張一成 韓正兵 楊洋 潘建明 張海峰 李棟 趙軍 朱秋紅 范高晶 張海生

研究論文

南極半島鄰近海域夏季POC分布特征及其影響因素

張一成1,2韓正兵1,2楊洋1,2潘建明1,2張海峰1,2李棟1,2趙軍1,2朱秋紅1,2范高晶1,2張海生1,2

(1自然資源部第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012;2自然資源部海洋生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310012)

海水中的顆粒有機(jī)碳(POC)與生物的生命過程、初級生產(chǎn)力關(guān)系密切, 是海洋食物鏈中重要的物質(zhì)基礎(chǔ)和能量來源, 因此POC的分布特征可以有效反映其生物地球化學(xué)環(huán)境。利用中國第33次南極考察期間(2016年12月至2017年1月)在南極半島鄰近海域采集的海水顆粒物樣品, 研究POC的空間分布特征及其影響因素。結(jié)果表明, 斯科舍海0—200 m的POC濃度范圍為7.44—193.52 μg·L?1, 平均濃度為(48.84±35.09) μg·L?1; 南斯科舍海嶺0—200 m的POC濃度范圍為9.13—62.17 μg·L?1, 平均濃度為(29.76±14.12) μg·L?1; 鮑威爾海盆0—200 m的POC濃度范圍為5.87—270.72 μg·L?1, 平均濃度為(48.57±38.92) μg·L?1。表層POC高值出現(xiàn)在斯科舍海區(qū)和鮑威爾海盆區(qū), 而低值出現(xiàn)在海嶺區(qū), 與葉綠素(Chl)的變化趨勢一致, 與營養(yǎng)鹽的變化趨勢相反。垂向分布上, 各個區(qū)域POC平均濃度隨深度的增加而減少, 鮑威爾海盆和斯科舍海POC最高值都出現(xiàn)在25 m層。分析結(jié)果表明光合浮游植物是研究海域POC的主要來源, POC的主要影響因素為溫度、水團(tuán)混合以及海冰環(huán)境。斯科舍海與鮑威爾海盆整體非生命POC占比高, 可能是由于高磷蝦生物量、海冰碎屑以及陸源輸入的干擾; 南斯科舍海嶺整體非生命POC占比低。

南極半島鄰近海域 顆粒有機(jī)碳(POC) Chl營養(yǎng)鹽 融冰

0 引言

海洋浮游植物通過光合作用固定真光層中的CO2并將其轉(zhuǎn)化為顆粒有機(jī)碳(POC), POC雖僅占海洋有機(jī)碳總量的10%左右[1], 但在整個海洋碳循環(huán)及海洋生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。海水中的POC與生物的生命過程、初級生產(chǎn)力關(guān)系密切, 是海洋食物鏈中重要的物質(zhì)基礎(chǔ)和能量來源, 可分為生命與非生命兩部分, 生命POC來自生物生產(chǎn)作用, 包括微小型光合浮游植物、大型藻類、細(xì)菌、浮游動物和小魚小蝦等, 而非生命POC則主要是有機(jī)碎屑[2]。此外, POC的分解與無機(jī)營養(yǎng)鹽的再循環(huán)(特別是氮、磷、硅)之間存在重要的協(xié)同作用[3], 因此研究海洋中POC分布特征及影響因素意義重大。

南大洋是大氣CO2重要的匯[4], 對大氣CO2濃度和全球氣溫有重要調(diào)節(jié)作用[5], 從而使得該區(qū)域碳循環(huán)的研究成為全球變化科學(xué)的熱點(diǎn)[6]。南極半島附近海域(主要包括斯科舍海、南斯科舍海嶺、鮑威爾海盆)是南大洋的重要組成部分, 該海域地形復(fù)雜且水團(tuán)交換頻繁[7], 營養(yǎng)鹽與生物生產(chǎn)力具有高度的時空變異性[8], 是受全球氣候變暖影響最敏感的區(qū)域之一。自上個世紀(jì)五十年代以來, 南極半島升溫顯著、鄰近的海洋水體增暖、冰架崩塌和海冰帶退縮現(xiàn)象顯著[9-12]。同時, 由于海水中POC分布特征與生物的生命活動密切相關(guān), 并對物理和化學(xué)等環(huán)境因素有著敏感的響應(yīng)和反饋。因此, 對南極半島附近海域POC的空間分布特征以及POC/Chl值進(jìn)行研究, 可以更好地了解和評估南大洋碳循環(huán)對全球氣候的影響和反饋。目前, 我國對南極半島鄰近海域等其他海域的研究較為有限[13], 對海洋生態(tài)系統(tǒng)與南大洋碳循環(huán)的相互作用的研究更為匱乏。本文通過對南極半島鄰近海域的POC分布特征及其影響因素的分析, 估算了不同區(qū)域非生命POC所占比例, 為深入了解南極海洋碳的生物地球化學(xué)循環(huán)過程提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究海域

南極半島位于西南極地區(qū), 是南極大陸最大、向北深入海洋最遠(yuǎn)(63°S)的大半島, 有“海洋性南極”之稱。它東瀕威德爾海, 西瀕別林斯高晉海, 北隔德雷克海峽與南美洲相望, 南接埃爾斯沃斯高地。南極半島鄰近海域水團(tuán)主要包括了威德爾海環(huán)流, 威德爾海底層水, 陸架水, 以及北部的南斯科舍海嶺一帶的南極繞極流和沿岸流[14-15]。斯科舍海受到南極繞極流影響, 其高溫高鹽無冰的環(huán)境有利于硅藻[16]繁殖以及磷蝦[17]的生長發(fā)育。南斯科舍海嶺受到沿岸流以及低溫高鹽威德爾環(huán)流[18-19]的影響, 水體環(huán)境不穩(wěn)定, 有研究[16]發(fā)現(xiàn)此區(qū)域的主要浮游植物為甲藻。鮑威爾海盆常年受到海冰覆蓋, 冰藻占主導(dǎo)優(yōu)勢。這里本文根據(jù)水文狀況和浮游植物的種類組成的不同將站位劃分為三類, 分別為斯科舍海區(qū)、南斯科舍海嶺區(qū)和鮑威爾海盆區(qū), 見圖1。

1.2 樣品采集

本研究的樣品通過中國第33次南極科學(xué)考察(2016年12月至2017年1月)獲取。采集站點(diǎn)分別由3條經(jīng)向斷面(D2、D3和D5)和2條緯向斷面(DA和DB)組成(圖1), 其中D2斷面位于鮑威爾海盆的西側(cè), D3斷面的南半部分穿過鮑威爾海盆, 北部站位延伸至斯科舍海, D5斷面位于調(diào)查區(qū)域最東側(cè), 自斯科舍海向南延伸至南奧克尼海臺。DA斷面位于斯科舍海南側(cè)的南斯科舍海嶺, DB斷面則位于鮑威爾海盆和威德爾海之間。

圖1 南極半島附近海域采樣站位. 藍(lán)色圓圈表示鮑威爾海盆區(qū)域, 紅色三角形表示南斯科舍海嶺區(qū)域, 黃色正方形表示斯科舍海區(qū)域, 灰色箭頭表示海流方向, 黑色實(shí)線表示南極繞極流鋒面(Southern Antarctic Circumpolar Current Front, SACCF), 黑色虛線表示南極繞極流南邊界(Antarctic Circumpolar Current Southern Boundary, ACCSB)

Fig.1. Sampling stations in the adjacent ocean of Antarctic Peninsula. Blue circle indicates the Powell Basin area, red triangle indicates the South Scotia Ridge area, and yellow square indicates the Scotia Sea area. Gray arrows indicate the direction of the currents, black solid line indicates Southern Antarctic Circumpolar Current Front (ACCSF), and black dash line indicates Antarctic Circumpolar Current Southern Boundary (ACCSB)

水體中POC樣品的采集方法如下: 量取一定體積的海水(0.5—3L, 視顆粒物濃度而定), 使用經(jīng)馬弗爐450°C預(yù)灼燒過的Whatman GF/F玻璃纖維濾膜(直徑47 mm, 孔徑0.7 μm)過濾, 濾膜于?20℃下冷凍保存, 并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

海水中的營養(yǎng)鹽樣品按照GB17378-2007[20]于現(xiàn)場采集: 采集水樣取250 mL, 倒入預(yù)先安裝好醋酸纖維濾膜的抽濾裝置的濾杯上過濾, 濾液放于營養(yǎng)鹽水樣瓶, 加入氯化汞固定(Nalgen), 除銨鹽外帶回實(shí)驗(yàn)室分析。葉綠素(Chl)樣品使用GF/F玻璃纖維濾膜(直徑為25 mm, 孔徑為0.7 μm)過濾250 mL水樣, 冷凍保存至測試分析。

溫度和鹽度數(shù)據(jù)由SBE 911 plus CTD直接獲取。

1.3 樣品測定方法

POC濾膜樣品用濃鹽酸熏蒸12 h以去除無機(jī)碳, 再用超純水清洗去除殘留的鹽酸, 在50°C條件下烘干。使用鋁舟包裹濾膜樣品后, 用元素分析儀(Elementar, 德國)測定樣品中POC含量(分析精度為CHNS<0.1%)。

營養(yǎng)鹽的測定方法參考GB17378-2007[20]和《極地海洋水文氣象、化學(xué)和生物調(diào)查技術(shù)規(guī)程》[21]。其中, 銨鹽采用靛酚藍(lán)法, 使用7230G型分光光度計進(jìn)行現(xiàn)場測定。其余四項營養(yǎng)鹽用連續(xù)流動式營養(yǎng)鹽自動分析儀(Skalar San++, 荷蘭)進(jìn)行分析, 其原理方法分別為: 亞硝酸鹽采用重氮-偶氮法, 硅酸鹽采用硅鉬藍(lán)法, 磷酸鹽采用磷鉬藍(lán)法, 硝酸鹽采用銅鎘柱還原法。分析過程中所用標(biāo)準(zhǔn)溶液均由國家海洋局第二海洋研究所標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心生產(chǎn)(GBW 08617-08645)。((1)硝酸鹽濃度在0—10 μmol·L?1范圍內(nèi)的檢測標(biāo)準(zhǔn)偏差為±0.2 μmol·L?1; 硝酸鹽濃度在10—50 μmol·L?1范圍內(nèi)的檢測標(biāo)準(zhǔn)偏差為±0.5 μmol·L?1。(2)硅酸鹽濃度在5 μmol·L?1范圍內(nèi)的檢測精度為±0.4%; 硅酸鹽濃度在40 μmol·L?1范圍內(nèi)的檢測精度為±2.5%)

Chl濃度測定采用萃取熒光法, 采用90%(體積比)丙酮于?20°C下萃取24 h, 用唐納熒光計(Turner Designs fluorometer, Model 10)測定。(最小檢出限: 0.025 mg·m?3)

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析(Duncan’s multiple- range test)檢驗(yàn)各個水層之間POC和各個水層間Chl顯著性差異(<0.05)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示。采用雙變量相關(guān)分析(系數(shù))來檢驗(yàn)表層POC和Chl的相關(guān)性。采用主成分分析來分析影響生源要素和環(huán)境要素對POC的影響。采用POC總?Chl×f=POC非生命[2](公式1，其中POC總為POC的總量，Chl為葉綠素的量，f為比例系數(shù)，約為25—250，POC非生命為POC中的非生命部分)來估算不同區(qū)域POC的來源貢獻(xiàn)。

2 結(jié)果

2.1 POC、Chl a和營養(yǎng)鹽濃度的表層分布

2016—2017年南極半島鄰近海域夏季表層POC分布如圖2a所示, 其濃度范圍為26.98—113.72 μg·L?1, 平均為(60.23±23.60) μg·L?1(n=38), 其分布具有明顯的區(qū)域性特征, 斯科舍海與鮑威爾海盆表層POC呈高值, 象島附近區(qū)域則呈低值。表層水體中Chl濃度在0.07—1.29 μg·L?1之間, 平均為(0.33±0.31) μg·L?1(n=38), 其分布趨勢與POC基本吻合(=0.51,<0.01(圖2b)。

表層水體中硅酸鹽(SiO3-Si)、磷酸鹽(PO4-P)和硝酸鹽(NO3-N)的平均濃度分別為(74.09±10.06) μmol·L?1、(1.82±0.23) μmol·L?1和(27.04±4.64) μmol·L?1(n=38), 各項營養(yǎng)鹽在象島處均有一個明顯的高值, 并呈現(xiàn)從西到東的遞減趨勢(圖3)。表層硅酸鹽和磷酸鹽的最高值均出現(xiàn)在DA-12站位, 濃度分別為91.96 μmol·L?1和2.19 μmol·L?1, 最低值均出現(xiàn)在D5-4, 濃度分別為43.72 μmol·L?1和1.36 μmol·L?1。

2.2 POC濃度斷面分布特征

D2斷面靠近南極半島, 起始于象島附近, 穿過鮑威爾海盆。該斷面的POC濃度分布從北至南呈增加趨勢, 與Chl濃度分布一致。POC最高值位于D2-8站位次表層, Chl最高值位于D2-9站位次表層。

圖2 南極半島鄰近海域POC和Chl a的表層分布. a) POC(μg·L?1); b) Chl a(μg·L?1)

Fig.2. Distributions of POC and Chlconcentrations in surface water in the adjacent ocean of Antarctic Peninsula. a) POC(μg·L?1); b) Chl(μg·L?1)

圖3 南極半島及附近海域表層水體營養(yǎng)鹽分布. a)硅酸鹽(μmol·L?1); b)磷酸鹽(μmol·L?1); c)硝酸鹽(μmol·L?1)

Fig.3. Distributions of nutrients in surface water in the adjacent ocean of Antarctic Peninsula. a) Silicate (μmol·L?1); b) Pho-sphate(μmol·L?1); c) Nitrate(μmol·L?1)

D3斷面的南半部分穿過鮑威爾海盆, 北半部分處于斯科舍海邊緣。整體上該斷面的POC分布從南至北呈現(xiàn)增加趨勢, 斯科舍海附近POC濃度普遍較高, 鮑威爾海盆相對較低(圖4b), 在59.5°S附近50 m深度附近出現(xiàn)一個高值區(qū), Chl在鄰近區(qū)域(D3-7和D3-6站位)的次表層出現(xiàn)高值區(qū)。

D5斷面位于最東側(cè), 沿44.7°W縱貫?zāi)蠆W克尼海臺。POC的高值區(qū)有兩個, 分別是位于ACCSB南北兩側(cè)的D5-4和D5-6站位。其中, Chl與POC呈現(xiàn)對應(yīng)關(guān)系, 59.5°S附近的Chl高值區(qū)要深于POC高值區(qū), 而在北部的58.5°S附近區(qū)域二者高值區(qū)則呈對應(yīng)現(xiàn)象(圖4c)。

DA斷面起始于象島東側(cè), 自西向東橫穿過南斯科舍海嶺。該斷面POC與Chl變化不大, 整體濃度偏低, 僅在東側(cè)近奧克尼群島區(qū)域略有增加趨勢(圖4d)。

DB斷面起始于南極半島附近, 橫穿過鮑威爾海盆。POC和Chl呈相同的變化趨勢, 濃度在表層和次表層自西向東遞減。該斷面0—25 m層POC與Chl濃度明顯大于DA斷面。POC的高值區(qū)有兩個, 分別位于DB-2和DB-4站位的25 m, 與Chl分布一致。

2.3 POC與Chl a濃度區(qū)域差異

斯科舍海POC和Chl最大值都出現(xiàn)在25 m層(如圖5所示), 這主要是由于生物與物理的耦合作用造成的, 致使浮游植物在相應(yīng)的水層出現(xiàn)了最大值。表層POC的平均濃度為(61.00±29.34) μg·L?1, Chl平均濃度為(0.59±0.43) μg·L?1。25 m層POC的平均濃度為(75.54±51.29) μg·L?1, Chl平均濃度為(0.73±0.79) μg·L?1。50 m層POC的平均濃度為(56.72±30.75) μg·L?1, Chl平均濃度為(0.65±0.57) μg·L?1。100—200 m層POC和Chl平均濃度均顯著小于25 m層(<0.05)。

南斯科舍海嶺區(qū)POC和Chl平均濃度在三個區(qū)域中最低。Chl平均濃度的最高值出現(xiàn)在表層, 并隨著深度的增加而降低, POC整體趨勢與Chl一致, 但50 m層POC濃度不顯著大于25 m層(＞0.05)。表層POC的平均濃度為(42.27±7.72) μg·L?1, Chl平均濃度為(0.19±0.07) μg·L?1。25 m層POC的平均濃度為(33.51±15.14) μg·L?1, Chl平均濃度為(0.17±0.07) μg·L?1。50 m層POC的平均濃度為(34.09±10.96) μg·L?1, Chl平均濃度為(0.17±0.06) μg·L?1。100—200 m層POC與Chl分布與斯科舍海相一致。

圖4 各斷面POC和Chl a剖面分布. a)D2; b)D3; c)D5; d)DA; e)DB. 填充色及色標(biāo)表示POC(μg·L?1)的濃度變化, 黑色等值線表示Chl a(μg·L?1)的濃度變化

Fig.4. POC concentrations in sections. a) D2; b) D3; c) D5; d) DA; e) DB. Shading color and color bar for POC(μg·L?1), black contours for Chl(μg·L?1)

鮑威爾海盆POC和Chl垂直分布與斯科舍海類似POC和Chl的最大值都主要出現(xiàn)在25 m層, 但鮑威爾海盆的整體POC平均濃度大于斯科舍海區(qū)域, 而整體Chl平均濃度則相反。25 m層POC的平均濃度為(81.88±59.47) μg·L?1, Chl平均濃度為(0.32±0.24) μg·L?1。表層POC的平均濃度為(71.04±20.44) μg·L?1, Chl平均濃度為(0.22±0.16) μg·L?1。50 m層POC的平均濃度為(51.54±18.03) μg·L?1, Chl平均濃度為(0.26± 0.23) μg·L?1。100—200 m層POC與Chl濃度顯著小于0—25 m水層(<0.05), 與斯科舍海相一致。

圖5 不同區(qū)域POC和Chl a平均濃度垂向分布

Fig.5. Vertical distributions of POC and Chlaverage concentrations in different regions

2.4 主成分分析結(jié)果

主成分分析結(jié)果表明(圖6), 主成分1(PC1)解釋了46.1%的數(shù)據(jù)變異, 其中營養(yǎng)鹽和深度(反映光強(qiáng))具有較高的正荷載, POC和Chl具有較低的負(fù)載荷, 因此PC1主要反映浮游植物初級生產(chǎn)的狀況, 且PC1得分越負(fù)表明光合作用越強(qiáng)。各項營養(yǎng)鹽基本都與POC呈負(fù)相關(guān), 而Chl與POC呈顯著正相關(guān), 表明POC產(chǎn)生的主要因素是營養(yǎng)鹽的消耗促使浮游植物的初級生產(chǎn)的結(jié)果。并且硅酸鹽與Chl的顯著負(fù)相關(guān)(=?0.56,<0.01), 表明依賴硅酸鹽的硅藻在南極半島附近海域中占優(yōu)勢地位, 并且在光合作用中碳的合成與固定過程中為主要貢獻(xiàn)者。主成分2(PC2)盡管僅解釋了14.5%的數(shù)據(jù)變異, 但在溫度和鹽度上具有較高的正荷載, 則可能主要反映了融冰和溫度的影響。其中POC和Chl在PC2的荷載呈現(xiàn)相反的趨勢, 表明二者對溫度、鹽度可能呈相反的響應(yīng)趨勢。

2.5 不同區(qū)域POC/Chl a值

通常利用POC/Chl(w/w)來表征生命態(tài)POC對總顆粒有機(jī)碳的貢獻(xiàn)[22-23], POC/Chl在20—250之間就說明有機(jī)質(zhì)主要來源于活體浮游植物[24]。本文對典型區(qū)域, 包括斯科舍海、南斯科舍海嶺和鮑威爾海盆垂直水柱中POC/Chl進(jìn)行計算, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域、不同水層的POC/Chl具有很大的差異(圖7)。

斯科舍海區(qū)與南斯科舍海嶺的POC/Chl隨深度的增加而增加, 而鮑威爾海盆則略有不同。其中斯科舍海區(qū)POC/Chl最低, 在表層為139, 在25 m、50 m和100 m水層各為205、161和269, 而在200 m水層POC/Chl為695, 是三個海域中最大的。南斯科舍海嶺區(qū)域POC/Chl在0—50 m水層小于200或接近200, 在100—200 m分別為398和580。鮑威爾海盆區(qū)域最為特別, 在25 m、50 m和100 m水層POC/Chl在249—331之間, POC/Chl值偏高, 表層POC/Chl為367, 明顯高于其他海區(qū)。

3 討論

3.1 POC的區(qū)域差異以及影響因素

從區(qū)域分組的結(jié)果可以看出, 不同區(qū)域的POC濃度相差較大, 總體呈現(xiàn)鮑威爾海盆區(qū)域＞斯科舍海＞南斯科舍海嶺的趨勢。

圖6 生源和環(huán)境參數(shù)的主成分分析. 箭頭代表原始變量, 其中方向代表原始變量與主成分的相關(guān)性, 長度代表原始數(shù)據(jù)對主成分的貢獻(xiàn)度, 截距表示變量對于主成分的貢獻(xiàn), 不同變量之間的角度表示變量之間的相關(guān)性。橫軸代表主成分1(PC1), 縱軸代表主成分2(PC2), 不同顏色點(diǎn)代表不同區(qū)域中的變量在主成分上的分布

Fig.6. Loading vector plots of biogenic elements and environmental parameters. The arrow represents the original variable, in which the direction represents the correlation between the original variable and the principal component, and the length represents the contribution of the original data to the principal components. The horizontal axis represents the principal component 1 (PC1), and the vertical axis represents principal component 2 (PC2), different color dots represent the distribution of variables in different regions on the principal component

圖7 不同區(qū)域POC/Chl a的垂直剖面

Fig.7. The profile of POC/Chlin different regions

在本次研究的3個區(qū)域中, 鮑威爾海盆區(qū)的整體POC濃度最高, 這可能與低溫低鹽的融冰環(huán)境(圖8)有關(guān)。融冰環(huán)境會導(dǎo)致POC濃度的增加[25-27]。大量研究發(fā)現(xiàn)海冰邊緣區(qū)的浮游植物大量繁殖, 增強(qiáng)的初級生產(chǎn)歸因于通過海冰融化后形成較淺的混合層, 使得浮游植物在真光層中大量繁殖, 導(dǎo)致POC濃度的增加[28]。Sullivan等[29]利用水色遙感在西威德爾海冰邊緣區(qū)觀察到了浮游植物隨著海冰消融迅速繁殖生長的現(xiàn)象。Wilson等[30]也在羅斯海西部冰緣區(qū)發(fā)現(xiàn)了極高的初級生產(chǎn)力。此外POC的增加也與海冰融化后冰藻[31-32]以及碎屑釋放[31]有關(guān)。鮑威爾海盆整體POC濃度最高, 但其Chl值很低, 使其呈現(xiàn)高POC/Chl值。Nelson等[26]在威德爾海-斯科舍海冰邊緣區(qū)實(shí)測發(fā)現(xiàn)在威德爾海-斯科舍海冰邊緣區(qū)Chl濃度小于0.7 μg·L?1, 但POC濃度大于120 μg·L?1。Tréguer等[33]在印度洋冰邊緣區(qū)發(fā)現(xiàn)了低Chl濃度(0.21 μg·L?1), 高POC濃度(86.4 μg·L?1)。El-Sayed和Taguchi[34]在威德爾海的兩個區(qū)域發(fā)現(xiàn)了不同POC/Chl值。在真光層淺(20.3 m)的區(qū)域POC/Chl值為35, 而在真光層深(57 m)區(qū)域POC/Chl值為416。

南斯科舍海嶺和斯科舍海都處于無冰環(huán)境, 不存在融冰環(huán)境的特點(diǎn), 沒有外源POC輸入, POC與Chl整體分布趨勢相同(圖5)。因此浮游植物的初級生產(chǎn)是這兩個區(qū)域POC的主要來源。南斯科舍海嶺整體上POC濃度最低。Holm- Hansen等[35]和 Korb等[36]實(shí)測發(fā)現(xiàn)了此區(qū)域具有低Chl值(<0.5 mg·m?3＝和低初級生產(chǎn)力(<1g·C·m?2·d?1)的特征。Constable等[37]利用遙感數(shù)據(jù)也發(fā)現(xiàn)了Chl的低值。本次研究和第28次南極科考[38]研究都在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)了各類營養(yǎng)鹽的極大值, 明顯高于營養(yǎng)鹽限制生長的閾值[39]。因此常量營養(yǎng)鹽不是對浮游植物的生長發(fā)育的限制。主要影響因素是南斯科舍海嶺存在沿岸流以及威德爾海環(huán)流[18-19], 處于水團(tuán)的交匯區(qū)域, 交換強(qiáng)烈, 水體不穩(wěn)定不利于浮游生物的生存和繁殖, 因此該海域浮游植物初級生產(chǎn)明顯較低。

斯科舍海區(qū)處于相對高溫高鹽的無冰環(huán)境, 整體POC濃度介于另外兩個海區(qū)之間。研究發(fā)現(xiàn)斯科舍海相較于南大洋其他海區(qū)具有很高的初級生產(chǎn)力[40]。Holm-Hansen等[35]實(shí)測表層海水中Chl平均濃度為(1.16±1.57) mg·m?3, 初級生產(chǎn)力約為(597±493) mg·C·m?3·d?1。Ocean Color衛(wèi)星遙感[37,41]也在此處發(fā)現(xiàn)了Chl的高值。對南極浮游植物的研究[42]表明, 當(dāng)水溫從?1.8°C升至4.5°C, 初級生產(chǎn)率增加約30%。因此溫度可能是影響斯科舍海區(qū)初級生產(chǎn)和POC濃度分布的重要因素之一。

圖8 2017年1月南極半島鄰近海域的海冰平均密集度(%),溫度和鹽度. (a)海冰平均密集度(%);(b)溫度;(c)鹽度.海冰數(shù)據(jù)來自德國不來梅AMSR-E( https://seaice.uni-bremen.de/sea-ice-concentration/)

Fig.8. Average sea ice concentration, temperature and salinity of the adjacent ocean of Antarctic Peninsula in January of 2017. (a) average sea ice concentration (%); (b) temperature; (c) salinity. Sea ice data from AMSR-E in Bremen, Germany (https://seaice.uni-bremen.de/sea-ice-concentration/)

3.2 POC的來源估算

由于南極半島整體區(qū)域的浮游植物的優(yōu)勢種為硅藻, 但不同區(qū)域的浮游植物組成仍然具有較大差異[43], 因此需要對不同區(qū)域的POC與葉綠素做相關(guān)分析, 利用各個區(qū)域0—200 m的POC以及對應(yīng)Chl數(shù)據(jù), 分析結(jié)果如下: 斯科舍海f值為40(2=0.34,<0.01, n=45), 南斯科舍海嶺f值為119(2=0.52,<0.01, n=50), 鮑威爾海盆f值為94(2=0.23,<0.01, n=85)。

斯科舍海區(qū)主要浮游植物為硅藻[16]。欒青彬等[16]2010年發(fā)現(xiàn)南斯科舍海嶺主要浮游植物為甲藻, 特別是裸甲藻, 占此區(qū)域的90%以上。Chan[44]在1980年測定了硅藻和甲藻的f值, 發(fā)現(xiàn)硅藻為32.9—35.2, 而甲藻為92.6—120。Lundsgaard和Olesen[45]1997年分別測定了硅藻(春季)和甲藻(夏末)水華時的f值分別為29和93。這都與計算所得的斯科舍海和南斯科舍海嶺區(qū)的f值相似。

由圖8可知, 鮑威爾海盆處于融冰環(huán)境, 冰藻占主導(dǎo)優(yōu)勢, Arrigo等[31]發(fā)現(xiàn)在羅斯海冰邊緣區(qū)其POC/Chl值異常高, 這可能是由于海冰中含有大量碎屑, 或者冰藻具有很高的f值。DiTullio與Smith[46]在西羅斯海冰邊緣區(qū)處發(fā)現(xiàn),以南極棕囊藻為優(yōu)勢種的區(qū)域的POC/Chl值為92, 而以硅藻為優(yōu)勢種的區(qū)域的POC/Chl值異常高, 為210。鮑威爾海盆f值在此范圍內(nèi)。值得考慮的是藻類的POC/Chl的值隨著環(huán)境的變化而變化[47], 在一定的范圍內(nèi)產(chǎn)生波動, 可能會對估算產(chǎn)生的結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差。

分別取不同的區(qū)域的f值, 由公式1來估算不同海區(qū)的非生命POC占比, 結(jié)果如圖9所示。

研究區(qū)域整體上呈現(xiàn)非生命POC占比隨著深度的增加而增加的趨勢, 這是由于隨著深度的增加, 活體浮游植物急劇減少。斯科舍海表層非生命POC占比為71%, 25 m水層為80%, 50 m水層為75%, 100 m水層為85%, 200 m水層為94%。南斯科舍海嶺表層非生命POC占比為42%, 25 m水層為48%, 50 m水層為47%, 100 m水層為70%, 200 m水層為79%。整體在三個區(qū)域中生命POC占比最高。鮑威爾海盆表層非生命POC占比為74%, 25 m水層為72%, 50 m水層為66%, 100 m水層為62%, 200 m水層為83%, 各水層結(jié)果與斯科舍海相似。斯科舍海處于高溫高鹽的無冰環(huán)境, 初級生產(chǎn)力高, 沒有外源POC輸入, 浮游植物的初級生產(chǎn)是POC的主要來源。但是, 其各層次非生命POC占比較高, 明顯高于南斯科舍海嶺區(qū), 這可能與這一水域的南極大磷蝦高生物量密切相關(guān)[17,48-49]。這些磷蝦攝食以及新陳代謝所產(chǎn)生的糞便、生物碎屑等都對非生命POC占比有貢獻(xiàn), Manno等[50]在斯科舍海觀察到了極大的浮游動物糞便通量(2534 FP m?2·d?1), Cavan等[51]發(fā)現(xiàn)在斯科舍海的部分站位浮游動物糞便通量占整體POC通量很大部分。

圖9 南極半島不同區(qū)域生命和非生命POC占比

Fig.9. The proportion of living and no-living POC in different regions

南斯科舍海嶺與斯科舍海都處于無冰區(qū), 但受到水團(tuán)混合的影響, 水體環(huán)境不穩(wěn)定, 因此POC和Chl含量整體偏低。研究發(fā)現(xiàn)南極磷蝦偏好捕食硅藻, 但很少攝食大型藻類[52]。因此該區(qū)域浮游植物甲藻很少被磷蝦等捕食, 導(dǎo)致了其整體非POC比例最低。

鮑威爾海盆處于冰邊緣區(qū)。海冰碎屑以及陸源輸入可能對其非生命POC占比有一定貢獻(xiàn)。Arrigo等[31]認(rèn)為在羅斯海冰邊緣區(qū)海冰中可能含有大量碎屑POC。1984—1985年南大洋考察報告[53]發(fā)現(xiàn)該海域沉積物中有機(jī)碳來源呈海洋水生生物來源和陸源混合的特征。韓喜彬等[54]在此區(qū)域部分站點(diǎn)的沉積物中發(fā)現(xiàn)了陸源物質(zhì)。

4 結(jié)論

本文研究了第33次南極半島鄰近海域的POC濃度、組成以及其影響因素。研究發(fā)現(xiàn), 南極半島鄰近海域海水表層POC的分布與Chl含量分布趨勢基本一致, 呈現(xiàn)南斯科舍海嶺區(qū)域濃度低, 而兩側(cè)濃度高的現(xiàn)象。POC與營養(yǎng)鹽均呈負(fù)相關(guān), 與Chl呈正相關(guān), 表明南極半島附近海域POC的主控因子是浮游植物的初級生產(chǎn)。經(jīng)主成分分析發(fā)現(xiàn), 不同區(qū)域控制因素不同, 其生命POC占比也不同。斯科舍?？赡苁艿綔囟扔绊? 初級生產(chǎn)力最高, 但由于高生物量磷蝦存在, 非生命POC占比較高; 南斯科舍海嶺受到水團(tuán)混合的干擾, 初級生產(chǎn)力最低, 非生命POC占比最低; 鮑威爾海盆處于融冰區(qū), 整體POC含量最高, 由于海冰碎屑和陸源輸入, 非生命POC占比最高。

致謝:衷心感謝參加中國第33次南極科學(xué)考察任務(wù)的全體科考人員和“雪龍”號上的全體船員。

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DISTRIBUTION OF SUMMER PARTICULATE ORGANIC CARBON AND FACTORS INFLUENCING IT IN THE OCEAN ADJACENT TO THE ANTARCTIC PENINSULA

Zhang Yicheng1,2, Han Zhengbing1,2, Yang Yang1,2, Pan Jianmin1,2, Zhang Haifeng1,2, Li Dong1,2, Zhao Jun1,2, Zhu Qiuhong1,2, Fan Gaojing1,2, Zhang Haisheng1,2

(1Second Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Hangzhou 310012, China;2Key Laboratory of Marine Ecosystem Dynamics, Ministry of Natural Resources, Hangzhou 310012, China)

Particulate organic carbon (POC) is an important material and energy source for the marine food chain. Because of its close relationship with life processes and primary productivity, its distribution can effectively provide information on the biogeochemical environment. During the 33rd CHINARE that took place between December 2016 and January 2017, suspended particulate matter samples were collected from the ocean adjacent to the Antarctic Peninsula to study POC distribution and factors influencing POC distribution. In the Scotia Sea, POC concentrations were between 7.44 and 193.52 μg·L?1, with a mean value of 48.84±35.09 μg·L?1; over South Scotia Ridge, concentrations were between 9.13 and 62.17 μg·L?1, with a mean value of 29.76±14.12 μg·L?1; in Powell Basin, concentrations were between 5.87 and 270.72 μg·L?1, with a mean value of 48.57±38.92 μg·L?1. In surface waters, high concentrations were found in Scotia Sea and Powell Basin while low concentrations were found over South Scotia Ridge; these results are consistent with variations in chlorophyll-concentration, but are opposite to those in nutrient concentration. Concentrations of POC decreased with depth. In Powell Basin and Scotia Sea, the highest POC concentrations were found between the surface and a depth of 25 m. Results from principal component analysis show that photosynthetic phytoplankton is the main source of POC in the study area. Concentrations of POC were affected by temperature, water mass mixing and melting sea ice. Proportions of non-living POC were low over South Scotia Ridge; they were high in Scotia Sea and Powell Basin because of high krill biomass, sea ice debris and input from land-based sources.

ocean adjacent to Antarctic Peninsula, Particulate Organic Carbon (POC), Chlorophyll-, nutrients, sea ice

2019年1月收到來稿, 2019年4月收到修改稿

國家自然科學(xué)基金(41406219, 41576186, 41506223)、國家海洋局第二海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(JG1808, JG1805, JT1405)和南北極環(huán)境綜合考察與評估專項(CHINARE01-04, CHINARE01-03)聯(lián)合資助

張一成, 男, 1995年生。碩士研究生, 海洋生物地球化學(xué)專業(yè)。E-mail: zyicheng95@163.com

潘建明, E-mail:jmpan@sio.org.cn

10. 13679/j.jdyj.20190007