冬季西太平洋雅浦海山(Y3)區(qū)次表層葉綠素最大值層分布及其對懸浮體粒度的影響*

王珍巖 張洪格 高 微

(1. 中國科學(xué)院 海洋研究所 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室 青島 266071; 3. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京100049; 4. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室 海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室 青島 266071)

海洋懸浮體(suspended particulate matter, SPM)是指海水中以懸浮態(tài)存在的細(xì)小顆粒物的統(tǒng)稱, 按其成分可分為無機(jī)顆粒和有機(jī)顆粒兩大類; 其中無機(jī)顆粒主要由陸源礦物碎屑和部分生物骨骸構(gòu)成, 有機(jī)顆粒則包括活體浮游生物以及與生物活動有關(guān)的絮凝集合體、生物殘骸和糞球等(Bishopet al, 1980;秦蘊珊等, 1989; 楊作升等, 1992; Eisma, 1993)。大洋海水中懸浮體濃度通常很低, 一般不超過0.30mg/dm3(楊作升等, 2007); 其中上層水體中的懸浮體濃度相對較大, 其成分主要由生活在海洋真光層中的浮游生物構(gòu)成, 特別是其中數(shù)量上占絕對優(yōu)勢的浮游植物是大洋上層水體中懸浮體的主要組成部分(Bishopet al, 1980; Choet al, 1990; Turner, 2015),成為大洋海底沉積物的重要來源。

海洋浮游植物一般集中生活在上層海洋中水體環(huán)境相對穩(wěn)定的近表層或真光層底部附近, 形成次表層葉綠素最大值層(subsurface chlorophyll maximum layer, SCML)(Yentsch, 1965; Haywardet al,1983; Furuyaet al, 1983; Furuya, 1990; 宮響等,2012)。SCML對海洋初級生產(chǎn)力和新生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)很大, 對估算海洋初級生產(chǎn)力以及認(rèn)識全球碳循環(huán)過程等具有重要意義(Takahashiet al, 1984; Hodgesetal, 2004; 倪曉波等, 2006)。另外, 生源懸浮體及其分泌物能夠?qū)⒓?xì)小的礦物顆粒和浮游生物等絮集成較大顆粒, 促使一些原本難以沉降的細(xì)小顆粒物加速沉入海底, 對海洋生態(tài)系統(tǒng)參與全球碳循環(huán)過程產(chǎn)生重要影響(Shankset al, 1980; Davidet al, 1988;Alldredgeet al, 1991; Lampittet al, 1993; Turner,2015)。

本文利用“科學(xué)號”考察船在2014年冬季對西太平洋雅浦(Y3)海山區(qū)開展綜合海洋環(huán)境調(diào)查所獲得的資料, 對海山區(qū)上層水體中 SCML的溫度、鹽度、熒光葉綠素a濃度以及懸浮體總體積濃度、粒度等分布特征進(jìn)行分析, 探討冬季該海域 SCML的結(jié)構(gòu)及其影響因素, 為進(jìn)一步研究海山系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、海山區(qū)在大洋生態(tài)系統(tǒng)和全球碳循環(huán)過程中的角色和貢獻(xiàn)等提供依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

雅浦(Yap)海山區(qū)位于西太平洋菲律賓海東南部雅浦島弧-西卡羅琳海山帶; 其中的 Y3海山位于8.7—9.0°N、137.6—138°E 海域, 屬于熱帶海區(qū); 其東側(cè)緊鄰雅浦海溝(水深約8000m), 整體呈北東-南西走向(圖1)。海山頂部距離海面約300m, 海山底部最深處的水深約為4000m。

Y3海山位于西太平洋北赤道流(north equatorial current, NEC)的影響區(qū)域內(nèi)。NEC是一支較穩(wěn)定的由信風(fēng)引起的西向風(fēng)生淺層流, 大約位于 7°—18°N 之間的熱帶西太平洋海域(李麗娟等, 2005; 楊青瑩等,2013)。雅浦海山區(qū)上層水體存在明顯的主溫躍層, 且躍層位置較淺、厚度較薄, 終年維持在近表層至300m水深范圍內(nèi)(張旭等, 2009)。由于遠(yuǎn)離大陸以及四周存在深海溝, 該海區(qū)海底沉積物主要為半深海、深海和火山碎屑沉積物等(林美華等, 1998; 張斌等,2014)。

圖1　雅浦(Y3)海山區(qū)地理位置及調(diào)查站位分布(改自靳寧等, 2007)Fig.1 Location of the Yap (Y3) seamount and the surveystations

前人在雅浦海山區(qū)開展的研究工作大多針對雅浦海溝及其附近海域的地質(zhì)構(gòu)造、海底地貌、水文環(huán)境以及地球物理特征等(Kimuraet al, 1989; 林美華等, 1998; 李常珍等, 2000; Fujiwaraet al, 2000; 張旭等, 2009; 張斌等, 2014)。近期, 張文靜等(2016)在雅浦海山區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn): 微微型浮游植物對Y3海山區(qū)水體的總?cè)~綠素a貢獻(xiàn)最大(貢獻(xiàn)率＞50%), 微型浮游植物的貢獻(xiàn)次之, 小型浮游植物的貢獻(xiàn)最小; 王超鋒等(2016)對該海域的浮游纖毛蟲豐度進(jìn)行調(diào)查, 發(fā)現(xiàn)其垂向分布的“雙峰模式”, 認(rèn)為葉綠素極大值層中初級生產(chǎn)力高是纖毛蟲出現(xiàn)高豐度值的重要原因。

2　材料與方法

2014年12月, 中國科學(xué)院海洋研究所“科學(xué)”號考察船在西太平洋雅浦(Y3)海山區(qū)開展水體和底質(zhì)環(huán)境調(diào)查。本次調(diào)查沿Y3海山走向以及垂直山體走向的方向布設(shè)2個斷面共14個站位; 其中NE斷面包括Y3-1、Y3-2、Y3-3、Y3-0、Y3-4、Y3-5和Y3-6站; NW斷面包括Y3-7、Y3-8、Y3-9、Y3-0、Y3-11、Y3-12、Y3-13和Y3-14站; Y3-0站位于Y3海山頂部,是NE斷面和NW斷面的相交站位(圖1)。

海上調(diào)查使用SBE9/11型CTD及附帶熒光葉綠素a傳感器(WET Labs-AFL/FL)和深水型原位激光粒度儀(LISST-Deep)在各調(diào)查站位進(jìn)行剖面水文觀測和懸浮體原位粒度觀測, 同時分層采集水樣進(jìn)行懸浮體樣品過濾。對調(diào)查獲得的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 得到各站位剖面按 1m層平均的溫度、鹽度以及熒光葉綠素a濃度等數(shù)據(jù)。對LISST-Deep測得的懸浮體原位粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 獲得2.5—500μm區(qū)間內(nèi)32個粒級的懸浮體體積濃度(單位: μL/L)和總體積濃度數(shù)據(jù)。本次調(diào)查使用的LISST-Deep的32個觀測粒級如圖2所示。

圖2　LISST-Deep 32個觀測粒級的粒徑范圍*Fig.2 32 size ranges of LISST-Deep

受光合作用控制, 大洋海區(qū)的 SCML通常發(fā)育在200m以淺的真光層水體中。由于雅浦Y3海山頂部距海面約 300m, 考慮到海山地形可能對其上覆水體環(huán)境產(chǎn)生影響, 本文將重點討論該海域350m以淺的上層水體的水文環(huán)境、SCML分布以及它們對懸浮體分布的影響。

3　結(jié)果與討論

3.1　海山區(qū)上層水體的溫度和鹽度分布

CTD觀測數(shù)據(jù)顯示, Y3海山區(qū)海表溫度約為29°C, 并隨水深增大而逐漸降低(圖 3-a1、b1、c1), 到50m水深其溫度開始迅速降低形成躍層(圖3-c1)。鹽度和熒光葉綠素a濃度則在次表層(約 50—150m)出現(xiàn)高值區(qū), 表現(xiàn)出典型的次表層最大值現(xiàn)象, 但二者的水深分布范圍并不完全重合。鹽度最大值層從50m延伸到約 200m 水深(圖 3-a2、b2、c2), 而熒光葉綠素a濃度的高值水層自 50m水深處開始顯現(xiàn), 到160m水層則降低至低值水平(圖3-a3、b3、c3)。

進(jìn)一步分析NW和NE斷面上躍層特征最為顯著的60—120m水層的溫度和鹽度等值線分布, 可以發(fā)現(xiàn)兩個斷面的溫、鹽等值線均分布在海山頂部區(qū), 且呈現(xiàn)出明顯的上凸現(xiàn)象(圖 3)。前人研究發(fā)現(xiàn), 海山與流經(jīng)海山區(qū)的洋流相互作用會引起其上覆海水的溫、鹽等值線發(fā)生彎曲(Geninet al, 1985; Odateet al,1998; Genin, 2004), 因此在本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)的雅浦 Y3海山頂部區(qū)出現(xiàn)的溫、鹽等值線上凸現(xiàn)象反映的是洋流受海山阻擋作用的結(jié)果。另外, 在NW斷面Y3-12站位附近的溫、鹽等值線呈現(xiàn)出明顯的下凹特征(圖3-b1、b2)。Furuya等人(1995)在西太平洋九州-帕勞海嶺Komahashi No.2海山頂部(山頂水深289m)發(fā)現(xiàn)因局地渦旋活動引起的淺層(＜300m)海水等溫線下凹彎曲現(xiàn)象。渦旋是大洋中普遍存在的水文現(xiàn)象, 通常北半球反氣旋渦活動區(qū)水體的溫、鹽等值線會表現(xiàn)為下凹特征(高微等, 2015)。因此, 在Y3海山Y(jié)3-12站附近出現(xiàn)的溫、鹽等值線下凹現(xiàn)象可能是海山與洋流相互作用在山體局部區(qū)形成反氣旋渦的結(jié)果; 盡管該渦旋的空間尺度較小, 水平方向的影響范圍大約有5km, 但其垂向的影響深度可達(dá)120m左右。

3.2　次表層葉綠素最大值層(SCML)分布

SCML的形成與溫躍層以及營養(yǎng)鹽躍層密切相關(guān): 溫躍層控制深層營養(yǎng)鹽向海表輸送的范圍, 因而常常表現(xiàn)為在營養(yǎng)鹽躍層附近的浮游植物生物量較高, 使得溫躍層在水層中的位置決定了 SCML分布的水深范圍(倪曉波等, 2006)。總體上, Y3海山的SCML現(xiàn)象大約自50m水深處開始顯現(xiàn), 與溫、鹽躍層出現(xiàn)的位置相一致, 其分布范圍主要集中在 50m到 160m 水層(圖 3-a3、b3、c3), 因此本文把該海域50—160m水層界定為次表層葉綠素最大值層(SCML), 并對其中葉綠素濃度較高的60—120m水層的SCML結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體分析(圖4)。

探測數(shù)據(jù)表明, 研究區(qū)兩條斷面的熒光葉綠素a濃度總體小于1μg/L, 只有Y3-1、Y3-6站熒光葉綠素a濃度的最高值達(dá)到1.1μg/L左右。其中, NE斷面的葉綠素a濃度分布同樣呈現(xiàn)出在海山頂部區(qū)(Y3-0站)向上凸起的特征(圖 4-a), 與溫、鹽等值線分布相一致。已有研究顯示, 在西太平洋Komahashi No.2海山(29°52′N, 133°18′E; 山 頂 水 深289m)和Minamikasuga 海山(21°36′N, 143°38′E; 山頂水深 260m)區(qū),由于流經(jīng)海山的洋流受其阻擋后發(fā)生沿山體爬升現(xiàn)象, 使得富含硝酸鹽的水體向海山頂部輸送, 促進(jìn)海山區(qū)上層水體中出現(xiàn)SCML, 導(dǎo)致其分布位置與向上抬升的等溫線相一致(Geninet al, 1985; Doweret al,1992; Odateet al, 1998)。Furuya 等人(1995)通過對Komahashi No.2海山進(jìn)行多航次調(diào)查, 發(fā)現(xiàn)海山與洋流的相互作用能夠把來自海底的營養(yǎng)鹽向上輸送到真光層, 促進(jìn)海山頂部的浮游植物大量繁殖, 使水層中的葉綠素濃度顯著增加, 在海山上部水體中形成明顯的SCML。本研究區(qū)上層水體中SCML分布總體呈上凸特征, 其中 NW 斷面的 SCML分布同樣在Y3-12站附近出現(xiàn)下凹現(xiàn)象, 與水層的溫、鹽等值線分布相一致, 反映了海山與洋流相互作用引起海山上覆水層的溫、鹽躍層發(fā)生上凸或下凹起伏, 導(dǎo)致由溫、鹽躍層控制的SCML分布同樣出現(xiàn)起伏變化(圖4-b)。

圖3　區(qū)NE斷面(a1、a2、a3)和NW斷面(b1、b2、b3)上層水體的溫度、鹽度及熒光葉綠素a濃度分布圖, 以及Y3-0站溫度、鹽度和熒光葉綠素a濃度剖面圖(c1、c2、c3)Fig.3 Distribution of water temperature, salinity, and concentration of fluorescent chl a in Section NE (a1, a2, and a3), Section NW (b1,b2, and b3), and Y3-0 station (c1, c2, c3)

3.3　SCML對懸浮體粒度分布的影響

粒度觀測結(jié)果顯示, Y3海山上層水體中懸浮體總體積濃度約為 0—120μL/L, 變化幅度較大; 其中濃度高的水層集中在 SCML分布范圍(50—160m)內(nèi),SCML以深水層的懸浮體總體積濃度則急劇降低至近 0 (圖 5)。

圖4　研究區(qū)NE(a)、NW(b) 斷面SCML熒光葉綠素a濃度以及溫度(黑實線)、鹽度(黑虛線)分布Fig.4 Distribution of the concentration of fluorescent chl a, water temperature (solid line) and salinity (dotted line) in SCML of Sections NE (a) and NW (b)

圖5　Y3海山NE(a)、NW(b)斷面350m以淺熒光葉綠素a濃度(chl a)和懸浮體總體積濃度(TVC)剖面分布Fig.5 Vertical profiles of the concentration of fluorescent chl a and the total volume concentration (TVC) of SPM at depths shallower than 350 m in Sections NE (a) and NW (b).

浮游生物是大洋上層水體中懸浮體的主要組成部分, 在數(shù)量上占絕對優(yōu)勢(Choet al, 1990; Turner,2015)。對 SCML所在水層(50—160m)的懸浮體粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(圖6)。32個粒級(圖1)的懸浮體粒徑譜顯示: Y3海山所在海域的SCML中存在5個懸浮體峰值粒級, 分別為 15.4、68.6、95.5、185以及 304μm(圖6)。其中15.4μm粒級的懸浮體體積濃度最低, 表現(xiàn)為在除Y3-14站之外的13個站的分層平均濃度均小于0.1μL/L(Y3-14站為 0.94μL/L)。其余 4個峰值粒級(68.6、95.5、185和304μm)的懸浮體體積濃度隨粒級增大而逐漸增高; 其中68.6和95.5μm粒級懸浮體的體積濃度小于 1μL/L, 185μm 粒級的體積濃度在10—100μL/L之間變化, 304μm粒級的體積濃度則超過100μL/L。上述調(diào)查結(jié)果表明, Y3海山區(qū)SCML中的懸浮體由至少 5種具有不同粒級特征的浮游生物或者其絮凝集合體構(gòu)成, 且不同粒級懸浮體的體積濃度相差巨大, 最大的峰值粒級為 304μm 懸浮體的體積濃度比最小的15.4μm粒級的高1000多倍。

圖6　雅浦(Y3)海山區(qū)14個調(diào)查站位SCML中懸浮體分布的粒徑譜Fig.6 Particle size distribution of SPM in SCML at the 14 survey stations in Yap (Y3) seamount area.

海洋中葉綠素a濃度分布與浮游植物活動密切相關(guān)。將NE、NW斷面SCML中5個峰值粒級懸浮體體積濃度與熒光葉綠素a濃度進(jìn)行斷面對比分析(圖7), 其中15.4μm粒級的懸浮體體積濃度分布與熒光葉綠素a濃度的分布格局較一致(Y3-14站除外),均表現(xiàn)出在海山頂部Y3-0站凸起(圖7-a1)、在Y3-12站下凹的現(xiàn)象(圖 7-b1); 表明 15.4μm 粒級的懸浮體濃度與熒光葉綠素a濃度有一定的相關(guān)性。其他4個峰值粒級懸浮體體積濃度分布與熒光葉綠素a濃度分布沒有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)關(guān)系(圖 7-a2、b2、a3、b3、a4、b4、a5、b5)。對Y3海山區(qū)14個站位SCML中熒光葉綠素a濃度與相應(yīng)水層懸浮體總體積濃度(TVC)以及5個峰值粒級懸浮體體積濃度(VC)進(jìn)行相關(guān)分析, 結(jié)果顯示它們的相關(guān)系數(shù)總體較低(圖8-a、c、d、e、f), 其中15.4μm粒級的相關(guān)系數(shù)(R=0.5241)明顯高于其他粒級(圖8-b)。峰值粒級為15.4μm的懸浮體在粒級范圍上屬于微型浮游生物。盡管該粒級懸浮體的體積濃度是 5個峰值粒級中最低的(除 Y3-14站之外均小于0.1μL/L), 但其與水體熒光葉綠素a濃度的相關(guān)性最高。其他4個較大峰值粒級(68.6、95.5、185和 304μm)的懸浮體在粒級范圍上分別屬于小型或中型浮游生物, 雖然它們的體積濃度高, 但其濃度變化與水體中熒光葉綠素a濃度的相關(guān)性很低(圖 7,圖 8)。上述結(jié)果表明, 在 LISST-Deep可觀測的粒級范圍(2.5—500μm)內(nèi), 峰值粒級為 15.4μm 的懸浮體與調(diào)查區(qū)海域 SCML熒光葉綠素a濃度的關(guān)系最為密切, 其他更大顆粒懸浮體濃度對熒光葉綠素a濃度的影響很小。

圖8　 雅浦(Y3)海山區(qū)SCML中懸浮體總體積濃度(TVC)、5個峰值粒級懸浮體體積濃度(VC)與水體熒光葉綠素a濃度的相關(guān)性分析Fig.8 Correlations between the total volume concentration (TVC) of SPM, the volume concentrations (VC) of the 5 peak SPM size fractions, and the concentration of fluorescent chl a in SCML in Yap (Y3) seamount area

前人研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)葉綠素a濃度＜1μg/L時,SCML 中微微型(＜2μm, 如藍(lán)細(xì)菌)和微型(2—20μm,如鞭毛藻、小型硅藻)浮游植物占絕對優(yōu)勢, 是SCML中熒光葉綠素a濃度的主要貢獻(xiàn)者; 當(dāng)熒光葉綠素a濃度＞1μg/L 時, 小型(20—200μm)浮游植物成為光合作用生物量的主要貢獻(xiàn)者(Mara?ónet al, 2012)。本文調(diào)查結(jié)果顯示, 除了Y3-1和Y3-6站水體熒光葉綠素a濃度達(dá)到約 1.1μg/L, 其他站位探測到水體熒光葉綠素a濃度均小于 1μg/L。以此推斷, 調(diào)查期間該海域 SCML懸浮體中微微型和微型浮游植物應(yīng)該是SCML熒光葉綠素a濃度的主要貢獻(xiàn)者。由于本航次使用的原位激光粒度儀(LISST-Deep)的粒徑觀測范圍為 2.5—500μm, 不能探測水體中粒徑小于 2.5μm的懸浮體濃度; 而在其可探測的粒級范圍內(nèi), 所獲得的調(diào)查數(shù)據(jù)中只有峰值粒級為15.4μm(屬于微型浮游生物粒級)的懸浮體對水體熒光葉綠素a濃度影響較大, 但其相關(guān)性仍然較低(R=0.5241)。因此, 推斷該海域水體中還應(yīng)存在對熒光葉綠素a濃度貢獻(xiàn)更大的某些微微型浮游生物, 只是因為受限于調(diào)查儀器的觀測范圍而未在調(diào)查數(shù)據(jù)中得到體現(xiàn)。本航次也同步開展了浮游生態(tài)學(xué)調(diào)查研究, 采用現(xiàn)場分級葉綠素測定的方法獲得微微型(0.7—2μm)、微型(2—20μm)和小型(20—200μm)浮游植物的葉綠素a濃度; 結(jié)果顯示, 微微型浮游植物對 Y3海山區(qū)水體的葉綠素a濃度貢獻(xiàn)最大, 其次是微型浮游植物, 小型浮游植物的影響較小(張文靜等, 2016)。該海洋生態(tài)學(xué)研究結(jié)果從另一角度驗證了本文的上述推斷。

粒度觀測結(jié)果還顯示, 位于Y3海山東側(cè)較遠(yuǎn)處的 Y3-14站懸浮體體積濃度遠(yuǎn)高于其他站位; 其中15.4μm 粒級的懸浮體體積濃度是其他站位的30—1000倍, 而68.6和95.5μm粒級懸浮體體積濃度也比其他站位高約 4—50倍(圖 6)。但是, 在 Y3-14站出現(xiàn)的懸浮體濃度異常高值現(xiàn)象并未對該站位水體熒光葉綠素a濃度產(chǎn)生明顯影響(圖7-b1、b2、b3),而且該站位的溫度、鹽度等水文調(diào)查數(shù)據(jù)也未表現(xiàn)出明顯的異常現(xiàn)象(圖 3-b1、b2)。上述調(diào)查結(jié)果表明,Y3-14站的懸浮體組成和分布不同于調(diào)查區(qū)其他站位,似乎還存在其他因素嚴(yán)重影響該站位所在海域的懸浮體分布。進(jìn)一步探討導(dǎo)致Y3-14站出現(xiàn)異常情況的原因還需要結(jié)合同步開展的水文、生態(tài)和生物地球化學(xué)等調(diào)查資料進(jìn)行深入研究。

4　結(jié)論

本文利用 2014年冬季在西太平洋雅浦(Y3)海山區(qū)開展多學(xué)科調(diào)查獲得的資料進(jìn)行分析, 獲得如下結(jié)論:

(1) 雅浦(Y3)海山區(qū)位于熱帶西太平洋北赤道流(NEC)影響區(qū)。海山與自東向西流經(jīng)該海區(qū)的淺層洋流相互作用, 改變了海山區(qū)上覆海水的溫、鹽躍層分布, 在海山頂部的上層水體中形成呈上凸形態(tài)的水層結(jié)構(gòu), 并在海山區(qū)的局部海域形成呈下凹形態(tài)的渦旋水文結(jié)構(gòu)。

(2) 受溫、鹽躍層的影響和控制, Y3海山上層水體中次表層葉綠素最大值層(SCML)的分布水深與溫、鹽躍層的位置(約50—160m)基本一致; SCML中葉綠素a濃度的高值水層主要位于60—120m水深范圍, 其熒光葉綠素a濃度總體小于1μg/L。

(3) Y3海山上層水體的懸浮體總體積濃度在0—120μl/L之間, 其中高濃度水層集中在 SCML分布范圍內(nèi), 懸浮體分布存在5個峰值粒級, 分別為15.4、68.6、95.5、185 和 304μm; 其中 15.4μm 粒級的懸浮體濃度最低, 但其對水層中熒光葉綠素a濃度的貢獻(xiàn)較大, 推斷該粒級懸浮體主要由微型浮游植物構(gòu)成;其他4個較大峰值粒級的懸浮體對水體中葉綠素a濃度的影響很小, 可能由小型和中型浮游生物(及其絮凝集合體)等構(gòu)成。

(4) 雅浦(Y3)海山區(qū)東側(cè)的Y3-14站的懸浮體組成和分布不同于調(diào)查區(qū)其他站位, 可能另有其他因素影響該站位所在海域的懸浮體組成和分布。

致謝中國科學(xué)院海洋研究所“科學(xué)”號考察船全體船員和雅浦海山航次科考隊員對本研究海上調(diào)查工作提供了支持和幫助, 謹(jǐn)致謝忱。

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