李科，金海燕,2，趙香愛，莊燕培，季仲?gòu)?qiáng)，張揚(yáng)，陳建芳,2

( 1. 自然資源部第二海洋研究所 自然資源部海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；2. 衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012)

1 引言

過去幾十年，北冰洋是全球變化最顯著的海區(qū)之一，大氣及海表升溫、海冰消融是其主要特征[1–4]。伴隨著升溫與海冰消融，北冰洋的物理化學(xué)生物性質(zhì)正發(fā)生一系列強(qiáng)烈且持續(xù)的變化；預(yù)計(jì)在將來幾十年，北冰洋還將以同樣、甚至更強(qiáng)烈的速率發(fā)生變化[5–9]。

“生物泵”是指海洋中的初級(jí)生產(chǎn)者通過光合作用將大氣CO2固定為顆粒有機(jī)碳，沉降至海底，埋藏在沉積物中的過程，具有降低大氣CO2的能力。北冰洋的“生物泵”如何響應(yīng)北極快速變化，是全球碳循環(huán)研究中的一個(gè)關(guān)鍵問題[10–12]。

北冰洋具有全球最為寬廣的大陸架，在大陸架埋藏的有機(jī)質(zhì)占全北冰洋的70%以上[13]。其中，西北冰洋的楚科奇海陸架由于生產(chǎn)力高，生物粒徑大，水溫低等特點(diǎn)，“生物泵”效率遠(yuǎn)高于其他區(qū)域[14–15]。未來，開闊水域增加[16]與太平洋入流增強(qiáng)[17]導(dǎo)致的生產(chǎn)力升高可能會(huì)促進(jìn)“生物泵”的運(yùn)轉(zhuǎn)；但浮游植物小型化[18]、水溫升高[19]、浮游食物鏈增強(qiáng)[20]等又能影響“生物泵”結(jié)構(gòu)，降低其效率。為了更好預(yù)測(cè)未來“生物泵”的變化，需加深對(duì)現(xiàn)代“生物泵”的理解。

沉積物中生源指標(biāo)為理解有機(jī)質(zhì)的生產(chǎn)、沉降與保存提供了重要信息[21–22]。白令海與西北冰洋已開展大量生源指標(biāo)工作，包括有機(jī)碳（Corg）[23]、生物硅（BSi）[24–25]、綠 素（chlorin）[26]、類 脂 生 物 標(biāo) 志 物[27–28]等。前人工作表明，西北冰洋陸架是非常高效的有機(jī)碳匯區(qū)，而且沉降有機(jī)碳以海洋自生來源為主，主要由較大粒徑的硅藻（＞20 μm）貢獻(xiàn)[29–30]，其他藻類有機(jī)質(zhì)所占的比例較小。這些海源自生有機(jī)質(zhì)通過硅藻殼體的“壓艙”效應(yīng)，快速地沉降到海底，不僅形成了高效的“生物泵”，還支撐了大量底棲生物[31]。但是，前人工作主要運(yùn)用了化學(xué)性質(zhì)較為保守的生源指標(biāo)，雖然指示了有機(jī)質(zhì)的來源，但未反映有機(jī)質(zhì)新鮮程度。沉降有機(jī)質(zhì)新鮮程度也是“生物泵”結(jié)構(gòu)的重要特征：新鮮有機(jī)質(zhì)能夠支撐起更大生物量，同時(shí)對(duì)于環(huán)境的變化也更加敏感。

脂肪酸作為沉積物中含量最豐富的脂類生物標(biāo)志物之一，廣泛應(yīng)用于有機(jī)質(zhì)的來源與保存研究中[32–34]。一方面，沉積物中脂肪酸的組成，可為有機(jī)質(zhì)的來源提供線索[32]。不同來源的脂肪酸，其碳鏈長(zhǎng)度及構(gòu)型、雙鍵的數(shù)目及位置存在差異。特定物種還有合成特征脂肪酸的能力[32,35]：海洋浮游植物的脂肪酸以短鏈偶碳數(shù)脂肪酸（12:n～20:n）為主，硅藻的特征脂肪酸為16:1ω9，綠藻主要以18:1、18:2為特征脂肪酸；陸地高等植物主要為長(zhǎng)鏈偶碳飽和脂肪酸（22:0～30:0）；而細(xì)菌則以支鏈及奇數(shù)碳鏈脂肪酸為主。另一方面，脂肪酸，特別是短鏈飽和脂肪酸及不飽和脂肪酸，也是十分易于降解的有機(jī)質(zhì)，脂肪酸含量的多少，可以在一定程度上代表沉積物中有機(jī)質(zhì)的新鮮程度，從而為“生物泵”結(jié)構(gòu)提供指示意義[10,33]。

西北冰洋陸架區(qū)表層沉積物的脂肪酸研究較為有限，僅在十幾年前有加拿大的研究者對(duì)楚科奇海的兩個(gè)站位的沉積物柱樣進(jìn)行過脂肪酸分析[33,36]。結(jié)果表明，西北冰洋陸架區(qū)表層沉積物脂肪酸含量豐富，高于北冰洋其他海區(qū)。但以上工作的樣本量過小，在缺乏代表性的同時(shí)，也難以反映脂肪酸的空間分布差異與影響因素。

本文依據(jù)白令海與西北冰洋表層沉積物中脂肪酸的分布與組成，結(jié)合主成分分析（Principal Components Analysis，PCA）的統(tǒng)計(jì)手段，對(duì)楚科奇海以及白令海有機(jī)質(zhì)的來源與新鮮程度進(jìn)行了分析，并嘗試探討北極快速變化對(duì)以上區(qū)域“生物泵”可能造成的影響。

2 采樣站位及研究方法

2.1 采樣站位及方法

本研究所分析的表層沉積物樣品依托第五次、第六次中國(guó)北極科學(xué)考察航次采集，共33個(gè)站位，分布于白令海盆、楚科奇海盆、加拿大海盆（圖1），采樣時(shí)間分別為2012年夏季與2014年夏季。表層沉積物用箱式采樣器獲取，取表面0～1 cm。沉積物在采集后保存于–20°C冷庫(kù)，直至進(jìn)一步處理。

圖1 采樣站位Fig. 1 Sample Locations

2.2 脂肪酸化學(xué)處理及氣相色譜分析方法

樣品前處理及儀器分析測(cè)試工作于自然資源部海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。沉積物在遮光、低溫（–45°C）環(huán)境下真空干燥，而后在1個(gè)月內(nèi)完成前處理及上機(jī)測(cè)試。

脂肪酸前處理方法運(yùn)用Budge等[37]對(duì)Folch等[38]進(jìn)行改良后的方法：取2 g干燥、研磨后的沉積物，加入內(nèi)標(biāo)（十九烷酸（19∶0），NU-CHEK）后，先以5 mL甲醇（CH3OH）超聲萃?。?00 W超聲功率，5 min；3000 r/min，10 min），再用5 mL二氯甲烷/甲醇（2∶1，V/V）超聲萃取兩遍。將萃出液在低溫水浴下氮吹濃縮，加銅粒去硫后，加入4 mL KOH / CH3OH（0.5 mol/L）溶液，在90°C下皂化2 h。用正己烷萃取出中性組分后，在剩余液體中加入10%鹽酸至pH ＜ 1，繼續(xù)用正己烷萃取出酸性組分（主要為脂肪酸）。將酸性組分在低溫下氮吹至1 mL，加入3 mL BF3/ CH3OH（15%）溶液，80°C下甲酯化1 h。冷卻至室溫后用5 mL正己烷萃出，低溫氮吹，定容至0.5 mL，使用氣相色譜儀器進(jìn)行分析。溶劑皆為液相色譜純，超純水及鹽酸亦皆以二氯甲烷萃取兩遍后使用。

使用氣相色譜?質(zhì)譜檢測(cè)儀（GC-MS，Agilent 7890A/5970C）鑒定化合物組成。色譜柱為HP-5毛細(xì)管柱（Agilent，30 m×0.32 mm×0.25 μm），升溫程序?yàn)椋撼?始50°C，以5°C/min升 溫 至270°C后 保 持5 min。以不分流模式進(jìn)樣，進(jìn)樣口溫度250°C，載氣為氦氣，流速1 mL/min。質(zhì)譜儀使用電子轟擊源（70 eV）作為離子源，采用全掃描/選擇離子檢測(cè)采集模式。與標(biāo)準(zhǔn)樣品（40種脂肪酸甲酯混標(biāo)，安譜，N1070012）的出峰時(shí)間與特征離子譜圖進(jìn)行比對(duì)，確定物質(zhì)種類。

定量分析使用氣相色譜?火焰離子檢測(cè)器（GCFID，Agilent 7890A），色譜柱為脂肪酸甲酯專用毛細(xì)管柱（Agilent，100 m×0.25 mm×0.25 μm），升溫程序?yàn)椋撼跏?0°C，保持15 min后以5°C/min升溫至120°C，保持10 min后再以5°C/min升溫至200°C，保持20 min后再以5°C/min升溫至230°C，最后保持20 min，總運(yùn)行時(shí)間101 min。以不分流模式進(jìn)樣，進(jìn)樣口溫度250°C，載氣為高純氮?dú)?，流?.4 mL/min。FID溫度為280°C，氫氣與空氣流速分別為35與400 mL/min。最后使用內(nèi)標(biāo)?標(biāo)準(zhǔn)曲線法確定脂肪酸含量。

脂肪酸命名常用格式為（a/i）X∶YωZ（c/t）。其中，X為總碳數(shù)，后面跟一個(gè)冒號(hào)；Y表示雙鍵數(shù)；ω表示從甲基末端開始排序；Z是雙鍵距離甲基端的距離；c 表示順式異構(gòu)，t 表示反式異構(gòu)；a 和i 分別表示支鏈的反異構(gòu)和異構(gòu)。

2.3 主成分分析

由于脂肪酸種類眾多，為尋求控制脂肪酸分布的主要因素，使用SPSS軟件對(duì)33個(gè)站位中的26個(gè)脂肪酸指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，具體分析方法詳見文獻(xiàn)[33–34, 39]。

3 結(jié)果

如表1與圖2所示，總脂肪酸（Total Fatty Acid，TFA；以沉積物干重計(jì)）在33個(gè)站位的含量范圍在13.70 μg/g至213.96 μg/g之間；南部楚科奇海陸架表層沉積物中的TFA非常高，平均值可達(dá)123.61 μg/g。所有站位中，對(duì)各類脂肪酸進(jìn)行排序，短鏈飽和脂肪酸最高（Short Chain Saturated Fatty Acids，SCSFA，（42.3 ±25.43） μg/g），單不飽和脂肪酸次之（Mono-Unsaturated Fatty Acids，MUFA，（23.27±24.31） μg/g），長(zhǎng)鏈飽和脂肪酸（Long Chain Saturated Fatty Acids，LCSFA）、奇碳數(shù)脂肪酸（Odd FA）、多不飽和脂肪酸（Poly-Unsaturated Fatty Acids，PUFA）較少，分別為（4.79±3.89） μg/g、（3.49±2.78） μg/g與（1.80±2.47） μg/g。

如表2所示，檢出的26種脂肪酸中，16:0普遍含量最高；楚科奇海陸架區(qū)，16:1ω9與16:0含量相近，但在其他部分區(qū)域，14:0與18:0、18:1ω9取代16:1ω9成為除16:0外含量最高的脂肪酸。

4 討論

4.1 白令海及西北冰洋表層沉積物中脂肪酸來源分析

海洋中脂肪酸的來源可分為海源、陸源以及細(xì)菌來源3個(gè)大類，大量研究表明，海源脂肪酸主要包括SCSFA、MUFA與PUFA，陸源脂肪酸主要為高等植物產(chǎn)生的LCSFA，Odd FA以及支鏈脂肪酸為細(xì)菌來源[32–34, 36]。

對(duì)33個(gè)站位的26種脂肪酸指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果如表3所示：PC1至PC5的貢獻(xiàn)率分別為45.00%、19.00%、9.19%、5.61%和4.54%，累計(jì)貢獻(xiàn)率83.34%。將各脂肪酸與PC1、PC2的相關(guān)性作圖（圖3），脂肪酸主要分布在兩個(gè)聚類，右下角的聚類主要包括海源、較易降解的SCSFA、MUFA與PUFA；另一個(gè)聚類以陸源、不易降解的LCSFA為主。該結(jié)果表明，LCSFA與SCSFA、MUFA、PUFA的分布由兩組不同因素控制，與前人結(jié)論一致[33–34]。據(jù)此，將（SCSFA + MUFA + PUFA）定為海源脂肪酸，LCSFA定為陸源脂肪酸，Odd FA定為細(xì)菌脂肪酸（表4）。

對(duì)以上3種來源的貢獻(xiàn)比例排序，所有站位均為海源 ＞ 陸源 ＞ 細(xì)菌（圖4）。海源脂肪酸在TFA中占70%以上，特別是加拿大海盆，海源脂肪酸的比例達(dá)95%左右（圖5a）。陸源脂肪酸比例較低，除BL07（25.53%）及CC6（26.00%）兩站位以外，均不超過15%（圖5b）。細(xì)菌脂肪酸占比最低，除BL14站（13.08%），均未高于8%；陸架區(qū)略高于陸坡及海盆區(qū)（圖5c）。白令海陸架及西北冰洋陸架表層沉積物的細(xì)菌脂肪酸比例顯著低于溫暖海區(qū)，如東海、南海陸架細(xì)菌脂肪酸比例可達(dá)20%以上[41–42]；這顯示在白令海陸架及西北冰洋陸架，低水溫抑制了細(xì)菌活動(dòng)[43]。

此外，脂肪酸硅藻指數(shù)（以下簡(jiǎn)稱硅藻指數(shù)，16:1ω9 / 16:0）可用來表征硅藻對(duì)有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)（表4，圖5d）。16:1ω9是硅藻的特征脂肪酸，在大多數(shù)硅藻體內(nèi)，16:1ω9常占TFA的40%以上；在沉積物或懸浮顆粒物中，較高的硅藻指數(shù)（16:1ω9 / 16:0 ＞1）指示硅藻在浮游植物群落中的主導(dǎo)地位[32]。硅藻指數(shù)分布范圍為0～1.76，陸架區(qū)的硅藻指數(shù)普遍大于陸坡及海盆區(qū)，特別是楚科奇海陸架與白令海陸架邊緣，硅藻指數(shù)大于1，指示硅藻占主要優(yōu)勢(shì)。

表1 白令海及楚科奇海表層沉積物站位信息及樣品脂肪酸含量Table 1 FA, TOC and station properties of the Bering Sea and western Arctic Ocean surface sediments

表2 白令海及楚科奇海各站位沉積物脂肪酸組成（單位：μg/g）Table 2 Individual FA compounds of the Bering Sea and the western Arctic Ocean surface sediments (unit: μg·g?1)

與本文其他海區(qū)相比，白令海盆區(qū)TFA最低（（15.00 ± 1.30） μg/g），海源脂肪酸比例最低（75.33% ±7.13%），陸源脂肪酸最高（19.98% ± 5.56%），細(xì)菌脂肪酸較低（4.69% ± 1.57%），硅藻指數(shù)幾乎為0。指示白令海盆區(qū)，海源有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)較其他海域略少，可能與生產(chǎn)力較低[44]、水深較深有關(guān)；陸源有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)較其他海域略高，與海源有機(jī)質(zhì)比例低、且陸源脂肪酸不易降解有關(guān)[34]；細(xì)菌脂肪酸含量低，指示細(xì)菌活動(dòng)較弱，可能與低溫以及新鮮有機(jī)質(zhì)的缺乏有關(guān)[43]。

續(xù)表2

表3 主成分分析結(jié)果Table 3 PCA results

圖2 白令海及西北冰洋表層沉積物中總脂肪酸及各類脂肪酸含量Fig. 2 TFA, SCSFA, LCSFA, Odd FA, MUFA and PUFA contents of the Bering Sea and the western Arctic Ocean surface sediments

圖3 各脂肪酸與PC1、PC2的相關(guān)性Fig. 3 First two principal components score plot of FAs

表4 各站位不同來源脂肪酸百分比及硅藻指數(shù)Table 4 Percentage of FA sources and diatom index of the Bering Sea and the western Arctic Ocean surface sediments

白令海陸架區(qū)，TFA（（38.28 ± 14.89） μg/g）略高于白令海盆，海源脂肪酸含量較高（84.75% ± 2.45%），陸源脂肪酸含量低（9.66% ± 3.40%），細(xì)菌含量略高（5.26% ± 3.38%），硅藻指數(shù)在白令海陸架北緣與南緣較高（＞ 0.82），中部較低（＜ 0.65）。白令海陸架區(qū)陸源脂肪酸絕對(duì)含量與白令海海盆相當(dāng)，但陸源脂肪酸的百分比要顯著小于后者：這一方面是由于白令海陸架區(qū)生產(chǎn)力高于海盆區(qū)；另一方面，也因?yàn)榘琢詈ｊ懠軈^(qū)水深遠(yuǎn)小于海盆區(qū)，使得海盆區(qū)原本就貧瘠的海源脂肪酸在更長(zhǎng)的沉降時(shí)間中進(jìn)一步被分解，而陸源脂肪酸的化學(xué)性質(zhì)則相對(duì)較穩(wěn)定；兩種因素疊加，陸架區(qū)的陸源脂肪酸比海盆區(qū)受到更多海源的稀釋，從而比例更低。脂肪酸結(jié)果指示白令海陸架區(qū)有機(jī)質(zhì)以海源自生為主，陸源貢獻(xiàn)??；硅藻在陸架邊緣區(qū)占主要優(yōu)勢(shì)；細(xì)菌脂肪酸與海源有機(jī)質(zhì)的同步增加，可能指示細(xì)菌活動(dòng)隨新鮮有機(jī)質(zhì)的增加而略為增強(qiáng)[43]。

圖4 脂肪酸來源三端元圖Fig. 4 Ternary figure of FA sources

楚科奇海陸架，TFA非常高（（97.15 ± 55.31） μg/g），特別是南部陸架，最高可達(dá)213.96 μg/g，與前人調(diào)查結(jié)果相同[33]，比東海長(zhǎng)江口區(qū)域高一個(gè)量級(jí)[41]；海源脂肪酸占其中絕大部分（87.15% ± 6.97%），陸源脂肪酸與細(xì)菌脂肪酸比例均很低（8.37% ± 6.20%與4.45% ±1.79%），硅藻指數(shù)非常高。而且硅藻指數(shù)高值區(qū)與TFA高值區(qū)域重合，表明楚科奇海陸架的高脂肪酸含量主要與硅藻有關(guān)：一方面，充足的營(yíng)養(yǎng)鹽支撐了極高的硅藻生物量，且硅藻在浮游植物群落中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，與現(xiàn)場(chǎng)水柱生產(chǎn)力、浮游植物群落調(diào)查結(jié)果具有相似性[29,45]，也與沉積物中的其他生源指標(biāo)重建結(jié)果相同[24–26]；另一方面，硅藻在高營(yíng)養(yǎng)鹽環(huán)境下通常形成較大的個(gè)體（＞ 20 μm）[29]，為有機(jī)質(zhì)的快速沉降提供了“壓艙物”，減少有機(jī)質(zhì)在水柱中的分解，使表層生產(chǎn)的新鮮有機(jī)質(zhì)快速地沉降到沉積物表面。但值得注意的一點(diǎn)是，在空間分布上，沉積物中脂肪酸與綠素[26]、生物硅[25]的高值區(qū)吻合得較好，但與表層生產(chǎn)力高值區(qū)[29,45]存在一定的錯(cuò)位，這很可能由于表層顆粒物在垂直沉降過程中同時(shí)也在發(fā)生著側(cè)向輸運(yùn)，強(qiáng)勁的太平洋入流將顆粒物沉降的區(qū)域帶離了生產(chǎn)區(qū)域。偏低的細(xì)菌脂肪酸比例亦表明，細(xì)菌活動(dòng)在低溫下受到抑制，有利于新鮮有機(jī)質(zhì)的保存。

圖5 各來源脂肪酸百分比及硅藻指數(shù)分布圖Fig. 5 Percentage of FA sources and diatom index of the Bering Sea and the western Arctic Ocean

楚科奇陸坡、加拿大海盆與深度相似的白令海盆存在明顯差異：TFA非常高（（70.35 ± 11.32） μg/g與（88.65 ± 3.52） μg/g），海源脂肪酸幾乎占全部（95.37% ±1.54%與94.95% ± 0.20%），陸源脂肪酸非常少（1.06% ±0.52%與0.25% ± 0.25%），細(xì)菌脂肪酸也較低（3.57% ±1.02%與4.80% ± 0.45%），硅藻指標(biāo)幾乎為0，18:0、18:1ω9明顯高于其他海區(qū)。根據(jù)這些特點(diǎn)進(jìn)行推論，首先，可以得到與Honjo等[46]相似的結(jié)論，即楚科奇陸坡、加拿大海盆由于海冰的存在，有機(jī)質(zhì)沉降機(jī)制與白令海盆不同：持續(xù)的海冰覆蓋、稀少的“壓艙物”阻止了大部分陸源有機(jī)質(zhì)在海盆與陸坡的沉積；其次，偏低的硅藻指數(shù)與較高的18:0、18:1ω9脂肪酸（表2）指示，硅藻在該海區(qū)不占主導(dǎo)，綠藻與金藻占浮游植物群落的主要部分[32,35]，與該區(qū)域葉綠素極大層色素分析[47]以及沉積物碳酸鈣含量[48]的證據(jù)一致。然而，Honjo等[46]認(rèn)為海盆區(qū)的有機(jī)質(zhì)來源可能主要由側(cè)向輸運(yùn)貢獻(xiàn)，垂向沉積較弱；冰藻在融冰期的快速沉降可能也貢獻(xiàn)了較多的新鮮有機(jī)質(zhì)。但以上觀點(diǎn)在脂肪酸結(jié)果中無法反映，還需要更多證據(jù)。

脂肪酸結(jié)果顯示白令海及西北冰洋表層沉積物中的有機(jī)質(zhì)主要由海源自生來源產(chǎn)生，陸源貢獻(xiàn)不顯著，與表層沉積物中甘油二烷基甘油四醚（GDGT）對(duì)有機(jī)質(zhì)來源的結(jié)果相似[49]。細(xì)菌脂肪酸比例偏低，表明細(xì)菌活動(dòng)在低溫下受到抑制[43]。楚科奇海陸架區(qū)TFA與硅藻指數(shù)均非常高，與其他生源指標(biāo)類似，均指示海源有機(jī)質(zhì)的大量沉積主要由高生物量的硅藻構(gòu)成[4,25–26]；硅藻殼體的“壓艙物”效應(yīng)、受抑制的細(xì)菌活動(dòng)，也是新鮮有機(jī)質(zhì)快速沉降、高效保存的原因。楚科奇陸坡、加拿大海盆的浮游植物群落由綠藻與金藻主導(dǎo)，硅藻不占主要優(yōu)勢(shì)。

4.2 脂肪酸所指示白令海及西北冰洋表層沉積物中有機(jī)質(zhì)的新鮮程度

脂肪酸分析結(jié)果顯示，楚科奇海陸架由于生產(chǎn)力高，硅藻殼體“壓艙物”豐富、細(xì)菌活動(dòng)受低溫抑制等原因，是新鮮有機(jī)質(zhì)的高效沉降區(qū)；而白令海陸架新鮮有機(jī)質(zhì)沉降效率明顯較低。為了比較新鮮有機(jī)物沉降的差異，圖6總結(jié)了北冰洋幾個(gè)特征陸架區(qū)表層沉積物中TFA與總有機(jī)碳（Total Organic Carbon，TOC）的關(guān)系[33,50]。需要說明的是，前人工作[33–34]將SCSFA、MUFA、PUFA定義為新鮮有機(jī)質(zhì)的指標(biāo)，但西伯利亞海陸架區(qū)的文獻(xiàn)資料[50]只提供了TFA，未細(xì)分脂肪酸種類。需要先分析易降解脂肪酸（SCSFA +MUFA + PUFA，表征有機(jī)質(zhì)新鮮程度）與TFA之間的相關(guān)關(guān)系。分析結(jié)果顯示，本研究中33個(gè)表層沉積物中易降解脂肪酸與TFA呈顯著正相關(guān)（圖7），因而TFA在本研究區(qū)域可作為新鮮有機(jī)質(zhì)的指標(biāo)。

圖6 北冰洋部分陸架海區(qū)表層沉積物中TFA與TOC的關(guān)系[33, 50]Fig. 6 Relationship between TFA and TOC among the Bering,Chukchi, Beaufort and Siberian shelves[33, 50]

圖7 本研究表層沉積物中易降解脂肪酸（SCSFA +MUFA + PUFA）與TFA的相關(guān)關(guān)系Fig. 7 Corrlation between labile FA (SCSFA + MUFA +PUFA) and TFA among all surface sediments in this study

由圖6可見，楚科奇海陸架表層沉積物中的新鮮有機(jī)質(zhì)占總有機(jī)質(zhì)的比例明顯高于白令海陸架與西伯利亞海陸架，3條擬合線的斜率分別是82.99，21.46與14.33，表示在相同的TOC含量下，楚科奇海陸架區(qū)新鮮有機(jī)質(zhì)含量是白令海陸架的近4倍，是西伯利亞海陸架的近6倍。這是由于楚科奇海陸架區(qū)的生產(chǎn)力高，又有大粒徑的硅藻殼體作為“壓艙物”，因而有大量的新鮮有機(jī)質(zhì)沉降到沉積物表面；同時(shí)，楚科奇海陸架區(qū)缺少陸源輸入，對(duì)新鮮有機(jī)質(zhì)的稀釋效應(yīng)弱，而西伯利亞海生產(chǎn)力較低，又有大量的陸源有機(jī)質(zhì)通過河流輸入，本就有限的海源新鮮有機(jī)質(zhì)在陸源有機(jī)質(zhì)的稀釋作用下，占TOC的含量更低[50]；白令海陸架雖然沒有大量陸源物質(zhì)輸入，但生產(chǎn)力略低，且硅藻“壓艙物”不如楚科奇海陸架充足[44]，因而新鮮有機(jī)碳沉降速率不如后者。

楚科奇陸坡、加拿大海盆的有機(jī)質(zhì)新鮮程度亦非常高，推測(cè)主要與有機(jī)質(zhì)在融冰期快速沉降[51]與楚科奇陸架有機(jī)質(zhì)的側(cè)向輸運(yùn)[46]有關(guān)。但可惜脂肪酸解釋能力有限且海盆區(qū)站位較少，無法深入討論海冰與側(cè)向輸運(yùn)對(duì)有機(jī)質(zhì)沉降的影響。由于此區(qū)域是主要的海冰消退區(qū)，未來工作需更加注重對(duì)該區(qū)域的有機(jī)質(zhì)沉降機(jī)制的研究。

4.3 陸架區(qū)有機(jī)質(zhì)在北極快速變化下的敏感性

硅藻生物量大、細(xì)菌活動(dòng)弱、新鮮有機(jī)質(zhì)高效沉降的特點(diǎn)，使得楚科奇海陸架區(qū)“生物泵”在未來的北極快速變化下比北冰洋其他海區(qū)更為敏感。

由于太陽輻射量[7]與溫暖太平洋水入流[17]的增加，楚科奇海陸架水將會(huì)升溫[19]，增強(qiáng)細(xì)菌活動(dòng)，從而加快新鮮有機(jī)質(zhì)的降解[43]，將更多的二氧化碳釋放回水柱中，降低“生物泵”的效率。目前，楚科奇海陸架區(qū)的高效碳沉降，除了生產(chǎn)力高、沉降快速等原因外，很大程度上依靠低溫抑制的細(xì)菌活動(dòng)，使得新鮮有機(jī)質(zhì)在沉降過程中較少地受到降解。未來陸架水的升溫，細(xì)菌活動(dòng)的增強(qiáng)，很可能會(huì)影響有機(jī)碳的保存，降低“生物泵”的效率。

浮游植物的群落變化，也會(huì)影響有機(jī)質(zhì)的沉降速率，從而影響“生物泵”的效率。目前楚科奇海的大量新鮮有機(jī)質(zhì)沉降很大程度上得益于硅藻殼體的“壓艙物”效應(yīng)[24,44]，若是由于溫度、光照、營(yíng)養(yǎng)鹽等條件的變化，使硅藻在浮游植物群落中占比減小，硅藻殼體“壓艙物”減少，在生產(chǎn)力不變的情況下，由于沉降速率的降低，造成有機(jī)質(zhì)在水柱中停留、分解的時(shí)間增加，也會(huì)大大降低有機(jī)碳向沉積物輸出的效率。

當(dāng)然，最近國(guó)際上已有共識(shí)，北冰洋的浮游植物生物量在最近十幾年來一直是增加的，預(yù)期未來的相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)也都會(huì)上升[16]。生產(chǎn)力的增加，是否能與“生物泵”效率的降低相抵消？楚科奇海，以及整個(gè)北冰洋的“生物泵”究竟如何變化？脂肪酸能夠指征沉降顆粒物及沉積物中有機(jī)質(zhì)的來源與新鮮程度，結(jié)合其他一系列指標(biāo)，有望監(jiān)測(cè)與研究未來北冰洋的“生物泵”變化。

5 結(jié)論

在白令海、西北冰洋各個(gè)海區(qū)中，楚科奇海陸架區(qū)表層沉積物中脂肪酸的含量非常高，特別是中部、南部陸架區(qū)，達(dá)到213.96 μg/g，是全球沉積物中脂肪酸含量最高的海區(qū)之一；白令海陸架的脂肪酸含量稍低于楚科奇海陸架；楚科奇海陸坡、加拿大海盆的浮游植物群落由綠藻與金藻主導(dǎo)。白令海陸架及西北冰洋表層沉積物中的脂肪酸指示了有機(jī)質(zhì)主要由海源貢獻(xiàn)，陸源、細(xì)菌來源都較低。楚科奇海陸架中南部、白令海陸架邊緣硅藻指數(shù)高，有機(jī)質(zhì)主要由硅藻貢獻(xiàn)，其他海區(qū)硅藻不占主要優(yōu)勢(shì)。

楚科奇海陸架區(qū)由于生產(chǎn)力高、硅藻“壓艙”效應(yīng)明顯、低溫抑制細(xì)菌活動(dòng)等原因，是新鮮有機(jī)質(zhì)高效沉降的一個(gè)海區(qū)。這些新鮮有機(jī)質(zhì)，在構(gòu)成高效的“生物泵”，供養(yǎng)豐富的底棲生物的同時(shí)，也使得楚科奇海陸架區(qū)的有機(jī)質(zhì)沉降對(duì)未來的北極快速變化較其他海區(qū)更為敏感：浮游植物群落變化、水溫升高很可能會(huì)減少新鮮有機(jī)質(zhì)的沉降量，降低“生物泵”的效率。未來楚科奇海陸架區(qū)乃至北冰洋的“生物泵”究竟會(huì)如何變化，還需進(jìn)行長(zhǎng)期、連續(xù)、全方位的監(jiān)測(cè)與研究。脂肪酸作為有機(jī)質(zhì)來源與新鮮程度的指標(biāo)，有望應(yīng)用于未來北冰洋“生物泵”變化研究中。

致謝：感謝中國(guó)第五次、第六次北極科學(xué)考察隊(duì)為樣品采集所付出的艱辛勞動(dòng)；感謝自然資源部第二海洋研究所、自然資源部海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室各位老師的幫助；感謝中國(guó)極地研究中心及“雪龍”號(hào)給予的支持。