西北太平洋山間盆地沉積物有機碳質量累積速率及影響因素

李繼東，孫棟，王春生,5，楊娟*

(1.中國地質大學（北京）海洋學院，北京100083；2.自然資源部第二海洋研究所，浙江杭州310012；3.自然資源部海洋生態系統動力學重點實驗室，浙江 杭州310012；4.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海519080；5.上海交通大學海洋學院，上海200030)

1 引言

西北太平洋是全球氣候變化響應的敏感海區。作為海氣交互作用的重要場所，西北太平洋海山區在氣候變化中所扮演的重要角色，受到全球海洋環境狀況（如海表溫度增加、海洋層化作用加強和海洋酸化等）影響。在一定時間尺度內，海洋“生物泵”引起的沉積有機碳埋藏可以認為是海洋碳匯作用的最終凈效應[1]。作為海洋碳庫的重要組成，海底沉積物的碳庫構成及累積速率變化最終會對全球海洋碳循環產生影響[2]。此外，有機質的沉降和累積過程是聯系上層浮游生態系統與底層底棲生態系統的重要物質和能量紐帶，是深海采礦環境特別受關注區（APEI）建立和選劃的重要依據[3?4]。當前，關于熱帶西北太平洋山間盆地對區域和全球碳循環的貢獻還知之甚少。

已有研究表明，影響海底沉積物有機碳質量累積速率的因素很多，主要包括上層海洋的初級生產力水平、沉降過程中的有機質再礦化率、沉積速率及沉積層有機質的保存條件等[5]。海洋上層的初級生產力在很大程度上決定著到達海床的顆粒有機物通量[6?7]。生物泵的效率也受浮游生物群落粒徑大小和種類組成的影響。據預測，上層海洋升溫將加劇層化，減少對上層透光帶的營養輸入，并導致浮游植物群落從大型、快速下沉的硅藻轉向緩慢下沉的微型浮游生物[8]。這一轉變可能會減少對海底的輸出通量以及轉移效率[9?10]。然而，也有學者認為，沉積通量受初級生產力影響不大，主要與浮游動物關系密切，浮游動物通過消化使有機碳顆粒增大或減小，從而影響了沉積通量[11]。

沉降過程中沉降速率和有機質的再礦化率也因海區不同而差異顯著。有機碳在沉降過程中主要在上層不斷被氧化分解利用，顆粒有機碳（Particulate Organic Carbon，POC）的礦化和再礦化主要發生在海洋上層的1 000m深度以內。使用沉積物捕獲器調查發現，顆粒有機物（Particulate Organic Matter，POM）含量隨深度呈指數下降，只有10%的凈初級生產力殘留在數百米深處，不到1%的凈初級生產力殘留在4 000m深處[12]。沉降過程中，微生物參與的有機碳再礦化速率變化范圍為0.01 ～0.50 d?1[13–15]。最終少部分凈初級生產力避免了礦化作用，被埋藏并保存在沉積物中[16]。Henson等[17]對全球凈初級生產力和2 000m水深處有機碳通量的研究發現，凈初級生產力和2 000 m處有機碳通量的分布趨勢一致。海水中放射性230Th的垂直分布特征反映出西北太平洋海區顆粒物沉降通量較中、東太平洋海區低[18]，接近最終沉降到海底沉積物中的輸出生產力通量。

進入沉積層后，控制有機質埋藏效率的因素主要包括有機物本身的分子結構和組成種類、波動的氧化還原條件、微生物代謝、沉積速率、礦物聚合作用、生物擾動等[19]。其中氧化還原條件決定了沉積物和間隙水之間礦化和元素交換的效率[20]。沉積物的生物擾動作用，包括顆粒物再懸浮作用與洞穴流通作用間接影響有機質的保存條件[21]。

以上因素可能獨立影響或相互作用影響著不同海區海洋沉積物有機碳質量的累積速率。據此，本文從沉積物有機碳的區域輸入和保存條件出發，對西北太平洋山間盆地沉積物有機碳質量累積速率特征及潛在的影響因素展開深入研究，其成果將有助于提高西北太平洋海山?海盆生態系統有機碳匯過程的整體認識，同時也為加強西北太平洋區域環境管理計劃的實施提供科學依據。

2 研究材料與方法

2.1 研究區域概況

西北太平洋海山地形起伏劇烈，有獨特的深海生態系統。在這數百至上千千米長的海山鏈上分布著很多座深水海山和盆地；西北太平洋海域的海山年齡介于65～150 Ma之間，均由白堊紀以來多期巖漿活動所形成，海山按形態構造因素分為平頂型海山和尖峰型海山兩類[22]。這一海區受北赤道流（North Equatorial Current，NEC）和北赤道逆流（North Equatorial Counter Current，NECC）控制[23]，西面為西北太平洋暖池東伸暖舌，在底層受到來自南極的下層繞極深層水（Lower CircumpolarWater，LCPW）影響，其特征主要為低溫、高鹽及高溶解氧[24]。南極底流攜帶了大量的氧氣，使沉積物處于利于氧化的環境。攜帶南極深層水的深部環流經過太平洋時分為東、西兩支[25]，影響本研究區域的是西支流，即在麥哲倫海山附近150°E以西分叉。

本區主要以典型的寡營養海區為主，真光層的平均葉綠素a（Chlorophylla，Chla）濃度較低（小于0.1 mg/m3）；西北太平洋浮游植物豐度水平分布由低緯度向高緯度遞增，與營養鹽分布趨勢一致[26]。由于遠離陸地，缺少陸源碎屑的輸入，沉降顆粒物以生源顆粒為主，其中顆石藻上脫落的顆石和放射蟲是太平洋沉降顆粒物中最常見的生源顆粒，此外，有孔蟲、硅藻及浮游軟體動物的貝殼也比較常見。

2.2 樣品采集及測試

本研究以中國大洋48航次西北太平洋典型海山區山間盆地沉積環境調查為基礎，在西北太平洋馬爾庫斯?威克海山區（C區）和麥哲倫海山鏈（M區），以箱式采樣器采集沉積物，利用現場插管的方法共獲得8個站位的沉積柱樣品，研究區域范圍為17°～24°N，153°～160°E，各站位的采樣點位置見圖1。

圖1 采樣站位Fig.1 Sampling stations in the study area

對每個站位的沉積柱進行氧化還原電位現場測試和沉積物分層取樣，流程如下：

1）氧化還原電位（Eh）測試

利用側壁有排孔的采樣管（事先已用電工膠帶封好）采集沉積物，后從排孔逐層插入ORP測試儀（innoORP 100，Twinno）進行沉積柱不同深度Eh的原位測定。每次測定前，氧化還原電極預先在ORP 256 m V標準緩沖溶液進行校正，偏差不大于2m V。計算沉積柱0～11 cm沉積物Eh值的加權平均值和標準差。

2）沉積物分樣

吸出采樣管上覆水后進行沉積物分樣，0～4 cm層，每0.5 cm間隔進行分樣，4～5 cm層，每1 cm間隔進行分樣，5～11 cm層，每2 cm間隔進行分樣，分割后的沉積物樣裝入潔凈的聚乙烯自封袋中，于?20℃條件下冷凍保存。同時用自制針管采樣器對每個層位再取1 m L的樣品裝入小號密封袋，以備測定干密度和孔隙度。沉積物樣品帶回實驗室后，連續冷凍干燥約72 h（在?70℃和抽真空條件下），為后續的實驗備用。

3）干密度測定

用實驗室的電子天平（德國Sartorius公司，BLl500型，精度為0.000 1 g）測量單位體積濕質量，完全干燥后再次測量樣品的干質量，計算沉積物干密度（公式（1）[27]）和孔隙度（公式（2）[28]），公式為

式中，ρD代表沉積物干密度(單位：g/cm3)；WD代表沉積物干質量(單位：g)；V代表沉積物體積（單位：cm3）；Ww代表沉積物濕質量(單位：g)；ρsw代表海水密度，取1.025 g/cm3。

式中，φ代表沉積物孔隙度（%）；ρD、WD、Ww、ρsw含義與公式（1）相同。計算沉積柱0～11 cm沉積物干密度和孔隙度的加權平均值和標準差。

4）粒度分析

對各深度沉積物粒度樣品進行預處理，即利用30%H2O2去除有機質，利用1 mol/L鹽酸去除鈣質貝殼，然后上機測試。測試儀器是Mastersizer 2000激光粒度儀（英國Malvern公司）。測試范圍為0.02 ～2 000μm，重復測量誤差小于2%。采用尤登?溫德華氏等比制Φ值粒級標準，將粒徑劃分標準轉化為Φ值，沉積物顆粒的直徑粒徑（d，單位：mm）與Φ值的互換關系公式為：Φ=?log2d。再以Φ值為基礎，采用Folk和Ward的公式[29]進行平均粒徑的計算，公式為

式中，Φ16、Φ50、Φ84分別表示概率累積曲線上16%、50%、84%所對應的Φ值。計算沉積柱0～11 cm平均粒徑的加權平均值。

5）有機碳含量及δ13Corg值

將冷凍干燥后的沉積物樣品各取5 g左右，用瑪瑙研缽研磨，過100目篩，用1mol/L的HCl酸化處理后，利用元素分析儀?同位素比值質譜儀（EA-IRMS）測定不同深度層位TOC及δ13Corg。樣品在元素分析儀中高溫燃燒后生成CO2，通過計算峰面積來計算TOC含量，質譜儀檢測CO2的13C與12C比率，并與國際標準物（Pee Dee Belnite，PDB）比對后計算出樣品的δ13C值。有機碳含量及δ13Corg測定精度分別為?0.01 %～0.01 %和?0.01 ‰～0.01 ‰，計算沉積物在0～11 cm深度有機碳的加權平均值和標準差。

2.3 有機碳質量累積速率計算方法

計算沉積物中的有機碳埋藏量通常采用沉積物質量累積速率與沉積物中有機碳含量的乘積法[30?31]。其中，本文中線性沉積速率的參數參考錢前坤[32]對西太平洋采薇海山的調查結果，選取同等水深沉積物線性沉積速率的平均值為0.89 mm/ka，結合前面各站位表層11 cm深度內樣品實測干密度和孔隙度平均值數據，獲得沉積物質量累積速率（公式（4）[33]）和有機碳質量累積速率（公式（5）），公式為

式中，F為沉積物質量累積速率（單位：kg/（m2·ka））；S為沉積物線性沉積速率（單位：mm/ka）；ρD為沉積物干密度（單位：g/cm3）；φ為沉積物孔隙度（%）。

式中，Forgc為有機碳質量累積速率（單位：g/（m2·ka））；TOC含量（%）為沉積柱0～11 cm深度內有機碳含量的平均值。

2.4 凈初級生產力及海底地形數據來源

本區凈初級生產力數據來源于Ocean Productivity網站(http://orca.science.oregonstate.edu/1080.by.2160.monthly.hdf.vgpm.m.chl.m.sst.php)，利用VGPM模型處理的SeaW iFS-NPP標準網格化產品，獲得2014?2018年多年的平均數據集，數據分辨率為(1/6)°。提取研究區各站位年均凈初級生產力。

本研究區海底地形數據來源于GlobalMapper軟件在線下載的SRTM全球高程數據（http://srtm.csi.cgiar.org/if fails），數據分辨率為3 rad/s。同時，以海底4 000 m等深線為海山基準面，利用Global Mapper測量工具測定每個箱式采樣點與最近海山基準面的距離。

2.5 主成分分析及Pearson相關分析

各站位有機碳質量累積速率及潛在控制因素的平面分布圖利用ODV軟件完成，空間數據插值采用反距離權重法測得。

為探討有機碳質量累積速率的潛在控制因素及其貢獻，利用SPSS軟件進行主成分分析和Pearson相關性分析。主成分分析選取的變量有：凈初級生產力（Net Primary Productivity，NPP，以碳計，單位：g/（m2·a））、距海山距離（單位：km）、水深（單位：m）、TOC含量（%）、沉積物質量累積速率（單位：kg/（m2·ka））、平均粒徑Mz（Φ值）、氧化還原電位Eh（單位：m V）。在主成分分析的基礎上，進行Pearson相關分析，探討各因素之間以及各因素與有機碳質量累積速率及沉積物質量累積速率之間的相關性。

3 結果

3.1 沉積物有機碳質量累積速率及環境參數特征

通過現場實測、實驗室測定，結合衛星遙感數據、海底地形數據，獲得本次研究區主要有機碳質量累積速率及環境參數（表1 ）。如表1 所示，本區有機碳質量累積速率變化范圍為1.41 ～1.73 g/（m2·ka），均值 為1.60 g/（m2·ka）；沉 積 物 質 量 累 積 速 率 范 圍 為0.37 ～0.59 kg/（m2·ka），均值為0.49 kg/（m2·ka）；凈初級生產力均值為（50.89 ±3.18 ）g/(m2·a)；有機碳密度介于0.64 ～1.00 g/cm3；TOC含量介于0.29 %～0.46 %，平均值為0.36%；各站點水深范圍為4 601～5 694 m，海山距離范圍為7.3 ～117.6 km；沉積物干密度介于1.76 ～2.32 g/cm3，均值為2.11 g/cm3；沉積物孔隙度介于71.93 %～81.31 %，均值為74.83 %。

表1 各站位有機碳質量累積速率及相關環境因子Table 1 F orgc and related environmental factorsat each station

3.2 沉積物有機碳質量累積速率及控制因素的平面空間分布特征

對各站位有機碳質量累積速率及潛在控制因素進行反距離權重法空間插值，獲得其平面分布特征（圖2 ）。如圖2 所示，本區凈初級生產力（NPP）、有機碳質量累積速率（Forgc）、沉積物質量累積速率（F）整體表現出北高南低的趨勢，且高有機碳質量累積速率集中分布于本區19°～23°N中部偏西；TOC含量則表現出北低南高的趨勢。本區表層沉積物平均粒徑（Mz，Φ值）反映出東北及西南部較高，中部較低，東北部沉物顆粒相對較細。氧化還原電位Eh北部低、南部高，22°N附近最低。

圖2 研究區有機碳質量累積速率F orgc、沉積物質量累積速率F、凈初級生產力（以碳計）NPP、TOC、平均粒徑Mz（Φ）及氧化還原電位Eh平面分布Fig.2 The regional distribution of massaccumulation rate,sediment mass accumulation rate,net primary productivity (carbon),TOC,average particle size and redox potential in the study area

3.3 沉積物有機碳質量累積速率的影響因素分析

對影響西北太平洋山間盆地有機碳質量累積速率的潛在影響因素：凈初級生產力、海山距離、水深、TOC、沉積物質量累積速率、平均粒徑、氧化還原電位為變量，進行主成分分析。各主成分特征值、方差解釋度及累積貢獻率見表2。

如表2 所示，選擇累積貢獻率大于80%的前2個主成分；主成分F1方差解釋度為43.138%；主成分F2方差解釋度為37.390%。各變量的主成分荷載見圖3。

表2 主成分提取表Table2 Principal com ponent extraction table

如圖3 所示，對主成分F1的荷載貢獻較大的變量包括：氧化還原電位Eh（|?0.879 |）>0.8 、凈初級生產力NPP（0.871 6 ）>0.8 ；沉積物質量累積速率（0.76 63 ）>0.7 、TOC（|?0.7519 |）>0.7 ；平均粒徑Mz（0.5697 ）>0.5 ；對主成分F2的荷載貢獻大的變量有水深（0.930 ）>0.9 、海山距離（0.856 9 ）>0.8 。其中主成分F1反映的是海區水層和沉積層的生物地球化學循環驅動因素。主成分F2包含水深、海山距離，反映的是地形因素。

圖3 主成分荷載圖Fig.3 Principal component loadsdiagram

將本研究涉及與有機碳累計速率有關的影響因素進行Pearson相關分析，具體結果見表3。

如表3 所示，有機碳質量累積速率與各環境參數之間相關性均不顯著，但仍表現出與第一主成分正相關，與第二主成分負相關的趨勢。其中，第一主成分與NPP、沉積物質量累積速率顯著正相關，與TOC含量、Eh顯著負相關，反映出有機碳生產、沉降和埋藏條件的相關因素；第二主成分與海山距離、水深顯著正相關，反映為地形因素。

表3 有機碳質量累積速率及各參數的相關性Table3 Correlation coefficient of F orgc with variousenvironm ental param eters

4 討論

4.1 影響有機碳質量累積速率的因素

影響海洋沉積物有機質保存和再礦化的因素很多，且不同因素的作用程度隨時空發生變化[19]。總體而言，本區有機碳質量累積速率的空間分布格局主要與有機碳的生產與輸入過程、有機碳保存條件以及地形因素的影響有關。

4.1.1 初級生產力與生產者對有機碳質量累積速率的控制作用

本區表層沉積物有機碳質量累積速率分布格局與上層凈初級生產力、沉積質量累積速率的分布格局基本一致（圖2）。因此推測，上層、表層凈初級生產力越高，顆粒沉降作用越強，對海底表層沉積物有機碳累積的貢獻越大。

然而相關分析表明，本區沉積物表層TOC含量對有機碳質量累積速率的貢獻較大，但TOC含量與沉積物質量累積速率變化趨勢相反，且沉積物表層有機碳含量與NPP呈負相關。究其原因，水體的有機碳含量雖然與沉積速率有關，即個體越大，沉降越快，但同時個體大的顆粒，如硅藻類，有機碳含量卻相對較低。此外，相似的海區，不同的輸出途徑可能產生不同的結果。例如，熱帶太平洋海底分布的放射蟲軟泥以及硅藻軟泥即代表著不同營養級的輸出途徑。這種粒徑相關的生物效應對寡營養海區碳通量的影響已日益受到關注[34?35]。

本研究區位于太平洋暖池寡營養區邊緣，水文條件受到北太平洋中央環流以及熱帶北赤道流和赤道逆流的影響（如圖1 所示）。Ishizaka等[36]調查發現，本區的浮游植物群落類型豐富，存在緯向和垂直分布的差異。其中粒徑為3～20μm的初級生產者主要分布在20°N以北及10°N以南的真光層上層。本區的環境條件，例如營養鹽限制雖然不能很好地解釋硅藻的多樣性格局，但能部分解釋硅藻的粒徑分布[37]。Girault等[38]也發現了由于微微型藍藻的固氮作用，在營養鹽限制的西北太平洋亞熱帶環流和暖池區，硅藻和藍藻的組合群落呈現出了顯著的緯向差異。其中，在黑潮延伸區和暖池區的硅藻和甲藻均有很高的豐度，而中間過渡區的硅藻豐度很低。據此推測，本區表層沉積物中有機碳含量與沉積顆粒來源大小、顆粒有機碳含量及生物組分相關。這一推測與孟凡盛等[39]調查本區表層沉積物的生物硅和有機碳含量呈不顯著負相關關系基本一致。

4.1.2 地形因素對沉積環境及有機碳質量累積速率的影響

除了海洋上層的凈初級生產力輸入外，進入海底沉積物的有機碳還受到保存環境的影響。本區山間盆地地形復雜，為底棲生物群落的生存提供了多樣性的棲息地，同時也對有機碳的埋藏過程有一定影響。影響有機碳質量累積速率的環境因素隨海山的距離的變化，可以反映出地形因素的影響作用（圖4）。

一般而言，距離海山越近的山間盆地，水深相對較淺，底流較強，底棲生物密度更高，生物活動對于表層沉積物的擾動更強烈[40]。而強烈的底棲生物擾動及其引起的氧化還原環境的波動將加快有機質的分解，促進有機質的再礦化過程[41]。如圖4 所示，距離海山越近，沉積物δ13Corg值越低，間接反映出有機質再礦化程度越高。這種地形影響在距離海山80 km以內的山間盆地尤為顯著。這一結果與本區底棲生物擾動強度隨距海山距離變化的趨勢基本一致[42]。類似的，Eh隨距海山距離的變化與δ13Corg值相反，即距離海山越近，沉積環境的氧化還原條件越有利于有機質的分解。相比而言，遠離海山，位于開闊盆地的BC1834站位，其沉積物表層TOC含量相對較高而δ13Corg較低，推測其有機碳累積過程可能還受到洼地匯聚作用以及南極底流的影響。但總體而言，有機碳質量累積速率受到地形因素的控制作用是十分有限的。

圖4 影響有機碳質量累積速率的沉積環境參數隨距海山距離的變化Fig.4 The changesof sedimentary environment paremetersof the total organic carbon massaccumulation ratewith the distance from the nearest seamount

4.2 本區與周圍太平洋海區有機碳質量累積速率的差異對比

已有的調查數據表明，調查區所在的西北太平洋海山區是太平洋初級生產力最低的海區[18]。由于西北太平洋海山區靠近西太平洋暖池，海水層化較強，水體結構穩定，表層水體營養鹽含量較低，導致浮游植物的生長受到限制，浮游植物顆粒更小，輸出生產力更低。而東太平洋、赤道太平洋，由于較淺的溫躍層和赤道潛流上升，來自下部輸入的營養鹽較多，凈初級生產力也較高[43]。

此外，依據宋金明等[44]以Eh值為條件對本區及周圍海區進行沉積環境判定（表4），發現東太平洋和赤道太平洋的氧化環境可能造成沉積物中有更多的有機碳被氧化。西北太平洋的凈初級生產力雖低，但是保存環境相對是更有利的。

表4 太平洋沉積環境判定Table4 Determ ination of the Pacific Ocean sedimentary environment

結合前人對東太平洋、赤道太平洋的有機碳質量累積速率研究成果，本文對太平洋各海區的有機碳質量累積速率、凈初級生產力及其轉移效率（有機碳質量累積速率/凈初級生產力）進行對比，見表5。

如表5 所示，本研究區域平均有機碳質量累積速率為(1.60 ±0.11 )g/(m2·ka)，與同處于西太平洋麥哲倫海山鏈的采薇海山相當。有機碳質量累積速率分區差異表現為：赤道太平洋最高，東太平洋次之，西太平洋山間盆地最低。各海區凈初級生產力的轉移效率表現為赤道太平洋最高（0.014 8%），本研究區（0.0031 %）與采薇海山（0.003 4%）相當，略低于東太平洋（0.005 5%），與赤道太平洋相差約4倍。由此推測，整個太平洋熱帶?亞熱帶海區NPP水平越高，轉移效率越高，沉積物有機碳質量累積速率也越高。這一結果與Cartapanis等[48]提供的全球現代有機碳質量累積速率分布格局基本一致。

表5 太平洋不同海區有機碳質量累積速率、NPP、轉移效率的對比Table 5 The com parison of F orge, NPP and transfer efficiency in different Pacific Ocean regions

5 結論

本文以中國大洋48航次采集自西北太平洋典型海山區山間盆地的沉積物樣品和資料為基礎，通過對西北太平洋山間盆地沉積物有機碳質量累積速率特征及影響因素展開深入研究，獲得如下認識：

（1）西北太平洋海山區山間盆地沉積物有機碳質量累積速率及其相關影響因素呈現的南北分布差異為，凈初級生產力、沉積物質量累積速率、有機碳質量累積速率從北到南呈現逐漸遞減的分布格局；粒度的分布情況從北到南由細顆粒過渡到粗顆粒；有機碳含量從北到南是由低到高的變化趨勢；氧化還原電位北部低，南部高。

（2）西北太平洋海山區山間盆地沉積物有機碳質量累積速率相對較低，變化范圍為1.41 ～1.73 g/（m2·ka），均值為1.60 g/（m2·ka），以中部偏西海區的有機碳質量累積速率最高；全區平均約有0.003 1%的凈初級生產力埋藏于表層沉積物中。

（3）沉積物有機碳質量累積速率受水層和沉積層的生物地球化學循環驅動因素，如海洋凈初級生產力、沉積物質量累積速率、有機碳含量、氧化還原電位等對有機碳質量累積速率有一定影響，同時海山距離、水深等地形因素也起到一定的影響作用。由于本研究區空間范圍內地形復雜，采樣點的數量和分布的限制，可能是造成本區沉積物有機碳質量累積速率與各環境參數的相關性不顯著的原因。

（4）整體而言，西北太平洋山間盆地有機碳質量累積速率和凈初級生產力轉移效率均低于東太平洋和赤道太平洋海區。

致謝：感謝大洋48航次全體成員為本研究提供的現場采集樣品。感謝中國地質大學（北京）宋宇航同學協助收集遙感數據及室內樣品處理。