Abstrak
Peristiwa deglasial Bølling-Allerød ditandai oleh produktivitas diatom yang tinggi dan pengendapan opal di seluruh Pasifik subarktik. Opal ini dapat merupakan pompa biologis yang diperkuat dan dengan demikian penyerapan karbon, atau pompa biologis yang melemah dan pelepasan CO 2 yang diserap laut ke atmosfer. Kami mengukur pasokan asam silikat di Situs IODP U1340 di Laut Bering menggunakan opal biogenik dan δ 30 Si dari Coscinodiscus , genus diatom. Catatan ini, bersama dengan indikator lingkungan diatom, menunjukkan bahwa Bølling-Allerød memiliki ketersediaan asam silikat yang tinggi terkait dengan pergeseran dari stratifikasi ke dinamika arus naik musiman. Dengan demikian, kami mengusulkan penyebab utama dari peristiwa produktivitas tinggi adalah peningkatan pasokan makronutrien dari pertukaran vertikal yang menyuntikkan air tua, kaya nutrisi, dan kaya CO 2 ke permukaan. Peningkatan pelepasan CO2 dari Pasifik subarktik dapat membantu menjelaskan interval kritis kenaikan CO2 yang terjadi pada awal Bølling-Allerød dan PreBoreal.
Poin-poin Utama
- Isotop silikon diatom menunjukkan peningkatan ketersediaan asam silikat selama produktivitas Bølling-Allerød di Pasifik subarktik
- Indikator diatom menunjukkan peningkatan arus naik dan keterbatasan zat besi selama peristiwa produktivitas tinggi di Pasifik Subarktik
- Pencampuran vertikal selama Bølling-Allerød menjadikan wilayah Pasifik subarktik sebagai sumber CO2 atmosfer yang berkontribusi terhadap deglasiasi global.
Ringkasan Bahasa Sederhana
Pasifik subarktik mengalami periode produktivitas primer yang sangat tinggi dari 14,7 hingga 12,9 ribu tahun yang lalu. Pertumbuhan dan penguburan diatom, alga bersel tunggal dengan dinding sel opal, mengendapkan lapisan yang kaya akan opal dalam sedimen laut di seluruh wilayah, termasuk lokasi kami di Laut Bering bagian selatan. Untuk menentukan penyebab produktivitas ini, kami menganalisis opal diatom dan spesies diatom yang ada. Komposisi isotop silikon dari opal menunjukkan nutrisi permukaan lebih melimpah selama peristiwa produktivitas tinggi. Hal ini menunjukkan adanya hubungan yang meningkat antara air permukaan, tempat alga tumbuh, dan air dalam, yang kaya akan nutrisi. Spesies yang ada menunjukkan adanya pencampuran yang dalam setiap musim dingin yang diikuti oleh mekarnya musim semi yang besar, yang menunjukkan mode sirkulasi samudra yang berbeda dari samudra modern. Produksi musim panas mungkin dibatasi oleh laju pengiriman zat besi, mirip dengan samudra modern. Efek gabungan dari peningkatan pencampuran dan keterbatasan zat besi adalah bahwa, meskipun produktivitas tinggi yang menyerap sebagian karbon, peristiwa ini mewakili masa ketika Pasifik subarktik menjadi sumber karbon bersih bagi atmosfer. Karbon yang dilepaskan dari Pasifik subarktik terjadi selama interval kritis perubahan global yang mengakhiri zaman glasial terakhir.
1 Pendahuluan
Pembagian karbon antara lautan dan atmosfer dimediasi oleh kimia lautan, sirkulasi fisik, dan proses biologis. Produktivitas fitoplankton memengaruhi pertukaran CO 2 dengan menghilangkan karbon dari permukaan laut melalui pompa biologis, yang secara kuat menghubungkan siklus karbon dengan pasokan nutrisi termasuk nitrogen, asam silikat, dan zat besi (Buesseler, 1998 ). CO 2 atmosfer yang lebih rendah selama Maksimum Glasial Terakhir (LGM) secara umum dijelaskan oleh stratifikasi yang kuat di lautan dalam dan pemanfaatan nutrisi yang lebih lengkap di Samudra Selatan, yang dipaksa oleh angin dan pasokan zat besi (Ai et al., 2020 ; Martínez-García et al., 2014 ; Sigman et al., 2021 ; Toggweiler, 2009 ). Berakhirnya rezim glasial ini sebagian disebabkan oleh pelepasan CO 2 yang diserap laut ke atmosfer, yang berkontribusi terhadap pemanasan deglasial (Bauska et al., 2016 ). Perubahan di Samudra Selatan, satu-satunya wilayah di samudra modern tempat air abisal langsung berventilasi ke permukaan, dapat menjelaskan interval tertentu pelepasan CO 2 ke atmosfer (17,6–15,5 dan 13,0–11,5 ka), tetapi pelepasan CO 2 tambahan terjadi pada 14,8 dan 11,7 ka dari sumber laut yang tidak diketahui (Anderson et al., 2009 ; Bauska et al., 2016 ). Ada kemungkinan bahwa Pasifik Subarktik, termasuk laut marginalnya seperti Laut Bering, memainkan peran yang sama dengan Samudra Selatan selama peristiwa deglasial mendadak, melepaskan CO 2 laut yang tersekuestrasi melalui pertukaran vertikal yang ditingkatkan antara perairan dalam dan permukaan laut (Du et al., 2018 ; Galbraith et al., 2007 ).
Tiga peristiwa deglasial produktivitas tinggi, yang terjadi selama Bølling (14,6–14,2 ka), Allerød (13,9–12,9 ka), dan PreBoreal (11,7–10,3 ka), ditandai oleh pengendapan opal yang sinkron di seluruh Pasifik Subarktik (Kuehn et al., 2014 ). Peristiwa ini mungkin mirip dengan peristiwa pengendapan opal Samudra Selatan, yang ditafsirkan sebagai bukti arus naik air dalam dan peningkatan pelepasan CO2 laut ( Anderson et al., 2009 ; Horn et al., 2011 ; Toggweiler, 2009 ). Pelepasan CO2 laut dapat ditingkatkan dengan pencampuran angin musim dingin yang menghomogenkan kolom air bagian atas, singkapan air dalam tempat sejumlah besar karbon disimpan, dan laju pasokan CO2 total ( TCO2 ) yang mengungguli laju penarikan karbon oleh ekspor fitoplankton (yaitu, pompa biologis yang lemah). Ada kemungkinan mekanisme ini terjadi di Pasifik Subarktik selama deglasiasi: Angin Barat yang lebih kuat diduga terjadi selama kondisi batas glasial dan mungkin bertahan selama sebagian besar deglasiasi, menciptakan hisapan Ekman yang lebih kuat dan pencampuran angin musim dingin yang lebih dalam (Gray et al., 2018 ). Lebih jauh lagi, rekonstruksi isotop boron yang terikat foraminifera menunjukkan pH permukaan menurun di Pasifik Utara Subarktik (SNP) terbuka selama masa produktivitas tertinggi, yang menunjukkan pompa biologis regional lemah meskipun produktivitasnya tinggi (Gray et al., 2018 ).
Peristiwa produktivitas tinggi di SNP ini belum diterima secara luas untuk mewakili periode dengan pompa biologis yang lemah. Sebaliknya, berbagai penjelasan potensial untuk peningkatan produktivitas, termasuk pemupukan besi dan “stratifikasi sementara,” membingkai produktivitas Bølling-Allerød (BA) sebagai peristiwa sekuestrasi C, memanfaatkan nutrisi yang sudah ada sebelumnya yang kurang dimanfaatkan (Du et al., 2022 ; Lam et al., 2013 ; Praetorius et al., 2015 ). Ini mungkin karena pertukaran vertikal antara permukaan dan perairan dalam dapat dimoderasi oleh keberadaan es laut dan air perantara yang sangat terstratifikasi, yang memerlukan perubahan tambahan dalam sirkulasi fisik agar perairan dalam dapat muncul di permukaan (Gray et al., 2018 ; Max et al., 2014 ; Sarnthein et al., 2004 ). Pekerjaan baru-baru ini telah menemukan semakin banyak bukti untuk reorganisasi ekstrem dalam sirkulasi fisik, menyediakan mekanisme yang telah lama dicari untuk menjelaskan temuan-temuan yang membingungkan selama beberapa dekade, yang tidak dapat dipahami dari satu proksi tunggal di wilayah yang kompleks ini (Keigwin, 1998 ; Rafter et al., 2022 ; Walczak et al., 2020 ). Penggunaan isotop nitrogen untuk melacak pemanfaatan, misalnya, terhambat oleh pengaruh denitrifikasi kolom air di wilayah tersebut (Brunelle et al., 2007 ). Lebih jauh lagi, isotop nutrisi (Si, N) dapat menunjukkan perubahan pemanfaatan, tetapi tidak dapat membedakan antara keterbatasan nutrisi yang berasal dari geokimia air versus stratifikasi fisik kolom air, dan dengan demikian harus ditafsirkan bersama-sama dengan proksi untuk dinamika fisik.
Di sini, kami mengambil pendekatan baru untuk menentukan tingkat pertukaran vertikal yang terjadi di SNP dengan mengukur pasokan asam silikat ke permukaan laut di Situs IODP U1340 di Laut Bering (53°24′N, 179°31′W, 1.295 m, Gambar 1d ). Pasokan asam silikat dan TCO 2 ke permukaan laut terkait erat melalui konsentrasi vertikal mereka, yang muncul dari pompa biologis, yaitu penyerapan biologis di permukaan dan remineralisasi di kedalaman saat partikel biogenik tenggelam dan larut di perairan yang lebih dalam (Gambar 1 ). Sinyal ini diperkuat dalam TCO 2 di SNP, karena perairan dalam membawa produk respirasi yang terakumulasi dari sirkulasi pembalikan global. Sebaliknya, konsentrasi Si terutama mencerminkan ekspor Si dari kolom air di atasnya, karena opal cenderung tenggelam lebih cepat dan remineralisasi lebih dalam daripada karbon organik. Ini menciptakan hubungan nonlinier antara TCO 2 dan konsentrasi Si (Gambar 1 ), yang kemungkinan bervariasi seiring waktu. Namun, pada tingkat pertama, pasokan asam silikat ke fitoplankton permukaan mencerminkan tingkat pertukaran vertikal di wilayah tersebut dan bertindak sebagai pelacak untuk TCO 2 . Kami mengukur perubahan pasokan asam silikat dengan mengukur fluks opal biogenik dalam kombinasi dengan isotop Si dari Coscinodiscus frustules, genus diatom, yang merekam pemanfaatan relatif asam silikat (misalnya, Horn et al., 2011 ). Rekaman Coscinodiscus δ 30 Si yang baru kami buat menunjukkan bahwa BA dicirikan oleh ketersediaan Si yang tinggi meskipun penggunaan dan penguburan Si yang tinggi. Indikator diatom menunjukkan pergeseran yang bersamaan dari kolom air yang terstratifikasi ke dinamika arus naik musiman dan keterbatasan zat besi musim panas. Oleh karena itu, kami mengusulkan peristiwa produktivitas tinggi adalah interval pencampuran vertikal yang ditingkatkan dan pasokan makronutrien berlebih, dengan pompa biologis regional dibatasi oleh zat besi. Hal ini mendukung hipotesis bahwa peristiwa produktivitas deglasial merupakan manifestasi dari perubahan sirkulasi besar yang menyuntikkan air tua, kaya nutrisi, kaya CO2 ke permukaan Subarktik Pasifik dan melepaskan CO2 ke atmosfer (Galbraith et al., 2007 ; Gray et al., 2018 ).
2 Metode
Kami membuat model usia baru untuk U1340 (Teks S1 dalam Informasi Pendukung S1 ) menggunakan data radiokarbon yang diterbitkan sebelumnya dan keberadaan interval laminasi sinkron regional. Opal biogenik diukur di Laboratorium Paleoklimat Samudra Pasifik Survei Geologi AS dengan mengikuti prosedur yang dimodifikasi oleh Mortlock dan Froelich ( 1989 ), mencerna 7,5 mg sampel dalam natrium karbonat (Gambar S3 dalam Informasi Pendukung S1 ). Analisis Uranium-Thorium dilakukan melalui analisis pengenceran isotop di laboratorium Marcantonio di Universitas Texas A&M. 0,3–0,4 g sedimen dicampur dengan 229 Th dan 236 U, dicerna dengan asam, dipisahkan dan dimurnikan melalui kromatografi pertukaran anion seperti yang diuraikan dalam Loveley et al. ( 2017 ), dan diukur pada sektor magnetik Elemen XR ICPMS (Fleisher & Anderson, 2003 ). Slide diatom dibuat di Instituto Português do Mar e da Amosfera menggunakan metode pembersihan dan persiapan slide M2 yang dijelaskan dalam Abrantes et al. ( 2005 ), diolah dalam stoples kaca tanpa sentrifugasi. Spesies dihitung melalui identifikasi visual >300 spesimen jika memungkinkan pada 1.050x. Nilai isotop silikon diatom dihasilkan di Laboratorium Keck di Universitas California, Santa Cruz menggunakan metode berikut. Sampel yang dikeringkan beku dicuci pada saringan 63 μm untuk menghilangkan lempung dan dikeringkan dalam oven 55°C. Sampel kemudian dibersihkan dengan metode M2, tanpa langkah Calgon, dalam wadah non-kaca dan dikeringkan lagi dalam oven. Bahasa Indonesia: Untuk mengisolasi genus diatom tunggal, sampel diayak kering dan serpihan es, radiolaria, spikula, dan genus lain dikeluarkan dari bagian 63–125 μm dengan cara mengambil di bawah mikroskop dan dipastikan secara visual menjadi >99% spesimen Coscinodiscus . Spesies Coscinodiscus yang ada adalah >95% Coscinodiscus marginatus dengan sesekali Coscinodiscus oculus-iridis dan Coscinodiscus radiatus . Untuk melarutkan sampel, ≤0,002 g dipindahkan ke 100 μL NaOH 10 M dalam vial Teflon dengan tutup ulir dan direaksikan dalam bejana Parr pada suhu 200°C selama 3 hari. Sampel dipindahkan ke kolom pertukaran kation BioRad 50W X8 yang sebelumnya dibersihkan dengan HCl dan air Milli-Q (berdasarkan Georg et al. ( 2006 )), dan dielusi dalam air Milli-Q. Intensitas 28 Si, 29 Si, dan 30 Si diukur menggunakan bracketing sampel standar pada Neptune MC ICP-MS pada resolusi tinggi yang dilengkapi dengan nebulizer desolvasi Apex Omega. Semua nilai dilaporkan dibandingkan dengan NBS 28. Metode yang diperluas ada di Teks S2 dalam Informasi Pendukung S1 .
3 Kerangka Interpretatif: Indikator δ 30 Si dan Diatom
Diatom, alga bersel tunggal yang membangun frustula silika (opal), lebih suka menyerap 28 Si, memfraksinasi diatom δ 30 Si (δ 30 Si diatom ) dari air laut δ 30 Si (δ 30 Si sw ) dengan faktor fraksinasi ( ε ). Nilai δ 30 Si sw permukaan dengan demikian lebih tinggi daripada air bawah permukaan, tempat remineralisasi terjadi (Gambar 1a ) (Reynolds, 2009 ; Reynolds et al., 2006 ). Jika tanda awal asam silikat yang dipasok diketahui (δ 30 Si awal ), pemanfaatan dapat dihitung dari δ 30 Si diatom . Kami menggunakan model sistem terbuka karena Coscinodiscus adalah genus bunga musim gugur yang hidup di daerah yang dalam, dan pengamatan modern menunjukkan bunga musim gugur didorong oleh penyerapan nutriklin, yang menciptakan ketersediaan Si di luar fraksi Raleigh dekat permukaan musim panas (Giesbrecht et al., 2022 ; Reynolds et al., 2006 ), dan menggunakan ε tipikal −1.1‰ (de la Rocha et al., 1997 ) karena ε belum diukur dalam Coscinodiscus . Dalam model ini, fraksi asam silikat yang digunakan, disebut pemanfaatan ( f ), = 1 − ((δ 30 Si awal − δ 30 Si diatom )/ ε ) (misalnya, Farmer et al., 2021 dan referensi di dalamnya; Teks S4 dalam Informasi Pendukung S1 ). Pemanfaatan juga merupakan rasio antara penyerapan dan pasokan. Perubahan relatif dalam pasokan Si dapat diukur dengan membagi estimasi serapan (di sini, kami menggunakan fluks opal) dengan pemanfaatan (Horn et al., 2011 ). Nilai pemanfaatan dan serapan pertama-tama dinormalisasi ke nilai LGM masing-masing (19,4 ka), yang mendefinisikan pasokan LGM sebagai 1.
δ 30 Si awal modern belum diukur di lokasi kami, tetapi perairan merupakan campuran antara Air Musim Dingin Paparan Bering (δ 30 Si 1,94–2,12‰, Giesbrecht et al., 2022 ) dan perairan SNP (δ 30 Si 1,16–1,23‰, Reynolds et al., 2006 ). Hal ini konsisten dengan nilai Pasifik Utara sebesar 1,70‰ dari model global (Pichevin et al., 2020 ), yang memperkirakan δ 30 Si awal yang lebih tinggi sebesar 1,87‰ selama LGM. Dengan asumsi δ 30 Si awal konstan sebesar 1,70‰, catatan kami menunjukkan pasokan Si mencapai puncaknya pada akhir Bølling pada ∼11,5x LGM, dengan pasokan Holosen ∼4x LGM ( garis cyan , Gambar 2e ). Namun, lebih mungkin bahwa δ 30 Si awal bervariasi seiring waktu karena asam silikat bersumber dari sumber yang berbeda. Untuk menguji ketahanan catatan pasokan, kami menghitung 1.000 iterasi pemanfaatan Si menggunakan δ 30 Si awal yang dipilih secara acak dari berbagai nilai δ 30 Si deglasial (1,16–2,04‰) dari Teluk Alaska (Maier et al., 2015 ) (kisaran total, interval persentil 90%, dan 95% dalam warna abu-abu, Gambar 2e ).
Beberapa kelompok diatom mengindikasikan kondisi lingkungan di wilayah ini (Teks S5 dalam Informasi Pendukung S1 ). Kami baru-baru ini menginterpretasikan Neodenticula seminae menjadi indikator kondisi terbatas zat besi, klorofil rendah nutrisi tinggi (HNLC) dengan pemupukan zat besi episodik, karena kelimpahannya di perairan rendah zat besi dan kemampuan untuk dengan cepat memanfaatkan peristiwa pemupukan zat besi singkat (Marchetti et al., 2006 ; Yoshida et al., 2020 , 2023 ). Kelimpahan N. seminae di lokasi kami secara kasar sesuai dengan rasio sedimen massal Si:N, proksi lain untuk keterbatasan zat besi; komunitas terbatas zat besi memiliki rasio Si:N yang tinggi kemungkinan karena frustula yang tersilifikasi tebal menghalangi predasi sambil menunggu peristiwa pengendapan zat besi yang tidak dapat diprediksi (Gambar S4 dan Teks S5.1 dalam Informasi Pendukung S1 , Assmy et al., 2013 ; Pichevin et al., 2014 ). Kumpulan dekat inti atas (5–8 ka) adalah ∼50% N. seminae , yang secara akurat mewakili kondisi HNLC modern di mana ia mendominasi produksi musim panas (Onodera & Takahashi, 2009 ; Sancetta & Robinson, 1983 ) (Gambar 3a ).
Indikator stratifikasi meliputi flora Klorofil Maksimum Dalam (DCM; spesies Rhizosolenia , Thalassiothrix , dan Coscinodiscus ), yang memiliki keunggulan kompetitif dalam sistem yang sangat terstratifikasi nutrisinya dan mengindikasikan nutriklin akhir musim (Worne et al., 2021 ). Flora DCM mencakup sekitar 20% dari kumpulan dekat inti atas, yang mencerminkan mekarnya musim gugur modern. Stratifikasi musim semi diindikasikan oleh spesies Actinocyclus , terutama Actinocyclus curvatulus , yang tumbuh di lapisan permukaan yang tipis, stabil, dan rendah nutrisi, khususnya yang disebabkan oleh pencairan es distal (Gambar 3b , Worne et al., 2021 ).
Chaetoceros spp, yang utamanya berupa spora yang sedang beristirahat, mengindikasikan adanya peristiwa naiknya suhu; genus ini “berkembang dan punah” selama kondisi nutrisi yang tinggi (termasuk kondisi zat besi yang tinggi) seperti mekarnya suhu musim semi atau naiknya suhu di tepi es laut (Abrantes, 1988 ; Flynn et al., 2023 ; Tréguer et al., 2018 ).
Akhirnya, beberapa diatom mengindikasikan dinamika es laut: Thalassiosira antarctica mengindikasikan es laut tebal (Caissie et al., 2010 ). Kelompok lain yang menjadi karakteristik mekarnya tepian es laut selama pencairan es musim semi ( Thalassiosira gravida , Thalassiosira hyalina , Thalassiosira nordenskioeldii , Stellarima , Odontella ) (Andersen et al., 2004 ; Barron et al., 2009 ; Stroynowski et al., 2017 ). Fragilariopsis cylindrus tumbuh pada suhu permukaan 0°C, termasuk pencairan es dan polynyas (von Quillfeldt, 2004 ); jika hadir pada ∼15% dari komposisi spesies, seperti pada 14,8 ka, itu mengindikasikan 1–4 bulan es laut per tahun (Caissie et al., 2010 ).
4 Pasokan Nutrisi pada Deglasiasi
Selama LGM dan deglasiasi awal, kami menemukan produktivitas opal rendah dan pasokan Si rendah (Gambar 2 ), dan kumpulan diatom menunjukkan stratifikasi musim semi dan musim gugur, yang menunjukkan lapisan permukaan nutrisi rendah yang menjadi ciri sebagian besar musim tanam (Gambar 3 ). Temuan-temuan ini konsisten dengan dinamika regional yang mapan: selama LGM, perairan Pasifik dalam (>2.000 m) diisolasi dari perairan perantara di atasnya (Rafter et al. ( 2022 ) dan referensi di dalamnya), yang di SNP diisi dengan “Glasier” North Pacific Intermediate Water (GNPIW) yang diperluas yang kemungkinan terbentuk di Laut Bering (Kender et al., 2018 ; Knudson & Ravelo, 2015 ; Max et al., 2014 ; Okazaki et al., 2010 ; You, 2003 ). Arus naik di dekat situs kami akan memanfaatkan GNPIW yang baru terbentuk, yang, karena baru-baru ini menjadi air permukaan, akan rendah nutrisi (Kender et al., 2019 ). Daerah pesisir dan laut marginal juga tertutup secara musiman oleh es laut, yang menghambat pencampuran musim dingin (Detlef et al., 2020 ; Takahashi et al., 2009 ), dan stratifikasi di SNP terbuka ditingkatkan, yang mungkin menyebabkan keterbatasan nitrogen (Ren et al., 2015 ). Ketersediaan cahaya rendah dari lapisan es laut, insolasi insiden rendah, atau pencampuran angin di bawah kedalaman kritis mungkin semakin membatasi produktivitas. Bagaimanapun, isolasi perairan dalam, keberadaan GNPIW, dan es laut yang luas menjelaskan pasokan Si yang rendah di LGM (Gambar 4 ).
Bahasa Indonesia: Selama deglasiasi awal dari 14,8 hingga 19,4 ka, catatan δ 30 Si Coscinodiscus kami menunjukkan perubahan besar dalam pemanfaatan (atau δ 30 Si awal ) terjadi, mungkin terkait dengan perubahan regional pada sirkulasi permukaan dan menengah yang terkait dengan luas es laut, Peristiwa Siku 1, atau peristiwa banjir lainnya (Praetorius et al., 2020 ; Walczak et al., 2020 ). Perubahan pemanfaatan ini tampaknya memiliki sedikit efek pada produktivitas opal (Gambar 2 ), yang menunjukkan silika bukanlah faktor pembatas utama. Pengiriman besi dari debu lebih tinggi selama LGM dan sebagian besar deglasiasi (Lam et al., 2013 ; Serno et al., 2015 ), yang mungkin telah menurunkan pemanfaatan Si:N, mungkin menghindari keterbatasan silika dengan lebih kuat mengurangi pasokan N. Sirkulasi glasial yang dijelaskan di atas akan melucuti silika dan nitrogen dari air permukaan dan menengah; ini akan membuat δ 30 Si permukaan regional lebih tinggi pada awal LGM (Pichevin et al., 2020 ). Dalam catatan kami, nilai δ 30 Si Coscinodiscus pada 19,4 ka adalah 1,60‰; lebih tinggi dari nilai Holosen tetapi lebih rendah dari nilai deglasial tertinggi (di sini, 1,86‰ pada ∼17,2 ka; di Teluk Alaska, 2,0‰ pada ∼16 ka, Maier et al., 2015 , Gambar S2 dalam Informasi Pendukung S1 ). Nilai δ 30 Si Coscinodiscus singular yang tinggi ini mungkin terkait dengan pemanfaatan asam silikat yang lebih tinggi dari peristiwa stratifikasi singkat (Maier et al., 2018 ).
Indikator es laut diatom meningkat selama Heinrich Stadial 1 (HS1, 17,5–14,8 ka), (Gambar 3d ), sesuai dengan investigasi terperinci lebih jauh di utara Laut Bering yang menemukan pertumbuhan es laut selama HS1 diikuti oleh mundurnya es laut dengan cepat pada transisi ke BA (Detlef et al., 2020 ). Luas es laut pada garis lintang ini merespons intensitas badai musim dingin: pertumbuhan es disukai ketika Aleutian Low lemah atau bergeser ke selatan Laut Bering, yang mungkin terjadi selama HS1 karena pergeseran atmosfer global (misalnya, perpindahan Zona Konvergensi Intertropis atau melemahnya Monsun Asia Timur, Maier et al., 2018 ). Mundurnya es laut dikaitkan dengan percampuran angin musim dingin yang kuat secara lokal di Laut Bering, yang mengikis stratifikasi dekat permukaan dan mencegah pembentukan es laut (Detlef et al., 2020 ).
Fluks opal meningkat delapan kali lipat pada permulaan Bølling (14,8 ka), sementara hanya terjadi perubahan sedang pada δ 30 Si Coscinodiscus (0,28 ± 0,14‰), yang menunjukkan alasan utama peningkatan produktivitas bukanlah peningkatan pemanfaatan tetapi peningkatan pasokan (ditunjukkan oleh peningkatan langkah besar dalam Pasokan Si yang dihitung, Gambar 2d ). Peningkatan pasokan Si dapat dipasok oleh pencampuran vertikal yang didorong angin seperti hisapan Ekman yang disebabkan oleh ikal dan intensitas angin musim dingin (Gray et al., 2020 ). Kelimpahan Chaetoceros menunjukkan peningkatan arus naik terutama pada permulaan interval laminasi (Gambar 3c ) (Abrantes, 1988 ). Diatom es laut beralih dari indikator es tebal ke indikator es marginal, yang menunjukkan pencairan musim semi lebih awal (Worne et al., 2021 ), dan hilangnya Actinocyclus menunjukkan kurangnya lapisan air lelehan yang stabil, keduanya konsisten dengan pencampuran angin yang lebih kuat di awal musim semi (Gambar 3 ). Pencampuran angin musim dingin dan hisapan Ekman secara sinergis akan meningkatkan pasokan nutrisi ke permukaan Pasifik subarktik. Namun, mekanisme ini mungkin tidak cukup untuk meningkatkan pasokan Si jika GNPIW nutrisi rendah adalah satu-satunya sumber. Bersamaan dengan itu, pembentukan GNPIW ditangguhkan selama BA, terkait dengan penghentian pembentukan es laut; dengan tidak adanya GNPIW, air dalam Pasifik yang menua menjadi dangkal untuk mengisi kedalaman menengah (Detlef et al., 2020 ; Gray et al., 2018 ; Max et al., 2014 ). δ 13 C karbon anorganik terlarut (DIC) bentik (δ 13 C DIC ) di U1340 (1.295 m), diukur di Uvigerina peregrina dan dikalibrasi ke nilai DIC kolom air (Cook et al., 2016 ; Schlung et al., 2013 ), menunjukkan transisi ini (Gambar 2f ). δ 13 C DIC menurun ke nilai terendahnya di awal Bølling (−1,17‰) yang menunjukkan peningkatan keberadaan perairan yang sudah tua. Ini adalah bukti bahwa perairan dalam (>2.000 m sebelum BA) mengerut di atas 1.295 m. Saat perairan dalam yang sudah tua mengerut, pencampuran vertikal yang didorong oleh angin dapat memanfaatkan sumber nutrisi baru dan memperkenalkannya ke komunitas permukaan, yang memicu produktivitas tinggi BA.
Namun, tidak jelas apakah pertukaran vertikal antara Perairan Pasifik Dalam dan permukaan terjadi terus-menerus di seluruh BA atau apakah pembalikan kolom air mungkin telah terjadi sebagai peristiwa pemicu singkat. Peningkatan bertahap dalam pasokan Si dan peningkatan kelimpahan relatif indikator upwelling berulang pada awal Bølling, Allerød, dan PreBoreal, yang menunjukkan pemicu pemicu terjadi kembali setiap saat (Gambar 1 dan 2 ). Catatan pasokan Si menunjukkan kelimpahan tinggi terus-menerus Si terlarut di seluruh BA (12,9–14,7 ka), dengan puncak akhir Bølling didorong oleh Coscinodiscus δ 30 Si yang rendah selama produktivitas tertinggi (Gambar 2c ). Ini menunjukkan pasokan Si yang tinggi dari singkapan air dalam yang terus-menerus, kelebihan Si dari keterbatasan besi (kondisi HNLC), nilai awal δ 30 Si yang rendah yang sebagian mengaburkan sinyal penggunaan, atau kombinasi dari ketiganya.
Silika remineralisasi dari perairan tua akan membawa tanda awal δ 30 Si yang rendah , sementara adveksi lateral dari perairan subtropis akan membawa tanda awal δ 30 Si yang lebih tinggi (Pichevin et al., 2020 ; Reynolds, 2009 ). Menggabungkan ketidakpastian besar dalam nilai awal δ 30 Si memperluas kemungkinan nilai pasokan Si, yang ditunjukkan oleh bayangan abu-abu pada Gambar 2e . Semua skenario menunjukkan kelebihan Si yang kurang dimanfaatkan, dan puncak pasokan akhir-Bølling tetap menjadi fitur yang kuat, berkisar antara 3,5 hingga 36 kali nilai LGM. Ekstrem maksimum (36x LGM) dibuat oleh kombinasi input yang tidak mungkin: pemanfaatan lengkap pada LGM dipasangkan dengan pergeseran ke tanda awal δ 30 Si yang lebih tinggi selama BA. Minimum ekstrem (3,5x LGM) mewakili skenario dengan δ 30 Si awal yang lebih berat daripada modern dan pemanfaatan yang tidak lengkap di LGM yang dipasangkan dengan pergeseran ke δ 30 Si awal yang lebih rendah dan pemanfaatan yang lebih lengkap selama BA. Atau, pasokan Si yang tinggi dengan δ 30 Si awal yang rendah mungkin sebagian bersumber dari masukan terestrial (sungai). Limpasan glasial dapat memiliki tanda tangan δ 30 Si yang rendah (−0,25, vs. 1,25‰ di sungai nonglasial) (Hawkings et al., 2018 ) dan peristiwa air lelehan yang cepat mungkin telah meningkatkan masukan Si sungai. Catatan yang berasal dari δ 30 Si tidak dapat membedakan antara pasokan Si dari arus naik versus masukan sungai dan oleh karena itu kami mengandalkan indikator diatom dan isotop karbon untuk menggambarkan tatanan oseanografi fisik.
Selama BA, sirkulasi Pasifik subarktik mirip dengan sirkulasi modern tetapi dengan angin yang lebih kencang (Gray et al., 2018 ), kurangnya haloklin internal dari Bering Shelf Winter Water, GNPIW, atau NPIW (Detlef et al., 2020 ; Sarnthein et al., 2004 ), dan permukaan laut yang lebih asin (Du et al., 2018 ); hal ini mengakibatkan pertukaran vertikal yang lebih baik (Gambar 4 ) dan singkapan air dalam yang masuk akal di musim dingin. Di lokasi kami, Chaetoceros dan N . seminae keduanya melimpah (Gambar 3 ), yang menunjukkan pasokan makronutrien mendukung suksesi banyak spesies sepanjang musim tanam (Caissie et al., 2010 ). Mekar musim semi yang besar menunjukkan dinamika musiman dengan nutrisi musim semi yang melimpah dan penggembalaan musim semi yang ditekan, yang menyiratkan pencampuran musim dingin yang meluas (Flynn et al., 2023 ; Sverdrup, 1953 ). Pencampuran dalam di wilayah yang luas juga ditunjukkan oleh offset 14 C bentik-plankton, yang menurun dari >1.000 hingga <400 tahun di lokasi kami dan di SNP selama deglasiasi (Gebhardt et al., 2008 ; Schlung et al., 2013 , Tabel S2 dalam Informasi Pendukung S1 ). Catatan 14 C Teluk Alaska juga menunjukkan ventilasi kuat pada kedalaman menengah selama BA; namun, itu bukan lokasi singkapan air dalam langsung karena permukaannya tetap terstratifikasi (Praetorius et al., 2020 ). Di lokasi kami, δ 13 C DIC tampaknya menangkap ventilasi langsung, dengan nilai mendekati-0‰ pada 14,1 ka yang menyiratkan air sedalam 1.295 m baru-baru ini bersumber dari air permukaan (Gambar 2f , Schlung et al., 2013 ). Meskipun pengamatan ini hanya berdasarkan beberapa titik data yang mungkin dipengaruhi oleh perilaku atau dampak vital U. peregrina , waktu ini sesuai dengan “perubahan” sirkulasi yang tercatat pada suhu 14 C dan δ 13 C di seluruh Pasifik (Rafter et al., 2022 ).
N. seminae yang dominan dan Si:N sedimen massal yang tinggi menunjukkan bahwa keterbatasan besi terjadi di lokasi kami sepanjang BA dan Pra-Boreal awal. Meskipun pasokan besi lebih tinggi daripada kondisi modern karena pengiriman debu yang meningkat dan kemungkinan besi terlarut dari paparan benua yang banjir (Davies et al., 2011 ; Lam et al., 2013 ; Serno et al., 2015 ), laju pasokan besi tidak mengimbangi peningkatan yang lebih besar dalam pasokan makronutrien (Maier et al., 2015 ). Kami mengusulkan pengenalan makronutrien baru sebagai gantinya memicu produktivitas tinggi dan mengintensifkan keterbatasan besi, yang menyebabkan penggunaan Si yang tinggi dan penguburan relatif terhadap karbon organik (Assmy et al., 2013 ), yang menjelaskan peristiwa pengendapan opal di seluruh Pasifik Subarktik. Keterbatasan besi yang mengekang efisiensi pompa biologis juga menjelaskan catatan pCO2 di dekatnya yang menunjukkan kelebihan CO2 di dekat permukaan selama produktivitas tertinggi (Gambar 2a , Gray et al., 2018 ). Jika pasokan Si yang tinggi dalam BA dan PraBoreal awal terutama mencerminkan rezim HNLC, maka contoh signifikan dari pembalikan air dalam dan pelepasan gas CO 2 mungkin hanya terjadi sebentar pada awal interval tersebut. Ini sesuai dengan dua selingan kenaikan CO 2 atmosfer yang cepat yang tercatat di es Antartika (Marcott et al., 2014 ). Sementara perubahan Samudra Selatan menjelaskan interval besar kenaikan CO 2 selama HS1 dan Younger Dryas, selingan singkat tetapi signifikan pada 14,8 dan 11,7 ka menunjukkan tanda tangan δ 13 C yang lebih tinggi daripada peristiwa Samudra Selatan (Anderson et al., 2009 ; Bauska et al., 2016 ). Tanda-tanda ini dapat dijelaskan oleh pertumbuhan fitoplankton yang cepat di lokasi pelepasan gas laut, bersamaan dengan penyerapan cepat 12 C oleh tanaman darat di Belahan Bumi Utara (Yu et al., 2010 ), sesuai dengan produktivitas BA dan PraBoreal di Pasifik Subarktik.
5 Kesimpulan
Singkatnya, kami menyarankan peristiwa deglasial produktivitas tinggi di Pasifik Subarktik disebabkan oleh pasokan makronutrien yang melampaui pasokan zat besi. Hal ini dipicu oleh mode sirkulasi Pasifik yang unik di mana pasokan ulang nutrisi tahunan yang didorong oleh pencampuran musim dingin yang didorong angin memanfaatkan perairan yang sebelumnya dalam dan telah lama tersekstrasi. Pemicu untuk mode operasional ini mungkin adalah penyegaran permukaan yang menghentikan pembentukan air perantara dan mendukung pencampuran internal (Walczak et al., 2020 ), perubahan atmosfer yang ditunjukkan oleh lapisan es (Detlef et al., 2020 ), atau perubahan besar di lautan global (Rafter et al., 2022 ). Arus naik air dalam yang sudah tua memperkenalkan silika dan nutrisi lainnya ke permukaan air, yang memicu produktivitas dan melepaskan CO 2 lama yang telah lama tersekstrasi ke atmosfer. Interval singkat pelepasan CO 2 dapat menjelaskan kenaikan tajam CO 2 atmosfer pada 14,8 dan 11,7 ka. Sumber CO 2 ke atmosfer global selama BA ini mendorong deglasiasi ke depan, karena berkontribusi terhadap pemanasan Belahan Bumi Utara dan akumulasi CO 2 atmosfer yang berkelanjutan selama interval ketika Samudra Selatan menjadi penyerap karbon bersih selama Pembalikan Dingin Antartika. Kami menyimpulkan CO 2 dari Pasifik Subarktik memainkan peran penting dalam deglasiasi dan harus dianggap sebagai sumber untuk peristiwa iklim global serupa lainnya.
