西北太平洋楚科奇海沉積物-水界面營養鹽輸送通量估算

張海舟，莊燕培，朱慶梅，李宏亮*，劉小涯，陳法錦，盧勇，陳建芳

(1.國家海洋局 第二海洋研究所 海洋生態系統與生物地球化學重點實驗室，浙江 杭州 310012；2.廣東海洋大學 廣東省近海海洋變化與災害預警技術重點實驗室，廣東 湛江 524088)

西北太平洋楚科奇海沉積物-水界面營養鹽輸送通量估算

張海舟1，莊燕培1，朱慶梅2，李宏亮1*，劉小涯1，陳法錦2，盧勇1，陳建芳1

(1.國家海洋局 第二海洋研究所 海洋生態系統與生物地球化學重點實驗室，浙江 杭州 310012；2.廣東海洋大學 廣東省近海海洋變化與災害預警技術重點實驗室，廣東 湛江 524088)

生物硅；沉積物-水界面；輸送通量；楚科奇海

1 引言

2 研究海區和實驗方法

2.1 研究海區概況

楚科奇海位處于楚科奇半島、阿拉斯加半島和弗蘭格爾島之間，形似倒三角，緯度跨越65～75N，是北冰洋的陸架邊緣海，陸架區水深較淺，平均水深約80 m，面積約620×103km2，約占北冰洋陸架面積的22%，同時也是北冰洋和太平洋之間物質和能量交換的重要紐帶。穿過白令海峽的太平洋水分成3股流經楚科奇海(圖1)，東側是高溫低鹽的阿拉斯加近岸流(ACW)，西側是低溫高鹽的阿納德爾流(AW)，中間是水體介于兩者之間的白令海陸架流(BS)。此外還有通過De Long Strait進入楚科奇海的東西伯利亞流，它對楚科奇海水體的營養鹽也有一定的影響。楚科奇海陸架每年有8～9個月被冰封覆蓋著，冬季冰封期間生產力相對較低，而夏季融冰時期則表現出很高的生物生產力。

本文研究中采用的4個多管短柱沉積物來源于中國第4次北極科學考察中的4個考察站CC1、R06、C07和S23(圖1)，水深分別為45 m、49 m、47 m和363 m。樣品采用多管取樣器(DSC-2)進行采集，為沉積物短柱樣。先收集沉積物上覆水并用0.45 μmol/L濾膜過濾后測定其營養鹽，短柱樣在現場分割，0～10 cm以1 cm為間隔而10 cm到底端以2 cm為間隔進行分割并離心(3 000 r/min，15 min)，取上清液測定其營養鹽。同時還采集了多管樣站位的上層水樣，用于分析水柱營養鹽。

2.2 實驗方法

三部分營養鹽樣品(水柱中營養鹽、上覆水和沉積物間隙水中的營養鹽)的硝酸鹽、磷酸鹽和硅酸鹽，均由Skalar營養鹽自動分析儀分析測定。分析方法參考依據Grasshoff等[14]《Methods of seawater analy-sis》和《Skalar SAN++營養鹽自動分析儀操作手冊》，硝酸鹽、硅酸鹽標準偏差小于3%，磷酸鹽標準偏差小于2%。

圖1 楚科奇海多管短柱采集及區域海流分布圖Fig.1 Sampling sites of multi-core sediment and regional currents in the Chukchi Sea

其中，海水樣品采集后立即經0.45 μmol/L醋酸纖維膜過濾之后，濾液低溫(低于0.5℃)冷藏保存，在48 h內完成測定分析。上覆水樣品經過濾后可直接采用Skalar營養鹽自動分析儀進行測定，而沉積物間隙水中營養鹽濃度均非常高，需在實驗室中經超純水(MilliQ water)稀釋處理后，再采用Skalar營養鹽自動分析儀進行測定，操作過程和標準曲線與水柱中營養鹽一致。

3 結果

3.1 水柱營養鹽的垂直分布特征

4個調查站位水體鹽度及營養鹽(硝酸鹽、磷酸鹽和硅酸鹽)的垂直分布情況如圖2所示。總體來看，上層水營養鹽濃度低，深層水營養鹽濃度高。營養鹽在20～30 m層以淺水體中幾乎處于耗盡狀態，30 m以深水層隨深度增加濃度逐漸增加。營養鹽在底層均出現高值，且其濃度和上覆水中基本一致。楚科奇海南部的CC1站位躍層明顯而且較淺，在水深20 m左右；位于楚科奇海中部的R06站位躍層在水深30 m左右，而其磷酸鹽躍層并不明顯；靠北端的C07站位硝酸鹽躍層在水深20 m左右，而磷酸鹽和硅酸鹽躍層不明顯；位于陸坡區的S23站位營養鹽分布與其他站位有所不同，躍層相對較深，在水深50 m左右，這可能與其處于陸坡區且水深較深有關。

調查站位硝酸鹽分布基本一致，表層耗盡，在約20～50 m層出現硝酸鹽的躍層，而底層硝酸鹽濃度基本在9～13 μmol/L之間，R06站位底層硝酸鹽濃度相對較低，約5 μmol/L，底層硝酸鹽值濃度也為其水柱最大值；靠近楚科奇海南部的CC1站位存在明顯的磷酸鹽躍層，其他3個站位變化不明顯，表層均在0.1～0.6 μmol/L之間，CC1和C07站位底層磷酸鹽濃度約1.8 μmol/L，R06和S23站位底層磷酸鹽濃度約1.0 μmol/L，S23站位在150 m存在磷酸鹽濃度極大值，其他站位底層為最大值；硅酸鹽表層均基本耗盡，在0～1.5 μmol/L之間，底層C07和S23相對較高，在20～35 μmol/L之間，CC1和R06相對較低在7～8 μmol/L之間，S23站位在75 m層存在較弱的硅酸鹽極大值(13.4 μmol/L)，可能為冬季白令海陸架水的貢獻[15]。

3.2 沉積物間隙水中營養鹽的垂直分布特征

調查站位沉積物間隙水中溶解態硅酸鹽分布：陸架區站位(CC1、R06和C07)總體分布相似，且符合沉積物-水界面處于較弱的物理和生物擾動狀態下的典型分布特征，均呈現表層含量最低，沿間隙深度快速增加的規律，硅酸鹽含量在4 cm左右的層位達到最大值(400～600 μmol/L)(圖4a、b、c)。而后硅酸鹽濃度隨深度增加緩慢降低；S23位于陸坡區，其沉積物間隙水中硅酸鹽分布表現不同，隨深度增加遞增，含量變化幅度相對較小，沒有穩定階段的存在。陸架區沉積物間隙水中溶解態硅酸鹽總含量呈現由南向北遞減的趨勢，即從高到低分布依次為CC1站、R06站、C07站，其中CC1站和R06站含量接近。

沉積物間隙水中的營養鹽均表現出由表層向下逐漸增加的現象，越接近沉積物表層營養鹽含量越低；而水體中由上向下越接近沉積物表層營養鹽含量越高，說明沉積物表層中的營養鹽再生，向上層水體貢獻了一定量的營養鹽。

圖2 楚科奇海4個站位(CC1、R06、C07、S23)水柱營養鹽濃度垂直分布Fig.2 Vertical profiles of salinity and nutrients concentration in water column at CC1，R06，C07 and S23 in the Chukchi Sea

圖3 楚科奇海陸架區R06水柱(a,b)和沉積物間隙水中(c，d)硝酸鹽及磷酸鹽濃度垂直分布(上覆水和水柱營養鹽共x軸)Fig.3 Vertical distribution of nitrate and phosphate in water column(a，b)and sediment pore-water(c，d)at R06 on the Chukchi Sea shelf(overlying water share the x axis with water column nutrients)

圖4 楚科奇海陸架區水柱(a～d)和沉積物間隙水(e～h)中硅酸鹽濃度垂直分布Fig.4 Vertical distribution of DSi in water column(a～d)and sediment pore-water(e～h)at CC1，R06，C07 and S23 on the Chukchi Sea shelf

4 討論

4.1 沉積物-水界面營養鹽輸送通量估算方法

沉積物-水界面的生物地球化學過程是指新近沉降的沉積物(15 cm左右)與水界面及其附近發生的在生物參與下的物理和化學反應，包括氧化和還原、溶解和沉淀、吸附和解吸、遷移和轉化、擴散和埋藏、細菌生化反應及生物擾動等作用[12]。在微生物作用、有機質礦化降解和沉積物中各種早期成巖作用下，沉積物間隙水中營養鹽與上層水體進行交換。沉積物-水界面的營養鹽擴散通量是據沉積物-水界面雙層模型理論計算得出的，雙層包括界面之上受到生物擾動的區域和界面下方未受到擾動的區域。

沉積物-水界面的營養鹽擴散通量計算依據Fick第一定律[17]：

(1)

DS=D·Φm-1，

(2)

式中，D代表任意溶劑的分子擴散系數[22]；m是經驗常數，Φ≥0.7時，m值在2.5～3之間，Φ≤0.7時，m=2。

海水中硅酸鹽的分析擴散系數D為10×10-6cm2/s[23]，而海水中磷酸鹽和硝酸鹽的分子擴散系數D是與溫度有關的函數[19]：

(3)

(4)

式中，t為近海底溫度，單位為℃。

4.2 估算楚科奇海陸架區沉積物-水界面硝酸鹽及磷酸鹽的輸送通量

本文采用Fick第一定律結合沉積物-水界面雙

層模型理論，同樣以R06站為例，計算出了R06站位磷酸鹽和硝酸鹽的沉積物-水界面擴散通量(表1)。硝酸鹽的擴散通量與Chang和Devol[19]在楚科奇海陸架區測得的數據[0.03～0.425 mmol/(m2·d)(以N計算)]基本吻合，略高于Souza等[11]在楚科奇海東陸架區測得的數據[0.007～0.100 mmol/(m2·d)(以N計算)]，而磷酸鹽擴散通量略低于Souza等[11]在楚科奇海東陸架區測得的數據[0.014～0.345 mmol/(m2·d)(以P計算)]。

表1 楚科奇海陸架區(R06站)沉積物-水界面磷酸鹽與硝酸鹽擴散通量Tab.1 Fluxes of nitrate and phosphate at sediment-water interface on the Chukchi Sea shelf

注：J0為正值表示營養鹽由沉積物向水體中輸送。

從通量計算結果可以看出，沉積物中硝酸鹽與磷酸鹽擴散通量的原子比值為DIN∶P=15∶1，低于Liu等[24]在渤海海域測定的沉積物中硝酸鹽與磷酸鹽擴散通量的原子比值51∶1，即楚科奇海沉積物為上覆水體提供的硝酸鹽低于渤海海域。

4.3 N*指示沉積物中反硝化作用

楚科奇海陸架區水柱和沉積物間隙水中N*剖面分布如圖5所示，水柱中和沉積物間隙水中N*均為負數(陸坡區S23站位200 m和360 m層為正值，間隙水中N*的絕對值遠大于水柱中N*的絕對值，即間隙水中N*比水柱中負得多(小1～2個數量級)，說明間隙水中反硝化作用強于水柱中。水柱中N*基本在-1～-16之間，陸架區N*隨深度增加，陸坡區出現極大值，兩者有所差異。水體中N*偏負可能是源于融冰的影響。間隙水中N*負值均表現為隨深度先增后減，陸架區極值層淺于陸坡區。4個站位沉積物間隙水中N*的平均值分別為-49.13(CC1站)、-320.30(R06站)、-119.04(C07站)和-188.83(S23站)，差異顯著，R06站位反硝化作用最強，CC1站位最弱，而C07和S23站位基本接近，但都表示出強的反硝化作用。Devol等[13]、Rysgarrd和Glud[26]的調查研究結果顯示，陸架沉積物和海冰包裹的鹵水是西北冰洋脫氮作用的主要區域。

圖5 楚科奇海陸架區水柱(a～d)和沉積物間隙水(e～h)中N*值的垂直分布Fig.5 Vertical distribution of N* in water column (a～d)and sediment pore-water(e～h)at CC1，R06，C07 and S23 on the Chukchi Sea shelf

4.4 估算楚科奇海陸架區沉積物-水界面硅酸鹽的輸送通量

楚科奇海區調查站位沉積物-水界面硅酸鹽擴散通量如表2所示，4個站位沉積物中生物硅均表現出強的源特征，即由沉積物中向上覆水中大量輸送硅酸鹽。此外，各站位之間硅酸鹽的輸送通量存在明顯的區域差異，其中CC1站位最高，S23站位最低，整體表現為隨緯度增高而降低的趨勢。

與其他海域(表3)相比，楚科奇海陸架區沉積物-水界面中硅酸鹽的擴散通量與Link等[32]在Beaufort海陸架采集的沉積物的培養實驗結果[0.43～2.5 mmol/(m2·d)]基本吻合，略高于近海海域和南大洋以及北大西洋沉積物中硅酸鹽的擴散通量，這與楚科奇海生物生產力中硅藻等硅質生物的絕對優勢是分不開的[33]；明顯高于北冰洋陸架沉積物中硅酸鹽的擴散通量，這與北冰洋高緯度的海冰覆蓋以及硅質生物數量減少有關；遠低于東太平洋陸架區沉積物中硅酸鹽的擴散通量，這也可能與兩者海域的硅質生產力不同有關。此外，楚科奇海陸架區沉積物中硅酸鹽的擴散通量表現出較大的變化范圍。

表2 楚科奇海陸架區沉積物-水界面硅酸鹽的擴散通量Tab.2 Silicate flux at sediment-water interface on the Chukchi Sea shelf

注：海水中硅酸鹽的分析擴散系數D為10×10-6cm2/s。

表3 楚科奇海陸架區及其他海域沉積物-水界面硅酸鹽擴散通量比較Tab.3 Comparison of silicate flux at sediment-water interface on the Chukchi Sea shelf with other sea areas

從通量計算結果可以看出，楚科奇海陸架區沉積物硅酸鹽、磷酸鹽和硝酸鹽的擴散通量均為正值，說明在該區域沉積物中營養鹽再礦化后，基本都是由沉積物向水體輸送的，即楚科奇海陸架區沉積物是水體營養鹽的源。并且，根據沉積物中各營養鹽擴散通量的原子比值Si∶DIN∶P=2 075∶15∶1(以R06站為例)，硅酸鹽的擴散通量遠遠高于硝酸鹽的擴散通量，而硝酸鹽的擴散通量又是磷酸鹽的15倍。相對硝酸鹽和磷酸鹽，硅酸鹽表現出非常高的再生率。

5 結論

(2)沉積物間隙水N*的分布表明，楚科奇海沉積環境具有很強的反硝化過程，沉積物脫氮作用是硝酸鹽一個重要的匯。

(3)楚科奇海硅酸鹽、磷酸鹽和硝酸鹽的沉積物-水界面擴散通量分別為1.660 mmol/(m2·d)，0.008 mmol/(m2·d)，0.117 mmol/(m2·d)(以R06站為例)。楚科奇海沉積物是營養鹽的源，原子比值為Si∶DIN∶P=2 075∶15∶1顯示沉積物中生物硅再礦化產生的硅酸鹽對楚科奇海硅酸鹽含量的貢獻非常高。4個調查站位沉積物中硅酸鹽的擴散通量分別為3.101 mmol/(m2·d)(CC1站)、1.660 mmol/(m2·d)(R06站)、1.307 mmol/(m2·d)(C07站)、0.243 mmol/(m2·d)(S23站)，含量呈現明顯的緯度分布特征。

致謝：感謝2010年中國第四次北極科學考察期間全體“雪龍”號船員和科考隊員的無私幫助。

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Estimation of nutrients flux of water-sediment interface in the Chukchi Sea，the western Arctic Ocean

Zhang Haizhou1，Zhuang Yanpei1，Zhu Qingmei2，Li Hongliang1，Liu Xiaoya1，Chen Fajin2，Lu Yong1，Chen Jianfang1

(1.LaboratoryofMarineEcosystemandBiogeochemistry，SecondInstituteofOceanography，StateOceanologicaAdministion，Hangzhou310012，China; 2.GuangdongProvinceKeyLaboratoryofCoastalOceanVariationDisasterPredictionTechnologies，GuangdongOceanUniversity，Zhanjiang524088，China)

biogenic silica; water-sediment interface; transport flux; Chukchi Sea

2015-04-09；

2015-06-09。

國家自然科學基金(41003036,41076135)；南北極環境綜合考察與評估專項(CHINARE20130403, 20130304)；極地科學戰略研究基金(20120104)。

張海舟(1992—)，男，山東省煙臺市人，主要從事海洋生物地球化學研究。E-mail:zhz07062011@sina.com

*通信作者：李宏亮(1981—)，男，副研究員。E-mail:lihongliang@sio.org.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.11.015

P721；P734.4+4

A

0253-4193(2015)11-0155-10

張海舟，莊燕培，朱慶梅，等. 西北太平洋楚科奇海沉積物-水界面營養鹽輸送通量估算[J]. 海洋學報，2015，37(11): 155-164，

Zhang Haizhou，Zhuang Yanpei，Zhu Qingmei，et al. Estimation of nutrients flux of water-sediment interface in the Chukchi Sea，the western Arctic Ocean[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(11): 155-164，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.11.015