馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”營養(yǎng)鹽的垂直分布特征*

李亞男， 陳洪濤， 谷文艷， 王國善， 矯恒晨， 祝陳堅

(中國海洋大學化學化工學院，山東 青島 266100)

馬里亞納海溝是目前所知世界上最深的海溝，位于菲律賓東北、馬里亞納群島附近的西太平洋。馬里亞納俯沖帶具有典型的“溝-弧-盆”體系，是由太平洋板塊向西俯沖到菲律賓海板塊之下形成的洋-洋俯沖帶[1-3]，馬里亞納海溝全長2 550 km，平均寬度為70 km，目前已探測到最深處達到11 034 m，被稱為“挑戰(zhàn)者深淵”[4-6]，“挑戰(zhàn)者深淵”位于馬里亞納海溝的南端，且東西方向延伸[2]。馬里亞納海溝5 000 m以上區(qū)域坡度較為平緩，在5 000 m以下區(qū)域存在陡坡[7]。其6 000 m以下幾乎完全由海溝組成，是地球上研究最少的水生生物圈。海溝周圍具有地形陡峭、靜水壓力高、溫度低的特點，周期性地受到由渾濁流和地震活動與陡峭地形相結合引起的滑坡[8]。海溝環(huán)境與深海海洋的區(qū)別在于它們的靜水壓升高和它們的水文地形隔離性質，而其他的物理和化學條件，如溫度、鹽度、溶解氧和營養(yǎng)鹽等與深海海洋的條件基本一致[4, 8]。

N、P、Si是海洋生物生長所必須的最重要元素，也是海洋初級生產過程和食物鏈的基礎，其在海水中的含量高低會影響海洋生物生產力與生態(tài)系統(tǒng)的結構[9-10]。海溝中營養(yǎng)鹽的主要來源于上層海水的垂直下沉、動物尸體的沉降分解以及地震等構造活動。此外，由于海溝的特殊構造，通過斜坡的橫向輸送也會使營養(yǎng)鹽到達溝渠地面(也被稱為“漏斗效應”)[11]， 顆粒物沉降和埋藏是營養(yǎng)鹽的主要遷出途徑[4, 12]。Takuro Nunoura 等的研究表明馬里亞納海溝磷酸鹽(PO4-P)、硝酸鹽(NO3-N)及亞硝酸鹽(NO2-N)濃度在海溝深度和深海平原之間是相似的[4, 13]。在Riley等在調查中發(fā)現，深海盆地和海溝水域中，硅酸鹽(SiO3-S)含量的垂直分布含量隨深度的增加而增加，通常在顆粒硅溶解的主要水層出現最大值[14]。馬里亞納海溝區(qū)域深層水中主要包括兩個水團：下環(huán)極深層水(LCPW)和北太平洋深層水(NPDW)[15]。具有高溶解氧、高鹽特征[16]的LCPW，向新西蘭東北方向流動，一直延伸到中太平洋盆地。LCPW的一些分支經過赤道和東馬里亞納盆地進入西北太平洋和西馬里亞納盆地[15,17]。NPDW自東北太平洋流入[18]，從東馬里亞納盆地東南方向延伸到了東馬里亞納盆地西南方向，水團的高硅核心在2 500～3 500 m，具有高硅的水系特征[15]。

深海水團運動、生物活動以及地震等構造活動可能會影響海溝內營養(yǎng)鹽的分布變化，為進一步研究馬里亞納海溝中溫度、鹽度、溶解氧(DO)、pH以及營養(yǎng)鹽的分布特征，本文采集了馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”從表層到深層(0～8 727 m)的水樣，并對其pH、DO、和不同形態(tài)的營養(yǎng)鹽進行了分析。

1 采樣與方法

1.1 研究站位

2015年12月，在馬里亞納海溝 “挑戰(zhàn)者深淵”(142°18.105′E，11°22.569′N) 分6個水層采集樣品，采樣水深分別為0，1 000，1 759，3 699，5 367，7 200和8 727 m，具體見圖1。

(圖中粗虛線代表馬里亞納海溝區(qū)域，黑色圓點代表“挑戰(zhàn)者深淵”采樣位置。The thick dash line represents the Mariana trench, and the black dots represent the sampling location of the challenge deep.)

圖1 “挑戰(zhàn)者深淵”采樣站位示意圖

Fig.1 Sampling stations in the Challenge Deep

1.2 樣品采集及分析方法

海水溫度和鹽度在現場由CTD測定，DO采用碘量法測定，pH采用pH計法測定。采集的海水樣品經0.45 μm醋酸纖維膜(經1‰的鹽酸浸泡24 h后用Milli-Q水沖洗至中性)過濾。取部分濾液現場測定DIN和DIP[19]。其中NH4-N利用次溴酸鈉氧化法測定，NO3-N為Cd-Cu還原法，NO2-N為α -萘乙二胺分光光度法，PO4-P為磷鉬藍法，SiO3-Si為硅鉬藍法；另一部分濾液直接裝于聚乙烯瓶(預先于HCl溶液中浸泡24 h，后用蒸餾水及Milli-Q 水洗至中性)，-20 ℃條件下冷凍保存，回岸上實驗室分析DTN和DTP。DTN和DTP的測定采用堿性過硫酸鉀氧化法[20]進行。

溶解氧、溶解態(tài)無機營養(yǎng)鹽采用國家海洋局第二海洋研究所生產的碘酸鉀標準溶液和營養(yǎng)鹽標準溶液作為外標質控樣，測定結果符合要求。各要素方法檢出限分別為：溶解氧為0.02 mg/L，硝酸鹽為0.03 μmol·L-1，亞硝酸鹽為0.02 μmol·L-1，氨氮為0.03 μmol·L-1，磷酸鹽為0.02 μmol·L-1，硅酸鹽為0.45 μmol·L-1。溶解有機氮(DON)和溶解有機磷(DOP)則根據DTN、DIN和DTP、DIP的差值計算得出：DON=DTN-DIN；DOP=DTP-DIP。

2 結果與討論

2.1 溫度、鹽度的分布特征

從圖2可以看出，隨著深度增加，馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”的海水溫度從表層的28.12 ℃迅速降低至2 000 m左右的2.39 ℃，在4 000～7 200 m以深，溫度大約在1.60 ℃左右，而到8 727 m溫度增至2.0 ℃，大約升高0.4 ℃，這是因為溝槽內的底層水溫隨著靜水壓力(即深度)的增加而變暖，在壓力增大的情況下，水分子會產生壓縮性效應，會放出熱量[5,21]。鹽度變化曲線顯示在表層水體中鹽度為34.4，表層以下，鹽度隨著深度的增加而逐漸增加，在3 000 m左右鹽度增大，這是因為在3 000～5 000 m左右LCPW的存在[22-23]，高鹽水團的輸入導致了鹽度的迅速增加，4 000 m以下，鹽度基本維持在34.7左右。

圖2 馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”溫度(a)和鹽度(b)的垂直分布特征

2.2 pH的分布特征

馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”處pH值的垂直分布見圖3，表層水體出現pH極大值為8.30，這是由于生物光合作用會遷出水中的CO2，導致pH值的增加[24]。隨深度的增加，pH值降低，至1 000 m左右出現7.89的極小值，該區(qū)間pH降低的主要原因是由于生源碎屑的氧化分解會增加水體中的CO2，導致pH值出現極小值[25]。自極小值層以深，pH值略有增加，大約維持在7.90左右，這主要是CaCO3的溶解降低水體中CO2，造成的pH值增加[24]。

圖3 馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”pH的垂直分布特征

2.3 DO的分布特征

馬里亞納海溝的DO的分布特征如圖4中所示。在表層有DO最大值6.57 mg·L-1，在1 000 m處出現溶解氧的極小值2.77 mg·L-1，這是由于有機物的氧化分解作用和海洋生物的呼吸作用，溶解氧濃度隨深度增加逐漸降低[26]。在極小值以深，DO的含量逐漸增加，在5 367 m處出現極大值5.79 mg·L-1，這可能是高緯度富氧海水下環(huán)極深層水(LCPW)下沉不斷補充的結果[26-27]。在馬里亞納海溝3 000～5 000 m以深有LCPW的存在[22-23]，LCPW來自南極底層水(AABW)，具有低溫、高溶解氧、高鹽的特征。隨著洋流的輸送，高溶解氧的海水向馬里亞納海溝中輸送[28]。DO的含量在極大值以深隨深度的增加略有降低，但在8 727 m的海洋超深淵層仍有較高的溶解氧值，這可能是富氧海水向下擴散所導致的[13,29-30]。馬里亞納海溝DO的垂直分布與Taejin Kim等在北太平洋區(qū)域的觀測結果[31]較為相似。

2.4 營養(yǎng)鹽的含量及分布特征

2.4.1 溶解態(tài)氮 馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”各形態(tài)氮的垂直分布如圖5所示，NO3-N在表層水體中濃度很低，在1 000 m處出現第一個峰值，其濃度達到41.47 μmol·L-1。隨著深度的增加，濃度逐漸降低，在3 699 m處達到27.73 μmol·L-1，在5 367 m出現第二個峰值(43.10 μmol·L-1)。5 367 m以深，NO3-N濃度略有降低。馬里亞納海溝表層水體中NO3-N濃度幾乎接近分析零值，這是在表層中浮游植物生長消耗所致[32]。隨著深度的增加，由于生物碎屑的氧化分解使得NO3-N的濃度在1 000 m達到最大值，而在5 000 m左右出現第二個極大值可能是由于馬里亞納海溝特殊的構造，在其陡坡處由于重力驅動產生了下坡輸沙[4,6]，導致了斜坡上有機物的積累，當有機物發(fā)生降解時就引起了無機態(tài)營養(yǎng)鹽的變化[33]。

圖4 馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”溶解氧的垂直分布特征

“挑戰(zhàn)者深淵”NO2-N整體濃度較低且隨深度變化不大，最大濃度小于0.1 μmol·L-1。NH4-N在表層水體中的含量為1.81 μmol·L-1，隨深度增加逐漸降低，1 000 m處達到極小值(0.72 μmol·L-1)，在極小值以深濃度逐漸增加，在3 699 m處達到極大值。在極大值以深，NH4-N濃度迅速降低，并維持在0.50 μmol·L-1左右，這可能是由于在海溝8 000 m左右深處有較高溶解氧值，硝化作用仍舊維持在較高水平，導致NH4-N濃度降低。

DIN在馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”的分布與NO3-N基本一致，且NO3-N含量占DIN約為98%。在表層水體中，DON的濃度較高，可能是微生物的同化作用導致DON的積累。隨著深度的增加逐漸降低，在1 759、5 367 m處達到分析零值，在5 367 m以深，DON濃度略有增加。DTN在1 000 m達到極大值，在極大值以深濃度降低，并維持在39 μmol·L-1左右。在表層中，DON是DTN的主要組成成分，隨著深度的增加，DIN逐漸占據主導地位。各形態(tài)的溶解氮的濃度變化趨勢如圖5所示。

圖5 馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”溶解態(tài)氮的垂直分布特征

2.4.2 溶解態(tài)磷 PO4-P在表層水體中含量較低，隨深度的增加PO4-P含量迅速增加，在1 000 m處達到極大值(2.84 μmol·L-1)。在表層水體中，生物活動的吸收導致PO4-P含量很低[34]。在1 000 m左右出現極大值是因為含磷顆粒在重力的作用下沉一直帶到1 000 m以深的海水中，由于細菌的分解氧化，PO4-P又被釋放回海水中[35-37]，導致PO4-P的濃度隨著深度的增加迅速增加。在1 000 m以深，PO4-P的濃度略有降低，由于垂直渦動擴散，使不同水層的PO4-P濃度趨于均等，PO4-P隨深度的增加變化很小[38]，基本維持在2.40 μmol·L-1左右。PO4-P的垂直分布與Takuro Nunoura 等在“挑戰(zhàn)者深淵”處的觀測結果較為相似[6]。DTP的垂直分布與PO4-P基本一致。DOP在表層水體中的濃度相對較高，是DTP的主要組成成分，在表層以深DOP的濃度接近分析零值，DTP主要受DIP控制，這表明表層以深存在DOP的降解和DIP的再生轉化(見圖6)。

2.4.3 溶解態(tài)硅 馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”表層水體中，SiO3-Si的濃度相對較低。隨著深度的增加，海水中的SiO3-Si濃度逐漸增加，但與NO3-N、PO4-P不同的是，SiO3-Si并沒有在1 000 m左右出現極大值，而是在3 699 m處出現最大值(161.65 μmol·L-1)，在最大值以深，SiO3-Si的濃度略有降低，但基本穩(wěn)定在150 μmol·L-1左右(見圖7)。

“挑戰(zhàn)者深淵”SiO3-Si的垂直分布與北太平洋的分布相似[3]。SiO3-Si濃度在3 699 m處達到最大值，這是由于北太平洋深層水(NPDW)的存在[38]，在北太平洋3 500 m左右處是高硅NPDW的核心區(qū)域，水團的混合使馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”也具備高Si的特征[29-30]。在海溝8 000 m以下的超深淵層，SiO3-Si的濃度高達150 μmol·L-1。這不僅與生物體的下沉溶解有關，而且與底質表層硅酸鹽礦物質的直接溶解有關。臨近冬季，生物死亡后殘體緩慢下沉，隨著深層壓力增加，有利于顆粒硅的再溶解作用釋放出溶解硅[8]。

圖6 馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”各溶解態(tài)磷的垂直分布特征

圖7 馬里亞納海溝中“挑戰(zhàn)者深淵”溶解態(tài)硅的垂直分布特征

2.5 營養(yǎng)鹽結構的垂直分布特征

總體來說，“挑戰(zhàn)者深淵”N/P與N/Si呈現相似的變化趨勢，與Si/P呈現相反的變化趨勢。N/P比在表層較高，比值接近20。表層以下N/P迅速降低，在3 699 m處出現極小值，比值為11左右。之后比值又開始升高，在5 367 m處出現峰值，比值在18左右，隨后N/P比值再次降低，出現第二次極小值，在8 737 m以深比值略有上升(見圖8)。

N/Si比值在表層出現最大值1.67，隨著深度的增加，比值降低，在1 759 m以深比值基本穩(wěn)定，維持在0.27左右。Si/P比值的變化趨勢與N/Si趨勢相反，在表層出現最小值11.54，隨著深度的增加，比值逐漸增加，在3 699 m處達到極大值，在極大值以深，比值變化不大，比值在59.8左右。一般大洋中的營養(yǎng)鹽結構符合Redfield比值(N∶Si∶P≈16∶16∶1)[40]，但根據先前研究表明，Redfield比值存在不確定性，北太平洋西部深海水域的Redfield比值要低于16[39-41]。

圖8 馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”營養(yǎng)鹽結構的垂直分布特征

3 結論

馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者深淵”是目前研究較少的區(qū)域，通過對其表層至深層水體中pH、溶解氧以及營養(yǎng)鹽的分析，可以得到以下結論：

(1)DO含量表層高，在1 000 m左右出現極小值，1 000 m以深由于富氧水團LCPW的存在DO值增加，在8 000 m左右的超深淵層具有較高的DO值，可能是LCPW向下擴散造成的。

(2)NO3-N、PO4-P含量表層較低，隨深度的增加迅速增加，在1 000 m處達到極大值。但NO3-N除在1 000 m處出現第一個峰值外，在4 000 m左右出現第二個峰值，這可能由于重力驅動在海溝4 000 m 左右的陡坡處產生了下坡輸沙，導致了營養(yǎng)鹽的積累。

(3)在表層水體中，DON、DOP是DTN、DTP的主要存在形式，表層以深，DIN、DIP逐漸占據主導地位。

(4)SiO3-Si含量表層較低，在3 699 m處出現最大值，但在海溝8 000 m左右SiO3-Si濃度仍很高，原因可能是高硅水團NPDW的存在以及冬季生物死亡后顆粒態(tài)硅再溶解釋放出溶解態(tài)硅。