付 丹鄭曉玲王保棟辛 明滕 芳謝琳萍

(國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266071)

南極半島近岸海域生物化學(xué)要素分布特征及影響因素

付 丹,鄭曉玲*,王保棟,辛 明,滕 芳,謝琳萍

(國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266071)

基于中國第30次南極科學(xué)考察在南極半島(60°～63°S)近岸海域獲取的調(diào)查資料,分析了該海域生物化學(xué)要素中溶解有機(jī)碳(DOC)、總氮(TN)和總磷(TP)分布特征并討論地形和水團(tuán)對(duì)其的影響。結(jié)果表明:2014年夏季南極半島近岸海域水體DOC濃度變化范圍為40.5～78.1μmol/L,平均濃度為66.3μmol/L;TN濃度變化范圍為4.2～29.5μmol/L,平均濃度為14.9μmol/L;TP濃度變化范圍為0.8～2.9μmol/L,平均濃度為2.0μmol/L。表層DOC呈現(xiàn)研究海域西北部D1斷面和東南部D5斷面濃度較高,中部DOC濃度較低;表層TN與TP濃度高值區(qū)出現(xiàn)在研究海域西部D1斷面北部以及南部,中部和東部濃度較低;DOC,TN和TP濃度的垂直分布與海底地形和水團(tuán)交匯密切相關(guān),水團(tuán)運(yùn)動(dòng)受阻于地形致使生物化學(xué)要素在垂直方向再分布。DOC,TN和TP空間分布反映了南極半島近岸海域生物化學(xué)要素復(fù)雜的流通,將為合理開發(fā)和利用南極資源及環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

南極半島;溶解有機(jī)碳;總氮;總磷;分布特征

南極地區(qū)是全球氣候變化最敏感的區(qū)域之一,且南大洋作為全球典型的高營養(yǎng)鹽低葉綠素[1](High Nitrate Low Chlorophyll,HNLC)的海區(qū),其生物化學(xué)要素直接影響南大洋的生物資源分布及生態(tài)環(huán)境變化。南大洋是全球大氣CO2最重要的匯,在全球碳循環(huán)中扮演重要角色[2]。溶解有機(jī)碳(Dissolved Organic Carbon,DOC)時(shí)空分布在海洋碳循環(huán)以及海洋生態(tài)系統(tǒng)中起著重要的作用[3]。海洋中氮磷分布也是海洋生產(chǎn)量、海區(qū)肥沃性的一種重要標(biāo)志[4]。復(fù)雜的海底地形和多支流交匯導(dǎo)致了南極半島近岸海域的流場和水團(tuán)交換異常復(fù)雜[5-6]。而隨著人類對(duì)南極研究的深入,對(duì)合理利用南極生物資源及南極生態(tài)環(huán)境影響程度的討論日益增加,探明該海域DOC,總氮(Total Nitrogen,TN)和總磷(Total Phosphorus,TP)及受水團(tuán)的影響對(duì)南極半島近岸海域生物地球化學(xué)循環(huán)、合理地開發(fā)利用南極生物資源及海岸工程前后海洋生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)方面具有重要意義。

科學(xué)界對(duì)南極半島地區(qū)生物化學(xué)的研究發(fā)現(xiàn),位于HNLC的南大洋系統(tǒng)中,南極半島威德爾海盆和羅斯海保持低的生產(chǎn)力水平[7]。Wiebinga和de Baar[8]認(rèn)為相對(duì)于世界主要大洋,南極半島近岸海域的DOC濃度較低。Guildford和Hecky[9]對(duì)海洋總態(tài)營養(yǎng)鹽研究發(fā)現(xiàn)海洋中葉綠素值與TP顯示正相關(guān)。無機(jī)營養(yǎng)鹽能夠模擬浮游植物生長,并且能示蹤表層海水的營養(yǎng)物的生物化學(xué)通量[10],有機(jī)態(tài)氮磷可能是海洋上混合層潛在的營養(yǎng)物質(zhì)庫[11],但是現(xiàn)今科學(xué)界多以無機(jī)態(tài)氮磷作為海洋營養(yǎng)要素研究的基礎(chǔ),對(duì)海洋中總態(tài)氮磷的研究仍較少[12]。隨著南極考察的工程建設(shè),海岸生態(tài)環(huán)境必然受到影響,對(duì)南極區(qū)域性環(huán)境承載力與脆弱性評(píng)價(jià)急待深入。而工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)體系中,生物化學(xué)要素變化影響環(huán)境的影響程度對(duì)評(píng)價(jià)工程綜合效益意義重大[13-14]。本文利用中國第30次南極科學(xué)考察航次期間采集的海水樣品,分析了南極半島近岸海域DOC,TN和TP的空間分布特征,并討論了地形和水團(tuán)的影響,以期對(duì)南極半島近岸海域環(huán)境影響評(píng)價(jià)及生物資源利用與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

(王 燕 編輯)

1 研究方法

1.1 站位信息

根據(jù)中國第30次南極大洋科學(xué)考察實(shí)施方案,在2014年2月中旬至3月期間,利用雪龍?zhí)柨瓶即拇dSBE 911 PLUS CTD搭載的10 L Rosette采水器,采集南極半島近岸海域海水樣品。采樣區(qū)域向西以南極半島北部和西北部陸架及陸坡為界,向東以南奧克尼群島東部威德爾海底層水外流區(qū)為界,即60°～63°S, 45°～60°W的海域布設(shè)了28個(gè)測(cè)站。采樣層次主要以0,25,50,100,200 m標(biāo)準(zhǔn)水層外加500,1 000 m和底層為主(以站位水深為準(zhǔn))。具體采樣站位信息見圖1。

圖1 南極半島近岸海域調(diào)查站位圖Fig.1 Survey stations in the offshore area of the Antarctic Peninsula

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

樣品的采集、保存及分析按照GB/T 12763.4—2007《海洋調(diào)查規(guī)范》[15]和GB 17378.4—2007《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》[16]進(jìn)行。DOC水樣采集后立即用預(yù)先經(jīng)450℃灼燒過的0.45μm GF/F玻璃纖維膜過濾,收集50 m L濾液于450℃預(yù)灼燒過的棕色玻璃試劑瓶中,TN與TP水樣直接采集100 m L海水樣品封存于Nalgene聚乙烯瓶中,-20℃冰庫冷凍保存。同時(shí)記錄采樣站位CTD溫度,鹽度,深度和葉綠素信息。

采用高溫催化氧化法[17]總有機(jī)碳分析儀(TOC-VCPH型,日本島津公司產(chǎn)品)測(cè)定海水中DOC濃度。儀器法精密度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2%;再現(xiàn)性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2%;相對(duì)誤差為1%。采用過硫酸鉀氧化法[18]營養(yǎng)鹽連續(xù)注射流動(dòng)分析儀(SKALAR San++型,荷蘭SKALAR公司產(chǎn)品)測(cè)定海水中TN與TP濃度。TN檢出限為3.78μmol/L,TN濃度為20.0μmol/L時(shí),相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為±5%;TP檢出限為0.09μmol/L,TP濃度為1.0～6.4μmol/L時(shí),相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為±5%。

2 結(jié)果與討論

2.1 DOC,TN與TP濃度分布特征

南極半島近岸海域海水中DOC,TN與TP濃度測(cè)定結(jié)果(表1)顯示,DOC變化范圍為34.3～186.7 μmol/L,主要變化范圍為40.5～78.1μmol/L,平均濃度為66.3μmol/L。已知的南大洋DOC報(bào)道中, Ogawa等[17]于1995年夏季在凱爾蓋朗群島觀測(cè)到的上混合層DOC濃度為45～55μmol/L。Wiebinga等[8]于1994年夏季在南極半島海域(62°E,49°～66°S)得到上混合層DOC濃度為51.5～63.2μmol/L,主要變化范圍為43.0～91.0μmol/L與本文研究海域的DOC濃度相當(dāng)。相較于世界其他大洋DOC濃度分布(表2),本文研究海域部分開闊區(qū)域DOC含量低于已報(bào)道的大洋含量,南大洋的HNLC性質(zhì)可能是原因之一。

表1 DOC,TN與TP濃度測(cè)定結(jié)果Table 1 Determinations of DOC,TN and TP concentrations

表2 世界其他水域DOC,TN與TP濃度分布[9,19-23]Table 2 Distributions of DOC,TN and TP concentrations in the other oceans of the world

TN變化范圍為4.2～29.5μmol/L,平均濃度為14.9μmol/L;TP濃度的變化范圍為0.8～2.9μmol/L,平均濃度為2.0μmol/L。已知的南大洋氮磷營養(yǎng)鹽報(bào)道中,Blain等[24]于2013年夏季研究了南大洋凱爾蓋朗群島附近(68°～70°E,48°～49°S)的氮磷濃度,以加和的形式得到無機(jī)氮和有機(jī)氮濃度總和變化范圍約為25.8～26.4μmol/L,無機(jī)磷濃度大于1.0μmol/L,本文研究海域的TN濃度與凱爾蓋朗群島無機(jī)氮與有機(jī)氮加和濃度相似。相較于世界其他水域TN與TP濃度分布(表2),本文研究海域TN濃度低于其他大洋; TP濃度略高于其他大洋,但是低于淡水。

2.2 表層DOC,TN和TP水平分布特征

南極半島近岸海域表層DOC,TN與TP濃度水平分布特征見圖2。

圖2 表層DOC,TN與TP濃度水平分布特征Fig.2 Horizontal distribution characteristics of DOC,TN and TP concentrations in the surface layer

表層DOC濃度(圖2a)在研究海域西北部D1斷面和東南部D5斷面濃度較高,研究海域中部鮑威爾海盆,D2斷面,D4斷面和橫向DA斷面DOC濃度均較低。

D1斷面北部D1-03站為南設(shè)得蘭海槽至德雷克海峽海域,海水溫度隨深度先降低再升高,300～500 m水溫最高達(dá)1.9℃,1 000 m水深降低至1.3℃;鹽度隨深度增大而增大,底層鹽度保持在34.7。該現(xiàn)象表明,D1斷面北部水團(tuán)是典型的南極圈水團(tuán),從上至下依次為夏季表層水、冬季水和繞極深層水(Circumpolar Deep Water,CDW)[6]。CDW自西向東流動(dòng),D1斷面北部地形升高,深層水被迫抬升,儲(chǔ)存在南大洋深層的碳庫[8]抬升致使表層DOC濃度出現(xiàn)高值區(qū)。D1-03站0,100 m DOC濃度均大于100μmol/L,200 m DOC濃度甚至高于160μmol/L。D1斷面南部D1-07站位于中央海盆,海水溫度隨深度增大而先升高再降低, 50 m水溫最高達(dá)0.8℃,1 000 m水深降低至-1.3℃,該現(xiàn)象表明,由于海底地形的影響,D1-07站與D1-03站的DOC來源不同;該站和鮑威爾海盆DOC濃度均呈現(xiàn)較低的特征,與史久新等[6]報(bào)道的中央海盆可能受鮑威爾海盆水團(tuán)影響相符合。

D5斷面溫度垂直分布特征為隨深度先降低再升高,底層溫度保持在0.5℃左右。鹽度隨深度增加而增大,底層鹽度保持在34.6左右,該現(xiàn)象表明,D5斷面是威德爾深層水(Weddell Deep Water,WDW)[6]。D5-04站,D5-05站和D5-06站DOC濃度出現(xiàn)異常高值均大于100μmol/L,最高達(dá)186.7μmol/L。D5斷面位于南奧克尼海臺(tái),WDW保持順時(shí)針氣旋式運(yùn)動(dòng)[6],北向越過南奧克尼海臺(tái)進(jìn)入斯科舍海。威德爾海深層碳庫隨WDW[25]運(yùn)動(dòng)可能是D5斷面DOC濃度出現(xiàn)局部高值的原因之一。

D2斷面橫跨范圍廣,北部與南部DOC分布呈現(xiàn)不同的特征。北部底層水溫最高達(dá)1.7℃,該現(xiàn)象表明,D2斷面北部受CDW的影響,DOC濃度最高達(dá)88.0μmol/L;南部位于鮑威爾海盆,整體濃度較低,南部底層溫度達(dá)0.4℃,但是溫鹽在垂直方面分布均沒有D5斷面緊密相關(guān),該現(xiàn)象表明,此處可能為WDW水團(tuán),但是受其他因素的影響導(dǎo)致DOC濃度較低。

D3和DA斷面溫鹽數(shù)據(jù)變化復(fù)雜,此處水團(tuán)交匯復(fù)雜,但是均沒有出現(xiàn)高濃度的DOC,DOC濃度范圍為54.1～75.3μmol/L,具有南大洋DOC的低濃度特征。

表層TN與TP濃度高值區(qū)出現(xiàn)在研究海域西北部D1斷面以及南部,中部和東部濃度較低(圖2b和圖2c)。

D1斷面西北部D1-03站TN濃度范圍為21.6～29.5μmol/L,TP濃度范圍為2.0～2.6μmol/L。中部和東部TN濃度范圍為7.5～14.6μmol/L,TP濃度范圍為0.8～2.5μmol/L。與DOC和水團(tuán)關(guān)系相似,TN與TP和水團(tuán)運(yùn)動(dòng)也存在相關(guān)性。D1斷面北部CDW自西向東流動(dòng)時(shí)受阻于地形,上層水體顯示高濃度的TN與TP;南部WDW在威德爾海邊緣地區(qū)顯示較高濃度的TN與TP;WDW水團(tuán)向北流至鮑威爾海盆卻顯示較低濃度的TN與TP。

南極半島北部和南部分布受CDW和WDW水團(tuán)影響較大的近岸海域DOC,TN與TP濃度較大,中部區(qū)域濃度較小。作為生物化學(xué)要素基礎(chǔ)的DOC,TN與TP反映了海洋生產(chǎn)力水平上限,是海岸工程對(duì)海洋生態(tài)影響的重要參數(shù)[13],海岸工程前后的生物化學(xué)要素變化體現(xiàn)工程對(duì)近岸海域總體影響的累積效應(yīng),各階段生物化學(xué)要素的變化是工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)體系中重要組成部分。

2.3 DOC,TN與TP垂直分布特征

由2.2可知南極半島近岸海域D1和D5斷面為DOC,TN與TP濃度變化較大的海域,因此,本節(jié)選取D1(圖3a)和D5(圖4a)斷面介紹該海域DOC,TN與TP垂直分布特征。

DOC濃度垂直分布受地形和水團(tuán)影響,D1斷面北部隨深度先降低后升高并趨于穩(wěn)定;南部上層出現(xiàn)高值,隨后降低,底層DOC濃度較低(圖3b)。D5斷面北部DOC普遍較高;南部表層較高,底層較低(圖4b)。

圖3 D1斷面DOC,TN與TP垂直分布特征Fig.3 Vertical distribution characteristics of DOC,TN and TP concentrations along Section D1

D1斷面北部D1-03站DOC濃度在25～50 m左右降低,在50～200 m升高,200 m以下水層較高且穩(wěn)定,可能是因?yàn)镃DW底層難以降解的DOC循環(huán)時(shí)間尺度較長,在海洋中的空間運(yùn)動(dòng)是海洋碳循環(huán)重要組成部分[26]。D1斷面北部DOC隨地形有明顯抬升的趨勢(shì)(圖3b),驗(yàn)證了CDW被地形抬升。相對(duì)于南部D1-07站和北部D1-03,D1-05站全水深的DOC濃度均較低,該站為CDW和中央海盆中水團(tuán)交匯處,相對(duì)于該站高濃度的TN和TP,反應(yīng)了D1-05站的低生產(chǎn)力水平。

D5斷面北部,WDW繞過南奧克尼海臺(tái)進(jìn)入斯科舍海[6]。根據(jù)現(xiàn)場CTD葉綠素結(jié)果顯示,D5斷面葉綠素值于25 m左右出現(xiàn)極大值,上混合層DOC濃度也較大(圖4b),這表明生物活動(dòng)與上混合層較高的DOC有一定的相關(guān)性。D5斷面南部深層水的溫度和鹽度隨深度逐漸增大(圖4e和4f),和史久新等[6]中介紹的WDW屬性一致,表明WDW也能夠從南部爬上南奧克尼海臺(tái),成為D5斷面南部DOC分布的主要影響因素。

TN和TP濃度的垂直分布特征受地形和水團(tuán)影響,D1斷面隨深度先升高后降低(圖3c和3d),D5斷面隨深度增加逐漸增大(圖4c和4d)。

圖4 D5斷面DOC,TN,TP濃度與溫鹽垂直分布特征Fig.4 Vertical distribution characteristics of DOC,TN and TP concentrations and the temperature and salinity along Section D5

D1斷面上混合層TN與TP變化較大,TN和TP濃度在表層較高,其在25～200 m升高,200 m以下水層較高。該海域地形復(fù)雜,陸架陸坡等隔絕使得底層海水被阻隔抬升,溫度和鹽度變化復(fù)雜,表明不同水團(tuán)在此斷面上混合層進(jìn)行復(fù)雜的混合。D5斷面的上混合層TN和TP普遍較低,而底層的TN和TP值卻較高,這與DOC分布特征完全相反。

研究海域DOC,TN與TP濃度在25～75 m的急劇變化顯示出溫躍層對(duì)深層海水營養(yǎng)物質(zhì)存在隔絕作用,上混合層水平方向上DOC,TN與TP濃度變化顯著,表明上混合層水體平流對(duì)DOC,TN與TP的具有較強(qiáng)流通作用。溫躍層以下DOC,TN與TP濃度在一定范圍內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定。

DOC,TN和TP及地形與水團(tuán)垂直分布特征反映了南極半島近岸海水交換能力對(duì)生物化學(xué)要素的具有重要影響,也是環(huán)境影響評(píng)價(jià)的重要依據(jù)[27]。

2.4 cDOC/cTN與cTN/cTP

海洋浮游植物多樣性及生產(chǎn)力水平與海洋生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)[13],是海岸工程對(duì)海洋生物生態(tài)影響的主要分析因子。浮游植物與海水中C/N/P比例近乎恒定且相等,稱為Redfield值[28]。海水中營養(yǎng)鹽摩爾比值偏離Redfield系數(shù)過高或過低,均可導(dǎo)致浮游植物的生長受到某一相對(duì)低含量元素的限制。無機(jī)態(tài)、有機(jī)態(tài)和顆粒態(tài)氮磷均能被浮游植物吸收進(jìn)行物質(zhì)循環(huán),均在海洋氮磷循環(huán)中起著重要作用,所以cTN/cTP理論上可以合理地解釋浮游植物限制作用[12],且cTN/cTP已經(jīng)被運(yùn)用在計(jì)算淡水系統(tǒng)中氮磷的限制影響[29],海洋中cTN/cTP仍缺乏研究,本節(jié)研究南極半島近岸海域cDOC/cTN和cTN/cTP比值,以期為研究南極半島近岸生物資源特征與海洋資源保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

研究海域近岸海域cDOC/cTN與cTN/cTP比值見圖5。cDOC/cTN比值范圍為2～10(圖5a),平均值為5.0。研究海域西部D1與D2斷面cDOC/cTN比值范圍為3～5;中部D3與DA斷面cDOC/cTN比值范圍為5～9;東部D5斷面上混合層出現(xiàn)異常大值,cDOC/cTN比值達(dá)到16～19,可能由于D5斷面為研究海域DOC濃度最高值區(qū)域。由于水團(tuán)性質(zhì)的影響,D5斷面不同水深比值變化較大,比值范圍為2～19。

cTN/cTP比值小于16,比值范圍為3～16(圖5b),平均值為7.7。D1斷面D1-03,D1-04,D1-05站位cTN/cTP比值范圍為10～21;D1-06,D1-07與D2斷面南部cTN/cTP比值范圍為6～9,D2斷面比值由南向北有減小的趨勢(shì),北部D2-02站cTN/cTP值減小至4～5;中部D3與DA斷面,cTN/cTP比值范圍為3～5;東部D5斷面cTN/cTP比值相對(duì)于中部有所提高,比值范圍為5～10。

圖5 研究海域cDOC/cTN與cTN/cTPFig.5.The ratios ofcDOC/cTNandcTN/cTPin the study area

3 結(jié) 論

南極半島近岸海域水體生物化學(xué)要素中DOC濃度的變化范圍為34.3～186.7μmol/L,主要變化范圍為40.5～78.1μmol/L,平均為66.3μmol/L。TN濃度的變化范圍為4.2～29.5μmol/L,平均為14.9 μmol/L;TP濃度的變化范圍為0.8～2.9μmol/L,平均為2.0μmol/L。研究海域cDOC/cTN比值范圍為2～10,總均值為5.0。cTN/cTP比值小于16,比值范圍為3～16,平均值為7.7。

表層DOC,TN和TP濃度西北部與南部濃度較高,中部與東部較低;DOC,TN和TP濃度垂直分布與海底地形和水團(tuán)交匯密切相關(guān),水團(tuán)運(yùn)動(dòng)受阻于地形而被迫抬升致使生物化學(xué)要素在垂直方向再分布。生物化學(xué)要素DOC,TN與TP空間分布特征反映了海洋生產(chǎn)力水平上限和海水交換能力,對(duì)科學(xué)可持續(xù)地開發(fā)和利用南極資源有重要意義,為工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)體系中工程綜合效益的評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

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Distributions of Biochemical Elements and Their Influencing Factors in the Offshore Area of the Antarctic Peninsula

FU Dan,ZHENG Xiao-ling,WANG Bao-dong,XIN Ming,TENG Fang,XIE Lin-ping
(The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China)

Based on the data obtained in the offshore area(60°～63°S)of the Antarctic Peninsula during the 30th Chinese Antarctic Research Expedition,the distribution characteristics of dissolved organic carbon (DOC),total nitrogen(TN)and total phosphorus(TP)in the study area are analyzed and the control factors such as topography and water mass are discussed.The results show that in the summer of 2014,the concentration of DOC in the water mass of the study area varied from 40.47 to 78.08μmol/L,with an average of 66.33μmol/L;the concentration of TN varied from 4.24 to 29.54μmol/L,with an average of 14.88μmol/L;and the concentration of TP ranged from 0.80 to 2.85μmol/L,with an average of 2.00μmol/L.The concentration of DOCin the surface layer was higher along Section D1 in the northwest and Section D5 in the southeast and lower in the middle of the study sea.The concentrations of TN and TP in the surface layer were higher to the north and south of Section D1 and lower in the middle and eastern parts of the study area.The vertical distributions of DOC,TN and TP concentrations are considered to be closely related to the seabed topography and the water masses.The impediment of seabed topography to the water masses may cause the biochemical elements to redistribute vertically.The spatial distributions of DOC,TN and TP reflect the complex biochemical cycles in the offshore area of the Antarctic Peninsula. This study will provide scientific basis for the resources development and utilization and the environmental impact assessment in the Antarctic pole.

Antarctic Peninsula;dissolved organic carbon;total nitrogen;total phosphorus;distribution characteristics

P734.2

A

1002-3682(2017)01-0043-09

10.3969/j.issn.1002-3682.2017.01.005

2016-11-29

南北極環(huán)境綜合考察與評(píng)估專項(xiàng)——南極周邊海域海洋化學(xué)與碳通量考察(CHINARE2016-01-04)

付 丹(1991-),男,碩士研究生,主要從事海洋化學(xué)與大氣化學(xué)方面研究.E-mail:fudan@fio.org.cn

*通訊作者:鄭曉玲(1962-),女,研究員,博士,主要從事極地環(huán)境科學(xué)方面研究.E-mail:zxl@fio.org.cn

Received:November 29,2016