放，并被微生物利用而快速进入现代碳循环过程[140]。不同的周边流域环境导致陆源有机碳输出类型多样，比如河流主要影响表层土壤有机碳（相对年轻）输出，而冻土老碳的释放则主要与冻土发育状态、水文条件和热喀斯特侵蚀作用有关[123]。在此背景下，通过河流或海岸侵蚀释放的陆源有机碳通量将不断升高，组成也显著变化[123,131]。而受控于区域水文循环过程，俄罗斯北极陆架由河流和海岸侵蚀向海输送了大量的冻土老碳[131]。综上所述，这些近期变化不仅会影响北极地区有机碳库的平衡和稳定，也对未来气候变化的影响带来一定的不确定性[18]。

末次冰消期以来，随全球升温而导致的海冰快速消融的现象与现今类似，但是有关快速气候变化对北极东西伯利亚陆架碳循环的影响的研究仅仅局限在个例。冰期过程形成的冻土沉积碳（yedoma）具有较高活性，将在较短的时期（百年内）以CO2形式快速重新参与碳循环，这对全球变暖的进程起到显著促进作用[140-141]；但从更长时间尺度看，这些陆源沉积有机碳的迁移和再埋藏或成为全新世以来大气CO2的重要汇[125]。相比于陆地苔原冻土，海底冻土更加敏感和脆弱，现今已有分别超过80%和50%的东西伯利亚海的底层和表层水体甲烷处于过饱和状态，其融化将导致海底甲烷大量泄漏并直接释放到大气中[17,68]，在地质历史时期，这类海底甲烷的释放可能与快速气候环境变化有密切关系[142]，但尚需进一步研究证实。可见，这些碳的生物地球化学过程及其与气候环境的作用机制对北极地区变暖及其未来状态发展具有不可忽视的影响。Keskitalo 等针对全新世以来冻土沉积碳的输入和埋藏研究发现，在西伯利亚陆架早全新世（9.5～8.2 ka B.P.）陆源冻土沉积碳的输入显著高于其他时期，推测这可能跟全新世早期气候变暖和海平面上升有密切关系，而海岸侵蚀作用对此起了重要作用[143]。Stein 等则通过浮游植物生物标志物记录结合矿物指标记录定性地总结该区域全新世初级生产力的变化及其对海冰变化的响应[33]。

总之，末次冰消期以来东北陆架在快速气候变化中碳的生物地球化学过程的响应机制还不清楚，有待深入研究。如何在陆架定量估算长时间尺度不同来源有机碳贡献并确定其与海冰和沉积环境的关系?地质历史时期海底甲烷释放与古气候环境的作用机制如何?这些问题的解决将会大大促进对地质历史上气候快速变化时期北冰洋碳汇作用的认识。

2.4 快速气候变化事件与陆架环境响应

自20 世纪80—90 年代开始，国内外研究人员对末次冰消期以来百年—千年尺度的气候快速变化给予了很大关注[144-147]。研究者逐渐认识到末次冰期气候系统非常不稳定且具有全球性[148]，而且进入全新世这类快速波动同样存在[149]。在末次冰消期全球变暖的背景下，气候表现为快速变化的显著特征，温度回升不稳定、呈波动式变化，主要表现为经历了一系列百年—千年尺度的气候快速变化事件，如Bølling/Allerød 暖期、Heinrich 1 和Younger Dryas 时期快速变冷、全新世大暖期（Holocene Thermal Maximum）、8.2 ka 冷期、中世纪暖期等不同时间尺度、波动式的气候冷暖突变事件。这些高频、不稳定的气候冷暖快速变化过程在冰芯和世界其他地区沉积物中都有过明显表现和响应[150-153]。一般认为末次冰消期气候波动是地球气候系统内部相互作用的结果，但机制尚不清楚，不同地区的记录响应与北半球高纬地区气候变化的关系仍不太明确[39,154]。

作为全球最宽广的陆架，北极陆架的巨厚沉积物比周围的深海盆地具有更高的沉积速率（全新世沉积速率为10～300 cm·ka-1[32]），因而记录了海平面上升以来高分辨率的气候环境变化信息，而陆架沉积速率存在显著的时空差异。末次冰消期以来，海冰逐渐成为联系陆地—海洋—大气—生物圈相互作用的关键因素[32]。关于陆架对快速气候变化的响应，目前认为冰后期主要存在2 种模式：一种是受太阳辐射、海平面和气候冷暖变化影响的千年尺度变化，另一种则是中晚全新世后出现的百年尺度高频变异[33,42,145,149]。后者这类独立于千年尺度的海冰短期快速振荡波动（约200 a）在高海面以来变得更加明显，这可能与太阳活动和水团作用有关[33,155-156]，对沉积物质输运也有直接影响[33]，但这些变化在末次冰消期海平面快速上升时期是如何响应的尚不清楚。从末次冰消期到全新世以来，高纬地区气候快速变化和非线性控制机制受到较多关注，例如研究发现北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation，NAO）会影响北大西洋经向环流从低纬向北极地区的热量输运，进而对北极以及亚北极地区造成显著影响[45]；而北半球“大气桥”会对高纬海区的表层温度造成区域异质性，在时间尺度上表现为非线性以及突变性特征[44-45]。同时，北极陆架环境变化也会反过来对末次冰消期以来的快速气候变化产生影响。如全新世东西伯利亚陆架的逐渐淹没会通过海—陆作用减弱极地涡旋，并经过一系列负反馈作用减少北极海冰向北大西洋的输出，从而减弱大西洋经向环流，导致北欧变冷[157]。东西伯利亚陆架的淹没和陆源淡水的注入使北极海冰面积的扩大，导致地表反射率增大，这一过程可能放大了中全新世以来北大西洋的降温幅度[158]。

迄今为止，我国在北极东北陆架气候环境快速变化的记录方面只开展了少许工作。部分学者基于我国历次北极科学考察对楚科奇海陆架边缘地区的沉积记录及其晚第四纪以来古气候古海洋的意义开展了研究[159-162]，主要涉及楚科奇海陆坡海盆沉积环境、冰筏碎屑、冰期/间冰期的大西洋水团的影响、海冰过程及生产力和有机碳保存等方面，对于其他陆架沉积记录研究则还基本未涉及。

3 问题与展望

3.1 主要问题

尽管迄今已开展了许多围绕北极东北陆架的快速变化研究工作，但研究程度仍非常薄弱。主要存在4 个问题。

1）尚未对东北陆架末次冰消期以来的快速气候变化和环境效应开展系统的研究。东北陆架区不同海区的沉积环境、物质输入和古气候古环境演化具有显著的区域差异，但已有研究非常有限。东西伯利亚海是北极陆架面积最大的海区，拉普捷夫海是海冰生产源区（“海冰工厂”）和受陆源输入影响强烈的海域，楚科奇海则是连接北太平洋和北冰洋的主要通道，这3 个相互连接的地区是北极地区对全球变化响应最敏感的区域，其各自环境变化的控制因素又不尽相同，需要进一步深入研究。

2）尚未从指标观测记录和数值模拟相结合的角度研究末次冰消期以来的北极东北陆架海冰快速变化的驱动机制。受限于研究条件，前期的研究很少利用观测记录与数值模拟相结合的方式揭示海冰快速退化的归因，从而限制了对海冰变化过程中的自然变化与人类影响相对贡献的区分。据沉积记录反演的海冰退化过程既可以对应于海冰密集度减少，又可以理解为海冰覆盖时间缩短；而这对揭示海洋沉积环境、物源输运起着决定性的作用。因此，在涉及“气候控制机制”理解上存在不确定性，需要与数值模拟结合起来才能揭示出明确的原因。

3）缺乏将沉积作用、动力环境和海冰过程等边界条件与海区生物地球化学过程及生态系统演变进行联系和衔接。冰消期以来北极陆架的沉积环境及其与周边海洋、陆地的相互作用从过去到现在都在发生复杂的变化，但前期对这些的研究方法相对单一，缺乏多学科交叉研究。例如，目前仍然不清楚海岸侵蚀作用对于陆源输入和初级生产力等过程的影响程度，尤其是在末次冰消期海面快速上升的阶段；而陆架沉积环境、海洋环流、海冰过程等与生物地球过程（如生产力、甲烷释放）之间的作用机制如何?目前这些问题也都没有答案。

4）缺乏对比研究较长时间尺度气候快速变化及其环境效应。当前的海冰退化是近千年来最为严重的一次，但目前仍然不清楚这种情况在末次冰消期以来气候快速变化（尤其暖期）背景下是如何表现及影响的。末次冰消期海平面上升以来北极陆架沉积环境、海冰、海洋过程及相关生物地球化学过程可能存在不同时间尺度（百年—千年）的演化特征和响应模式，而要认识快速气候变化下的不同情景模式与环境效应，需要立足于更长的地质历史背景，从古今结合的视角，综合对比研究陆架气候环境演化的历史及控制因素。

3.2 展 望

1）发起大型国际合作计划。北极快速气候变化及其环境效应受到众多因素的影响，北极东北陆架的环境变化又与北冰洋的整体变化密切相关。而北极东北陆架地域上主要位于北极各国的管辖海域，涉及众多学科协作研究，因此亟需发起一个以北极陆架快速气候变化为主题的大型国际合作计划开展综合研究。

2）实现大数据驱动的北极陆架快速气候和环境变化研究。大数据正在成为地球科学研究的一种新思路和新方法，其实质是对海量有效数据进行挖掘、进而深入分析和寻求解决问题。北极陆架研究涉及领域多、数据量巨大且类型多样，可以通过广泛的国际合作建立海量数据库，实现大数据的挖掘和应用，进一步研究北极陆架快速气候变化的内在机理。

3）运用现代观测—地质记录—数值模拟有机结合、多学科多手段交叉的思路开展研究。数值模拟已成为深入理解北极快速气候变化内在机制和预测未来北极气候发展趋势的重要手段，其准确性一方面依赖于气候模式本身的设计特征，另一方面也有赖于边界条件的选取。现代观测可以获得北极近几十年的大气环流、海洋环流、海洋环境和海冰变化等信息，为数值模拟提供高分辨率的边界条件；而地质记录则可以将北极气候变化信息追溯至百年—千年甚至更长时间尺度。将现代观测和地质记录与数值模拟相结合，可以更加全面地在更高的时空分辨率和更长的时间尺度了解北极快速气候变化的驱动机制，并为预测未来北极快速气候变化提供重要的手段和方法支撑。

4）开展不同时间尺度北极快速气候变化及其驱动机制研究。受全球变暖的影响，北极地区的近地表气温以超过全球平均两倍以上的速度快速上升。由于北极快速气候变化引起的一系列大气、冰雪、海洋、陆地、植被等多圈层相互作用间的平衡发生改变，成为全球气候变化的放大器和驱动器。北极快速增温是理解北极快速气候变化的核心，但是目前对于北极地区快速升温的驱动机制仍无定论,不同研究结论之间存在很大的分歧，选择不受人类活动干扰、可作为“现代气候相似型”的地质历史时期典型暖期开展北极快速气候变化研究，有助于深入理解北极快速气候变化的特征及驱动机制。

5）加强北极快速气候变化与东亚及我国环境变化的关系研究。北极是影响东亚天气和气候的关键区域之一。随着持续的北极快速增暖和北极海冰快速减少，造成包括我国在内的东亚地区冬季气候变率以及极端严寒事件的发生概率上升，对我国洪涝、干旱灾害频次和强度的增加和冬季雾霾频发有重要影响。因此，未来要加强不同时间尺度北极快速气候变化机制及其与东亚地区气候的联系研究，为预测未来全球变暖背景下北极及中纬度东亚地区气候的发展趋势提供重要科学依据。同时，随着全球变暖和北极升温加剧，“冰上丝绸之路”和北极航道终年开通的可能性受到越来越多的关注，而北极航道的开通将在很大程度上改变世界贸易格局，因而需要加强北极快速气候变化对“冰上丝绸之路”影响的研究。