南極半島鄰近海域夏季POC分布特征及其影響因素

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系統動力學重點實驗室, 浙江 杭州 310012)

海水中的顆粒有機碳(POC)與生物的生命過程、初級生產力關系密切, 是海洋食物鏈中重要的物質基礎和能量來源, 因此POC的分布特征可以有效反映其生物地球化學環境。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高值出現在斯科舍海區和鮑威爾海盆區, 而低值出現在海嶺區, 與葉綠素(Chl)的變化趨勢一致, 與營養鹽的變化趨勢相反。垂向分布上, 各個區域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最高值都出現在25 m層。分析結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、水團混合以及海冰環境。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 顆粒有機碳(POC) Chl營養鹽 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并將其轉化為顆粒有機碳(POC), POC雖僅占海洋有機碳總量的10%左右[1], 但在整個海洋碳循環及海洋生態系統中發揮著重要的作用。海水中的POC與生物的生命過程、初級生產力關系密切, 是海洋食物鏈中重要的物質基礎和能量來源, 可分為生命與非生命兩部分, 生命POC來自生物生產作用, 包括微小型光合浮游植物、大型藻類、細菌、浮游動物和小魚小蝦等, 而非生命POC則主要是有機碎屑[2]。此外, POC的分解與無機營養鹽的再循環(特別是氮、磷、硅)之間存在重要的協同作用[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節作用[5], 從而使得該區域碳循環的研究成為全球變化科學的熱點[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, 該海域地形復雜且水團交換頻繁[7], 營養鹽與生物生產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域之一。自上個世紀五十年代以來, 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, 并對物理和化學等環境因素有著敏感的響應和反饋。因此, 對南極半島附近海域POC的空間分布特征以及POC/Chl值進行研究, 可以更好地了解和評估南大洋碳循環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], 對海洋生態系統與南大洋碳循環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循環過程提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究海域

南極半島位于西南極地區, 是南極大陸最大、向北深入海洋最遠(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主要包括了威德爾海環流, 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境有利于硅藻[16]繁殖以及磷蝦[17]的生長發育。南斯科舍海嶺受到沿岸流以及低溫高鹽威德爾環流[18-19]的影響, 水體環境不穩定, 有研究[16]發現此區域的主要浮游植物為甲藻。鮑威爾海盆常年受到海冰覆蓋, 冰藻占主導優勢。這里本文根據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、南斯科舍海嶺區和鮑威爾海盆區, 見圖1。

1.2 樣品采集

本研究的樣品通過中國第33次南極科學考察(2016年12月至2017年1月)獲取。采集站點分別由3條經向斷面(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, 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斷面位于調查區域最東側, 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. 藍色圓圈表示鮑威爾海盆區域, 紅色三角形表示南斯科舍海嶺區域, 黃色正方形表示斯科舍海區域, 灰色箭頭表示海流方向, 黑色實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), 使用經馬弗爐450°C預灼燒過的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, 并帶回實驗室進行分析。

海水中的營養鹽樣品按照GB17378-2007[20]于現場采集: 采集水樣取250 mL, 倒入預先安裝好醋酸纖維濾膜的抽濾裝置的濾杯上過濾, 濾液放于營養鹽水樣瓶, 加入氯化汞固定(Nalgen), 除銨鹽外帶回實驗室分析。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。

溫度和鹽度數據由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%)。

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

采用單因素方差分析(Duncan’s multiple- range test)檢驗各個水層之間POC和各個水層間Chl顯著性差異(<0.05)。實驗結果均用平均值±標準差的形式表示。采用雙變量相關分析(系數)來檢驗表層POC和Chl的相關性。采用主成分分析來分析影響生源要素和環境要素對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，約為25—250，POC非生命為POC中的非生命部分)來估算不同區域POC的來源貢獻。

2 結果

2.1 POC、Chl a和營養鹽濃度的表層分布

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), 各項營養鹽在象島處均有一個明顯的高值, 并呈現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深度附近出現一個高值區, Chl在鄰近區域(D3-7和D3-6站位)的次表層出現高值區。

D5斷面位于最東側, 沿44.7°W縱貫南奧克尼海臺。POC的高值區有兩個, 分別是位于ACCSB南北兩側的D5-4和D5-6站位。其中, Chl與POC呈現對應關系, 59.5°S附近的Chl高值區要深于POC高值區, 而在北部的58.5°S附近區域二者高值區則呈對應現象(圖4c)。

DA斷面起始于象島東側, 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, 僅在東側近奧克尼群島區域略有增加趨勢(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濃度區域差異

斯科舍海POC和Chl最大值都出現在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的水層出現了最大值。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POC和Chl平均濃度在三個區域中最低。Chl平均濃度的最高值出現在表層, 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 主成分分析結果

主成分分析結果表明(圖6), 主成分1(PC1)解釋了46.1%的數據變異, 其中營養鹽和深度(反映光強)具有較高的正荷載, POC和Chl具有較低的負載荷, 因此PC1主要反映浮游植物初級生產的狀況, 且PC1得分越負表明光合作用越強。各項營養鹽基本都與POC呈負相關, 而Chl與POC呈顯著正相關, 表明POC產生的主要因素是營養鹽的消耗促使浮游植物的初級生產的結果。并且硅酸鹽與Chl的顯著負相關(=?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者。主成分2(PC2)盡管僅解釋了14.5%的數據變異, 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的荷載呈現相反的趨勢, 表明二者對溫度、鹽度可能呈相反的響應趨勢。

2.5 不同區域POC/Chl a值

通常利用POC/Chl(w/w)來表征生命態POC對總顆粒有機碳的貢獻[22-23], POC/Chl在20—250之間就說明有機質主要來源于活體浮游植物[24]。本文對典型區域, 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進行計算, 結果發現不同區域、不同水層的POC/Chl具有很大的差異(圖7)。

斯科舍海區與南斯科舍海嶺的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。

3 討論

3.1 POC的區域差異以及影響因素

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

圖6 生源和環境參數的主成分分析. 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性, 長度代表原始數據對主成分的貢獻度, 截距表示變量對于主成分的貢獻, 不同變量之間的角度表示變量之間的相關性。橫軸代表主成分1(PC1), 縱軸代表主成分2(PC2), 不同顏色點代表不同區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個區域中, 鮑威爾海盆區的整體POC濃度最高, 這可能與低溫低鹽的融冰環境(圖8)有關。融冰環境會導致POC濃度的增加[25-27]。大量研究發現海冰邊緣區的浮游植物大量繁殖, 增強的初級生產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觀察到了浮游植物隨著海冰消融迅速繁殖生長的現象。Wilson等[30]也在羅斯海西部冰緣區發現了極高的初級生產力。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。鮑威爾海盆整體POC濃度最高, 但其Chl值很低, 使其呈現高POC/Chl值。Nelson等[26]在威德爾海-斯科舍海冰邊緣區實測發現在威德爾海-斯科舍海冰邊緣區Chl濃度小于0.7 μg·L?1, 但POC濃度大于120 μg·L?1。Tréguer等[33]在印度洋冰邊緣區發現了低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域發現了不同POC/Chl值。在真光層淺(20.3 m)的區域POC/Chl值為35, 而在真光層深(57 m)區域POC/Chl值為416。

南斯科舍海嶺和斯科舍海都處于無冰環境, 不存在融冰環境的特點, 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是這兩個區域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]實測發現了此區域具有低Chl值(<0.5 mg·m?3＝和低初級生產力(<1g·C·m?2·d?1)的特征。Constable等[37]利用遙感數據也發現了Chl的低值。本次研究和第28次南極科考[38]研究都在該區域發現了各類營養鹽的極大值, 明顯高于營養鹽限制生長的閾值[39]。因此常量營養鹽不是對浮游植物的生長發育的限制。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流[18-19], 處于水團的交匯區域, 交換強烈, 水體不穩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明顯較低。

斯科舍海區處于相對高溫高鹽的無冰環境, 整體POC濃度介于另外兩個海區之間。研究發現斯科舍海相較于南大洋其他海區具有很高的初級生產力[40]。Holm-Hansen等[35]實測表層海水中Chl平均濃度為(1.16±1.57) mg·m?3, 初級生產力約為(597±493) mg·C·m?3·d?1。Ocean Color衛星遙感[37,41]也在此處發現了Chl的高值。對南極浮游植物的研究[42]表明, 當水溫從?1.8°C升至4.5°C, 初級生產率增加約30%。因此溫度可能是影響斯科舍海區初級生產和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.海冰數據來自德國不來梅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域的浮游植物的優勢種為硅藻, 但不同區域的浮游植物組成仍然具有較大差異[43], 因此需要對不同區域的POC與葉綠素做相關分析, 利用各個區域0—200 m的POC以及對應Chl數據, 分析結果如下: 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)。

斯科舍海區主要浮游植物為硅藻[16]。欒青彬等[16]2010年發現南斯科舍海嶺主要浮游植物為甲藻, 特別是裸甲藻, 占此區域的90%以上。Chan[44]在1980年測定了硅藻和甲藻的f值, 發現硅藻為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的f值相似。

由圖8可知, 鮑威爾海盆處于融冰環境, 冰藻占主導優勢, Arrigo等[31]發現在羅斯海冰邊緣區其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處發現,以南極棕囊藻為優勢種的區域的POC/Chl值為92, 而以硅藻為優勢種的區域的POC/Chl值異常高, 為210。鮑威爾海盆f值在此范圍內。值得考慮的是藻類的POC/Chl的值隨著環境的變化而變化[47], 在一定的范圍內產生波動, 可能會對估算產生的結果產生一定的偏差。

分別取不同的區域的f值, 由公式1來估算不同海區的非生命POC占比, 結果如圖9所示。

研究區域整體上呈現非生命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%, 各水層結果與斯科舍海相似。斯科舍海處于高溫高鹽的無冰環境, 初級生產力高, 沒有外源POC輸入, 浮游植物的初級生產是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, 這可能與這一水域的南極大磷蝦高生物量密切相關[17,48-49]。這些磷蝦攝食以及新陳代謝所產生的糞便、生物碎屑等都對非生命POC占比有貢獻, 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]發現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, 但受到水團混合的影響, 水體環境不穩定, 因此POC和Chl含量整體偏低。研究發現南極磷蝦偏好捕食硅藻, 但很少攝食大型藻類[52]。因此該區域浮游植物甲藻很少被磷蝦等捕食, 導致了其整體非POC比例最低。

鮑威爾海盆處于冰邊緣區。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。Arrigo等[31]認為在羅斯海冰邊緣區海冰中可能含有大量碎屑POC。1984—1985年南大洋考察報告[53]發現該海域沉積物中有機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]在此區域部分站點的沉積物中發現了陸源物質。

4 結論

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。研究發現, 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, 呈現南斯科舍海嶺區域濃度低, 而兩側濃度高的現象。POC與營養鹽均呈負相關, 與Chl呈正相關, 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。經主成分分析發現, 不同區域控制因素不同, 其生命POC占比也不同。斯科舍海可能受到溫度影響, 初級生產力最高, 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混合的干擾, 初級生產力最低, 非生命POC占比最低; 鮑威爾海盆處于融冰區, 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次南極科學考察任務的全體科考人員和“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

國家自然科學基金(41406219, 41576186, 41506223)、國家海洋局第二海洋研究所基本科研業務費專項(JG1808, JG1805, JT1405)和南北極環境綜合考察與評估專項(CHINARE01-04, CHINARE01-03)聯合資助

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

潘建明, E-mail:jmpan@sio.org.cn

10. 13679/j.jdyj.20190007