地球生物学家如何恢复古海洋生产力？
古海洋生产力直接影响全球的碳循环，因而具有重要的科学意义。有很多指标可以表征现代海洋的生产力，然而地质历史时期古生产力的研究一直是个难点问题。
海洋生产力是指海洋通过同化作用产生有机物的能力，是海洋最重要的功能之一，一般以每年（或每日）单位面积所固定的有机碳或能量来表示。从海洋生物产生的有机物中扣除消费的部分，就是海洋的净生产力。一般来讲，净生产力不到总生产力的一半。海洋生产力可以通过呼吸和被捕食两种途径消耗。
光合自养生物和化能自养生物分别为有光生物圈和黑暗生物圈提供初级生产力（primary productivity）。就整个海洋系统而言，以有光生物圈形成的初级生产力为主。有光生物圈的海洋初级生产力主要是海洋浮游藻类的贡献。此外，底栖藻类、底栖大型植物（包括红树）、生物礁中的光合微生物也是海洋初级生产力的重要贡献者。
（http://public.wsu.edu/~dybdahl/lec10.html）
通过卫星遥感数据计算，世界海洋中浮游植物的初级生产力达4.5×10¹º~6.8×10¹º t C/a，沿海底栖植被的初级生产力为1.9×10¹º t C/a（Longhurst et al., 1995）。初级生产力中的有机碳一部分会以颗粒的形式沉降，成为新生产力（new productivity），从而脱离食物链成为沉积有机碳（Dugdale and Goering, 1967）。在稳态下，新生产力等于真光层中颗粒有机物的输出通量（Eppley and Peterson, 1979）。初级生产力中的另一部分有机碳在食物链中被循环利用，称之为再生产力（regenerated productivity）。
与现代海洋可以用卫星遥感来直接获取海洋表层生产力（叶绿素）不同，过去海洋生产力（古生产力）主要靠生物学、化学的替代指标来表征。
生物化石等指标，在一定程度上反映了古生产力的变化状况。随着现代分析测试技术的进步和现代海洋观测水平的提高，一些地球化学指标，如生源钡、磷、过剩铝等，被认为可以用于古生产力的示踪（Henderson, 2002）。
主要依据地层中的各种微生物岩的比例及其矿化微生物席或微生物凝块的含量进行原始有机质及古生产力评估。（A. 雾迷山组第二段微生物席白云岩中的微球粒，北京昌平；B. 雾迷山组第三段微生物凝块，河北野三坡；C. 雾迷山组第二段微生物成因的球粒或团粒，北京西山；D. 雾迷山组第三段微生物成因的微团块，河北怀来）
生产力指标在地质历史时期应用面临的问题及其解决办法
无论是Baxs和磷，还是Alxs，都避不开生产力信息的保存和沉积速率这两大难题。为了克服这些难题，Murry（2000）提出以钛标准化过的元素（如Al/Ti和Ba/Ti）来表示生产力，而不是单纯地利用元素的含量（Baxs、Alxs）。铝和钛均是难溶元素，能经受后期的沉积成岩作用，容易在地质体中长期保存，加上元素比率（Al/Ti）不受沉积速率的影响，即不需要沉积速率便可以计算生产力，更适用于地质历史时期的各类沉积岩。然而，Al/Ti作为古生产力指标也有条件，必须要校正陆源钛。
我们利用Murry（1996）发表的中太平洋钻孔岩芯的地球化学资料，校正了陆源变化对Al/Ti的影响。当沉积物中陆源物质含量小于5%时，校正过的Al/Ti不但与Baxs等指标反映的生产力有一致的变化，而且不同钻孔的变化模式也相同，即时空变化的一致性。这较好地解决了困扰古生产力重建的沉积速率问题。
利用该方法，我们尝试恢复华南元古代到中生代的海洋古生产力。
地质历史时期古海洋生产力的研究一直是个难点问题，目前还没有形成一条比较系统的古生产力变化曲线。基于对各个剖面的生物碎屑统计和地球化学元素分析，分别得到了各个剖面的古生产力的数据。以国际地层年表的年代框架（精确到组）为依据，我们对Al/Ti和生物碎屑表征的古生产力进行了综合集成，获得新元古代—三叠纪华南古海洋生产力的演化曲线。古生产力随时间出现规律性的变化，在空间上也存在明显的规律。
华南生物多样性根据戎嘉余等（2006）
地质历史时期的古生产力由生物碎屑反映（左），现代海洋为中纬度海区晴天初级生产力（Tait, 1981）（中），中国现代海区生产力由叶绿素反映（右）
通过生物碎屑和地球化学Al/Ti指标建立了华南新元古代到三叠纪的古海洋生产力变化曲线，把这些曲线与生物多样性（主要是动物多样性）进行比较，可以探讨古生产力与生物多样性之间的关系。
从生态学角度分析，在短尺度时间内，生产者与消费者之间应该存在相互消长关系，即消费者（如动物）生物量高，生产者的生物量就会减低。但从长时间尺度上看，两者有同相变化，即生产力越高，能支持的消费者的生物量也越高。一般来说，受限于时间分辨率，地质历史时期的记录均反映了一个长期的变化趋势。因此，从生态学理论角度分析，地质历史时期古海洋初级生产力与动物多样性之间可能存在一定的正相关关系。
从华南的古生产力与生物多样性比较可以看出，二叠纪和奥陶纪是显生宙两个生物多样性很高的时期，同时也是生产力的高峰时期，说明这两个时期高的动物多样性需要很高的生产力来维持。在几大生物集群灭绝期，出现了生物多样性的剧减。与此相对应，紧接着这些生物大灭绝之后，地球化学和生物碎屑反映的海洋古生产力是异常低的。例如，在早志留世、晚泥盆世、早三叠世等生物复苏期间，古生产力均很低。这些低生产力是否影响甚至延缓了动物的复苏值得进一步研究。但不管如何，从以上的数据资料来看，海洋生产力确实对动物的多样性产生了一定的影响。
综合各种证据，本文认为，早三叠世的生产力很可能是降低的。首先，一些自养微生物的繁盛是相对于其他生物来说的一种相对变化，而非绝对数量的增加。其次，由于海洋的大范围缺氧，大量底层水的营养物质难以上涌，使海洋表层缺乏一些重要的营养元素。微生物固氮作用的加强就说明了海洋中生物可利用氮的缺乏。从这两个方面分析，生产力不可能出现升高。至于碳酸盐碳同位素的梯度，还需要进一步证实，因为缺乏深水盆地相的碳酸盐岩，使得盆地相的碳同位素值缺乏可靠性依据。生产力代用指标（Al/Ti、生物碎屑）均说明，二叠纪末期生物大灭绝后，生产力出现明显的降低。如果早三叠世的生产力很高，而且又是缺氧环境，应该出现大量的黑色岩系，事实上，浅水缺氧地区很少有大规模黑色岩系的发育，这可能从一个侧面反映出当时的生产力很低。
本文由刘四旦摘编自谢树成、颜佳新、史晓颖、殷鸿福等著《烃源岩地球生物学》一书“第四章 中元古代至三叠纪典型剖面的古生产力”，有删减改动，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-045837-7
《烃源岩地球生物学》系统介绍了地球生物学方法在烃源岩评价中的实际应用。第一章提出了烃源岩地球生物学评价的方法体系，包括三个阶段和四个参数。三个阶段是从古生产力到沉积有机质再到埋藏有机质。四个参数则是生境型和古生产力两个生物学参数，以及古氧相和埋藏效率两个地质学参数。第二章重点对华南二叠系和寒武系这两个比较重要的烃源岩层位作精细解剖。第三章到第五章则对中元古代到三叠纪典型剖面的烃源岩进行地球生物学的评价。其中，第三章和第四章分别分析了典型剖面的生境型和古生产力这两个生物学参数，第五章分析了这些剖面的古氧相，并对烃源岩进行了地球生物学评价。第六章从地球生物学角度提出了烃源岩的一些潜在新层位。第七章对华南的大断面进行系统的地球生物学总结，提出了典型烃源岩形成的地球生物学模型。
地球为你而转！
欢迎关注：赛杰奥（sci_geo）
科学出版社地球科学订阅号
点击“阅读原文”可购买本书。