尹希杰 李云海 喬磊 王愛軍 徐勇航 陳堅

0 引言

海洋中的有機碳是海洋生命的源泉，也是全球最大的碳儲庫之一，主要包括溶解有機碳（DOC）和顆粒有機碳（POC）。POC是海洋浮游植物固碳作用的主要產(chǎn)物之一，雖僅占海洋有機碳總量的10%左右，但在整個海洋碳循環(huán)及海洋生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。大氣中的CO2溶于水后在水體和顆粒物之間發(fā)生各種物理、化學和生物作用，部分會轉化成POC（懸浮顆粒和沉積物微粒），這是水體中POC的來源之一。而在表層海水中，POC更多是由生物碎屑（死亡生物體）和浮游動植物組成。這些POC一部分會沉降到海底，另一部分則會被微生物等消耗后重新轉化成CO2。水體中POC與生物的生命過程和水體初級生產(chǎn)力密切相關，是評價海區(qū)生產(chǎn)力的一個重要指標［1］，同時，POC也是海水中碳固化和遷移輸出的主要形式［2］。研究海水中POC的變化特征是海洋碳循環(huán)研究的重要內容之一，在海洋生物地球化學研究中具有重要意義［3］。

有機碳穩(wěn)定同位素作為一種天然示蹤劑，在辨別近海環(huán)境中有機質的物質來源方面獲得了廣泛的應用。海洋中的懸浮顆粒有機碳來源多樣，主要包括陸源有機物和海洋浮游生物等。不同來源的顆粒有機碳的同位素比值（13C／12C）及顆粒有機碳同位素（δ13CPOC）值也不同。在中低緯度海域，陸源δ13CPOC值平均為 －26‰至 －27‰，海源 δ13CPOC值平均為－18‰至－19‰［4］，兩種端元組分的顯著差異是利用碳同位素判識物源的依據(jù)。同時，由于懸浮有機碳的沉降速度很小，可在海流攜帶下進行長時間、長距離的運移，懸浮有機碳的碳同位素數(shù)據(jù)也可以為研究顆粒動力學和物質傳輸提供參考［5］。近年來，國內外已廣泛開展通過利用懸浮體中POC穩(wěn)定碳同位素特征來探討POC的來源、分布特征、循環(huán)和沉降等，取得了一系列共識，促進了生物地球化學的發(fā)展，研究區(qū)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、海灣和海域［6-14］。在國內，在主要河口的陸架海域等都有與POC及其碳同位素相關應用的報道［15-17］。

普里茲灣是南極洲的第三大海灣，世界最大冰川蘭伯特冰川在海灣附近入海，形成了廣闊的埃默里冰架，是中國南大洋科學考察的重點海域。普里茲灣也是南極底層水的源區(qū)之一，是南極物理海洋、海洋地質、海洋地球物理和海洋生態(tài)環(huán)境調查與研究的“主戰(zhàn)場”之一，海灣周邊建有多國的南極科學考察站。中國于1989年在臨近普里茲灣的拉斯曼丘陵地區(qū)建立了中山站，在普里茲灣海域陸續(xù)開展了包括顆粒有機碳來源、分布特征和影響因素等方面的科學調查與研究，獲得了一些新的認識［18-20］。本研究根據(jù)2013年第29次南極科學考察中所采集的61個站位表層懸浮體樣品，結合衛(wèi)星遙感解譯獲得的該海區(qū)相同時間段內SST、Chl a含量和海冰分布特征，初步分析了普里茲灣海域表層水中POC的分布特征及其影響因素，結合懸浮體δ13CPOC變化特征，闡述普里茲灣海域夏季表層懸浮顆粒有機質來源的運移過程，研究結果將為全面了解南極普里茲灣海域的碳循環(huán)提供科學參考。

1 材料與方法

懸浮體樣品采自“雪龍”號考察船2013年實施的中國第29次南極科學考察，調查時間為2013年1月31日至3月3日（含中山站附近?？亢涂疾炱陂g的停船避風等時間），調查期間利用Niskin采水器采集表層水樣，共采集61個站位（圖1）。隨船用孔徑0.7μm的Whatman GF／F濾膜（預先于450℃灼燒6 h）在全玻過濾器上抽濾，抽濾體積為3 000—5 000 mL。抽濾后將濾膜置于－20℃保存至陸地實驗室，用以測定顆粒有機碳（POC）含量及其 δ13CPOC。

懸浮體濾膜用5×7錫杯包樣，用元素分析儀-穩(wěn)定同位素質譜儀聯(lián)機（Flash EA 1112 HT-DeltaⅤ Advantages，Thermo Fisher公司）測定膜上 POC和δ13CPOC值。所用載氣為高純氦（99.999%），載氣He流速90 mL·min－1，氧化管溫度960℃，色譜柱溫度50℃。δ13CTOC值以PDB國際標準作為參考標準，δ13CTOC值按以下公式計算：

式中，R（13C／12CVPDB）為國際標準物 VPDB（Vienna Peedee Belemnite）的碳同位素豐度比值。δ13CTOC值的分析精度為 ±0.2‰；POC值的分析精度為±0.8‰。

表層Chl a及 SST遙感數(shù)據(jù)來源于 Aqua-MODIS的2013年2—3月的L2級數(shù)據(jù)，下載地址：Ocean Color website（http：／／oceancolor.gsfc.nasa.gov），數(shù)據(jù)的空間分辨率為4 km×4 km。用SeaDAS 4.9 Mercator projection（http：／／seadas.gsfc.nasa.gov／doc／utorial／sds＿tut2.html）將 L2級的 MODIS數(shù)據(jù)處理成普里茲灣的L3數(shù)據(jù)。由于調查期間研究區(qū)云層覆蓋范圍較大，將下載的遙感數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)點平均計算，獲得調查期間的表層Chl a、SST平均分布特征。海冰覆蓋率分布數(shù)值來源于NOAA Earth System Research Laboratory（http：／／www.esrl.noaa.gov／psd／）。數(shù)據(jù)空間分辨率為 0.5°×0.5°（經(jīng)緯度），數(shù)據(jù)為2—3月的平均值。

2 結果與討論

2.1 表層水體POC的水平分布

夏季普里茲灣及其周邊海域表層水體懸浮POC的濃度范圍為0.28—0.84 mg·L－1，平均濃度為0.48 mg·L－1，整體上呈現(xiàn)近岸相對較高，外海相對較低的分布趨勢，POC濃度最大值出現(xiàn)在中山站近岸的P5-09站，最低值出現(xiàn)在調查區(qū)西部外海的P3-03站（圖2）。在緯向上，大致以67.5°S為界，界線以北的普里茲灣外海海域，表層水體懸浮POC含量一般＜0.5 mg·L－1。界線以南的普里茲灣內，表層水體懸浮 POC含量 ＞0.5 mg·L－1。在66.8°S—67.5°S之間的海域，表層水體懸浮 POC含量變化不大，在 0.4—0.5 mg·L－1之間。而在66.8°S以北的海域表層水體懸浮POC的含量變化較大，總體上東部要高于西部，其中以P3-03和P5-01站為中心出現(xiàn)兩個含量低值區(qū)，其值分別為0.28和 0.29 mg·L－1。

圖2 普里茲灣表層水體懸浮POC分布Fig.2.The horizontal distribution of surficial suspended POC in the Prydz Bay

2.2 表層水體δ13 CPOC值的水平分布

表層水體懸浮POC的δ13CPOC值變化是POC物質來源和浮游植物生長等過程的綜合反映。普里茲灣表層水體懸浮 POC的 δ13CPOC值變化范圍為－29.68‰— －26.30‰，平均值為 －28.01‰，δ13CPOC值的水平分布特征相對復雜。位于64°E—67°E的灣外海域表層水體δ13CPOC值從東部向西部表現(xiàn)為逐漸偏負的趨勢，最低值出現(xiàn)在P4-02站（－29.41‰），而 最 高 值 則 出 現(xiàn) 在 P7-07站（－27.00‰）（圖 3）。普里茲灣內和近岸海域 δ13CPOC最高值（－26.40‰）出現(xiàn)在弗拉姆淺灘附近的P3-09站，最低值（－29.68‰）出現(xiàn)在P6-11站（圖3）。68°S以南的灣內東部海域相對周圍陸架海域的δ13CPOC值明顯偏負。在72°E以西，δ13CPOC值由近岸向外海逐漸減小，而在74°E以東，δ13CPOC值由近岸向外海逐漸增加。

圖3 普里茲灣表層水體懸浮POC的δ13 CPOC值分布Fig.3.The horizontal distribution ofδ13 CPOC of surficial suspended POC in the Prydz Bay

2.3 表層水體Chl a、海冰和溫度的水平分布

利用遙感反演計算獲得夏季普里茲灣表層水體Chl a含量、SST和海冰覆蓋率等數(shù)據(jù)，可以彌補現(xiàn)場觀測區(qū)域小和時間局限的缺點，從宏觀上展示普里茲灣及其周邊海域夏季海洋環(huán)境狀況，為研究懸浮顆粒POC的分布及其變化提供參考。圖4為利用遙感資料解譯的2013年2—3月普里茲灣及其周圍海域海表Chl a含量、SST和海冰覆蓋率平均分布圖。

圖4 普里茲灣表層Chl a（a）、SST（b）和海冰覆蓋率（c）分布圖Fig.4.The horizontal distributions of Chl a（a），SST（b）and ice concentration（c）in surface water in the Prydz Bay

葉綠素含量可以表征表層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決定了POC濃度的分布，葉綠素和POC之間具有緊密的聯(lián)系。夏季普里茲灣表層水體Chl a含量變化范圍為0.1—1.2 mg·m－3，總體上含量相對較低，呈現(xiàn)近岸高，深水區(qū)低的趨勢。高值區(qū)主要位于普里茲灣內以及南極大陸近岸海域，分布范圍較局限（主要在67.5°S以南），Chl a含量一般 ＞0.6 mg·m－3。在普里茲灣內呈現(xiàn)東部高于西部，中山站附近最高的特征。在 67.5°S—62.5°S的廣大海域，Chl a含量非常低，一般＜0.3 mg·m－3，屬于南大洋寡生產(chǎn)力海域。62.5°S以北的東部海域，Chl a含量又有增加，一般在 0.4—0.8 mg·m－3（圖 4a）。通過遙感反演獲得的調查區(qū)表層水中Chl a水平分布趨勢與韓正兵等［18］和孫維萍等［19］現(xiàn)場測試獲得的 Chl a分布趨勢一致。已有研究結果表明，遠海區(qū)低濃度Chl a主要是受到活性鐵含量的限制［19-20］，而灣內高Chl a含量主要是受到夏季融冰的影響［21］。本文通過遙感獲得Chl a含量分布特征，為分析表層水體懸浮POC及其碳同位素分布提供了參考。

大量海冰常年存在，形成了南極海域獨有的環(huán)境特征，海冰阻礙了大氣環(huán)境對下覆水體的影響，形成了相對孤立的環(huán)境。海冰的季節(jié)性變化會影響下覆水體的水文過程、水溫和光合作用，從而主導了水體浮游生物的生存環(huán)境［22］。普里茲灣夏季的表層海冰覆蓋率由灣內向灣口降低，至灣外部的開闊海域逐漸消失，變?yōu)闊o冰區(qū)（圖4c）。海冰覆蓋率在冰架入海處最高，一般＞0.8；同時，在外海也存在零星的浮冰，覆蓋率一般＜0.5。灣外東部海區(qū)海冰的覆蓋率明顯高于西部海區(qū)，與表層水體Chl a含量分布特征一致。

南大洋表層水溫的分布主要受太陽輻射、融冰以及海洋氣象、海流時空變化等因素控制。2013年2—3月普里茲灣周邊海域SST范圍為 －1.4℃—－1.8℃，平均為 －0.98℃，整體上呈現(xiàn)由南向北逐漸增加的趨勢，受大陸冰川及近岸浮冰的影響，普里茲灣內及南極大陸海岸附近水溫最低，一般＜0℃（0℃等溫線大致在66°S附近）。66°S以北海域SST逐漸增加，一般 ＞0℃（圖4b）。普里茲灣夏季的SST與表層浮冰覆蓋率分布特征的對應良好。

2.4 討論

海洋中POC含量分布受陸地徑流、沿岸上升流、光照、營養(yǎng)鹽、生物活動等各種物理、化學和生物過程的影響。本次調查中發(fā)現(xiàn)夏季普里茲灣表層水體懸浮POC高值區(qū)主要分布在冰架沿岸，等值線密集，在整個調查區(qū)域內POC濃度表現(xiàn)為由灣內向外海逐漸減小的趨勢，灣內POC平均含量為0.61 mg·L－1，灣外平均含量為0.33 mg·L－1（圖 2）。于培松等［23］在第22次南極科學考察期間發(fā)現(xiàn)，普里茲灣內POC平均值高達0.72 mg·L－1，而灣外較低，只有 0.13 mg·L－1；扈傳昱等［24］在第 15次南極科學考察調查中也發(fā)現(xiàn)，普里茲灣內POC平均值高達0.53 mg·L－1，灣外平均值僅為0.17 mg·L－1。這些結果與本次調查獲得POC濃度及其空間分布特征基本一致。邱雨生等［25］在第15次和第16次南極科學考察期間對該海域的初級生產(chǎn)力的研究也發(fā)現(xiàn)，水體初級生產(chǎn)力也呈現(xiàn)灣內高，灣外低（陸坡、深海區(qū)最低）的特征，與本次調查結果互為印證。劉子琳等［26］在1991／1992年夏季（第8次南極科學考察），對南極普里茲灣鄰近海域初級生產(chǎn)力以及顆粒有機碳濃度研究中發(fā)現(xiàn)，在普里茲灣周邊北部陸架和灣外東部海區(qū)初級生產(chǎn)力和顆粒有機碳濃度均高于西部海區(qū)的。這一結果也與本研究中獲得的普里茲灣外東部海區(qū)表層POC高于西部相一致。本航次中表層水體懸浮POC濃度分布特征和遙感解譯獲得的表層Chl a含量分布特征也與這一分布趨勢相一致。

由遙感解譯獲得普里茲灣附近海域表層Chl a含量與表層水體懸浮POC濃度的分布趨勢基本一致（圖2、圖4a）。第15次和第22次南極科學考察對表層POC與Chl a調查發(fā)現(xiàn)POC與Chl a之間存在顯著正相關，其相關系數(shù)分別為（r＝0.889，n＝91）和（r＝0.79，n＝114）［23-24］，這一結果反映了普里茲灣海域POC的分布和變化主要受浮游植物的影響。綜合本次調查和以前調查結果，普里茲灣附近海域表層水體懸浮POC主要是由夏季浮游植物產(chǎn)生。

海冰的分布也是影響表層水體懸浮POC含量的因素之一，劉廣山等［27］對南極普里茲灣及鄰近海域初級生產(chǎn)力分布的研究發(fā)現(xiàn)，考察船附近海冰溶解以后，海冰中的冰藻融入海水，海水中初級生產(chǎn)生物量達到最大值，初級生產(chǎn)力成數(shù)量級的增加。劉子琳等［26］對1999／2000年夏季（第 16次南極科學考察）南極普里茲灣及灣口區(qū)Chl a和初級生產(chǎn)力研究也發(fā)現(xiàn)，海灣和陸架區(qū)現(xiàn)場生產(chǎn)力均超過1.5 gC·（m－2·d－1），而陸坡、深海區(qū)約僅 0.5 gC·（m－2·d－1），高生產(chǎn)力海域位于高生物量的近岸海灣和陸架冰間湖區(qū)；金思韻等［20］也發(fā)現(xiàn)普里茲灣區(qū)的Chl a的分布以陸架坡為界，灣內向灣外表現(xiàn)出明顯的遞減趨勢。遙感反演獲得調查區(qū)海冰覆蓋率的分布規(guī)律與表層水體懸浮POC含量和Chl a濃度的基本一致（圖2、圖4c）。綜合以上結果，普里茲灣海冰的消融對該地區(qū)海洋的初級生產(chǎn)力具有重要的影響。在普里茲灣內靠近中山站附近海域海冰覆蓋率最高，密集的浮冰在海面形成屏障，阻擋了風浪的傳播，減弱了水體的交換，使該海域水體相對穩(wěn)定，為浮游植物的生長繁殖提供了良好的環(huán)境，因此該海域表層水中的Chl a濃度最高。在普里茲灣內，由于東西兩側四女士淺灘和弗拉姆淺灘及其冰山、浮冰的阻擋，使灣外的風浪難以向灣內傳播，減小了灣內外深層水的交換。同時，夏季埃默里冰架區(qū)冰雪的融化不僅將部分冰中的藻類釋放到海水中，還使表層海水的鹽度降低，低密度的冰融水浮于高密度的海水之上，產(chǎn)生穩(wěn)定的層化，促使浮游植物快速生長［28］。隨著海冰的溶解，帶來了大量的陸源物質，特別是南大洋中生物生長需要的活性鐵等，也增加了水體初級生產(chǎn)力，形成相對高的Chl a和POC濃度區(qū)。Lin等［29］通過對南極附近浮冰周圍海水中活性鐵的研究發(fā)現(xiàn)，海冰附近水體中溶解鐵的濃度從 0.58 nmol·L－1增加到2.92 nmol·L－1，在海冰1 km半徑內海水中溶解鐵的濃度增加60%。Shaw等［30］在威德爾海的研究中也發(fā)現(xiàn)南極浮冰是南大洋表層水體中生物活性鐵的重要來源。而普里茲灣外的大陸坡是東風漂流和西風漂流的交匯處，深海區(qū)處于西風帶的南沿，風浪大，水體混合劇烈，穩(wěn)定性小，不利于浮游植物的棲息和生長，從而使浮游植物豐度和現(xiàn)存量減小，初級生產(chǎn)力和新生產(chǎn)力降低［27］，相應的表層水中Chl a濃度和POC濃度也較低。

海洋POC的來源多樣，即使對于同一海區(qū)，不同時間，不同空間POC的來源和組成也可能不同，利用δ13CPOC可以較準確地判斷POC的主要來源和形成過程［5］。影響水體POC碳同位素組成的主要因素包括陸源有機質輸入，浮游植物的生長速率，浮游植物種屬，CO2的溶解度等［14，31］。夏季南極普里茲灣外的深海區(qū)，陸源有機質的輸入相對較少，水體中POC主要為夏季浮游植物產(chǎn)生，水體中POC的碳同位素主要受到了浮游植物自身形成過程的影響。Kopczyńska和 Zhang等［31-32］研究發(fā)現(xiàn)，普里茲灣表層懸浮有機顆粒物δ13CPOC的值變化與有機質濃度直接相關，POC濃度越高其δ13CPOC值相應的也偏高。Brian等［33］在南極附近海域發(fā)現(xiàn)，顆粒有機碳δ13CPOC值與海水溶解CO2濃度之間有很好的相關性，有機碳δ13CPOC值隨著海水溶解CO2濃度增加而逐漸減小，同時發(fā)現(xiàn)浮游植物種屬和生長速率對顆粒有機碳δ13CPOC值存在較大的影響。以上這些因素可能是普里茲灣東部海域表層懸浮顆粒物中δ13CPOC值由近岸向外海，以及67°S以北海域從東向西逐漸偏負的原因，即表層水中浮游植物生長速率降低，海水中溶解CO2的轉化速率變低，浮游植物在從無機碳向有機碳的轉化過程中產(chǎn)生了較強的生物分餾作用，導致低生產(chǎn)率海區(qū)δ13CPOC出現(xiàn)偏負的現(xiàn)象。張遠輝等［34］在1991年12月至1992年1月采用紅外分析法，現(xiàn)場測定了普里茲灣及其鄰近海域表層水和大氣分壓，發(fā)現(xiàn)表層水PCO2的分布大致呈近岸低、遠岸高的特征。Gao等［35］通過對表層水PCO2調查發(fā)現(xiàn)，普里茲灣表層水的PCO2以65.5°S為界，灣內（陸架及陸坡區(qū)）明顯低于灣外深海區(qū)。這些結果進一步證實了，在普里茲灣外海域表層水中δ13CPOC值可能受到浮游植物吸收固定CO2速率的影響。Zhang等［31］在第22次南極科學考察期間，對本次調查區(qū)東部海域的水中POC的碳同位素進行研究，發(fā)現(xiàn)普里茲灣陸架至深海表層懸浮有機顆粒物 δ13CPOC的值變化范圍為 －25.3‰至 －27.5‰，變化趨勢也表現(xiàn)為從近岸向遠海逐漸的降低。這些結果與本次調查中相同海域的分布趨勢類似。然而，本次調查中還發(fā)現(xiàn)靠近中山站附近近岸海域的δ13CPOC值相對附近海域異常偏負，這與其他調查區(qū)高濃度Chl a對應高的懸浮有機顆粒物δ13CPOC的值的分布規(guī)律相矛盾。Kopczyńska等［32］對普里茲灣附近海域浮游植物的組成和顆粒有機碳同位素研究發(fā)現(xiàn)，不同種屬的藻類的δ13C值存在較大差異；普里茲灣3種生物組合的碳同位素存在明顯的差異，其中羽紋硅藻如Nitzschia curta和N.subcurvat具有相對高的碳同位素值，其范圍為 －20.12‰至－22.37‰；而棕囊藻（Phaeocystis）、裸鞭毛蟲（naked flagellates）、自養(yǎng)甲藻（autotrophic dinoflagellates）等具有較低的碳同位素值，其值范圍在－29.73‰至－31.85‰，因此普里茲灣內東部海域低的懸浮有機顆粒物δ13CPOC值可能是受到浮游植物種屬改變的影響。Cozzi等［36］在南極洲特拉諾瓦灣海灣顆粒有機質濃度和同位素研究中發(fā)現(xiàn)，冰層上的陸源顆粒有機碳的同位素值顯著偏負，其 δ13C一般低于－29.3‰。夏季中山站附近海域近岸陸地出露，部分低碳同位素的陸源腐殖質可能隨著冰川的消融輸入到近岸的水體中，相應降低了該海域水體中懸浮有機顆粒物δ13CPOC的值。

截至目前，普里茲灣內的海洋環(huán)境對懸浮體POC碳同位素的影響及其機制研究相對較少，特別是對灣內靠近中山站附近水體中懸浮有機顆粒物δ13CPOC同位素異常偏負的具體原因的認識還不是很完善，浮游植物種屬改變機制尚待進一步研究和確認。開展該地區(qū)水體和融冰中POC濃度、DIC濃度、δ13CPOC和δ13CDIC，以及中山站附近陸源有機值碳同位素研究是普里茲灣海域水體顆粒有機碳及其同位素分布特征和變化機理研究的重點，這些研究結果將為深入了解和認識整個普里茲灣海域碳循環(huán)過程提供科學支持。

3 結論

對第29次南極科學考察在普里茲灣海域采集的61個站位的表層懸浮體樣品的顆粒有機碳（POC）及其穩(wěn)定同位素（δ13CPOC）組成進行了測試，結合衛(wèi)星遙感解譯的研究區(qū)表層水溫、Chl a濃度和海冰覆蓋率分布特征，研究了普里茲灣海域表層水體懸浮POC及其穩(wěn)定同位素（δ13CPOC）的分布特征，探討了其影響因素，得出以下幾點認識：

（1）普里茲灣及鄰近海域表層水體POC分布呈現(xiàn)近岸高、遠岸低和西部高于東部的分布特征，POC的高值區(qū)主要分布在冰架附近，其分布特征與遙感解譯的表層水體Chl a和海冰分布基本一致，表明普里茲灣表層水體中POC主要由浮游植物現(xiàn)場生產(chǎn)，同時浮游植物的生長受到了海冰影響。

（2）在普里茲灣外海懸浮體有機顆粒碳的δ13CPOC值在水平分布上表現(xiàn)為由東向西逐漸偏負，同時，調查區(qū)東部δ13CPOC值表現(xiàn)為從近岸向遠海降低，表明δ13CPOC分布主要受到浮游植物吸收與固定CO2速率控制。在靠近中山站附近海域δ13CPOC明顯偏負，可能受到陸源有機質輸入和浮游植物種屬改變的影響。

致謝 衷心感謝參加中國第29次南極科學考察的全體人員在考察期間給予的大力協(xié)助，感謝國家海洋局第一海洋研究所陳志華研究員、同濟大學章陶亮碩士生協(xié)助進行懸浮體取樣和抽濾，國家海洋局第三海洋研究所張樂昭實驗員協(xié)助進行樣品預處理。

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