朱慶梅，莊燕培，李宏亮＊，徐燕青，劉希真，張靜靜，王 奎，金海燕

（1.國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.國家海洋局 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.浙江工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程與材料學(xué)院 海洋系，浙江 杭州 310014；4.浙江省海洋監(jiān)測預(yù)報(bào)中心，浙江 杭州 310007）

0 引言

生物硅（Biogenic silica，BSi），又稱生源硅或是蛋白石，指化學(xué)方法測定的無定形硅的含量。海洋中生物硅主要來源于硅藻、放線蟲、海綿骨針等硅質(zhì)生物。在海洋表層水體中溶解態(tài)硅經(jīng)硅質(zhì)生物吸收而進(jìn)入生物地球化學(xué)循環(huán)［1］，在真光層中以顆粒態(tài)生物硅（Particulate biogenic silica，PBSi）存在。顆粒態(tài)生物硅與水體中的浮游植物量關(guān)系密切，其含量可以反映水體的初級生產(chǎn)力［2－3］，同時(shí)也記載了水體中營養(yǎng)鹽含量及結(jié)構(gòu)的變化對藻類生長的影響［2］。TRéUGER et al［4］1995年估算，每年在表層水體中由硅質(zhì)浮游生物吸收溶解態(tài)硅轉(zhuǎn)化為BSi的量是（240±40）×1012mol Si·yr－1，占全球總初級生產(chǎn)力的40%左右［1］，是全球海洋”生物泵”的重要組成。

海洋“生物泵”是對海洋去除大氣二氧化碳（CO2）的一種形象描述，其主要控制著包括有機(jī)碳在內(nèi)的生源顆粒的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化、溶解（降解）和向深海的輸出。“生物泵”的效率（以海洋上層顆粒有機(jī)碳的輸出通量來衡量［5－7］）和結(jié)構(gòu)（浮游生物的組成和粒度分布［8］）成為人們現(xiàn)在研究的兩大焦點(diǎn)。JGOFS計(jì)劃的研究成果表明，“生物泵”的結(jié)構(gòu)在很大程度上決定著海洋上層的CO2收支［9］以及向下的地球化學(xué)通量和“生物泵”的效率［10］。HONJO et al［11］根據(jù)全球海洋地理和營養(yǎng)鹽分布的不同，把兩大典型的“海洋生物地球化學(xué)省”稱為“碳酸鹽質(zhì)海洋”和“二氧化硅質(zhì)海洋”，據(jù)此可以將相應(yīng)的生物泵結(jié)構(gòu)稱為“碳酸鹽泵”和“硅質(zhì)泵”。不同類型浮游植物的“生物泵”過程向深海輸運(yùn)的碳的主要形態(tài)也不同，生物泵沉降有機(jī)碳的主要貢獻(xiàn)者是硅質(zhì)浮游植物［12］。盡管“硅質(zhì)泵”對長周期的碳效應(yīng)的影響機(jī)理目前并不很清楚，但“硅質(zhì)泵”加強(qiáng)可以降低上層二氧化碳分壓（pCO2），可以改變“生物泵”的組成而影響全球CO2的收支這兩點(diǎn)是肯定的。

赤道太平洋東、西兩側(cè)具有獨(dú)特并且迥異的氣候和水文條件，西赤道太平洋受太平洋暖池的影響，上升流很弱甚至不存在［13］，表層營養(yǎng)鹽濃度很低；而東赤道太平洋在秘魯上升流和加利福尼亞寒流的雙重作用下，具有較為豐富的營養(yǎng)鹽。赤道營養(yǎng)鹽的東、西差異分布格局會引起其東、西側(cè)“硅質(zhì)泵”的差異。目前在赤道太平洋區(qū)域已有較多關(guān)于營養(yǎng)鹽的研究，然而在本文研究區(qū)域內(nèi)，就營養(yǎng)鹽和顆粒態(tài)生物硅相結(jié)合對硅質(zhì)泵進(jìn)行的研究還相對較少，而這對于揭示全球大洋的“生物泵”格局具有重要意義。因此，本文擬通過對分級顆粒態(tài)生物硅（PBSi）的測定，結(jié)合營養(yǎng)鹽的分布，研究赤道太平洋不同海區(qū)分級顆粒態(tài)生物硅的分布特征，以期較好地表征赤道太平洋“硅質(zhì)泵”的組成結(jié)構(gòu)。

1 區(qū)域環(huán)境與研究方法

1.1 研究區(qū)域環(huán)境

本研究是依托國際海底區(qū)域研究項(xiàng)目，參與了“大洋一號”科學(xué)考察第20和21航次。2個(gè)航次的太平洋海域調(diào)查均在夏季進(jìn)行，調(diào)查時(shí)間分別為2008年5月至10月和2009年7月至11月。其中西太平洋的調(diào)查區(qū)域主要集中在低緯度（10°～21°N）暖池區(qū)，東太平洋的調(diào)查則集中在赤道附近（5°N～10°S）。本文研究調(diào)查站位分布如圖1所示。研究區(qū)域表層海水水溫較高（大于25℃），特別是在西赤道太平洋平均水溫高達(dá)27～29℃，呈水舌狀向東部延伸［14］。而表層鹽度從西向東呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，主要原因是西太平洋位于副熱帶海區(qū)的邊緣，因蒸發(fā)作用使表面海水的鹽度升高（約為34.7）；東赤道太平洋位于赤道低鹽區(qū)，其鹽度值較低（約為34.5）［15］。

1.2 樣品采集

于2008年夏季采集了DY20－WP和DY20－EP站位0～200m水柱的營養(yǎng)鹽和分級顆粒態(tài)生物硅樣品，采樣層位為表層，30，50，100和200m；于2009年夏季采集了DY21－WP和DY21－EP站位0～200m水柱的營養(yǎng)鹽和分級顆粒態(tài)生物硅樣品，采樣層位為10，25，50，75，100 和 200m，其中 DY20－EP 站 和DY21－EP站位經(jīng)緯度基本一致（圖1）。

圖1 赤道太平洋不同海區(qū)采樣站位示意圖Fig.1 Sampling stations of different zones in the Equatorial Pacific

海水用Niskin瓶梅花采水器采集后，現(xiàn)場采集500mL水樣，經(jīng)預(yù)潔凈的醋酸纖維膜（Φ47mm，孔徑0.45μm）過濾后，分裝于25mL比色管中，用于營養(yǎng)鹽的現(xiàn)場測定；現(xiàn)場量取4dm3水樣，過20μm篩絹濾膜，得到粒徑＞20μm的PBSi樣品，再將上述濾液通過0.8μm的聚碳酸酯膜，得到粒徑為0.8～20μm的PBSi樣品；過濾后，將膜樣品置于塑料樣品瓶中，并于－20℃冷凍保存，帶回實(shí)驗(yàn)室分析PBSi濃度。

1.3 營養(yǎng)鹽分析

營養(yǎng)鹽采用7230G分光光度計(jì)在現(xiàn)場測定，測定方法依據(jù)GB／T12763.4—2007《海洋調(diào)查規(guī)范－海水化學(xué)要素觀測》［16］，其中磷酸鹽和硅酸鹽分別采用磷鉬藍(lán)法和硅鉬藍(lán)法進(jìn)行測定，檢測限分別為0.02和0.05μmol／dm3。

1.4 顆粒態(tài)生物硅（PBSi）分析

懸浮顆粒物中PBSi濃度的測定，采用RAGUENEAUO et al［17］的熱堿提取方法。PBSi濾膜樣品在60℃下烘干。將濾膜1／4對折，置于15mL塑料離心管 中，加 入 4.0mL 濃 度 為 0.2μmol／dm3的NaOH溶液，加蓋混勻，在100℃水浴中連續(xù)提取40 min，提取完畢后，立即冷水浴至室溫，加入1.0mL濃度為1.0μmol／dm3的HCl溶液，使提取液大體呈現(xiàn)中性，然后對提取液進(jìn)行離心分離（3 500r／min，10 min）以分離上清液和顆粒物，移取一定體積上清液，測定溶解態(tài)硅的濃度。

采用硅鉬藍(lán)法和Skakar營養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀，依據(jù) GRASSHOFF et al［18］主編的《Methods of Seawater Analysis》對上清液中溶解態(tài)硅酸鹽進(jìn)行分析測定，檢測限為0.1μmol／dm3。RAGUENEAUO et al［17］的熱堿提取方法對濾膜顆粒態(tài)生物硅的提取最大值為10μmol，適用于大部分近岸水體，在大洋水體中可提取99%的生物硅組分，測得非BSi干擾通常只有2～5nmol／dm3［4］。顆粒態(tài)生物硅含量以單原子Si計(jì)數(shù)，濾紙上所得顆粒態(tài)生物硅的檢測限為2 nmol Si／dm3，文中簡寫為2nmol／dm3。

2 結(jié)果

2.1 營養(yǎng)鹽分布

DY20－WP站和DY21－WP站位于寡營養(yǎng)鹽的西赤道太平洋海域，表層營養(yǎng)鹽含量極低（圖2）。在DY20－WP站，0～200m層位DSi（Dissolved silicate，DSi）濃度都低于檢測限；DIP（Dissolved inorganic phosphate，DIP）在100m層位以淺均低于檢測限，100m以深濃度范圍為0.02～1.22μmol／dm3，平均為0.26μmol／dm3。DY21－WP站位DSi濃度為0.05～6.53μmol／dm3，平均為1.22μmol／dm3，略高于DY20－WP站；DIP濃度為0.02～0.31μmol／dm3，平均為0.07μmol／dm3。

DY20－EP站和DY21－EP站位于東太平洋海域，有北赤道流帶來的高營養(yǎng)鹽水，表層營養(yǎng)鹽相對豐富，但不同年份之間存在一定的差別（DY20－EP站采于2008年，DY21－EP站采于2009年）。DY20－EP站0～100m水層營養(yǎng)鹽含量很低，在200m以淺DSi平均濃度為3.61μmol／dm3，DIP濃度平均值為0.55μmol／dm3。DY21－EP站的營養(yǎng)鹽躍層比DY20－EP淺，且硅酸鹽和磷酸鹽濃度均略高于DY20－EP站，200m以淺平均濃度分別為18.09 μmol／dm3和1.52μmol／dm3?？傮w上，東赤道太平洋調(diào)查站位營養(yǎng)鹽濃度略高于西赤道太平洋，并且營養(yǎng)鹽躍層深度在東赤道太平洋調(diào)查海區(qū)較淺，有利于浮游植物的生長。

2.2 顆粒態(tài)生物硅的垂直和區(qū)域分布特征

調(diào)查海區(qū)各層位的顆粒態(tài)生物硅（PBSi）總濃度范圍為5～65nmol／dm3（圖3），水柱平均濃度為13～48nmol／dm3，平均為30nmol／dm3。

調(diào)查站位顆粒態(tài)生物硅的垂直分布差異顯著（圖3），DY21－EP站PBSi含量整體最高，濃度為21～65 nmol／dm3，其最高值（65nmol／dm3，50m 層）為調(diào)查層位中最高值，其水柱平均值為44nmol／dm3；DY20－EP站PBSi含量稍次于DY21－EP站，濃度為26～63 nmol／dm3，最高值（63nmol／dm3）出現(xiàn)在30m 層，水柱平均值為48nmol／dm3，為調(diào)查站位中水柱平均值的最高值；DY21－WP站PBSi含量在4個(gè)調(diào)查站位中最低，濃度范圍為5～20nmol／dm3，最小值5nmol／dm3（50m和75m層）也是調(diào)查海區(qū)最低值，該站水柱平均值為13nmol／dm3，也是水柱平均值的最小值；DY20－WP站PBSi含量稍高于 DY21－WP站，濃度為15～32nmol／dm3，水柱平均值為21nmol／dm3。東赤道太平洋各站位PBSi含量均遠(yuǎn)高于西赤道太平洋各站位的PBSi含量。

調(diào)查站位各層粒徑＞20μm的PBSi濃度為2～37nmol／dm3，占總PBSi濃度的18%～65%，平均貢獻(xiàn)率為39%；粒徑在0.8～20μm之間的PBSi濃度為3～50nmol／dm3，占 PBSi總量比例為32%～82%，平均為60%。

圖2 不同站位DIP和DSi的濃度垂直分布圖Fig.2 Vertical distributions of concentrations of DIP and DSi in different stations

DY21－EP站位PBSi濃度為13～34nmol／dm3（0.8～20μm）和8～37nmol／dm3（＞20μm），水柱平均濃度分別為26nmol／dm3（0.8～20μm）和19 nmol／dm3（＞20μm）；DY20－EP站位 PBSi濃度為17～50nmol／dm3（0.8～20μm）和9～23nmol／dm3（＞20μm），水柱平均值為35nmol／dm3（0.8～20 μm）和14nmol／dm3（＞20μm）；DY21－WP站位的PBSi為3～10nmol／dm3（0.8～20μm）和2～13 nmol／dm3（＞20μm），水柱平均值分別為7nmol／dm3（0.8～20μm）和6nmol／dm3（＞20μm）；而DY20－WP站位的PBSi為5～18nmol／dm3（0.8～20μm）和3～22 nmol／dm3（＞20μm），水柱平均值分別為12nmol／dm3（0.8～20μm）和9nmol／dm3（＞20μm）。按水柱平均濃度來對比，粒徑在0.8～20μm和＞20μm的PBSi含量排序分別為 DY20－EP＞DY21－EP＞DY20－WP＞DY21－WP 和 DY21－EP＞ DY20－EP＞ DY20－WP＞DY21－WP。東、西海域?qū)Ρ蕊@示，東赤道太平洋粒徑為0.8～20μm和＞20μm的PBSi含量分別是西赤道太平洋的近3倍和2倍。

圖3 赤道太平洋不同海區(qū)分級PBSi濃度垂直分布圖Fig.3 Vertical distribution of concentrations of size－fractionated PBSi in the Equatorial Pacific

3 討論

3.1 營養(yǎng)鹽對分級顆粒態(tài)生物硅濃度的控制

營養(yǎng)鹽濃度分布顯示，東赤道太平洋真光層以淺硅酸鹽及磷酸鹽濃度均顯著高于西赤道太平洋，并且上層營養(yǎng)鹽耗盡層的深度東赤道太平洋比西赤道太平洋更淺。分級顆粒態(tài)生物硅的濃度與硅酸鹽濃度分布一致，在赤道太平洋表現(xiàn)為西低東高的基本分布特征，顯然與真光層硅酸鹽可利用性對硅質(zhì)浮游植物生長繁殖的限制有關(guān)。其中東赤道太平洋的調(diào)查站位顆粒態(tài)生物硅的總濃度水柱平均值為46nmol／dm3，是西赤道太平洋站位（平均值為17 nmol／dm3）的近3倍。DY21－WP站位的顆粒態(tài)生物硅總濃度在4個(gè)站位中最低，DY20－EP站最高（圖4）。LEYNAERT et al［19］2001年在赤道太平洋測得的顆粒態(tài)生物硅含量為7～80nmol／dm3，BLAIN et al［20］在1997年對赤道太平洋顆粒態(tài)生物硅含量的測定結(jié)果為10～40nmol／dm3（寡營養(yǎng)鹽水體）和20～200nmol／dm3（富營養(yǎng)鹽水體）。本文結(jié)果與 LEYNAERT et al［19］和 BLAIN et al［20］的測定結(jié)果較為相近。在全球大洋其他海域調(diào)查結(jié)果顯示，夏季加拿大海盆和楚科奇海顆粒態(tài)生物硅的平均 濃 度 分 別 可 達(dá) 460nmol／dm3和 2 560nmol／dm3［21］，南大洋普里茲灣表層顆粒態(tài)生物硅高于760 nmol／dm3［22］。因此與其他海域相比，赤道太平洋的顆粒態(tài)生物硅總濃度在全球大洋中處于較低水平，這是因?yàn)橄鄬@些海域，赤道太平洋水體真光層中溶解硅酸鹽含量相對偏低，硅藻的生長受到了一定的限制［20］。

從粒徑結(jié)構(gòu)上看，DY20－WP站和DY21－WP站粒徑為0.8～20μm的PBSi平均濃度為9nmol／dm3，對總的顆粒態(tài)生物硅的貢獻(xiàn)可達(dá)57%；粒徑為20μm以上的PBSi平均濃度則為8nmol／dm3。而在DY21－EP站和DY20－EP站的PBSi則主要由粒徑為0.8～20μm的顆粒提供。顆粒態(tài)生物硅粒徑結(jié)構(gòu)顯示20μm以上的生物硅在東赤道太平洋的平均貢獻(xiàn)率為36%，在西赤道太平洋的平均貢獻(xiàn)率為43%（圖4）。東赤道太平洋的硅酸鹽濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于西赤道太平洋，并且顆粒態(tài)生物硅的濃度也有與之相對應(yīng)的差異，然而顆粒態(tài)生物硅的粒徑結(jié)果顯示在東赤道太平洋0.8～20μm顆粒提供了更高的顆粒態(tài)生物硅來源，其平均貢獻(xiàn)率高達(dá)64%。營養(yǎng)鹽分布對PBSi的濃度及粒徑分布有顯著影響。顯然營養(yǎng)鹽分布對PBSi的濃度及粒徑分布有顯著影響，是控制大洋運(yùn)轉(zhuǎn) “硅質(zhì)泵”的一個(gè)重要因素。

圖4 西赤道太平洋與東赤道太平洋PBSi水柱平均濃度及其粒級結(jié)構(gòu)Fig.4 Difference of average concentration of sizefractionated PBSi in water column between the eastern and western Equatorial Pacific

3.2 東、西赤道太平洋的“硅質(zhì)泵”結(jié)構(gòu)

在低緯度海域，由于海洋中CO2和鈣離子濃度過量，鈣質(zhì)浮游植物群落比硅藻群落更有優(yōu)勢［23］。寡營養(yǎng)鹽的西太平洋暖池，浮游植物群落結(jié)構(gòu)以原綠球藻、藍(lán)細(xì)菌及定鞭金藻為優(yōu)勢藻［24－25］，而硅藻的水柱平均貢獻(xiàn)低于5%［26］，顯然在東、西赤道太平洋中“硅質(zhì)泵”是相對較弱的，且其顆粒態(tài)生物硅主要由小粒徑的浮游植物貢獻(xiàn)，但存在次表層上升流的區(qū)域，硅藻的貢獻(xiàn)則能夠達(dá)到15%以上［26］。對于赤道太平洋海域，光照充足、溫度適宜，相對地營養(yǎng)鹽的含量及分布就成為“硅質(zhì)泵”更為主要的影響因素，相對高的營養(yǎng)鹽含量對應(yīng)相對高的葉綠素分布。根據(jù)NOAA獲得的同時(shí)期的表層葉綠素a的分布規(guī)律顯示，東赤道太平洋的葉綠素a高于西赤道太平洋，這說明東赤道太平洋營養(yǎng)鹽含量高于西赤道太平洋。而在富營養(yǎng)鹽的東赤道太平洋，小粒徑（0.8～20μm）的硅質(zhì)生物對“硅質(zhì)泵”有明顯的貢獻(xiàn)。這表明營養(yǎng)物質(zhì)的分布格局，是控制大洋運(yùn)轉(zhuǎn) “硅質(zhì)泵”的一個(gè)重要因素。

4 結(jié)論

（1）赤道太平洋調(diào)查站位顆粒態(tài)生物硅（PBSi）濃度范圍在5～65nmol／dm3之間，水柱平均濃度為13～48 nmol／dm3，平均為30nmol／dm3。各層位粒徑在0.8～20 μm之間的PBSi對PBSi總量的平均貢獻(xiàn)率達(dá)60%，表明生物硅主要來源于0.8～20μm粒徑生物硅。

（2）赤道太平洋調(diào)查海區(qū)分級PBSi的分布表明低硅酸鹽濃度的西赤道太平洋對應(yīng)了低濃度的PBSi，然而PBSi的粒徑結(jié)果顯示在富營養(yǎng)鹽的東赤道太平洋小粒徑（0.8～20μm）的硅質(zhì)生物是PBSi的主要來源，而在西赤道太平洋2個(gè)粒徑的貢獻(xiàn)率相當(dāng)。

致謝感謝“大洋一號”第20和第21航次調(diào)查船船長和船員以及考察隊(duì)其他成員在現(xiàn)場調(diào)查和樣品采集時(shí)所給予的幫助和支持！

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