夏志穎，冉莉華，Martin G Wiesner，梁宇釗，任健，李冬玲

1. 寧波大學(xué)地理與空間信息技術(shù)系，寧波 315211 2. 自然資源部海洋生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)重點實驗室，自然資源部第二海洋研究所，杭州 3100123. 衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室，自然資源部第二海洋研究所，杭州 3100124. 南方海洋科學(xué)與工程廣東實驗室，珠海 5190005. 德國漢堡大學(xué)， 海洋生物地球化學(xué)和海洋化學(xué)研究所，漢堡 D-20146

火山爆發(fā)是地球上常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，廣義上的火山灰泛指火山爆發(fā)過程中噴向大氣中的火成碎屑物質(zhì)的總稱，而狹義上則指直徑＜2 mm的細(xì)粒巖漿源碎屑，其主要成分包括巖石、礦物和火山玻璃碎片，含有S、Fe、Si、Ca等多種元素[1-2]。火山爆發(fā)噴出的巨量火山灰進(jìn)入大氣和海洋，會通過刺激浮游植物的生長[3-4]，改變浮游生物沉降過程及海底沉積環(huán)境[5-6]，對其臨近海域生態(tài)系統(tǒng)和海洋生物地球化學(xué)過程產(chǎn)生重要影響[6]。

硅藻是海洋浮游植物的重要類群，海洋初級生產(chǎn)力最重要的組成成分，在海洋生態(tài)系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用[7-8]。硅藻的生長繁殖對海洋環(huán)境變化反應(yīng)非常靈敏，受海水溫度、鹽度、水深、營養(yǎng)鹽等環(huán)境因素的影響[9]，其數(shù)量、種類及種群結(jié)構(gòu)都會出現(xiàn)明顯的差異，進(jìn)而影響整個海洋生態(tài)系統(tǒng)?；鹕交页两祵τ诤Ｑ蟓h(huán)境的影響是顯而易見的，然而作為海洋生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)、海洋初級生產(chǎn)力的主要貢獻(xiàn)者的硅藻對于火山灰沉降引起的海水環(huán)境變化的響應(yīng)到目前為止尚不太明確。

1991年6月15 日菲律賓皮納圖博火山噴發(fā)是20世紀(jì)最大的火山噴發(fā)事件之一，其噴發(fā)后的火山灰橫跨南海中部，影響面積達(dá)4×105km2[10-11]。根據(jù)斯密森研究所對火山爆發(fā)強度指數(shù)（volcanic explosivity index, VEI）的劃分標(biāo)準(zhǔn)[12]，1991年皮納圖博火山爆發(fā)指數(shù)為6級，該指數(shù)由0到8逐級遞增，每增加一級意味著火山爆發(fā)強度增加十倍。研究指出，1991年皮納圖博火山爆發(fā)將5 km3的火山灰噴射到高空，其中包含約3 Mt的Cl、42 Mt的CO2、17 Mt的SO2以及大量其他氣體[13]。Martin等通過顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，皮納圖博火山噴發(fā)的火山灰主要成分是浮石和玻璃（74%），其次是斜長石（15%）和角閃石（9%），黑云母、石英、鎂鐵閃石等僅占2%。在火山玻璃、斜長石、角閃石和鎂鐵閃石中檢測出大量Si、Al、Fe、Mg等元素[10]。如此巨量的火山灰輸入南海，必然在一定程度上改變南海海洋環(huán)境，進(jìn)而對南海海洋硅藻群落乃至整個生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生強烈影響。

本文擬通過對皮納圖博火山爆發(fā)前后南海東部的沉積物及南海中部沉降顆粒物中的硅藻豐度、通量及群落組成的研究，結(jié)合火山爆發(fā)前后南海中部沉降顆粒物總通量及生物硅等主要組分通量數(shù)據(jù)，以及其他硅質(zhì)生物分析結(jié)果，探討皮納圖博火山灰的輸入對南海海洋硅藻可能造成的影響。

1 區(qū)域背景

南海位于亞洲大陸、菲律賓群島、婆羅洲和印度尼西亞之間，通過呂宋海峽與西太平洋相連，是世界最大的半封閉型邊緣海之一。南海位處低緯東亞季風(fēng)影響范圍，在季風(fēng)系統(tǒng)以及半封閉地形的影響下，南海的氣候以及海洋環(huán)流模式存在季節(jié)性反轉(zhuǎn)，并在呂宋島西北部、越南岸外及南部近巽他陸架等海域形成了季節(jié)性上升流系統(tǒng)，對南海上層水體及生態(tài)環(huán)境造成強烈的影響[14-17]。雖然有季節(jié)性上升流的影響，但在南海東中部海盆區(qū)因為上層水體層化較強，混合層深度較淺，仍然是典型的寡營養(yǎng)海域[18]。如圖1所示，1991年皮納圖博火山灰沉降的主要影響區(qū)在南海東部和中部，巨量火山灰的輸入很可能對南海海盆區(qū)海洋環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)造成重要影響。

2 材料與方法

本研究所用沉積物樣品來自1996年11—12月太陽號（R/V-Sonne） 114航次在南海采集的6個箱式沉積物插管樣品（圖1，表1），沉降顆粒物樣品來源于1991年4—5月和1992年4—5月布放在南海中部SCS-C站3730 m水深處（圖1，表1）的時間序列沉積物捕獲器所回收樣品。

表1 本研究所采用的箱式沉積物及沉積物捕獲器站位信息Table 1 Basic information of box core and sediment trap mooring stations

圖1 皮納圖博火山灰沉積范圍及研究站位示意圖a. 火山灰影響范圍及沉積厚度等值線圖，黑色等值線表示皮納圖博火山灰沉積層厚度（mm），黃色菱形表示南海中部沉積物捕獲器錨系站位（SCS-C）[11]；b. 本文研究的南海東部箱式沉積物站位示意圖。Fig.1 The distribution of Pinatubo volcano ash deposit and site locations in this worka. Distribution map of the Pinatubo volcano ash deposited in the SCS, the black contours represent variation of Pinatubo ash thickness (mm) [11], and the yellow diamond represents the site location of the sediment trap mooring; b. Sites location of the box-core sediment samples studied in this work .

1991年6月15 日皮納圖博火山爆發(fā)噴發(fā)出的火山灰迅速填滿了當(dāng)時正布放于SCS-C站的沉積物捕獲器集樣漏斗，并逐步填滿后續(xù)的采樣瓶直至1992年5月捕獲器回收，因此，我們無法獲得火山爆發(fā)后短時間內(nèi)的沉降顆粒物樣品。為排除南海本身海洋環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)的季節(jié)變化，我們選擇了皮納圖博火山爆發(fā)前一個月（1991年5月）和1992年同一月份的沉降顆粒物樣品進(jìn)行對比分析。

沉積物捕獲器樣品總通量以及顆粒物其他主要組分，如有機(jī)質(zhì)、CaCO3、生物硅和陸源物質(zhì)等的通量分析和計算方法具體見Li等[19]。其中，生物硅含量的測定采用堿化學(xué)單點提取法分析獲得[20]。硅藻樣品處理和制片流程以Ran等的方法為主要依據(jù)，在裝有沉積物或沉降顆粒物樣品的試管中加入濃度為10%的稀鹽酸和濃度為30%的雙氧水用以除去鈣質(zhì)和有機(jī)質(zhì)，等待完全反應(yīng)后，加入適量去離子水混勻靜置24 h。之后，利用虹吸法去除上清液，重復(fù)3次清洗過程以達(dá)到去除殘余的稀鹽酸和雙氧水的目的，充分混合樣品溶液輕輕倒入事先固定好的2個24 mm×24 mm蓋玻片的培養(yǎng)皿中。靜置24 h后，用紙巾吸出培養(yǎng)皿中的上清液。當(dāng)培養(yǎng)皿中的樣品完全干燥后，將蓋玻片轉(zhuǎn)移到做好標(biāo)記的載玻片上，用Naphrax膠（d=1.72）固定。最后在1000倍的Leica DM 6000油鏡下進(jìn)行硅藻計數(shù)和鑒定，硅藻計數(shù)至少300枚，不足300枚的樣品進(jìn)行全片統(tǒng)計[21]。此外，也利用Motic 410顯微鏡在400倍鏡下對沉降顆粒物中硅鞭藻、海綿骨針及放射蟲等硅質(zhì)生物殼體也進(jìn)行了數(shù)量統(tǒng)計。

硅藻相對豐度和沉降顆粒物中硅藻通量的計算公式如下：

式中，r是相對豐度（枚·g-1）；f是硅藻通量（枚·m-2·d-1）；N是顯微鏡下計數(shù)的硅藻數(shù)量；A是培養(yǎng)皿的面積；F是顆粒物總通量（mg·m-2·d-1）；n為顯微鏡下硅藻計數(shù)的視野數(shù)；a為顯微鏡視域的面積；m為硅藻分析所用樣品的質(zhì)量（mg）。其他硅質(zhì)生物豐度和通量計算參考硅藻豐度和通量計算方法。

3 結(jié)果

3.1 皮納圖博火山爆發(fā)前后南海東部沉積物中硅藻豐度的變化

在本文研究的箱式沉積物柱樣中，除18234站位外，其他站位均可見明顯的灰白色火山灰層，由上到下粒徑逐漸變粗，與上覆粉砂或黏土質(zhì)為主的沉積層差異明顯（圖2）。不同站位火山灰層厚度與其所處位置和皮納圖博火山之間的空間距離成反比，其中，離皮納圖博火山最近的18227站和18228站火山灰層厚約為70和65 mm，離皮納圖博火山較遠(yuǎn)的18235站火山灰層厚僅約5 mm。

如圖2所示，1991年皮納圖博火山爆發(fā)前后南海東部海域沉積物中硅藻相對豐度存在顯著差異，火山爆發(fā)后所有站位的沉積硅藻豐度較爆發(fā)前均明顯減少。其中，以18226站位的沉積硅藻豐度變化最大，該站位火山灰層以下的沉積硅藻豐度約為6.04×106枚·g-1，火山灰層以上的沉積物硅藻豐度僅為1.15×105枚·g-1，前后相差50余倍，其他站位硅藻豐度也相差幾倍到十幾倍。

3.2 皮納圖博火山爆發(fā)前后南海中部沉降顆粒物總通量、主要成分、硅藻及其他硅質(zhì)生物的變化

皮納圖博火山爆發(fā)前1991年5月南海中部海盆SCS-C站3730 m水深的沉降顆粒物總通量為132 mg·m-2·d-1，而次年同一月份顆粒物通量增加到156.37 mg·m-2·d-1(圖3a)。顆粒物通量增長的主要原因是生物硅和巖源物質(zhì)通量的顯著提高，其中生物硅 通 量 從26.53 mg·m-2·d-1增 加 至51.49 mg·m-2·d-1，其含量增加了12%，與之相反，碳酸鈣的通量和含量都明顯減少。

圖3 火山爆發(fā)前（1991年5月）和爆發(fā)后（1992年5月）南海中部SCS-N站沉降顆粒物總通量及主要成分通量、硅質(zhì)生物通量及硅質(zhì)生物豐度變化a. 沉降顆粒物總通量及主要成分通量，b. 不同硅質(zhì)生物通量變化，c. 不同硅質(zhì)生物相對豐度變化，其中b和c的縱軸為對數(shù)刻度。Fig.3 Sinking flux of total particulate matter, main components, flux and relative abundance of diatoms and other siliceous organisms in the central SCS before (May 1991) and after (May 1991) Pinatubo eruptiona. Sinking flux of total particulate matter and main components; b. flux diatoms and other siliceous organisms; c. relative abundance of diatoms and other siliceous organisms. The vertical axes of (b) and (c) are on a logarithmic scale.

1992年5月沉積物捕獲器中硅藻通量為8.57×106枚·m-2·d-1，相對豐度為5.48×107枚·g-1，較之火山爆發(fā)前同期的硅藻通量和相對豐度（2.90×107枚·m-2·d-1，2.20×108枚·g-1）都有顯著降低。與硅藻相同，同為生物硅（無定形二氧化硅水合物（SiO2·nH2O））主要貢獻(xiàn)者的其他硅質(zhì)生物，包括放射蟲、硅鞭藻、海綿骨針等[22]的通量和相對豐度也都出現(xiàn)了明顯的下降。

3.3 皮納圖博火山爆發(fā)前后南海沉降顆粒物中硅藻屬種的變化

在本研究的南海箱式沉積物柱樣和沉降顆粒物樣品中，主要的硅藻種類有Azpietia nodulifera、Cyclotella striata、Fragilariopsis doliolu、Nizschia interruptestriata、Nizschia marina、Rhizosolena bergonaii、Roperia tesslata、Thalassionsira excentrica、Thalassionsira oestrupi、Thalassionema nitzschioides、Fragilariaberolinensis、Nizschiabicapitata、Nitzschiabraarudii、Nizschiafustulum、Nizschia solita等?？紤]到箱式沉積物插管樣品取樣分辨率（1 cm）較低，火山灰上覆沉積物樣品是1991年皮納圖博火山爆發(fā)至1996年箱式采樣期間5年內(nèi)的累積結(jié)果，火山灰以下1 cm厚度的沉積物樣品可能代表了百年尺度累積沉積物，過去幾百年來全球氣候變化很有可能已經(jīng)對南海海洋環(huán)境及其海洋硅藻屬種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響[23-24]，因此，我們在探討皮納圖博火山爆發(fā)前后南海硅藻屬種組成變化時，主要考慮SCS-C站沉積物捕獲器中硅藻屬種分析結(jié)果。

如圖4所示，無論是皮納圖博火山爆發(fā)前（1991年5月）還是爆發(fā)后的次年同期（1992年5月）采集的南海中部沉降顆粒物中菱形藻都占有絕對優(yōu)勢，其中包括眾多細(xì)胞個體較小（縱軸≤20 μm）的菱形藻種，如Nizschia bicapitata、Nizschia fustulum等。除此之外，Thalassionema nitzschioides及其變種（var.parva, var.inflata等）Thalassiosiraspp.、Fragilariaspp.、Coscinodiscusspp.等含量也相對較高。與火山爆發(fā)前的5月相比，火山爆發(fā)后的次年同期收集的沉降顆粒物中硅藻屬種組合確實存在一定的變化，但主要體現(xiàn)在菱形藻屬內(nèi)部的種類變化上，其他硅藻種類變化不明顯。其中，變化最為明顯的是Nizschia bicapitata,Nizschia fustulum等小型菱形藻，其相對含量明顯降低，其他個體相對較大的菱形藻（包括擬菱形藻）的百分含量則顯著提高。

圖4 皮納圖博火山爆發(fā)前后沉降顆粒物中硅藻屬種百分含量的變化Fig.4 Changes in relative abundance of diatom species or groups in the sinking particles before and after the eruption of Mount Pinatubo

4 討論

4.1 皮納圖博火山爆發(fā)對南海深海海洋環(huán)境的影響分析

從我們的研究結(jié)果可以看出，1991年皮納圖博火山爆發(fā)后的南海沉積物及沉降顆粒物中硅藻豐度都顯著降低。與此同時，我們通過電鏡觀察發(fā)現(xiàn)火山爆發(fā)后的沉積物及沉降顆粒物中含有明顯的火山玻璃和浮石等火山碎屑物（圖5），而火山爆發(fā)前沉降顆粒物則以生源顆粒物為主。由此可知，沉積物和沉降顆粒物中硅藻豐度的顯著降低很可能是由于火山灰沉積對生源物質(zhì)的稀釋作用所致。

圖5 1991年5月（左）、1991年7月（中）、1992年5月（右）南海中部沉降顆粒物掃描電子顯微照片F(xiàn)ig.5 Scanning electron micrographs of sinking particulate matter collected in the central SCS in May 1991 (left), July 1991 (middle), and May 1992 (right)

Wiesner等[11]基于多個航次調(diào)查結(jié)果和沉積物捕獲器收集的沉積顆粒物通量，統(tǒng)計了皮納圖博火山爆發(fā)后南海不同海域沉積物中火山灰層的厚度，指出皮納圖博火山噴發(fā)物導(dǎo)致了隨后幾年南海表層沉積物沉積速率的顯著提高。如圖2所示，除火山灰沉積分界不清晰的18234站外，其余站位火山灰上覆沉積物厚度雖然存在一定差異，但基本都在約1 cm?？紤]到箱式取樣過程中表層沉積物可能存在一定損失，可以推算火山爆發(fā)后1991—1996年的5年間，南海東部靠近菲律賓海域年平均沉積速率≤0.2 cm·a-1，該沉積速率顯著高于前人通過柱狀沉積物14C以及210Pb同位素測定結(jié)果計算獲得的南海海盆區(qū)晚更新世以來的沉積速率（0.003～0.005 cm·a-1）[25-26]，表明Pinatubo火山灰輸入確實在短時間內(nèi)迅速提高了南海東部沉積速率。

另一方面，火山爆發(fā)一年后（1992年5月）南海中部沉降顆粒物生物硅通量和含量出現(xiàn)了明顯的增加，與同時期硅藻及其他硅質(zhì)生物通量和豐度都顯著降低存在矛盾。顯微鏡觀察結(jié)果表明，火山爆發(fā)前后沉降顆粒物中硅藻及其他硅質(zhì)生物的個體大小整體上并沒有發(fā)生明顯變化。由此可知，生物硅沉降通量和含量的增加并非由硅質(zhì)生物增加所致。根據(jù)Wisner等[10]的研究結(jié)果，1991年SCSC站沉積物捕獲器中收集到的Pinatubo火山灰沉積中以浮石和火山灰為主，其中二氧化硅含量＞77%。實驗室分析結(jié)果表明，利用強堿提取沉積物生物硅的方法會導(dǎo)致火山灰沉積中硅的溶出（Wiesner等，未發(fā)表數(shù)據(jù)）。因此，1992年5月南海中部沉降顆粒物中所有硅質(zhì)生物含量和通量都顯著減少，而生物硅含量和通量卻顯著增加的主要原因，應(yīng)該是沉積物捕獲器中火山灰殘留物質(zhì)尤其是火山玻璃等硅質(zhì)礦物在強堿的作用下溶解，生物硅含量被高估所致。

綜上所述，皮納圖博火山爆發(fā)后，其火山灰沉降物在南海海底有一個長期持續(xù)的沉積或再沉積過程，不僅造成其影響海域沉積速率的顯著提高，而且影響南海深部沉積動力環(huán)境。另一方面，這些火山灰在南海深海還可能存在一個持續(xù)溶出過程，并可能對南海深海硅循環(huán)乃至整個生物地球化學(xué)過程都產(chǎn)生持續(xù)影響。

4.2 皮納圖博火山爆發(fā)對南海硅藻生長的潛在影響分析

研究發(fā)現(xiàn)，火山爆發(fā)后同期采集的沉降顆粒物中硅藻絕對通量明顯低于火山爆發(fā)前，這可能反映了火山爆發(fā)后次年硅藻生產(chǎn)力有所降低。硅藻屬種分析結(jié)果表明，火山爆發(fā)前后的沉降顆粒物中變化最為明顯的是N. bicapitata、N. fustulum等小型菱形藻的相對含量明顯降低，而其他個體相對較大的菱形藻（包括擬菱形藻）的百分含量則顯著提高。根據(jù)Ran等[21]研究，小型菱形藻相對含量與硅藻總通量和南海上層海洋初級生產(chǎn)力有明顯正相關(guān)關(guān)系，因此，火山爆發(fā)次年5月沉降顆粒物中小型菱形藻相對含量的明顯下降，表明當(dāng)年春季南海硅藻生產(chǎn)力可能有所降低。此外，有機(jī)碳、碳酸鈣及其他硅質(zhì)生物通量都明顯降低，都反映了上層海洋初級生產(chǎn)力有所降低。

前人研究普遍認(rèn)為，火山爆發(fā)產(chǎn)生的火山灰進(jìn)入寡營養(yǎng)鹽海域后，經(jīng)海水溶解釋放出的P、Fe、Mn等營養(yǎng)物質(zhì)和微量金屬元素會促進(jìn)浮游植物大規(guī)模的生長[27-28]，從而提高海洋初級生產(chǎn)力[3-4]。例如，Mélan?on等[29]對照試驗發(fā)現(xiàn)，添加火山灰的實驗組固碳率和葉綠素濃度提升明顯，實驗后期部分硅藻在浮游植物群落結(jié)構(gòu)中占到主導(dǎo)地位，表明火山灰提供的營養(yǎng)物質(zhì)可以促進(jìn)以硅藻為主的浮游植物生長[30]。但另有研究也指出，火山灰在接觸海水后，容易在海面上形成大面積的浮石區(qū)域，加上火山灰內(nèi)一些不可溶的物質(zhì)懸浮在上層海洋，可能導(dǎo)致真光層輻射光強度減弱，影響真光層浮游植物的光合作用[28-31]。還有研究認(rèn)為火山灰溶解會導(dǎo)致海水pH下降，海水酸化則會增強火山灰中Cd、Cu、Pb以及氟化物（如氟化鋁）等多種有毒元素[3,32-33]的釋放，從而對海洋生態(tài)系統(tǒng)造成壓力[34]。由于缺少皮納圖博火山灰微量元素的研究結(jié)果，以及火山爆發(fā)后短時期內(nèi)沉降顆粒物樣品的缺失，我們雖然發(fā)現(xiàn)火山爆發(fā)后次年同期的硅藻生產(chǎn)力有所降低，但這是否與皮納圖博火山爆發(fā)有直接聯(lián)系尚無定論。

此外需要注意的是，1991—1992年是厄爾尼諾影響年份[35-36]，前人大量的研究指出，厄爾尼諾事件會導(dǎo)致東亞季風(fēng)強度減弱，厄爾尼諾發(fā)生幾個月后南海表層海水溫度增加，海水層化加強，真光層營養(yǎng)鹽減少，從而限制浮游植物的生長[37]。因此，本研究發(fā)現(xiàn)火山爆發(fā)次年后硅藻及其他硅質(zhì)生物的降低也可能與1991年厄爾尼諾的影響有關(guān)，但具體情況需進(jìn)一步開展詳細(xì)研究。

5 結(jié)論

（1）皮納圖博火山爆發(fā)后南海沉積物硅藻相對豐度明顯降低。巨量的火山灰沉降至南海海底，使火山爆發(fā)后的沉降速率（≥0.2 cm·a-1）遠(yuǎn)高于火山爆發(fā)前的沉積速率（0.003～0.005 cm·a-1），但同時稀釋了沉積物中其他組分，這是火山爆發(fā)后沉積物硅藻相對豐度驟降的主要原因。

（2）火山爆發(fā)一年后沉降顆粒物總通量和生物硅通量顯著提高，而硅藻及其他硅質(zhì)生物相對豐度和通量都顯著下降。其中顆粒物總通量和生物硅通量的提高可能與火山灰，尤其是火山玻璃的貢獻(xiàn)有關(guān)。

（3）皮納圖博火山爆發(fā)一年后同季節(jié)的沉降顆粒物中硅藻和其他硅質(zhì)生物通量，以及有機(jī)碳和碳酸鈣通量的顯著降低以及與高生產(chǎn)力相關(guān)的小型菱形藻相對含量的降低，都表明南海上層硅藻生產(chǎn)力有所降低。但這究竟與皮納圖博火山灰的持續(xù)影響有關(guān)，還是由于厄爾尼諾對南海海洋環(huán)境的影響所致，抑或是二者相結(jié)合的結(jié)果，有待下一步更深入詳細(xì)的研究。