赤道太平洋上层水体颗粒态生物硅分布及与营养盐的关系

朱庆梅，庄燕培，李宏亮＊，徐燕青，刘希真，张静静，王 奎，金海燕

（1.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.国家海洋局 海洋生态系统与生物地球化学重点实验室，浙江 杭州 310012；3.浙江工业大学 化学工程与材料学院 海洋系，浙江 杭州 310014；4.浙江省海洋监测预报中心，浙江 杭州 310007）

0 引言

生物硅（Biogenic silica，BSi），又称生源硅或是蛋白石，指化学方法测定的无定形硅的含量。海洋中生物硅主要来源于硅藻、放线虫、海绵骨针等硅质生物。在海洋表层水体中溶解态硅经硅质生物吸收而进入生物地球化学循环［1］，在真光层中以颗粒态生物硅（Particulate biogenic silica，PBSi）存在。颗粒态生物硅与水体中的浮游植物量关系密切，其含量可以反映水体的初级生产力［2－3］，同时也记载了水体中营养盐含量及结构的变化对藻类生长的影响［2］。TRÉUGER et al［4］1995年估算，每年在表层水体中由硅质浮游生物吸收溶解态硅转化为BSi的量是（240±40）×1012mol Si·yr－1，占全球总初级生产力的40%左右［1］，是全球海洋”生物泵”的重要组成。

海洋“生物泵”是对海洋去除大气二氧化碳（CO2）的一种形象描述，其主要控制着包括有机碳在内的生源颗粒的产生、转化、溶解（降解）和向深海的输出。“生物泵”的效率（以海洋上层颗粒有机碳的输出通量来衡量［5－7］）和结构（浮游生物的组成和粒度分布［8］）成为人们现在研究的两大焦点。JGOFS计划的研究成果表明，“生物泵”的结构在很大程度上决定着海洋上层的CO2收支［9］以及向下的地球化学通量和“生物泵”的效率［10］。HONJO et al［11］根据全球海洋地理和营养盐分布的不同，把两大典型的“海洋生物地球化学省”称为“碳酸盐质海洋”和“二氧化硅质海洋”，据此可以将相应的生物泵结构称为“碳酸盐泵”和“硅质泵”。不同类型浮游植物的“生物泵”过程向深海输运的碳的主要形态也不同，生物泵沉降有机碳的主要贡献者是硅质浮游植物［12］。尽管“硅质泵”对长周期的碳效应的影响机理目前并不很清楚，但“硅质泵”加强可以降低上层二氧化碳分压（pCO2），可以改变“生物泵”的组成而影响全球CO2的收支这两点是肯定的。

赤道太平洋东、西两侧具有独特并且迥异的气候和水文条件，西赤道太平洋受太平洋暖池的影响，上升流很弱甚至不存在［13］，表层营养盐浓度很低；而东赤道太平洋在秘鲁上升流和加利福尼亚寒流的双重作用下，具有较为丰富的营养盐。赤道营养盐的东、西差异分布格局会引起其东、西侧“硅质泵”的差异。目前在赤道太平洋区域已有较多关于营养盐的研究，然而在本文研究区域内，就营养盐和颗粒态生物硅相结合对硅质泵进行的研究还相对较少，而这对于揭示全球大洋的“生物泵”格局具有重要意义。因此，本文拟通过对分级颗粒态生物硅（PBSi）的测定，结合营养盐的分布，研究赤道太平洋不同海区分级颗粒态生物硅的分布特征，以期较好地表征赤道太平洋“硅质泵”的组成结构。

1 区域环境与研究方法

1.1 研究区域环境

本研究是依托国际海底区域研究项目，参与了“大洋一号”科学考察第20和21航次。2个航次的太平洋海域调查均在夏季进行，调查时间分别为2008年5月至10月和2009年7月至11月。其中西太平洋的调查区域主要集中在低纬度（10°～21°N）暖池区，东太平洋的调查则集中在赤道附近（5°N～10°S）。本文研究调查站位分布如图1所示。研究区域表层海水水温较高（大于25℃），特别是在西赤道太平洋平均水温高达27～29℃，呈水舌状向东部延伸［14］。而表层盐度从西向东呈现逐渐减小的趋势，主要原因是西太平洋位于副热带海区的边缘，因蒸发作用使表面海水的盐度升高（约为34.7）；东赤道太平洋位于赤道低盐区，其盐度值较低（约为34.5）［15］。

1.2 样品采集

于2008年夏季采集了DY20－WP和DY20－EP站位0～200m水柱的营养盐和分级颗粒态生物硅样品，采样层位为表层，30，50，100和200m；于2009年夏季采集了DY21－WP和DY21－EP站位0～200m水柱的营养盐和分级颗粒态生物硅样品，采样层位为10，25，50，75，100 和 200m，其中 DY20－EP 站 和DY21－EP站位经纬度基本一致（图1）。

图1 赤道太平洋不同海区采样站位示意图Fig.1 Sampling stations of different zones in the Equatorial Pacific

海水用Niskin瓶梅花采水器采集后，现场采集500mL水样，经预洁净的醋酸纤维膜（Φ47mm，孔径0.45μm）过滤后，分装于25mL比色管中，用于营养盐的现场测定；现场量取4dm3水样，过20μm筛绢滤膜，得到粒径＞20μm的PBSi样品，再将上述滤液通过0.8μm的聚碳酸酯膜，得到粒径为0.8～20μm的PBSi样品；过滤后，将膜样品置于塑料样品瓶中，并于－20℃冷冻保存，带回实验室分析PBSi浓度。

1.3 营养盐分析

营养盐采用7230G分光光度计在现场测定，测定方法依据GB／T12763.4—2007《海洋调查规范－海水化学要素观测》［16］，其中磷酸盐和硅酸盐分别采用磷钼蓝法和硅钼蓝法进行测定，检测限分别为0.02和0.05μmol／dm3。

1.4 颗粒态生物硅（PBSi）分析

悬浮颗粒物中PBSi浓度的测定，采用RAGUENEAUO et al［17］的热碱提取方法。PBSi滤膜样品在60℃下烘干。将滤膜1／4对折，置于15mL塑料离心管 中，加 入 4.0mL 浓 度 为 0.2μmol／dm3的NaOH溶液，加盖混匀，在100℃水浴中连续提取40 min，提取完毕后，立即冷水浴至室温，加入1.0mL浓度为1.0μmol／dm3的HCl溶液，使提取液大体呈现中性，然后对提取液进行离心分离（3 500r／min，10 min）以分离上清液和颗粒物，移取一定体积上清液，测定溶解态硅的浓度。

采用硅钼蓝法和Skakar营养盐自动分析仪，依据 GRASSHOFF et al［18］主编的《Methods of Seawater Analysis》对上清液中溶解态硅酸盐进行分析测定，检测限为0.1μmol／dm3。RAGUENEAUO et al［17］的热碱提取方法对滤膜颗粒态生物硅的提取最大值为10μmol，适用于大部分近岸水体，在大洋水体中可提取99%的生物硅组分，测得非BSi干扰通常只有2～5nmol／dm3［4］。颗粒态生物硅含量以单原子Si计数，滤纸上所得颗粒态生物硅的检测限为2 nmol Si／dm3，文中简写为2nmol／dm3。

2 结果

2.1 营养盐分布

DY20－WP站和DY21－WP站位于寡营养盐的西赤道太平洋海域，表层营养盐含量极低（图2）。在DY20－WP站，0～200m层位DSi（Dissolved silicate，DSi）浓度都低于检测限；DIP（Dissolved inorganic phosphate，DIP）在100m层位以浅均低于检测限，100m以深浓度范围为0.02～1.22μmol／dm3，平均为0.26μmol／dm3。DY21－WP站位DSi浓度为0.05～6.53μmol／dm3，平均为1.22μmol／dm3，略高于DY20－WP站；DIP浓度为0.02～0.31μmol／dm3，平均为0.07μmol／dm3。

DY20－EP站和DY21－EP站位于东太平洋海域，有北赤道流带来的高营养盐水，表层营养盐相对丰富，但不同年份之间存在一定的差别（DY20－EP站采于2008年，DY21－EP站采于2009年）。DY20－EP站0～100m水层营养盐含量很低，在200m以浅DSi平均浓度为3.61μmol／dm3，DIP浓度平均值为0.55μmol／dm3。DY21－EP站的营养盐跃层比DY20－EP浅，且硅酸盐和磷酸盐浓度均略高于DY20－EP站，200m以浅平均浓度分别为18.09 μmol／dm3和1.52μmol／dm3。总体上，东赤道太平洋调查站位营养盐浓度略高于西赤道太平洋，并且营养盐跃层深度在东赤道太平洋调查海区较浅，有利于浮游植物的生长。

2.2 颗粒态生物硅的垂直和区域分布特征

调查海区各层位的颗粒态生物硅（PBSi）总浓度范围为5～65nmol／dm3（图3），水柱平均浓度为13～48nmol／dm3，平均为30nmol／dm3。

调查站位颗粒态生物硅的垂直分布差异显著（图3），DY21－EP站PBSi含量整体最高，浓度为21～65 nmol／dm3，其最高值（65nmol／dm3，50m 层）为调查层位中最高值，其水柱平均值为44nmol／dm3；DY20－EP站PBSi含量稍次于DY21－EP站，浓度为26～63 nmol／dm3，最高值（63nmol／dm3）出现在30m 层，水柱平均值为48nmol／dm3，为调查站位中水柱平均值的最高值；DY21－WP站PBSi含量在4个调查站位中最低，浓度范围为5～20nmol／dm3，最小值5nmol／dm3（50m和75m层）也是调查海区最低值，该站水柱平均值为13nmol／dm3，也是水柱平均值的最小值；DY20－WP站PBSi含量稍高于 DY21－WP站，浓度为15～32nmol／dm3，水柱平均值为21nmol／dm3。东赤道太平洋各站位PBSi含量均远高于西赤道太平洋各站位的PBSi含量。

调查站位各层粒径＞20μm的PBSi浓度为2～37nmol／dm3，占总PBSi浓度的18%～65%，平均贡献率为39%；粒径在0.8～20μm之间的PBSi浓度为3～50nmol／dm3，占 PBSi总量比例为32%～82%，平均为60%。

图2 不同站位DIP和DSi的浓度垂直分布图Fig.2 Vertical distributions of concentrations of DIP and DSi in different stations

DY21－EP站位PBSi浓度为13～34nmol／dm3（0.8～20μm）和8～37nmol／dm3（＞20μm），水柱平均浓度分别为26nmol／dm3（0.8～20μm）和19 nmol／dm3（＞20μm）；DY20－EP站位 PBSi浓度为17～50nmol／dm3（0.8～20μm）和9～23nmol／dm3（＞20μm），水柱平均值为35nmol／dm3（0.8～20 μm）和14nmol／dm3（＞20μm）；DY21－WP站位的PBSi为3～10nmol／dm3（0.8～20μm）和2～13 nmol／dm3（＞20μm），水柱平均值分别为7nmol／dm3（0.8～20μm）和6nmol／dm3（＞20μm）；而DY20－WP站位的PBSi为5～18nmol／dm3（0.8～20μm）和3～22 nmol／dm3（＞20μm），水柱平均值分别为12nmol／dm3（0.8～20μm）和9nmol／dm3（＞20μm）。按水柱平均浓度来对比，粒径在0.8～20μm和＞20μm的PBSi含量排序分别为 DY20－EP＞DY21－EP＞DY20－WP＞DY21－WP 和 DY21－EP＞ DY20－EP＞ DY20－WP＞DY21－WP。东、西海域对比显示，东赤道太平洋粒径为0.8～20μm和＞20μm的PBSi含量分别是西赤道太平洋的近3倍和2倍。

图3 赤道太平洋不同海区分级PBSi浓度垂直分布图Fig.3 Vertical distribution of concentrations of size－fractionated PBSi in the Equatorial Pacific

3 讨论

3.1 营养盐对分级颗粒态生物硅浓度的控制

营养盐浓度分布显示，东赤道太平洋真光层以浅硅酸盐及磷酸盐浓度均显著高于西赤道太平洋，并且上层营养盐耗尽层的深度东赤道太平洋比西赤道太平洋更浅。分级颗粒态生物硅的浓度与硅酸盐浓度分布一致，在赤道太平洋表现为西低东高的基本分布特征，显然与真光层硅酸盐可利用性对硅质浮游植物生长繁殖的限制有关。其中东赤道太平洋的调查站位颗粒态生物硅的总浓度水柱平均值为46nmol／dm3，是西赤道太平洋站位（平均值为17 nmol／dm3）的近3倍。DY21－WP站位的颗粒态生物硅总浓度在4个站位中最低，DY20－EP站最高（图4）。LEYNAERT et al［19］2001年在赤道太平洋测得的颗粒态生物硅含量为7～80nmol／dm3，BLAIN et al［20］在1997年对赤道太平洋颗粒态生物硅含量的测定结果为10～40nmol／dm3（寡营养盐水体）和20～200nmol／dm3（富营养盐水体）。本文结果与 LEYNAERT et al［19］和 BLAIN et al［20］的测定结果较为相近。在全球大洋其他海域调查结果显示，夏季加拿大海盆和楚科奇海颗粒态生物硅的平均 浓 度 分 别 可 达 460nmol／dm3和 2 560nmol／dm3［21］，南大洋普里兹湾表层颗粒态生物硅高于760 nmol／dm3［22］。因此与其他海域相比，赤道太平洋的颗粒态生物硅总浓度在全球大洋中处于较低水平，这是因为相对这些海域，赤道太平洋水体真光层中溶解硅酸盐含量相对偏低，硅藻的生长受到了一定的限制［20］。

从粒径结构上看，DY20－WP站和DY21－WP站粒径为0.8～20μm的PBSi平均浓度为9nmol／dm3，对总的颗粒态生物硅的贡献可达57%；粒径为20μm以上的PBSi平均浓度则为8nmol／dm3。而在DY21－EP站和DY20－EP站的PBSi则主要由粒径为0.8～20μm的颗粒提供。颗粒态生物硅粒径结构显示20μm以上的生物硅在东赤道太平洋的平均贡献率为36%，在西赤道太平洋的平均贡献率为43%（图4）。东赤道太平洋的硅酸盐浓度远远高于西赤道太平洋，并且颗粒态生物硅的浓度也有与之相对应的差异，然而颗粒态生物硅的粒径结果显示在东赤道太平洋0.8～20μm颗粒提供了更高的颗粒态生物硅来源，其平均贡献率高达64%。营养盐分布对PBSi的浓度及粒径分布有显著影响。显然营养盐分布对PBSi的浓度及粒径分布有显著影响，是控制大洋运转 “硅质泵”的一个重要因素。

图4 西赤道太平洋与东赤道太平洋PBSi水柱平均浓度及其粒级结构Fig.4 Difference of average concentration of sizefractionated PBSi in water column between the eastern and western Equatorial Pacific

3.2 东、西赤道太平洋的“硅质泵”结构

在低纬度海域，由于海洋中CO2和钙离子浓度过量，钙质浮游植物群落比硅藻群落更有优势［23］。寡营养盐的西太平洋暖池，浮游植物群落结构以原绿球藻、蓝细菌及定鞭金藻为优势藻［24－25］，而硅藻的水柱平均贡献低于5%［26］，显然在东、西赤道太平洋中“硅质泵”是相对较弱的，且其颗粒态生物硅主要由小粒径的浮游植物贡献，但存在次表层上升流的区域，硅藻的贡献则能够达到15%以上［26］。对于赤道太平洋海域，光照充足、温度适宜，相对地营养盐的含量及分布就成为“硅质泵”更为主要的影响因素，相对高的营养盐含量对应相对高的叶绿素分布。根据NOAA获得的同时期的表层叶绿素a的分布规律显示，东赤道太平洋的叶绿素a高于西赤道太平洋，这说明东赤道太平洋营养盐含量高于西赤道太平洋。而在富营养盐的东赤道太平洋，小粒径（0.8～20μm）的硅质生物对“硅质泵”有明显的贡献。这表明营养物质的分布格局，是控制大洋运转 “硅质泵”的一个重要因素。

4 结论

（1）赤道太平洋调查站位颗粒态生物硅（PBSi）浓度范围在5～65nmol／dm3之间，水柱平均浓度为13～48 nmol／dm3，平均为30nmol／dm3。各层位粒径在0.8～20 μm之间的PBSi对PBSi总量的平均贡献率达60%，表明生物硅主要来源于0.8～20μm粒径生物硅。

（2）赤道太平洋调查海区分级PBSi的分布表明低硅酸盐浓度的西赤道太平洋对应了低浓度的PBSi，然而PBSi的粒径结果显示在富营养盐的东赤道太平洋小粒径（0.8～20μm）的硅质生物是PBSi的主要来源，而在西赤道太平洋2个粒径的贡献率相当。

致谢感谢“大洋一号”第20和第21航次调查船船长和船员以及考察队其他成员在现场调查和样品采集时所给予的帮助和支持！

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