南极半岛邻近海域夏季POC分布特征及其影响因素

张一成 韩正兵 杨洋 潘建明 张海峰 李栋 赵军 朱秋红 范高晶 张海生

研究论文

南极半岛邻近海域夏季POC分布特征及其影响因素

张一成1,2韩正兵1,2杨洋1,2潘建明1,2张海峰1,2李栋1,2赵军1,2朱秋红1,2范高晶1,2张海生1,2

(1自然资源部第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012;2自然资源部海洋生态系统动力学重点实验室, 浙江 杭州 310012)

海水中的颗粒有机碳(POC)与生物的生命过程、初级生产力关系密切, 是海洋食物链中重要的物质基础和能量来源, 因此POC的分布特征可以有效反映其生物地球化学环境。利用中国第33次南极考察期间(2016年12月至2017年1月)在南极半岛邻近海域采集的海水颗粒物样品, 研究POC的空间分布特征及其影响因素。结果表明, 斯科舍海0—200 m的POC浓度范围为7.44—193.52 μg·L−1, 平均浓度为(48.84±35.09) μg·L−1; 南斯科舍海岭0—200 m的POC浓度范围为9.13—62.17 μg·L−1, 平均浓度为(29.76±14.12) μg·L−1; 鲍威尔海盆0—200 m的POC浓度范围为5.87—270.72 μg·L−1, 平均浓度为(48.57±38.92) μg·L−1。表层POC高值出现在斯科舍海区和鲍威尔海盆区, 而低值出现在海岭区, 与叶绿素(Chl)的变化趋势一致, 与营养盐的变化趋势相反。垂向分布上, 各个区域POC平均浓度随深度的增加而减少, 鲍威尔海盆和斯科舍海POC最高值都出现在25 m层。分析结果表明光合浮游植物是研究海域POC的主要来源, POC的主要影响因素为温度、水团混合以及海冰环境。斯科舍海与鲍威尔海盆整体非生命POC占比高, 可能是由于高磷虾生物量、海冰碎屑以及陆源输入的干扰; 南斯科舍海岭整体非生命POC占比低。

南极半岛邻近海域 颗粒有机碳(POC) Chl营养盐 融冰

0 引言

海洋浮游植物通过光合作用固定真光层中的CO2并将其转化为颗粒有机碳(POC), POC虽仅占海洋有机碳总量的10%左右[1], 但在整个海洋碳循环及海洋生态系统中发挥着重要的作用。海水中的POC与生物的生命过程、初级生产力关系密切, 是海洋食物链中重要的物质基础和能量来源, 可分为生命与非生命两部分, 生命POC来自生物生产作用, 包括微小型光合浮游植物、大型藻类、细菌、浮游动物和小鱼小虾等, 而非生命POC则主要是有机碎屑[2]。此外, POC的分解与无机营养盐的再循环(特别是氮、磷、硅)之间存在重要的协同作用[3], 因此研究海洋中POC分布特征及影响因素意义重大。

南大洋是大气CO2重要的汇[4], 对大气CO2浓度和全球气温有重要调节作用[5], 从而使得该区域碳循环的研究成为全球变化科学的热点[6]。南极半岛附近海域(主要包括斯科舍海、南斯科舍海岭、鲍威尔海盆)是南大洋的重要组成部分, 该海域地形复杂且水团交换频繁[7], 营养盐与生物生产力具有高度的时空变异性[8], 是受全球气候变暖影响最敏感的区域之一。自上个世纪五十年代以来, 南极半岛升温显著、邻近的海洋水体增暖、冰架崩塌和海冰带退缩现象显著[9-12]。同时, 由于海水中POC分布特征与生物的生命活动密切相关, 并对物理和化学等环境因素有着敏感的响应和反馈。因此, 对南极半岛附近海域POC的空间分布特征以及POC/Chl值进行研究, 可以更好地了解和评估南大洋碳循环对全球气候的影响和反馈。目前, 我国对南极半岛邻近海域等其他海域的研究较为有限[13], 对海洋生态系统与南大洋碳循环的相互作用的研究更为匮乏。本文通过对南极半岛邻近海域的POC分布特征及其影响因素的分析, 估算了不同区域非生命POC所占比例, 为深入了解南极海洋碳的生物地球化学循环过程提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究海域

南极半岛位于西南极地区, 是南极大陆最大、向北深入海洋最远(63°S)的大半岛, 有“海洋性南极”之称。它东濒威德尔海, 西濒别林斯高晋海, 北隔德雷克海峡与南美洲相望, 南接埃尔斯沃斯高地。南极半岛邻近海域水团主要包括了威德尔海环流, 威德尔海底层水, 陆架水, 以及北部的南斯科舍海岭一带的南极绕极流和沿岸流[14-15]。斯科舍海受到南极绕极流影响, 其高温高盐无冰的环境有利于硅藻[16]繁殖以及磷虾[17]的生长发育。南斯科舍海岭受到沿岸流以及低温高盐威德尔环流[18-19]的影响, 水体环境不稳定, 有研究[16]发现此区域的主要浮游植物为甲藻。鲍威尔海盆常年受到海冰覆盖, 冰藻占主导优势。这里本文根据水文状况和浮游植物的种类组成的不同将站位划分为三类, 分别为斯科舍海区、南斯科舍海岭区和鲍威尔海盆区, 见图1。

1.2 样品采集

本研究的样品通过中国第33次南极科学考察(2016年12月至2017年1月)获取。采集站点分别由3条经向断面(D2、D3和D5)和2条纬向断面(DA和DB)组成(图1), 其中D2断面位于鲍威尔海盆的西侧, D3断面的南半部分穿过鲍威尔海盆, 北部站位延伸至斯科舍海, D5断面位于调查区域最东侧, 自斯科舍海向南延伸至南奥克尼海台。DA断面位于斯科舍海南侧的南斯科舍海岭, DB断面则位于鲍威尔海盆和威德尔海之间。

图1 南极半岛附近海域采样站位. 蓝色圆圈表示鲍威尔海盆区域, 红色三角形表示南斯科舍海岭区域, 黄色正方形表示斯科舍海区域, 灰色箭头表示海流方向, 黑色实线表示南极绕极流锋面(Southern Antarctic Circumpolar Current Front, SACCF), 黑色虚线表示南极绕极流南边界(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)

水体中POC样品的采集方法如下: 量取一定体积的海水(0.5—3L, 视颗粒物浓度而定), 使用经马弗炉450°C预灼烧过的Whatman GF/F玻璃纤维滤膜(直径47 mm, 孔径0.7 μm)过滤, 滤膜于−20℃下冷冻保存, 并带回实验室进行分析。

海水中的营养盐样品按照GB17378-2007[20]于现场采集: 采集水样取250 mL, 倒入预先安装好醋酸纤维滤膜的抽滤装置的滤杯上过滤, 滤液放于营养盐水样瓶, 加入氯化汞固定(Nalgen), 除铵盐外带回实验室分析。叶绿素(Chl)样品使用GF/F玻璃纤维滤膜(直径为25 mm, 孔径为0.7 μm)过滤250 mL水样, 冷冻保存至测试分析。

温度和盐度数据由SBE 911 plus CTD直接获取。

1.3 样品测定方法

POC滤膜样品用浓盐酸熏蒸12 h以去除无机碳, 再用超纯水清洗去除残留的盐酸, 在50°C条件下烘干。使用铝舟包裹滤膜样品后, 用元素分析仪(Elementar, 德国)测定样品中POC含量(分析精度为CHNS<0.1%)。

营养盐的测定方法参考GB17378-2007[20]和《极地海洋水文气象、化学和生物调查技术规程》[21]。其中, 铵盐采用靛酚蓝法, 使用7230G型分光光度计进行现场测定。其余四项营养盐用连续流动式营养盐自动分析仪(Skalar San++, 荷兰)进行分析, 其原理方法分别为: 亚硝酸盐采用重氮-偶氮法, 硅酸盐采用硅钼蓝法, 磷酸盐采用磷钼蓝法, 硝酸盐采用铜镉柱还原法。分析过程中所用标准溶液均由国家海洋局第二海洋研究所标准物质中心生产(GBW 08617-08645)。((1)硝酸盐浓度在0—10 μmol·L−1范围内的检测标准偏差为±0.2 μmol·L−1; 硝酸盐浓度在10—50 μmol·L−1范围内的检测标准偏差为±0.5 μmol·L−1。(2)硅酸盐浓度在5 μmol·L−1范围内的检测精度为±0.4%; 硅酸盐浓度在40 μmol·L−1范围内的检测精度为±2.5%)

Chl浓度测定采用萃取荧光法, 采用90%(体积比)丙酮于−20°C下萃取24 h, 用唐纳荧光计(Turner Designs fluorometer, Model 10)测定。(最小检出限: 0.025 mg·m−3)

1.4 数据分析

采用单因素方差分析(Duncan’s multiple- range test)检验各个水层之间POC和各个水层间Chl显著性差异(<0.05)。实验结果均用平均值±标准差的形式表示。采用双变量相关分析(系数)来检验表层POC和Chl的相关性。采用主成分分析来分析影响生源要素和环境要素对POC的影响。采用POC总−Chl×f=POC非生命[2](公式1，其中POC总为POC的总量，Chl为叶绿素的量，f为比例系数，约为25—250，POC非生命为POC中的非生命部分)来估算不同区域POC的来源贡献。

2 结果

2.1 POC、Chl a和营养盐浓度的表层分布

2016—2017年南极半岛邻近海域夏季表层POC分布如图2a所示, 其浓度范围为26.98—113.72 μg·L−1, 平均为(60.23±23.60) μg·L−1(n=38), 其分布具有明显的区域性特征, 斯科舍海与鲍威尔海盆表层POC呈高值, 象岛附近区域则呈低值。表层水体中Chl浓度在0.07—1.29 μg·L−1之间, 平均为(0.33±0.31) μg·L−1(n=38), 其分布趋势与POC基本吻合(=0.51,<0.01(图2b)。

表层水体中硅酸盐(SiO3-Si)、磷酸盐(PO4-P)和硝酸盐(NO3-N)的平均浓度分别为(74.09±10.06) μmol·L−1、(1.82±0.23) μmol·L−1和(27.04±4.64) μmol·L−1(n=38), 各项营养盐在象岛处均有一个明显的高值, 并呈现从西到东的递减趋势(图3)。表层硅酸盐和磷酸盐的最高值均出现在DA-12站位, 浓度分别为91.96 μmol·L−1和2.19 μmol·L−1, 最低值均出现在D5-4, 浓度分别为43.72 μmol·L−1和1.36 μmol·L−1。

2.2 POC浓度断面分布特征

D2断面靠近南极半岛, 起始于象岛附近, 穿过鲍威尔海盆。该断面的POC浓度分布从北至南呈增加趋势, 与Chl浓度分布一致。POC最高值位于D2-8站位次表层, Chl最高值位于D2-9站位次表层。

图2 南极半岛邻近海域POC和Chl a的表层分布. 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)

图3 南极半岛及附近海域表层水体营养盐分布. a)硅酸盐(μmol·L−1); b)磷酸盐(μmol·L−1); c)硝酸盐(μmol·L−1)

Fig.3. Distributions of nutrients in surface water in the adjacent ocean of Antarctic Peninsula. a) Silicate (μmol·L−1); b) Pho­sphate(μmol·L−1); c) Nitrate(μmol·L−1)

D3断面的南半部分穿过鲍威尔海盆, 北半部分处于斯科舍海边缘。整体上该断面的POC分布从南至北呈现增加趋势, 斯科舍海附近POC浓度普遍较高, 鲍威尔海盆相对较低(图4b), 在59.5°S附近50 m深度附近出现一个高值区, Chl在邻近区域(D3-7和D3-6站位)的次表层出现高值区。

D5断面位于最东侧, 沿44.7°W纵贯南奥克尼海台。POC的高值区有两个, 分别是位于ACCSB南北两侧的D5-4和D5-6站位。其中, Chl与POC呈现对应关系, 59.5°S附近的Chl高值区要深于POC高值区, 而在北部的58.5°S附近区域二者高值区则呈对应现象(图4c)。

DA断面起始于象岛东侧, 自西向东横穿过南斯科舍海岭。该断面POC与Chl变化不大, 整体浓度偏低, 仅在东侧近奥克尼群岛区域略有增加趋势(图4d)。

DB断面起始于南极半岛附近, 横穿过鲍威尔海盆。POC和Chl呈相同的变化趋势, 浓度在表层和次表层自西向东递减。该断面0—25 m层POC与Chl浓度明显大于DA断面。POC的高值区有两个, 分别位于DB-2和DB-4站位的25 m, 与Chl分布一致。

2.3 POC与Chl a浓度区域差异

斯科舍海POC和Chl最大值都出现在25 m层(如图5所示), 这主要是由于生物与物理的耦合作用造成的, 致使浮游植物在相应的水层出现了最大值。表层POC的平均浓度为(61.00±29.34) μg·L−1, Chl平均浓度为(0.59±0.43) μg·L−1。25 m层POC的平均浓度为(75.54±51.29) μg·L−1, Chl平均浓度为(0.73±0.79) μg·L−1。50 m层POC的平均浓度为(56.72±30.75) μg·L−1, Chl平均浓度为(0.65±0.57) μg·L−1。100—200 m层POC和Chl平均浓度均显著小于25 m层(<0.05)。

南斯科舍海岭区POC和Chl平均浓度在三个区域中最低。Chl平均浓度的最高值出现在表层, 并随着深度的增加而降低, POC整体趋势与Chl一致, 但50 m层POC浓度不显著大于25 m层(＞0.05)。表层POC的平均浓度为(42.27±7.72) μg·L−1, Chl平均浓度为(0.19±0.07) μg·L−1。25 m层POC的平均浓度为(33.51±15.14) μg·L−1, Chl平均浓度为(0.17±0.07) μg·L−1。50 m层POC的平均浓度为(34.09±10.96) μg·L−1, Chl平均浓度为(0.17±0.06) μg·L−1。100—200 m层POC与Chl分布与斯科舍海相一致。

图4 各断面POC和Chl a剖面分布. a)D2; b)D3; c)D5; d)DA; e)DB. 填充色及色标表示POC(μg·L−1)的浓度变化, 黑色等值线表示Chl a(μg·L−1)的浓度变化

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)

鲍威尔海盆POC和Chl垂直分布与斯科舍海类似POC和Chl的最大值都主要出现在25 m层, 但鲍威尔海盆的整体POC平均浓度大于斯科舍海区域, 而整体Chl平均浓度则相反。25 m层POC的平均浓度为(81.88±59.47) μg·L−1, Chl平均浓度为(0.32±0.24) μg·L−1。表层POC的平均浓度为(71.04±20.44) μg·L−1, Chl平均浓度为(0.22±0.16) μg·L−1。50 m层POC的平均浓度为(51.54±18.03) μg·L−1, Chl平均浓度为(0.26± 0.23) μg·L−1。100—200 m层POC与Chl浓度显著小于0—25 m水层(<0.05), 与斯科舍海相一致。

图5 不同区域POC和Chl a平均浓度垂向分布

Fig.5. Vertical distributions of POC and Chlaverage concentrations in different regions

2.4 主成分分析结果

主成分分析结果表明(图6), 主成分1(PC1)解释了46.1%的数据变异, 其中营养盐和深度(反映光强)具有较高的正荷载, POC和Chl具有较低的负载荷, 因此PC1主要反映浮游植物初级生产的状况, 且PC1得分越负表明光合作用越强。各项营养盐基本都与POC呈负相关, 而Chl与POC呈显著正相关, 表明POC产生的主要因素是营养盐的消耗促使浮游植物的初级生产的结果。并且硅酸盐与Chl的显著负相关(=−0.56,<0.01), 表明依赖硅酸盐的硅藻在南极半岛附近海域中占优势地位, 并且在光合作用中碳的合成与固定过程中为主要贡献者。主成分2(PC2)尽管仅解释了14.5%的数据变异, 但在温度和盐度上具有较高的正荷载, 则可能主要反映了融冰和温度的影响。其中POC和Chl在PC2的荷载呈现相反的趋势, 表明二者对温度、盐度可能呈相反的响应趋势。

2.5 不同区域POC/Chl a值

通常利用POC/Chl(w/w)来表征生命态POC对总颗粒有机碳的贡献[22-23], POC/Chl在20—250之间就说明有机质主要来源于活体浮游植物[24]。本文对典型区域, 包括斯科舍海、南斯科舍海岭和鲍威尔海盆垂直水柱中POC/Chl进行计算, 结果发现不同区域、不同水层的POC/Chl具有很大的差异(图7)。

斯科舍海区与南斯科舍海岭的POC/Chl随深度的增加而增加, 而鲍威尔海盆则略有不同。其中斯科舍海区POC/Chl最低, 在表层为139, 在25 m、50 m和100 m水层各为205、161和269, 而在200 m水层POC/Chl为695, 是三个海域中最大的。南斯科舍海岭区域POC/Chl在0—50 m水层小于200或接近200, 在100—200 m分别为398和580。鲍威尔海盆区域最为特别, 在25 m、50 m和100 m水层POC/Chl在249—331之间, POC/Chl值偏高, 表层POC/Chl为367, 明显高于其他海区。

3 讨论

3.1 POC的区域差异以及影响因素

从区域分组的结果可以看出, 不同区域的POC浓度相差较大, 总体呈现鲍威尔海盆区域＞斯科舍海＞南斯科舍海岭的趋势。

图6 生源和环境参数的主成分分析. 箭头代表原始变量, 其中方向代表原始变量与主成分的相关性, 长度代表原始数据对主成分的贡献度, 截距表示变量对于主成分的贡献, 不同变量之间的角度表示变量之间的相关性。横轴代表主成分1(PC1), 纵轴代表主成分2(PC2), 不同颜色点代表不同区域中的变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

图7 不同区域POC/Chl a的垂直剖面

Fig.7. The profile of POC/Chlin different regions

在本次研究的3个区域中, 鲍威尔海盆区的整体POC浓度最高, 这可能与低温低盐的融冰环境(图8)有关。融冰环境会导致POC浓度的增加[25-27]。大量研究发现海冰边缘区的浮游植物大量繁殖, 增强的初级生产归因于通过海冰融化后形成较浅的混合层, 使得浮游植物在真光层中大量繁殖, 导致POC浓度的增加[28]。Sullivan等[29]利用水色遥感在西威德尔海冰边缘区观察到了浮游植物随着海冰消融迅速繁殖生长的现象。Wilson等[30]也在罗斯海西部冰缘区发现了极高的初级生产力。此外POC的增加也与海冰融化后冰藻[31-32]以及碎屑释放[31]有关。鲍威尔海盆整体POC浓度最高, 但其Chl值很低, 使其呈现高POC/Chl值。Nelson等[26]在威德尔海-斯科舍海冰边缘区实测发现在威德尔海-斯科舍海冰边缘区Chl浓度小于0.7 μg·L−1, 但POC浓度大于120 μg·L−1。Tréguer等[33]在印度洋冰边缘区发现了低Chl浓度(0.21 μg·L−1), 高POC浓度(86.4 μg·L−1)。El-Sayed和Taguchi[34]在威德尔海的两个区域发现了不同POC/Chl值。在真光层浅(20.3 m)的区域POC/Chl值为35, 而在真光层深(57 m)区域POC/Chl值为416。

南斯科舍海岭和斯科舍海都处于无冰环境, 不存在融冰环境的特点, 没有外源POC输入, POC与Chl整体分布趋势相同(图5)。因此浮游植物的初级生产是这两个区域POC的主要来源。南斯科舍海岭整体上POC浓度最低。Holm- Hansen等[35]和 Korb等[36]实测发现了此区域具有低Chl值(<0.5 mg·m−3＝和低初级生产力(<1g·C·m−2·d−1)的特征。Constable等[37]利用遥感数据也发现了Chl的低值。本次研究和第28次南极科考[38]研究都在该区域发现了各类营养盐的极大值, 明显高于营养盐限制生长的阈值[39]。因此常量营养盐不是对浮游植物的生长发育的限制。主要影响因素是南斯科舍海岭存在沿岸流以及威德尔海环流[18-19], 处于水团的交汇区域, 交换强烈, 水体不稳定不利于浮游生物的生存和繁殖, 因此该海域浮游植物初级生产明显较低。

斯科舍海区处于相对高温高盐的无冰环境, 整体POC浓度介于另外两个海区之间。研究发现斯科舍海相较于南大洋其他海区具有很高的初级生产力[40]。Holm-Hansen等[35]实测表层海水中Chl平均浓度为(1.16±1.57) mg·m−3, 初级生产力约为(597±493) mg·C·m−3·d−1。Ocean Color卫星遥感[37,41]也在此处发现了Chl的高值。对南极浮游植物的研究[42]表明, 当水温从−1.8°C升至4.5°C, 初级生产率增加约30%。因此温度可能是影响斯科舍海区初级生产和POC浓度分布的重要因素之一。

图8 2017年1月南极半岛邻近海域的海冰平均密集度(%),温度和盐度. (a)海冰平均密集度(%);(b)温度;(c)盐度.海冰数据来自德国不来梅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的来源估算

由于南极半岛整体区域的浮游植物的优势种为硅藻, 但不同区域的浮游植物组成仍然具有较大差异[43], 因此需要对不同区域的POC与叶绿素做相关分析, 利用各个区域0—200 m的POC以及对应Chl数据, 分析结果如下: 斯科舍海f值为40(2=0.34,<0.01, n=45), 南斯科舍海岭f值为119(2=0.52,<0.01, n=50), 鲍威尔海盆f值为94(2=0.23,<0.01, n=85)。

斯科舍海区主要浮游植物为硅藻[16]。栾青彬等[16]2010年发现南斯科舍海岭主要浮游植物为甲藻, 特别是裸甲藻, 占此区域的90%以上。Chan[44]在1980年测定了硅藻和甲藻的f值, 发现硅藻为32.9—35.2, 而甲藻为92.6—120。Lundsgaard和Olesen[45]1997年分别测定了硅藻(春季)和甲藻(夏末)水华时的f值分别为29和93。这都与计算所得的斯科舍海和南斯科舍海岭区的f值相似。

由图8可知, 鲍威尔海盆处于融冰环境, 冰藻占主导优势, Arrigo等[31]发现在罗斯海冰边缘区其POC/Chl值异常高, 这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与Smith[46]在西罗斯海冰边缘区处发现,以南极棕囊藻为优势种的区域的POC/Chl值为92, 而以硅藻为优势种的区域的POC/Chl值异常高, 为210。鲍威尔海盆f值在此范围内。值得考虑的是藻类的POC/Chl的值随着环境的变化而变化[47], 在一定的范围内产生波动, 可能会对估算产生的结果产生一定的偏差。

分别取不同的区域的f值, 由公式1来估算不同海区的非生命POC占比, 结果如图9所示。

研究区域整体上呈现非生命POC占比随着深度的增加而增加的趋势, 这是由于随着深度的增加, 活体浮游植物急剧减少。斯科舍海表层非生命POC占比为71%, 25 m水层为80%, 50 m水层为75%, 100 m水层为85%, 200 m水层为94%。南斯科舍海岭表层非生命POC占比为42%, 25 m水层为48%, 50 m水层为47%, 100 m水层为70%, 200 m水层为79%。整体在三个区域中生命POC占比最高。鲍威尔海盆表层非生命POC占比为74%, 25 m水层为72%, 50 m水层为66%, 100 m水层为62%, 200 m水层为83%, 各水层结果与斯科舍海相似。斯科舍海处于高温高盐的无冰环境, 初级生产力高, 没有外源POC输入, 浮游植物的初级生产是POC的主要来源。但是, 其各层次非生命POC占比较高, 明显高于南斯科舍海岭区, 这可能与这一水域的南极大磷虾高生物量密切相关[17,48-49]。这些磷虾摄食以及新陈代谢所产生的粪便、生物碎屑等都对非生命POC占比有贡献, Manno等[50]在斯科舍海观察到了极大的浮游动物粪便通量(2534 FP m−2·d−1), Cavan等[51]发现在斯科舍海的部分站位浮游动物粪便通量占整体POC通量很大部分。

图9 南极半岛不同区域生命和非生命POC占比

Fig.9. The proportion of living and no-living POC in different regions

南斯科舍海岭与斯科舍海都处于无冰区, 但受到水团混合的影响, 水体环境不稳定, 因此POC和Chl含量整体偏低。研究发现南极磷虾偏好捕食硅藻, 但很少摄食大型藻类[52]。因此该区域浮游植物甲藻很少被磷虾等捕食, 导致了其整体非POC比例最低。

鲍威尔海盆处于冰边缘区。海冰碎屑以及陆源输入可能对其非生命POC占比有一定贡献。Arrigo等[31]认为在罗斯海冰边缘区海冰中可能含有大量碎屑POC。1984—1985年南大洋考察报告[53]发现该海域沉积物中有机碳来源呈海洋水生生物来源和陆源混合的特征。韩喜彬等[54]在此区域部分站点的沉积物中发现了陆源物质。

4 结论

本文研究了第33次南极半岛邻近海域的POC浓度、组成以及其影响因素。研究发现, 南极半岛邻近海域海水表层POC的分布与Chl含量分布趋势基本一致, 呈现南斯科舍海岭区域浓度低, 而两侧浓度高的现象。POC与营养盐均呈负相关, 与Chl呈正相关, 表明南极半岛附近海域POC的主控因子是浮游植物的初级生产。经主成分分析发现, 不同区域控制因素不同, 其生命POC占比也不同。斯科舍海可能受到温度影响, 初级生产力最高, 但由于高生物量磷虾存在, 非生命POC占比较高; 南斯科舍海岭受到水团混合的干扰, 初级生产力最低, 非生命POC占比最低; 鲍威尔海盆处于融冰区, 整体POC含量最高, 由于海冰碎屑和陆源输入, 非生命POC占比最高。

致谢:衷心感谢参加中国第33次南极科学考察任务的全体科考人员和“雪龙”号上的全体船员。

1 HUNG J J, LIN P L, LIU K K. Dissolved and particulate organic carbon in the southern East China Sea[J]. Continental Shelf Research, 2000, 20(4/5): 545-569.

2 张乃星, 宋金明, 贺志鹏. 海水颗粒有机碳(POC)变化的生物地球化学机制[J]. 生态学报, 2006, 26(7): 2328-2339.

3 刘庆霞, 黄小平, 张霞, 等. 2010年夏季珠江口海域颗粒有机碳的分布特征及其来源[J]. 生态学报, 2012, 32(14): 4403-4412.

4 MURPHY P P, FEELY R A, GAMMON R H, et al. Assessment of the air-sea exchange of CO2in the South Pacific during austral autumn[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 1991, 96(C11): 20455-20465.

5 高众勇, 陈立奇, 王伟强. 南大洋二氧化碳源汇分布及其海-气通量研究[J]. 极地研究, 2001, 13(3): 175-186.

6 孙恒, 高众勇. 南大洋海-气CO2通量研究进展[J]. 极地研究, 2009, 21(1): 60-68.

7 史久新, 孙永明, 矫玉田, 等. 2011/2012年夏季南极半岛北端周边海域的水团与水交换[J]. 极地研究, 2016, 28(1): 67-79.

8 TURNER J, COLWELL S R, MARSHALL G J, et al. Antarctic climate change during the last 50 years[J]. International journal of Climatology, 2005, 25(3): 279-294.

9 DOAKE C S M, CORR H F J, ROTT H, et al. Breakup and conditions for stability of the northern Larsen Ice Shelf, Antarctica[J]. Nature, 1998, 391(6669): 778-780.

10 ARZEL O, FICHEFET T, GOOSSE H. Sea ice evolution over the 20th and 21st centuries as simulated by current AOGCMs[J]. Ocean Modelling, 2006, 12(3/4): 401-415.

11 VAUGHAN D G, MARSHALL G J, CONNOLLEY W M, et al. Recent Rapid Regional Climate Warming on the Antarctic Peninsula[J]. Climatic Change, 2003,60(3): 243-274.

12 REINARDY B T I, PUDSEY C J, HILLENBRAND C D, et al. Contrasting sources for glacial and interglacial shelf sediments used to interpret changing ice flow directions in the Larsen Basin, Northern Antarctic Peninsula[J]. Marine Geology, 2009, 266(1/2/3/4): 156-171.

13 刘子琳, 史君贤. 南极夏季普里兹湾邻近海域浮游植物,粒度分级叶绿素a和初级生产力的分布[J]. 极地研究, 1997,9(1): 18-27.

14 MALDONADO A, BARNOLAS A, BOHOYO F, et al. Contourite deposits in the Scotia Sea (Antarctica): paleoceanographic implications[C]//EGS-AGU-EUG Joint Assembly, 2003: 7068.

15 HOWE J A, LIVERMORE R A, MALDONADO A. Mudwave activity and current-controlled sedimentation in Powell Basin, northern Weddell Sea, Antarctica[J]. Marine Geology, 1998, 149(1/2/3/4): 229-241.

16 栾青杉, 孙坚强, 吴强, 等. 2010年夏南极半岛邻近海域的浮游植物群落[J]. 海洋科学进展, 2012, 30(4): 508-518.

17 ATKINSON A, SIEGEL V, PAKHOMOV E, et al. Long-term decline in krill stock and increase in salps within the Southern Ocean[J]. Nature, 2004, 432(7013): 100-103.

18 SCHODLOK M P, HELLMER H H, BECKMANN A. On the transport, variability and origin of dense water masses crossing the South Scotia Ridge[J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2002, 49(21): 4807-4825.

19 PALMER M, GOMIS D, FLEXAS M D M, et al. Water mass pathways and transports over the South Scotia Ridge west of 50°W[J]. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 2012, 59: 8-24.

20 国家质量技术监督局. 海洋监测规范: 第4部分海水分析: GB/T 17378.7—1998[S]. 北京: 中国标准出版社出版, 1999.

21 国家海洋局极地专项办公室.极地海洋水文气象、化学和生物调查技术规程[M]. 北京: 海洋出版社, 2012.

22 FABIANO M, POVERO P, DANOVARO R. Distribution and composition of particulate organic matter in the Ross Sea (Antarctica)[J]. Polar Biology, 1993, 13(8): 525-533.

23 FABIANO M, DANOVARO R, CRISAFI E, et al. Particulate matter composition and bacterial distribution in Terra Nova Bay (Antarctica) during summer 1989-1990[J]. Polar Biology, 1995, 15(6): 393-400.

24 CIFUENTES L A, SHARP J H, FOGEL M L. Stable carbon and nitrogen isotope biogeochemistry in the Delaware estuary[J]. Limnology and Oceanography, 1988, 33(5): 1102-1115.

25 NELSON D M, SMITH W O, Jr, GORDON L I, et al. Spring distributions of density, nutrients, and phytoplankton biomass in the ice edge zone of the Weddell-Scotia Sea[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 1987, 92(C7): 7181-7190.

26 NELSON D M, SMITH W O, Jr, MUENCH R D, et al. Particulate matter and nutrient distributions in the ice-edge zone of the Weddell Sea: relationship to hydrography during late summer[J]. Deep Sea Research Part A Oceanographic Research Papers, 1989, 36(2): 191- 209.

27 PARK M G, YANG S R, KANG S H, et al. Phytoplankton biomass and primary production in the marginal ice zone of the northwestern Weddell Sea during austral summer[J]. Polar Biology, 1999, 21(4): 251-261.

28 LANCELOT C, MATHOT S, VETH C, et al. Factors controlling phytoplankton ice-edge blooms in the marginal ice-zone of the northwestern Weddell Sea during sea ice retreat 1988: Field observations and mathematical modelling[J]. Polar Biology, 1993, 13(6): 377-387.

29 SULLIVAN C W, MCCLAIN C R, COMISO J C, et al. Phytoplankton standing crops within an Antarctic ice edge assessed by satellite remote sensing[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 1988, 93(C10): 12487-12498.

30 WILSON D L, SMITH W O, Jr, NELSON D M. Phytoplankton bloom dynamics of the western Ross Sea ice edge—I. Primary productivity and species-specific production[J]. Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers, 1986, 33(10): 1375-1387.

31 ARRIGO K R, ROBINSON D H, DUNBAR R B, et al. Physical control of chlorophyll a, POC, and TPN distributions in the pack ice of the Ross Sea, Antarctica[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2003, 108(C10): 3316.

32 LIZOTTE M P. The contributions of sea ice algae to Antarctic marine primary production1[J]. American Zoologist, 2001, 41(1): 57-73.

33 TRÉGUER P, GUENELEY S, KAMATANI A. Biogenic silica and particulate organic matter from the Indian sector of the Southern Ocean[J]. Marine Chemistry, 1988, 23(1/2): 167-180.

34 EL-SAYED S Z, TAGUCHI S. Primary production and standing crop of phytoplankton along the ice-edge in the Weddell Sea[J]. Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers, 1981, 28(9): 1017-1032.

35 HOLM-HANSEN O, NAGANOBU M, KAWAGUCHI S, et al. Factors influencing the distribution, biomass, and productivity of phytoplankton in the Scotia Sea and adjoining waters[J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2004, 51(12/13): 1333-1350.

36 KORB R E, WHITEHOUSE M J, THORPE S E, et al. Primary production across the Scotia Sea in relation to the physico-chemical environment[J]. Journal of Marine Systems, 2005, 57(3/4): 231-249.

37 CONSTABLE A J, NICOL S, STRUTTON P G. Southern Ocean productivity in relation to spatial and temporal variation in the physical environment[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2003, 108(C4): 8079.

38 国家海洋局极地专项办公室. 南极周边海域海洋化学与碳通量考察[M]. 北京: 海洋出版社, 2016.

39 王勇, 焦念志. 营养盐对浮游植物生长上行效应机制的研究进展[J]. 海洋科学, 2000, 24(10): 30-33.

40 EL-SAYED S Z, WEBER L H. Spatial and temporal variations in phytoplankton biomass and primary productivity in the Southwest Atlantic and the Scotia Sea[J]. Polar Biology, 1982, 1(2): 83-90.

41 MOORE J K, ABBOTT M R. Phytoplankton chlorophyll distributions and primary production in the Southern Ocean[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2000, 105(C12): 28709-28722.

42 NEORI A, HOLM-HANSEN O. Effect of temperature on rate of photosynthesis in Antarctic phytoplankton[J]. Polar Biology, 1982, 1(1): 33-38.

43 朱根海, 王春生. 南极南设得兰群岛邻近水域表层微小型浮游藻类的分布特征[J]. 生态学报, 1993, 13(4): 383-386.

44 CHAN A T. Comparative physiological study of marine diatoms and dinoflagellates in relation to irradiance and cell size. II. Relationship between photosynthesis, growth, and carbon/chlorophyll a ratio1,2[J]. Journal of phycology, 1980, 16(3): 428-432.

45 LUNDSGAARD C, OLESEN M. The origin of sedimenting detrital matter in a coastal system[J]. Limnology and Oceanography, 1997, 42(5): 1001-1005.

46 DITULLIO G R, SMITH W O, Jr. Spatial patterns in phytoplankton biomass and pigment distributions in the Ross Sea[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 1996, 101(C8): 18467-18477.

47 COTA G F, SMITH W O, Jr, NELSON D M, et al. Nutrient and biogenic particulate distributions, primary productivity and nitrogen uptake in the Weddell-Scotia Sea marginal ice zone during winter[J]. Journal of Marine Research, 1992, 50(1): 155-181.

48 PUTLAND J, SUTTON T. Survey of larval Euphausia superba lipid content along the western Antarctic Peninsula during late autumn 2006[J]. Polar Science, 2011, 5(3): 383-389.

49 RONG W. Distribution and abundance of eggs and larvae of Antarctic krill (Enphausua superba Dana) in Antarctic Peninsula area[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 1989, 7(2): 97-104.

50 MANNO C, STOWASSER G, ENDERLEIN P, et al. The contribution of zooplankton faecal pellets to deep-carbon transport in the Scotia Sea (Southern Ocean)[J]. Biogeosciences, 2015, 12(6): 1955-1965.

51 CAVAN E L, LE MOIGNE F A C, POULTON A J, et al. Attenuation of particulate organic carbon flux in the Scotia Sea, Southern Ocean, is controlled by zooplankton fecal pellets[J]. Geophysical Research Letters, 2015, 42(3): 821-830.

52 朱小艳. 基于生物标记法的南设得兰群岛水域南极磷虾摄食研究[D]. 上海: 上海海洋大学, 2015.

53 沈毅楚. 南大洋考察报告: 南极半岛西北部海区: 1984-1985[M]. 北京: 海洋出版社, 1988.

54 韩喜彬, 赵军, 初凤友, 等. 南极半岛东北海域表层沉积有机质来源及其沉积环境[J]. 海洋学报, 2015, 37(8): 26-38.

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月收到来稿, 2019年4月收到修改稿

国家自然科学基金(41406219, 41576186, 41506223)、国家海洋局第二海洋研究所基本科研业务费专项(JG1808, JG1805, JT1405)和南北极环境综合考察与评估专项(CHINARE01-04, CHINARE01-03)联合资助

张一成, 男, 1995年生。硕士研究生, 海洋生物地球化学专业。E-mail: zyicheng95@163.com

潘建明, E-mail:jmpan@sio.org.cn

10. 13679/j.jdyj.20190007