南极普里兹湾海域夏季表层水体颗粒有机碳及其同位素分布特征

尹希杰 李云海 乔磊 王爱军 徐勇航 陈坚

0 引言

海洋中的有机碳是海洋生命的源泉，也是全球最大的碳储库之一，主要包括溶解有机碳（DOC）和颗粒有机碳（POC）。POC是海洋浮游植物固碳作用的主要产物之一，虽仅占海洋有机碳总量的10%左右，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。大气中的CO2溶于水后在水体和颗粒物之间发生各种物理、化学和生物作用，部分会转化成POC（悬浮颗粒和沉积物微粒），这是水体中POC的来源之一。而在表层海水中，POC更多是由生物碎屑（死亡生物体）和浮游动植物组成。这些POC一部分会沉降到海底，另一部分则会被微生物等消耗后重新转化成CO2。水体中POC与生物的生命过程和水体初级生产力密切相关，是评价海区生产力的一个重要指标［1］，同时，POC也是海水中碳固化和迁移输出的主要形式［2］。研究海水中POC的变化特征是海洋碳循环研究的重要内容之一，在海洋生物地球化学研究中具有重要意义［3］。

有机碳稳定同位素作为一种天然示踪剂，在辨别近海环境中有机质的物质来源方面获得了广泛的应用。海洋中的悬浮颗粒有机碳来源多样，主要包括陆源有机物和海洋浮游生物等。不同来源的颗粒有机碳的同位素比值（13C／12C）及颗粒有机碳同位素（δ13CPOC）值也不同。在中低纬度海域，陆源δ13CPOC值平均为 －26‰至 －27‰，海源 δ13CPOC值平均为－18‰至－19‰［4］，两种端元组分的显著差异是利用碳同位素判识物源的依据。同时，由于悬浮有机碳的沉降速度很小，可在海流携带下进行长时间、长距离的运移，悬浮有机碳的碳同位素数据也可以为研究颗粒动力学和物质传输提供参考［5］。近年来，国内外已广泛开展通过利用悬浮体中POC稳定碳同位素特征来探讨POC的来源、分布特征、循环和沉降等，取得了一系列共识，促进了生物地球化学的发展，研究区涉及到大西洋、北冰洋、南大洋以及加拿大等的一些重要河口、海湾和海域［6-14］。在国内，在主要河口的陆架海域等都有与POC及其碳同位素相关应用的报道［15-17］。

普里兹湾是南极洲的第三大海湾，世界最大冰川兰伯特冰川在海湾附近入海，形成了广阔的埃默里冰架，是中国南大洋科学考察的重点海域。普里兹湾也是南极底层水的源区之一，是南极物理海洋、海洋地质、海洋地球物理和海洋生态环境调查与研究的“主战场”之一，海湾周边建有多国的南极科学考察站。中国于1989年在临近普里兹湾的拉斯曼丘陵地区建立了中山站，在普里兹湾海域陆续开展了包括颗粒有机碳来源、分布特征和影响因素等方面的科学调查与研究，获得了一些新的认识［18-20］。本研究根据2013年第29次南极科学考察中所采集的61个站位表层悬浮体样品，结合卫星遥感解译获得的该海区相同时间段内SST、Chl a含量和海冰分布特征，初步分析了普里兹湾海域表层水中POC的分布特征及其影响因素，结合悬浮体δ13CPOC变化特征，阐述普里兹湾海域夏季表层悬浮颗粒有机质来源的运移过程，研究结果将为全面了解南极普里兹湾海域的碳循环提供科学参考。

1 材料与方法

悬浮体样品采自“雪龙”号考察船2013年实施的中国第29次南极科学考察，调查时间为2013年1月31日至3月3日（含中山站附近停靠和考察期间的停船避风等时间），调查期间利用Niskin采水器采集表层水样，共采集61个站位（图1）。随船用孔径0.7μm的Whatman GF／F滤膜（预先于450℃灼烧6 h）在全玻过滤器上抽滤，抽滤体积为3 000—5 000 mL。抽滤后将滤膜置于－20℃保存至陆地实验室，用以测定颗粒有机碳（POC）含量及其 δ13CPOC。

悬浮体滤膜用5×7锡杯包样，用元素分析仪-稳定同位素质谱仪联机（Flash EA 1112 HT-DeltaⅤ Advantages，Thermo Fisher公司）测定膜上 POC和δ13CPOC值。所用载气为高纯氦（99.999%），载气He流速90 mL·min－1，氧化管温度960℃，色谱柱温度50℃。δ13CTOC值以PDB国际标准作为参考标准，δ13CTOC值按以下公式计算：

式中，R（13C／12CVPDB）为国际标准物 VPDB（Vienna Peedee Belemnite）的碳同位素丰度比值。δ13CTOC值的分析精度为 ±0.2‰；POC值的分析精度为±0.8‰。

表层Chl a及 SST遥感数据来源于 Aqua-MODIS的2013年2—3月的L2级数据，下载地址：Ocean Color website（http：／／oceancolor.gsfc.nasa.gov），数据的空间分辨率为4 km×4 km。用SeaDAS 4.9 Mercator projection（http：／／seadas.gsfc.nasa.gov／doc／utorial／sds＿tut2.html）将 L2级的 MODIS数据处理成普里兹湾的L3数据。由于调查期间研究区云层覆盖范围较大，将下载的遥感数据按照数据点平均计算，获得调查期间的表层Chl a、SST平均分布特征。海冰覆盖率分布数值来源于NOAA Earth System Research Laboratory（http：／／www.esrl.noaa.gov／psd／）。数据空间分辨率为 0.5°×0.5°（经纬度），数据为2—3月的平均值。

2 结果与讨论

2.1 表层水体POC的水平分布

夏季普里兹湾及其周边海域表层水体悬浮POC的浓度范围为0.28—0.84 mg·L－1，平均浓度为0.48 mg·L－1，整体上呈现近岸相对较高，外海相对较低的分布趋势，POC浓度最大值出现在中山站近岸的P5-09站，最低值出现在调查区西部外海的P3-03站（图2）。在纬向上，大致以67.5°S为界，界线以北的普里兹湾外海海域，表层水体悬浮POC含量一般＜0.5 mg·L－1。界线以南的普里兹湾内，表层水体悬浮 POC含量 ＞0.5 mg·L－1。在66.8°S—67.5°S之间的海域，表层水体悬浮 POC含量变化不大，在 0.4—0.5 mg·L－1之间。而在66.8°S以北的海域表层水体悬浮POC的含量变化较大，总体上东部要高于西部，其中以P3-03和P5-01站为中心出现两个含量低值区，其值分别为0.28和 0.29 mg·L－1。

图2 普里兹湾表层水体悬浮POC分布Fig.2.The horizontal distribution of surficial suspended POC in the Prydz Bay

2.2 表层水体δ13 CPOC值的水平分布

表层水体悬浮POC的δ13CPOC值变化是POC物质来源和浮游植物生长等过程的综合反映。普里兹湾表层水体悬浮 POC的 δ13CPOC值变化范围为－29.68‰— －26.30‰，平均值为 －28.01‰，δ13CPOC值的水平分布特征相对复杂。位于64°E—67°E的湾外海域表层水体δ13CPOC值从东部向西部表现为逐渐偏负的趋势，最低值出现在P4-02站（－29.41‰），而 最 高 值 则 出 现 在 P7-07站（－27.00‰）（图 3）。普里兹湾内和近岸海域 δ13CPOC最高值（－26.40‰）出现在弗拉姆浅滩附近的P3-09站，最低值（－29.68‰）出现在P6-11站（图3）。68°S以南的湾内东部海域相对周围陆架海域的δ13CPOC值明显偏负。在72°E以西，δ13CPOC值由近岸向外海逐渐减小，而在74°E以东，δ13CPOC值由近岸向外海逐渐增加。

图3 普里兹湾表层水体悬浮POC的δ13 CPOC值分布Fig.3.The horizontal distribution ofδ13 CPOC of surficial suspended POC in the Prydz Bay

2.3 表层水体Chl a、海冰和温度的水平分布

利用遥感反演计算获得夏季普里兹湾表层水体Chl a含量、SST和海冰覆盖率等数据，可以弥补现场观测区域小和时间局限的缺点，从宏观上展示普里兹湾及其周边海域夏季海洋环境状况，为研究悬浮颗粒POC的分布及其变化提供参考。图4为利用遥感资料解译的2013年2—3月普里兹湾及其周围海域海表Chl a含量、SST和海冰覆盖率平均分布图。

图4 普里兹湾表层Chl a（a）、SST（b）和海冰覆盖率（c）分布图Fig.4.The horizontal distributions of Chl a（a），SST（b）and ice concentration（c）in surface water in the Prydz Bay

叶绿素含量可以表征表层水中浮游植物生物量的高低，而浮游植物生物量在一定程度上决定了POC浓度的分布，叶绿素和POC之间具有紧密的联系。夏季普里兹湾表层水体Chl a含量变化范围为0.1—1.2 mg·m－3，总体上含量相对较低，呈现近岸高，深水区低的趋势。高值区主要位于普里兹湾内以及南极大陆近岸海域，分布范围较局限（主要在67.5°S以南），Chl a含量一般 ＞0.6 mg·m－3。在普里兹湾内呈现东部高于西部，中山站附近最高的特征。在 67.5°S—62.5°S的广大海域，Chl a含量非常低，一般＜0.3 mg·m－3，属于南大洋寡生产力海域。62.5°S以北的东部海域，Chl a含量又有增加，一般在 0.4—0.8 mg·m－3（图 4a）。通过遥感反演获得的调查区表层水中Chl a水平分布趋势与韩正兵等［18］和孙维萍等［19］现场测试获得的 Chl a分布趋势一致。已有研究结果表明，远海区低浓度Chl a主要是受到活性铁含量的限制［19-20］，而湾内高Chl a含量主要是受到夏季融冰的影响［21］。本文通过遥感获得Chl a含量分布特征，为分析表层水体悬浮POC及其碳同位素分布提供了参考。

大量海冰常年存在，形成了南极海域独有的环境特征，海冰阻碍了大气环境对下覆水体的影响，形成了相对孤立的环境。海冰的季节性变化会影响下覆水体的水文过程、水温和光合作用，从而主导了水体浮游生物的生存环境［22］。普里兹湾夏季的表层海冰覆盖率由湾内向湾口降低，至湾外部的开阔海域逐渐消失，变为无冰区（图4c）。海冰覆盖率在冰架入海处最高，一般＞0.8；同时，在外海也存在零星的浮冰，覆盖率一般＜0.5。湾外东部海区海冰的覆盖率明显高于西部海区，与表层水体Chl a含量分布特征一致。

南大洋表层水温的分布主要受太阳辐射、融冰以及海洋气象、海流时空变化等因素控制。2013年2—3月普里兹湾周边海域SST范围为 －1.4℃—－1.8℃，平均为 －0.98℃，整体上呈现由南向北逐渐增加的趋势，受大陆冰川及近岸浮冰的影响，普里兹湾内及南极大陆海岸附近水温最低，一般＜0℃（0℃等温线大致在66°S附近）。66°S以北海域SST逐渐增加，一般 ＞0℃（图4b）。普里兹湾夏季的SST与表层浮冰覆盖率分布特征的对应良好。

2.4 讨论

海洋中POC含量分布受陆地径流、沿岸上升流、光照、营养盐、生物活动等各种物理、化学和生物过程的影响。本次调查中发现夏季普里兹湾表层水体悬浮POC高值区主要分布在冰架沿岸，等值线密集，在整个调查区域内POC浓度表现为由湾内向外海逐渐减小的趋势，湾内POC平均含量为0.61 mg·L－1，湾外平均含量为0.33 mg·L－1（图 2）。于培松等［23］在第22次南极科学考察期间发现，普里兹湾内POC平均值高达0.72 mg·L－1，而湾外较低，只有 0.13 mg·L－1；扈传昱等［24］在第 15次南极科学考察调查中也发现，普里兹湾内POC平均值高达0.53 mg·L－1，湾外平均值仅为0.17 mg·L－1。这些结果与本次调查获得POC浓度及其空间分布特征基本一致。邱雨生等［25］在第15次和第16次南极科学考察期间对该海域的初级生产力的研究也发现，水体初级生产力也呈现湾内高，湾外低（陆坡、深海区最低）的特征，与本次调查结果互为印证。刘子琳等［26］在1991／1992年夏季（第8次南极科学考察），对南极普里兹湾邻近海域初级生产力以及颗粒有机碳浓度研究中发现，在普里兹湾周边北部陆架和湾外东部海区初级生产力和颗粒有机碳浓度均高于西部海区的。这一结果也与本研究中获得的普里兹湾外东部海区表层POC高于西部相一致。本航次中表层水体悬浮POC浓度分布特征和遥感解译获得的表层Chl a含量分布特征也与这一分布趋势相一致。

由遥感解译获得普里兹湾附近海域表层Chl a含量与表层水体悬浮POC浓度的分布趋势基本一致（图2、图4a）。第15次和第22次南极科学考察对表层POC与Chl a调查发现POC与Chl a之间存在显著正相关，其相关系数分别为（r＝0.889，n＝91）和（r＝0.79，n＝114）［23-24］，这一结果反映了普里兹湾海域POC的分布和变化主要受浮游植物的影响。综合本次调查和以前调查结果，普里兹湾附近海域表层水体悬浮POC主要是由夏季浮游植物产生。

海冰的分布也是影响表层水体悬浮POC含量的因素之一，刘广山等［27］对南极普里兹湾及邻近海域初级生产力分布的研究发现，考察船附近海冰溶解以后，海冰中的冰藻融入海水，海水中初级生产生物量达到最大值，初级生产力成数量级的增加。刘子琳等［26］对1999／2000年夏季（第 16次南极科学考察）南极普里兹湾及湾口区Chl a和初级生产力研究也发现，海湾和陆架区现场生产力均超过1.5 gC·（m－2·d－1），而陆坡、深海区约仅 0.5 gC·（m－2·d－1），高生产力海域位于高生物量的近岸海湾和陆架冰间湖区；金思韵等［20］也发现普里兹湾区的Chl a的分布以陆架坡为界，湾内向湾外表现出明显的递减趋势。遥感反演获得调查区海冰覆盖率的分布规律与表层水体悬浮POC含量和Chl a浓度的基本一致（图2、图4c）。综合以上结果，普里兹湾海冰的消融对该地区海洋的初级生产力具有重要的影响。在普里兹湾内靠近中山站附近海域海冰覆盖率最高，密集的浮冰在海面形成屏障，阻挡了风浪的传播，减弱了水体的交换，使该海域水体相对稳定，为浮游植物的生长繁殖提供了良好的环境，因此该海域表层水中的Chl a浓度最高。在普里兹湾内，由于东西两侧四女士浅滩和弗拉姆浅滩及其冰山、浮冰的阻挡，使湾外的风浪难以向湾内传播，减小了湾内外深层水的交换。同时，夏季埃默里冰架区冰雪的融化不仅将部分冰中的藻类释放到海水中，还使表层海水的盐度降低，低密度的冰融水浮于高密度的海水之上，产生稳定的层化，促使浮游植物快速生长［28］。随着海冰的溶解，带来了大量的陆源物质，特别是南大洋中生物生长需要的活性铁等，也增加了水体初级生产力，形成相对高的Chl a和POC浓度区。Lin等［29］通过对南极附近浮冰周围海水中活性铁的研究发现，海冰附近水体中溶解铁的浓度从 0.58 nmol·L－1增加到2.92 nmol·L－1，在海冰1 km半径内海水中溶解铁的浓度增加60%。Shaw等［30］在威德尔海的研究中也发现南极浮冰是南大洋表层水体中生物活性铁的重要来源。而普里兹湾外的大陆坡是东风漂流和西风漂流的交汇处，深海区处于西风带的南沿，风浪大，水体混合剧烈，稳定性小，不利于浮游植物的栖息和生长，从而使浮游植物丰度和现存量减小，初级生产力和新生产力降低［27］，相应的表层水中Chl a浓度和POC浓度也较低。

海洋POC的来源多样，即使对于同一海区，不同时间，不同空间POC的来源和组成也可能不同，利用δ13CPOC可以较准确地判断POC的主要来源和形成过程［5］。影响水体POC碳同位素组成的主要因素包括陆源有机质输入，浮游植物的生长速率，浮游植物种属，CO2的溶解度等［14，31］。夏季南极普里兹湾外的深海区，陆源有机质的输入相对较少，水体中POC主要为夏季浮游植物产生，水体中POC的碳同位素主要受到了浮游植物自身形成过程的影响。Kopczyńska和 Zhang等［31-32］研究发现，普里兹湾表层悬浮有机颗粒物δ13CPOC的值变化与有机质浓度直接相关，POC浓度越高其δ13CPOC值相应的也偏高。Brian等［33］在南极附近海域发现，颗粒有机碳δ13CPOC值与海水溶解CO2浓度之间有很好的相关性，有机碳δ13CPOC值随着海水溶解CO2浓度增加而逐渐减小，同时发现浮游植物种属和生长速率对颗粒有机碳δ13CPOC值存在较大的影响。以上这些因素可能是普里兹湾东部海域表层悬浮颗粒物中δ13CPOC值由近岸向外海，以及67°S以北海域从东向西逐渐偏负的原因，即表层水中浮游植物生长速率降低，海水中溶解CO2的转化速率变低，浮游植物在从无机碳向有机碳的转化过程中产生了较强的生物分馏作用，导致低生产率海区δ13CPOC出现偏负的现象。张远辉等［34］在1991年12月至1992年1月采用红外分析法，现场测定了普里兹湾及其邻近海域表层水和大气分压，发现表层水PCO2的分布大致呈近岸低、远岸高的特征。Gao等［35］通过对表层水PCO2调查发现，普里兹湾表层水的PCO2以65.5°S为界，湾内（陆架及陆坡区）明显低于湾外深海区。这些结果进一步证实了，在普里兹湾外海域表层水中δ13CPOC值可能受到浮游植物吸收固定CO2速率的影响。Zhang等［31］在第22次南极科学考察期间，对本次调查区东部海域的水中POC的碳同位素进行研究，发现普里兹湾陆架至深海表层悬浮有机颗粒物 δ13CPOC的值变化范围为 －25.3‰至 －27.5‰，变化趋势也表现为从近岸向远海逐渐的降低。这些结果与本次调查中相同海域的分布趋势类似。然而，本次调查中还发现靠近中山站附近近岸海域的δ13CPOC值相对附近海域异常偏负，这与其他调查区高浓度Chl a对应高的悬浮有机颗粒物δ13CPOC的值的分布规律相矛盾。Kopczyńska等［32］对普里兹湾附近海域浮游植物的组成和颗粒有机碳同位素研究发现，不同种属的藻类的δ13C值存在较大差异；普里兹湾3种生物组合的碳同位素存在明显的差异，其中羽纹硅藻如Nitzschia curta和N.subcurvat具有相对高的碳同位素值，其范围为 －20.12‰至－22.37‰；而棕囊藻（Phaeocystis）、裸鞭毛虫（naked flagellates）、自养甲藻（autotrophic dinoflagellates）等具有较低的碳同位素值，其值范围在－29.73‰至－31.85‰，因此普里兹湾内东部海域低的悬浮有机颗粒物δ13CPOC值可能是受到浮游植物种属改变的影响。Cozzi等［36］在南极洲特拉诺瓦湾海湾颗粒有机质浓度和同位素研究中发现，冰层上的陆源颗粒有机碳的同位素值显著偏负，其 δ13C一般低于－29.3‰。夏季中山站附近海域近岸陆地出露，部分低碳同位素的陆源腐殖质可能随着冰川的消融输入到近岸的水体中，相应降低了该海域水体中悬浮有机颗粒物δ13CPOC的值。

截至目前，普里兹湾内的海洋环境对悬浮体POC碳同位素的影响及其机制研究相对较少，特别是对湾内靠近中山站附近水体中悬浮有机颗粒物δ13CPOC同位素异常偏负的具体原因的认识还不是很完善，浮游植物种属改变机制尚待进一步研究和确认。开展该地区水体和融冰中POC浓度、DIC浓度、δ13CPOC和δ13CDIC，以及中山站附近陆源有机值碳同位素研究是普里兹湾海域水体颗粒有机碳及其同位素分布特征和变化机理研究的重点，这些研究结果将为深入了解和认识整个普里兹湾海域碳循环过程提供科学支持。

3 结论

对第29次南极科学考察在普里兹湾海域采集的61个站位的表层悬浮体样品的颗粒有机碳（POC）及其稳定同位素（δ13CPOC）组成进行了测试，结合卫星遥感解译的研究区表层水温、Chl a浓度和海冰覆盖率分布特征，研究了普里兹湾海域表层水体悬浮POC及其稳定同位素（δ13CPOC）的分布特征，探讨了其影响因素，得出以下几点认识：

（1）普里兹湾及邻近海域表层水体POC分布呈现近岸高、远岸低和西部高于东部的分布特征，POC的高值区主要分布在冰架附近，其分布特征与遥感解译的表层水体Chl a和海冰分布基本一致，表明普里兹湾表层水体中POC主要由浮游植物现场生产，同时浮游植物的生长受到了海冰影响。

（2）在普里兹湾外海悬浮体有机颗粒碳的δ13CPOC值在水平分布上表现为由东向西逐渐偏负，同时，调查区东部δ13CPOC值表现为从近岸向远海降低，表明δ13CPOC分布主要受到浮游植物吸收与固定CO2速率控制。在靠近中山站附近海域δ13CPOC明显偏负，可能受到陆源有机质输入和浮游植物种属改变的影响。

致谢 衷心感谢参加中国第29次南极科学考察的全体人员在考察期间给予的大力协助，感谢国家海洋局第一海洋研究所陈志华研究员、同济大学章陶亮硕士生协助进行悬浮体取样和抽滤，国家海洋局第三海洋研究所张乐昭实验员协助进行样品预处理。

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