韓正兵,孫維萍,范高晶,扈傳昱,潘建明*,趙 軍,張海峰,李 棟,張海生

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南極普里茲灣夏季冰間湖沉降通量

韓正兵1,2,3,孫維萍2,3,范高晶1,2,3,扈傳昱2,3,潘建明2,3*,趙 軍2,3,張海峰2,3,李 棟2,3,張海生1,2,3

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)海洋學(xué)院,湖北 武漢 430074；2.國(guó)家海洋局,海洋生態(tài)系統(tǒng)與生物地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310012；3.國(guó)家海洋局第二海洋研究所,浙江 杭州 310012)

為研究南大洋的生物泵,利用2009~2010年和2014~2015年中國(guó)第26、31次中國(guó)南極科學(xué)考察期間于普里茲灣冰間湖布放的時(shí)間序列沉積物捕獲器,獲取了夏季沉降顆粒物通量并分析了其組成成分.結(jié)果表明: 2009~2010年和2014~2015年南極夏季普里茲灣顆粒有機(jī)碳平均通量分別為4088.13,508.99μmol/(m2·d),生物硅則分別為7358.91,2034.63μmol/(m2·d),其中生物蛋白石占夏季顆粒物通量均超過(guò)70%,表明硅藻是普里茲灣夏季的優(yōu)勢(shì)種和沉降通量的主要貢獻(xiàn)者.2014~2015年有機(jī)碳沉降通量?jī)H為2009~2010年12.5%,主要是由于缺少壓艙物無(wú)法使上層有機(jī)質(zhì)發(fā)生快速沉降,造成異養(yǎng)微生物對(duì)上層水柱中有機(jī)質(zhì)降解程度更高,進(jìn)一步影響有機(jī)碳的沉降效率.與非硅藻優(yōu)勢(shì)種的海域相比,夏季普里茲灣具有非常高的沉降通量和沉降效率,利用Martin曲線估算夏季普里茲灣的100m深度沉降通量平均為凈初級(jí)生產(chǎn)力的8.67%,主要?dú)w因于硅藻的高沉降效率.為了預(yù)測(cè)南極海域生物泵的變化,需要重點(diǎn)關(guān)注南大洋浮游植物群落結(jié)構(gòu)的組成與變化.

沉降通量；冰間湖；普里茲灣；生物泵

生物泵是碳從上層海洋向海洋中深層輸送的重要方式,主要是通過(guò)浮游植物光合作用固定大氣中的CO2并合成有機(jī)質(zhì),經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的生物化學(xué)作用和物理過(guò)程,最終向海洋深處輸送的一個(gè)過(guò)程[1-2].極地海域是全球變化最敏感的區(qū)域之一[3],在全球變暖的背景下發(fā)生著顯著的環(huán)境變化,如海冰覆蓋減少、表層海水淡化、生物泵作用增強(qiáng)等.研究表明,南大洋生物泵效率比大多數(shù)中、低緯度海域高,這意味著南極海域具有活躍的碳循環(huán)過(guò)程[1].在海冰快速變化的條件下,生物泵在南大洋生態(tài)系統(tǒng)中的作用,南大洋生物泵的運(yùn)轉(zhuǎn)和效率受到的影響,在國(guó)際上引起了廣泛的關(guān)注[4-5].

羅斯海、威德?tīng)柡：推绽锲潪车饶蠘O邊緣海,是南大洋初級(jí)生產(chǎn)的關(guān)鍵海域,在南極夏季海冰融化、上升流等過(guò)程的影響下,其浮游植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生快速的演替[6-7],因而是研究南大洋生物泵變化趨勢(shì)和機(jī)制的理想海域.相較于羅斯海[5,8-11]、威德?tīng)柡?含南極半島海域)[12-16]、阿蒙森海[4,17]等南極邊緣海已有的大量研究,位于南大洋印度洋扇區(qū)的普里茲灣觀測(cè)相對(duì)偏少,僅有Pilskaln等[18]對(duì)普里茲灣北部深海區(qū)(~62°S)沉降通量進(jìn)行的研究.

普里茲灣是東南極的最大海灣,是僅次于羅斯海和威德?tīng)柡５哪蠘O第3大邊緣海,包括東南極初級(jí)生產(chǎn)力最高的冰間湖區(qū)域,其年均初級(jí)生產(chǎn)力可達(dá)103.9g C/m2,此區(qū)域的高生產(chǎn)力為東南極最大的阿德雷企鵝棲息地提供了關(guān)鍵的食物基礎(chǔ)[19].上層海洋浮游植物通過(guò)光合作用所合成的大量有機(jī)質(zhì),一部分通過(guò)食物鏈的傳遞滿足高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的物質(zhì)需求,另一部分則通過(guò)沉降至海洋深處以降低大氣中CO2,因此,深入研究普里茲灣沉降通量變化與生物泵過(guò)程具有重要意義.

本研究利用2009~2010年、2014~2015年夏季中國(guó)第26、31次中國(guó)南極科學(xué)考察期間于普里茲灣冰間湖獲取的沉積物捕獲器樣品,通過(guò)對(duì)顆粒物中各生物地球化學(xué)要素沉降通量的測(cè)定,分析夏季沉降顆粒物通量及其組成成分,了解其年際變動(dòng),并與南極其他邊緣海沉降通量進(jìn)行對(duì)比,以期為南大洋生物泵過(guò)程以及對(duì)全球碳循環(huán)研究提供新的認(rèn)識(shí).

1 材料與方法

1.1 沉積物捕獲器的布放和樣品獲取

沉積物捕獲器是研究沉降通量時(shí)間序列的重要手段[2],本文利用2009~2010年和2014~2015年南極夏季期間,在普里茲灣冰間湖區(qū)域布放沉積物捕獲器(PARFLUX Mark78H-21型,McLane, Inc., USA),獲取普里茲灣夏季時(shí)間序列的沉降顆粒物樣品.2009~2010年和2014~2015年沉積物捕獲器布放站位分別為M26(75.53°E,68.52°S,站位水深650m,沉積物捕獲器深度為480m)和M31(75.38°E,68.49°S,站位水深620m,沉積物捕獲器深度為390m)(圖1),沉積物捕獲器的捕獲面積為0.5m2,樣品瓶體積為500mL,在樣品瓶中注滿預(yù)先原位過(guò)濾的海水,沉積物捕獲器中加入氯化汞溶液達(dá)到飽和濃度(1.67%,g/g),以防止有機(jī)質(zhì)由于微生物活動(dòng)而發(fā)生降解,采樣時(shí)間、周期等詳細(xì)信息見(jiàn)表1.

圖1 2009~2010年和2014~2015南極夏季普里茲灣潛標(biāo)布放站位

黑色等值線為水深等值線.填充色為2009年12月7日海冰密集度(SIC)分布,數(shù)據(jù)來(lái)自于德國(guó)不萊梅大學(xué)的Polar View of Bremen數(shù)據(jù)庫(kù).陰影部分表示普里茲灣順時(shí)針環(huán)流(Prydz Gyre)

1.2 分析方法

收集樣品后,立即于4℃進(jìn)行冷藏保存.通過(guò)篩絹(孔徑為1mm)以去除浮游動(dòng)物,然后將小于1mm的樣品采用旋轉(zhuǎn)分樣器(WSD-10,McLane, Inc., USA)均勻的分為10份.其中一份采用稱量法獲得總物質(zhì)通量(TMF),樣品通過(guò)預(yù)先已稱量的聚碳酸酯膜(Millipore,孔徑為0.4μm),用去離子水洗去鹽分,在45℃干燥后稱重,利用差減法計(jì)算出單份的物質(zhì)重量,通過(guò)以下公式計(jì)算:

式中:Weight為單份沉降顆粒物的質(zhì)量;Area為沉積物捕獲器的捕獲面積,0.5m2;Time為每份樣品的采樣天數(shù).

顆粒有機(jī)碳(POC)和顆粒有機(jī)氮(PON)的分析:利用0.7μm孔徑的玻璃纖維膜(預(yù)先用450℃灼燒5h)過(guò)濾所獲取的樣品,然后用盛有濃鹽酸的干燥器進(jìn)行酸熏處理12h,再使用超純水洗去膜上的酸,并在45℃干燥,最后利用元素分析儀(vario MICRO cube,Elementar,German)進(jìn)行分析[20].總碳則將樣品過(guò)濾至0.7μm孔徑的玻璃纖維膜(預(yù)先用450℃灼燒5h),直接45℃烘干并使用元素分析儀進(jìn)行測(cè)定.顆粒無(wú)機(jī)碳(PIC)通過(guò)總碳和顆粒有機(jī)碳的差值法計(jì)算得出.

生物硅(BSi)的分析:采用碳酸鈉提取的方法進(jìn)行測(cè)定[21],利用H2O2和HCl對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理分別去除有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽,然后用2mol/L的Na2CO3溶液在85℃恒溫水浴中加熱提取,提取時(shí)間為5h.提取液中硅酸鹽含量采用硅鉬黃法,于波長(zhǎng)380nm處采用分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定.并根據(jù)生物硅的含量乘以總物質(zhì)通量計(jì)算其通量.蛋白石(Opal)的計(jì)算采用SiO2·0.4H2O表達(dá)[17-18].

鋁(Al)、鐵(Fe)和鈦(Ti)的分析方法是依據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署規(guī)范方法USEPA Method 3052[22],樣品用3mL HF和7mL HNO3的混合酸經(jīng)密閉微波消解系統(tǒng)(CEM Mars,USA)消解后,采用ICP-MS(Angilent 7000,USA)進(jìn)行分析測(cè)定,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于8.9%[23].

δ13C利用酸熏處理后的GF/F膜樣(處理方法同POC),使用穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀(Thermo Delta V advantage,German)分析,標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)維也納PeeDee箭石(VPDB),為確保儀分析過(guò)程中的穩(wěn)定性,每10個(gè)樣品加入1個(gè)IAEA- CH3標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(δ13C=-24.724‰)進(jìn)行單點(diǎn)校正, IAEA-CH3標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測(cè)定相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差<0.2‰.δ13C的計(jì)算公式為:

1.3 遙感葉綠素

遙感葉綠素濃度來(lái)自Aqua-MODIS產(chǎn)品,其空間分辨率為4km,時(shí)間分辨率為8d,選取以觀測(cè)站位為中心的60km×60km范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行討論分析.本文使用的遙感數(shù)據(jù)均已進(jìn)行均值計(jì)算.

2 結(jié)果與討論

2.1 觀測(cè)站位的環(huán)境特征

圖2 2010年2月24日(左)和2015年2月12日(右)潛標(biāo)站位溫度、鹽度垂直剖面

由于受到船時(shí)、冰情等條件的限制,不同航次僅對(duì)潛標(biāo)站位進(jìn)行了一次觀測(cè)溫鹽剖面觀測(cè).2010年2月24日和2015年2月12日所觀測(cè)到的溫鹽垂直剖面變化如圖2.兩年所觀測(cè)的上層海水中溫度、鹽度具有夏季表層水(溫度大于-1.8℃且小于2.1℃;鹽度大于30.6且小于34.2)[24]的特征,主要受控于海冰消融和夏季太陽(yáng)輻射的增強(qiáng).隨著深度的增加,溫度躍層和鹽度躍層同時(shí)出現(xiàn),水團(tuán)逐漸變?yōu)槎舅?溫度大于-1.9℃且小于-1.5℃;鹽度大于34.3且小于34.5)[24],屬于典型的普里茲灣陸架水柱溫鹽剖面.海洋上層鹽度的變化趨勢(shì)主要反映了海冰消融程度的差異, 2015年2月12日觀測(cè)到上層鹽度較低主要是由于海冰消融造成的.

圖3 2009~2010年和2014~2015年南極夏季普里茲灣各生源組分沉降通量時(shí)間序列

2.2 顆粒物沉降通量及組成

由圖3和表1可見(jiàn),2009~2010年和2014~ 2015年南極夏季普里茲灣TMF分別為672.61, 158.39mg/(m2·d),2014~2015年僅為2009~2010年的23.5%.兩年的變化趨勢(shì)也有所不同,2009~ 2010年夏季初較低,隨著時(shí)間的推移,呈逐漸增高的趨勢(shì),并于次年2月份達(dá)到最高. 2014~2015年夏季初趨勢(shì)同2009~2010年相似,但在次年1月和2月并未呈現(xiàn)明顯的升高趨勢(shì).

POC是上層浮游植物初級(jí)生產(chǎn)的重要指標(biāo),其通量變化反映了有機(jī)質(zhì)從水柱上層向下的輸出變動(dòng). 2009~2010年和2014~2015年P(guān)OC夏季通量均值為4088.13、508.99μmol/(m2·d)(表1), 2014~2015年僅為夏季POC通量?jī)H為2009~2010年夏季的12.5%.整體的變化趨勢(shì)與各年份的TMF的趨勢(shì)相似(圖3),2009~2010、2014~2015年的POC通量分別占夏季顆粒物總通量的7.3%和3.9%(圖4,圖5),約為普里茲灣灣外POC所占比重的1~2倍[18],反應(yīng)了普里茲灣的高生產(chǎn)力特征.PON的變化趨勢(shì)與POC完全一致,兩年夏季通量分別為486.44、85.01μmol/(m2·d).

BSi是南極邊緣海最重要的生源要素[2],是硅藻初級(jí)生產(chǎn)的重要指標(biāo).2009~2010年和2014~ 2015年夏季通量分別為7358.91、2034.63μmol/ (m2·d)(表1),折算為生物蛋白石(以SiO2·0.4H2O表達(dá)),占TMF的73.5%和86.3%,與灣外1000m深度的貢獻(xiàn)相近(超過(guò)70%)[18],是沉降通量的主要貢獻(xiàn)者(圖4,圖5).兩年夏季的POC和BSi通量具有顯著的正相關(guān)(2=0.896,<0.01),表明硅藻是普里茲灣夏季的主要初級(jí)生產(chǎn)者,與之前水柱中浮游植物[25-27]和沉積物[28]中的報(bào)道相符.

2009~2010年和2014~2015年P(guān)IC的夏季通量為179.04、65.52μmol/(m2·d)(表1),其平均通量為POC的4.4%和12.9%.以碳酸鈣計(jì),分別占TMF的2.7%和4.1%(圖4,圖5).2010年1月中旬和2月中旬出現(xiàn)高值(圖3),這部分的貢獻(xiàn)可能是來(lái)源于翼足類的文石碳酸鹽殼體和浮游有孔蟲(chóng)等方解石碳酸鹽殼體[2,8,18,29],灣外的浮游有孔蟲(chóng)所貢獻(xiàn)的碳酸鹽通量峰值也出現(xiàn)在1月中下旬[18],與灣內(nèi)冰間湖的PIC通量峰值呈現(xiàn)了較好的同步性.2014~2015年夏季則沒(méi)有明顯的峰值現(xiàn)象,僅在夏初時(shí)期出現(xiàn)較小的峰值.

鋁和鈦是巖源物質(zhì)(Litho.)的重要成分,可以反映巖源性顆粒物的來(lái)源[8],其比值可以用來(lái)指示南極海洋沉降顆粒物中巖源物質(zhì)[8,18,23].2009~ 2010年Al和Ti的夏季沉降通量分別為121.67、4.78μmol/(m2·d).2014~2015年為19.64、0.76μmol/ (m2·d)(表1,圖6),分別為2009~2010年的16.1%和15.9%.Al、Ti的變化趨勢(shì)一致,存在顯著正相關(guān)關(guān)系(圖7,2>0.9,<0.01).兩年夏季Al和Ti通量的質(zhì)量比分別為14.3和14.6,與地殼中Al/Ti比值14.4相近[30],巖源特征明顯,表明Al或Ti的通量可直接反映巖源通量的大小.以Al含量的12.15倍[10,18],估算2009~2010年和2014~2015年巖源性物質(zhì)通量分別為39.91、6.44 mg/(m2·d),遠(yuǎn)高于灣外的巖源物質(zhì)通量[18],推測(cè)冰筏碎屑、風(fēng)塵、沉積物的再懸浮或側(cè)向輸送可能是南極陸架區(qū)域巖源物質(zhì)的重要來(lái)源[8,23].

表1 南極夏季普里茲灣各生物地球化學(xué)要素沉降通量

普里茲灣冰間湖中沉降的鐵被歸為巖源性組分[23],但鐵又是南極海洋浮游生物生長(zhǎng)的限制元素[31],鐵的溶解與清除被認(rèn)為是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程[8].2009~2010年和2014~2015年Fe的夏季通量為37.16、6.97μmol/(m2·d)(表1).其中,2009~2010年Fe的變化趨勢(shì)與Al和Ti略有差異,其第1個(gè)峰值出現(xiàn)早于Al、Ti,而第2個(gè)峰值則同步于Al、Ti(圖6),這表明存在不同的沉降機(jī)制.該年鐵的第1個(gè)峰值期間,Fe/Al(元素含量比)大于地殼中兩者的比值0.68[30],可能存在一個(gè)特殊清除機(jī)制將水柱中非巖源的鐵向下遷移.海冰融化后的海水中金屬離子含量比極地的無(wú)冰海域高2~3個(gè)量級(jí)[32],相較于Al和Ti等非生物營(yíng)養(yǎng)要素,海水中溶解態(tài)Fe可被浮游生物利用或吸附[33],有機(jī)質(zhì)等沉降可能導(dǎo)致了12月中旬Fe異常高值.2014~2015年夏季Fe與Al、Ti變化趨勢(shì)一致,僅在夏季初出現(xiàn)較小的峰值,這與海冰消融帶來(lái)冰筏碎屑的輸入有關(guān).Fe和Al呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(2=0.999,<0.01),表明該年份Fe的來(lái)源表現(xiàn)為強(qiáng)巖源性特征,可能與該年較低的總物質(zhì)通量對(duì)水體中溶解態(tài)Fe的吸附清除作用較小有關(guān).

圖4 2009~2010年南極夏季普里茲灣沉降通量組成時(shí)間序列分布(以5項(xiàng)主要成分標(biāo)準(zhǔn)化至100%)

圖5 2014~2015年南極夏季普里茲灣沉降通量組成時(shí)間序列分布(以5項(xiàng)主要成分標(biāo)準(zhǔn)化至100%)

遙感葉綠素a(Chl a)的變化趨勢(shì)與生源顆粒物(POC、BSi)顯著不同.2009~2010年夏季Chl a峰值出現(xiàn)在12月下旬,POC和BSi的峰值相對(duì)滯后了約44d.沉降通量的滯后與沉降速率有關(guān)[2],而沉降速率則是由高密度的壓艙物(蛋白石、碳酸鈣和巖源物質(zhì))決定的[2].硅藻在旺發(fā)時(shí)會(huì)釋放出具有絮凝作用的胞外透明聚合物(TEP),將浮游生物和壓艙物形成聚集體,然后發(fā)生快速沉降形成沉降事件[34].浮游植物在12月下旬發(fā)生旺發(fā)(遙感葉綠素a出現(xiàn)峰值)(圖3),浮游動(dòng)物的攝食壓力較小[35],更多的有機(jī)質(zhì)在上層發(fā)生再循環(huán),并重新供給浮游植物的光合作用.2月份巖源物質(zhì)和硅藻蛋白石的增加,促使了有機(jī)質(zhì)的快速沉降,并引發(fā)了該時(shí)期的沉降事件.2014~2015年夏季Chl a則出現(xiàn)了2次峰值,第1次出現(xiàn)在2015年1月上旬,第2次則出現(xiàn)在2月中旬,均出現(xiàn)在POC的峰值之后,表明浮游藻類在上層海洋未能發(fā)生快速沉降.2014~2015年夏季蛋白石和巖源顆粒物通量低于2009~2010年夏季,缺乏有效的壓艙物,不利于有機(jī)質(zhì)的快速沉降,導(dǎo)致更多的有機(jī)質(zhì)在上層發(fā)生再礦化作用,致使2014~2015年夏季POC的平均通量?jī)H為2009~2010年的23.5%.

圖6 南極普里茲灣巖源要素沉降通量時(shí)間序列變化

圖7 沉降顆粒物中Al和Ti的相關(guān)關(guān)系

2.3 元素比和穩(wěn)定同位素

2009~2010年夏季沉降通量中有機(jī)碳和氮的物質(zhì)的量比值(C/N)為8.40,其變化范圍為7.84~ 9.25(表1,圖8),與普里茲灣灣外的C/N相近[18].南極硅藻的C/N約為6.37,略低于南極棕囊藻的7.71[36],但鑒于南極棕囊藻較低的沉降效率[37],且微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)中氨基酸和糖類等具有選擇性早期降解作用[38],推測(cè)硅藻有機(jī)質(zhì)在沉降過(guò)程中,細(xì)菌生產(chǎn)力對(duì)碳、氮降解速率的差異造成C/N偏高.2014~2015年夏季沉降通量中C/N明顯低于2009~2010年夏季,其均值為5.99,并在2015年1月下旬和2月上旬的C/N出現(xiàn)小于4的情況,這表現(xiàn)出微生物C/N(3.7[39])特征,與前文的推論一致,即微生物的呼吸作用使上層大部分有機(jī)質(zhì)發(fā)生了再礦化,僅有較少的有機(jī)質(zhì)向下沉降.

2009~2010年和2014~2015年夏季沉降通量中生物硅和有機(jī)碳的比值(Si/C)平均分別為1.8和4.0(表1,圖8),可認(rèn)為普里茲灣海域?yàn)椤肮韬Ｑ蟆?Si/C31)[2].其變化趨勢(shì)整體表現(xiàn)出與C/N相反的趨勢(shì).在無(wú)限制條件下,硅藻進(jìn)行光合作用的Si/C為0.13[40],而在鐵限制下該比值可升高2~3倍[41],但這僅適用于上層水體中硅藻生物體.沉積物捕獲器樣品中Si/C的比值主要由生物硅的溶解和有機(jī)質(zhì)的再礦化差異造成的,而它們受到溫度和微生物的共同影響[42-43].隨著深度的增加,沉降顆粒物中Si/C往往呈增加趨勢(shì),直到達(dá)到沉積物中Si/C達(dá)到最大[43].較高的Si/C可能是由3個(gè)原因造成的,第一,可能是由于再懸浮沉積物的側(cè)向輸送,提高了沉積物捕獲器中樣品的Si/C值;第二,可能是由于上層海洋中硅藻旺發(fā)導(dǎo)致了海水出現(xiàn)了鐵限制,使得硅藻的Si/C升高,進(jìn)一步影響了沉降顆粒物中的Si/C;第三,異養(yǎng)微生物生產(chǎn)力升高可造成硅藻體中有機(jī)碳更大程度的降解,促使Si/C升高.考慮到兩年沉積物捕獲器所布放的位置及深度差異較小,沉積物再懸浮對(duì)Si/C的年際差異不予考慮. 2015年1月下旬Chl出現(xiàn)下降趨勢(shì)可能是鐵限制造成的,推測(cè)可能是Si/C升高的一個(gè)因素.此外,2014~2015年夏季壓艙物(蛋白石、巖源物質(zhì))通量較低,無(wú)法引發(fā)沉降事件,導(dǎo)致上層海洋微生物生產(chǎn)力增強(qiáng),可能是該年Si/C高于2009~2010年的主要因素.

圖8 南極夏季普里茲灣沉降顆粒物C/N和Si/C

沉降有機(jī)質(zhì)的δ13C也存在著一定的年際差異, 2009~2010年沉降有機(jī)質(zhì)的δ13C平均為-25.44‰,低于2014~2015年夏季δ13C的-20.88‰(表1,圖8).兩個(gè)年份夏季初的δ13C較為接近,但隨時(shí)間的推移,2009~2010年δ13C出現(xiàn)下降趨勢(shì),而2014~ 2015年則無(wú)明顯變化(圖8).

Lourey等[44]認(rèn)為,南極夏季沉降顆粒物中偏重的δ13C可能是由于再懸浮過(guò)程將沉積物中較高的δ13C引入所致,在夏季初期由于浮游植物尚未旺發(fā),上層有機(jī)質(zhì)通量較小,因此夏季初沉降顆粒物中有機(jī)質(zhì)可能受到再懸浮沉積物較大的改造,導(dǎo)致其偏重.而另一種可能的原因則是具有偏重的δ13C的冰藻沉降,導(dǎo)致夏季初的碳穩(wěn)定同位素偏重.由于海冰導(dǎo)致冰藻的光合作用處于封閉或半封閉系統(tǒng),致使碳穩(wěn)定同位素產(chǎn)生更強(qiáng)的分餾,使冰藻中δ13C最高可達(dá)-8‰[45],冰藻有機(jī)質(zhì)的沉降可導(dǎo)致夏季初沉降顆粒物中δ13C的偏高.當(dāng)浮游藻類占據(jù)主導(dǎo)地位,上層海洋中δ13C主要受到浮游植物光合作用的強(qiáng)弱控制,普里茲灣1月下旬表層顆粒有機(jī)碳的δ13C最高可達(dá)-19‰[46],這是由于混合層減弱引起硅藻旺發(fā),較強(qiáng)的生物初級(jí)生產(chǎn)引起的.考慮到有機(jī)質(zhì)在沉降過(guò)程中,細(xì)菌的再礦化作用對(duì)δ13C的垂直分布是起主導(dǎo)作用的,一般隨深度的增加,δ13C呈現(xiàn)整體升高的趨勢(shì)[47],其差異受細(xì)菌生產(chǎn)力的強(qiáng)弱所控制.2014~ 2015年比2009~2010年夏季有機(jī)質(zhì)δ13C值高約5‰,尤其是南極盛夏時(shí)期(1月和2月)差異更大.結(jié)合兩年夏季的有機(jī)碳通量、C/N,推測(cè)2014~ 2015年異養(yǎng)細(xì)菌生產(chǎn)力要強(qiáng)于2009~2010年,從而造成該年份盛夏時(shí)期δ13C偏重,意味著該年份的有機(jī)碳沉降效率較低,前文所闡述的壓艙物缺少是造成此差異的主要原因.

2.4 顆粒物通量的差異對(duì)比

與普里茲灣已有的通量結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),利用238U-234Th不平衡法所觀測(cè)的輸出通量高出沉積物捕獲器觀測(cè)結(jié)果的1~2個(gè)量級(jí)(表2),類似情況同樣發(fā)生在西南極半島海域[12].本文沉積物捕獲器的通量界面深于238U-234Th不平衡法的輸出界面可能是一個(gè)重要因素.根據(jù)Martin曲線[48]將有機(jī)碳沉降通量標(biāo)準(zhǔn)化至100m深度:

式中:表示深度,m;F表示深度為z的沉降碳通量;100表示100m深度的沉降碳通量;為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)-0.858.依據(jù)兩年夏季沉降通量重新估算100m處沉降通量平均為(8.67±9.96)mmol/(m2·d),仍遠(yuǎn)小于同位素的方法所估算的通量[49-50].鑒于238U-234Th不平衡法的假定條件是234Th全部是以POC為載體遷出,忽略了其它非有機(jī)質(zhì)碎屑以及浮游植物初級(jí)生產(chǎn)時(shí)形態(tài)和大小的改變對(duì)該模型的影響,因此,可能會(huì)對(duì)通量產(chǎn)生一定程度的高估.Pilskaln等[18]所報(bào)道灣外沉積物捕獲器的通量根據(jù)Martin曲線折算為100m時(shí)為6.26mmol/(m2·d),與210Po-210Pb不平衡法所估算的通量值接近[51],可能是由于灣外沉降顆粒物主要是由生源物質(zhì)貢獻(xiàn)為主[18]Buesseler等[12]認(rèn)為,淺層水體中沉積物捕獲器的沉降通量數(shù)據(jù)存在較大的低估,這可能是由于上層水體中沉積物捕獲器周圍較強(qiáng)的側(cè)向海流造成的捕獲效率低下[52].但本文所布放的沉積物捕獲器位于水體相對(duì)穩(wěn)定的冰間湖,通量界面分別位于480m和390m,淺層水體變化對(duì)沉降顆粒物的影響因素可以忽略.盡管如此,兩者觀測(cè)方法造成的差異仍然需要更多的觀測(cè)和數(shù)據(jù)去驗(yàn)證,尤其是年際差異、季節(jié)差異、顆粒物組成等諸多因素的影響.

表2 依據(jù)不同的方法所估算的普里茲灣沉降碳通量

注:*取12月30日至次年3月10日進(jìn)行夏季通量估算.

2.5 與南極其他海域?qū)Ρ?/h3>

表3給出了南極各邊緣海基于沉積物捕獲器所觀測(cè)到的有機(jī)碳沉積通量.羅斯海是南極高生產(chǎn)力邊緣海之一,其冰間湖的初級(jí)生產(chǎn)僅次于阿蒙森冰間湖[19],與之相比,普里茲灣的夏季沉降通量要遠(yuǎn)高于羅斯海夏季沉降通量,基于遙感估算的1月份普里茲灣冰間湖多年平均初級(jí)生產(chǎn)力為(100±29)mmol/(m2·d),略低于羅斯海冰間湖的(122±23)mmol/(m2·d)[19],而沉降通量的顯著差異表明普里茲灣冰間湖具有更高的沉降效率.Collier等[8]在1996~1998年期間觀測(cè)到了羅斯海最高的沉降通量,POC通量的主要峰值出現(xiàn)在秋季(4~6月),均在海冰覆蓋之后,并且上層(~200m)的POC通量?jī)H為下層(~480m)的1/3,因此沉積物再懸浮可能是其高沉降通量的原因[8].表層沉積物中Si/Al通常低于水柱中顆粒物,所以低Si/Al被認(rèn)為是沉積物再懸浮的一個(gè)指示[8].普里茲灣POC和BSi通量出現(xiàn)峰值時(shí)Si/Al也較高,因此沉積物再懸浮對(duì)本研究中POC的峰值貢獻(xiàn)較小.盡管羅斯海的生產(chǎn)力更高,但南極棕囊藻是羅斯海的春季浮游植物旺發(fā)的優(yōu)勢(shì)種[36,53],其具有非常低的沉降效率[37],對(duì)沉降通量貢獻(xiàn)較低[4].利用遙感初級(jí)生產(chǎn)力的數(shù)據(jù)[19],通過(guò)Martin曲線估算夏季普里茲灣的100m深度沉降通量約平均為凈初級(jí)生產(chǎn)力的8.67%,,與南極半島海域170m觀測(cè)的多年結(jié)果(~5%)相近[13].同南極半島海域相同,普里茲灣冰間湖主要以硅藻為優(yōu)勢(shì)種[25-27],硅藻聚集體的快速沉降是高沉降效率的主要原因.

南極半島海域通常被認(rèn)為是具有高效生物泵效率的海域[12],但Weston等[16]通過(guò)沉積物捕獲器和營(yíng)養(yǎng)鹽虧損的2種方法對(duì)南極半島海域的Marguerite灣進(jìn)行了有機(jī)碳通量和效率估算,發(fā)現(xiàn)200m深度輸出效率僅為1%,認(rèn)為該區(qū)域具有高循環(huán)低輸出的特點(diǎn).Ducklow等[4]認(rèn)為,該海灣環(huán)流結(jié)構(gòu)復(fù)雜,沉降通量可能是由于平流輸送導(dǎo)致偏低,表現(xiàn)出低輸出的特征,因此無(wú)法代表半島海域的生物泵效率.

表3 南極各邊緣海有機(jī)碳沉降通量比較

續(xù)表3

注:*表示通量數(shù)據(jù)所覆蓋的時(shí)間范圍:“夏”代表夏季平均通量;“年”代表年平均通量;**表示數(shù)據(jù)未能獲取;#表示1993~2006年(除2004年外)平均通量和標(biāo)準(zhǔn)偏差.

阿蒙森冰間湖是南極初級(jí)生產(chǎn)力最高的冰間湖,其年際平均生產(chǎn)力達(dá)(160.7±36.9) g C/ (m2·a)[19],但2011~2012年深度為350m處的平均通量?jī)H為0.86μmol/(m2·d)[13].以往的研究認(rèn)為極地海域具有更高的生物泵效率[1,12],阿蒙森冰間湖春季的優(yōu)勢(shì)藻種是南極棕囊藻,這導(dǎo)致了生物泵效率要低于硅藻為優(yōu)勢(shì)種的海域[4],與羅斯海較為相似[5].某種程度上,浮游植物群落結(jié)構(gòu)的差異是影響南極海域的生物泵效率的主要因素,硅藻和南極棕囊藻則分別控制各自優(yōu)勢(shì)海域的輸出效率.在氣候變化的大背景下,南極各個(gè)邊緣海將呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì),浮游植物群落結(jié)構(gòu)可能將出現(xiàn)明顯差異[54],因此,這就需要更高時(shí)間分辨率和更綜合的觀測(cè)來(lái)深入理解生物泵的效率機(jī)制[4].

3 結(jié)論

3.1 南極普里茲灣2009~2010年和2014~2015年顆粒有機(jī)碳夏季平均通量分別為4088.13、508.99μmol/ (m2·d),生物硅夏季平均通量分別為7358.91、2034.63μmol/(m2·d).生物硅占夏季顆粒物通量均超過(guò)70%,表明硅藻是普里茲灣夏季的優(yōu)勢(shì)種和沉降通量的主要貢獻(xiàn)者.

3.2 缺少壓艙物易導(dǎo)致上層有機(jī)質(zhì)無(wú)法快速沉降,令異養(yǎng)微生物對(duì)上層水柱中有機(jī)質(zhì)降解程度更高,造成2014~2015年夏季的有機(jī)碳沉降通量?jī)H為2009~2010年12.5%.

3.3 沉積物捕獲器所觀測(cè)的結(jié)果要略低于之前普里茲灣238U-234Th不平衡法的觀測(cè)結(jié)果,但考慮到年際差異等因素,仍具有一定的可對(duì)比性.夏季普里茲灣具有非常高的沉降通量和沉降效率, 通過(guò)Martin曲線估算夏季普里茲灣的100m深度沉降通量平均為凈初級(jí)生產(chǎn)力的8.67%,這種高生物泵運(yùn)轉(zhuǎn)效率歸因于硅藻在水柱中的優(yōu)勢(shì)地位.

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致謝：作者在此感謝雪龍船在潛標(biāo)的布放和回收過(guò)程中給予的幫助,感謝陳倩娜在穩(wěn)定同位素分析中給予的幫助.

Sinking particle fluxes during austral summer in the Prydz Bay polynya, Antarctica.

HAN Zheng-bing1,2,3, SUN Wei-ping2,3, FAN Gao-jing1,2,3, HU Chuan-yu2,3, PAN Jian-ming2,3*, ZHAO Jun2,3, ZHANG Hai-feng2,3, LI Dong2,3, ZHANG Hai-sheng1,2,3

(1.College of Marine Science and Technology, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China；2.Key Laboratory of Marine Ecosystem and Biogeochemistry, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China；3.Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China)., 2018,38(5)：1923~1934

To understand the biological pump of the Antarctic Ocean, two sets of time-series sediment trap was deployed and recovered in the polynya of the Prydz Bay during the 26thand 31stChinese Antarctic scientific expeditions in the austral summer of 2009~2010 and 2014~2015. The particle fluxes were analyzed. The results showed that the summer fluxes of particulate organic carbon (POC) were 4088.13 and 508.99μmol/(m2·d) for the year of 2009~2010 and 2014~2015, respectively, while biogenic silica (BSi) were 7358.91 and 2034.63 μmol/(m2·d), respectively. The biogenic opal contributed more than 70% of total mass flux in two years, which indicated diatoms should be the dominated species in the column and the main carriers of sinking POC during austral summer. The POC flux in 2014~2015 was only 12.5% of that in 2009~2010. It was mainly due to the lack of ballast matters that prevented the rapid settling of organic matter in the upper layer, resulting in more degrading organic matter in the upper water column caused by heterotrophic microorganisms. Compared with other Antarctic marginal seas where the blooms were not dominated by diatoms, the Prydz Bay polynya is characterized of higher sinking fluxes and efficiency. Estimated by the Martin curve, the 100m POC flux in summer in Prydz Bay averages 8.67% of the net primary productivity. It mainly owed to the diatom-dominated plankton community in the Prydz Bay polynya, therefore the plankton community in polar oceans should attract more attention when predicting the variation of biological pump.

particle fluxes；polynya；Prydz Bay；biological pump

X55

A

1000-6923(2018)05-1923-12

2018-02-07

國(guó)家自然科學(xué)青年基金(41406219,41576186,41506223,41376193);中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(JT1405);南北極環(huán)境綜合考察與評(píng)估極地專項(xiàng)(CHINARE01-04,CHINARE04-01,CHINARE04-04)

* 責(zé)任作者, 研究員, jmpan@sio.org.cn

韓正兵(1986-),男,江蘇連云港人,助理研究員,在讀博士生,主要從事極地海洋生物地球化學(xué)研究.發(fā)表論文20余篇.