春季北部湾北部海域颗粒有机物的碳、氮同位素组成

何映雪，林 峰，陈 敏，张 润，杨伟锋，郑敏芳，邱雨生

(厦门大学海洋与地球学院，福建 厦门 361102)

碳、氮稳定同位素常被用于海洋生态系统食物链营养等级的分析、有机物来源与归宿的确定以及消费者食物来源组成等方面的研究中[1-2]，其应用前提在于不同来源有机物的碳(13C/12C)、氮(15N/14N)同位素比值具有特异性．然而，有机物的同位素组成除受来源影响外，还受到海洋生物地球化学过程的影响[3-4]．准确掌握海洋生态系统中有机物碳、氮同位素组成的分布特征及其影响因素，是将其应用于海洋生态系统结构与功能分析的关键环节．海水中的颗粒有机物主要由陆源碎屑和生源颗粒构成，是海洋生态系统中高营养级生物的营养来源之一，并可根据其组成反映自然和人类活动的影响[5]．开展海水颗粒有机碳(POC)、颗粒氮(PN)同位素的研究，将有助于更好地分辨海洋有机物的来源，揭示影响其同位素组成的因素，进而评判海域高营养级生物的食物来源．

北部湾位于我国南海西北部，三面陆地，一面邻海，面积约为1.293 × 105km2，地理位置介于105.5°～110.0°E，16°～22°N之间，属于热带、亚热带的半封闭浅海湾．北部湾东临海南岛、琼州海峡和雷州半岛，并通过琼州海峡与广州湾相通，北接广西壮族自治区，西临越南．北部湾海底地形平坦，平均水深38 m，湾内最大水深100 m，北部等深线大致平行于海岸线．北部湾海域季风盛行，每年11月至次年3月盛行东北风，6至8月盛行西南风．位于北部湾东部的琼州海峡介于海南岛和雷州半岛之间，长约20 km，平均水深100 m[6-8]．此前已开展过北部湾水文学、化学、生物学等方面的研究，北部湾冬、夏季的环流结构特征具体表现为：冬季海水在强而稳定的东北季风作用下垂向混合均匀，斜压性很弱，主要表现为气旋型正压风生流；湾中部107.5°E，18.5°N附近被一大范围逆时针环流所控制，南部湾口也存在一个不闭合的逆时针环流，外海水由海南岛南部和琼州海峡进入，顺越南沿岸流出．夏季的正压风生流结构较为复杂，湾西北形成一个扁长的椭圆形反气旋环流，内含两个小范围反气旋涡，湾顶和湾中均形成小气旋型环流，湾口处则形成不闭合的反气旋型环流[9]．黄以琛等[10]分析了北部湾夏、冬季海表温度、叶绿素及浊度的分布特征，并引入叶绿素与浊度的比值探讨浊度的控制因素，揭示径流、环流、风场和地形对北部湾上层水体环境要素的调控机制，结果表明，夏季北部湾海表温度分布较为均匀，叶绿素浓度和浊度值沿岸较高，外海较低．沿岸流海域浊度的主要影响因素是陆源物质输入和沉积物再悬浮，上升流海域则是浮游植物影响为主．张润[11]利用15N2示踪法实测了北部湾海域的生物固氮速率，给出了固氮速率的时空分布，评估了生物固氮作用对研究海域生物生产力的贡献．

本研究实测了春季北部湾北部海域水体悬浮POC、PN浓度及其同位素组成，目的在于揭示它们在研究海域水柱中的分布特征及其影响因素，为应用碳、氮同位素开展北部湾食物网结构的分析奠定基础．

1 方 法

1.1 样品采集

表1 春季北部湾北部海域的温度、盐度、POC、PN浓度及其同位素组成Tab.1 Temperature,salinity,concentrations of POC and PN and their isotopic composition in the northern Beibu Gulf in spring

研究样品采集于2011年4月，由广东海洋大学“天鹰号”科考船实施，采集了琼州海峡西侧海域和湾顶部沿岸海域共14个站位不同深度的海水样品．在14个采样站位中，钦州湾外围海域(HB05、HB17、HB18和HB21站)和铁山港外围海域(HB19、HB29、HB30和HB32站)除HB21站水深超过30 m外，其他站位的水深均不超过20 m；琼州海峡西侧海域(HB01、HB12、HB23、HB24、HB35和HB40站)由于海底地形起伏，水深变化较大，HB24站水深仅16.5 m，而HB40站水深达50 m(图1，表1)．

图1 春季北部湾北部海域的采样站位Fig.1 Sampling locations in the northern Beibu Gulf in spring

各研究站位均采集了由表及底4～5层的水样(表1)，水样由CTD-rossette采水器采集，温度、盐度数据来自CTD记录．海水中的颗粒物于船上利用预先高温灼烧过(450 ℃，4 h)的GF/F滤膜过滤收集，过滤体积为4 L．所收集颗粒物样品于60 ℃下烘干，冷冻保存至陆地实验室进行POC、PN浓度及其同位素组成的分析．

1.2 POC、PN浓度及其同位素组成的分析

颗粒物样品带回陆地实验室后，置于装有浓盐酸的干燥器中酸熏48 h，去除其中的无机碳酸盐成分，之后用Milli-Q水洗涤至中性，在60 ℃下烘干至恒质量，进行碳、氮浓度及其同位素组成的测量．通过元素分析仪(Carlo Erba NC2500)和同位素比值质谱仪(Finnigan MAT DeltaplusXP)联机测定碳、氮浓度及其同位素组成[12-13]，POC、PN的测量精度好于6%．碳、氮同位素组成用δ值表示：

其中δsample代表样品中颗粒有机物的δ13C或δ15N；Rsample代表实测的13C/12C或15N/14N比值；Rstandard代表标准物质的13C/12C或15N/14N比值．以美国南卡罗莱州白垩系皮狄组拟箭石(PDB)和大气氮分别作为碳、氮同位素分析的标准．在实际样品测定过程中，为确保测量过程中仪器的稳定性及所得同位素比值的准确，每间隔10份待测样品穿插一份标准物质进行测量，δ13C、δ15N测量的标准偏差均小于0.2×10-3．

图2 北部湾北部海域水柱平均温度(a， ℃)和盐度(b)的分布Fig.2 Distribution of the averaged temperature (a, ℃) and salinity (b) in water column in the northern Beibu Gulf

1.3 数据处理

鉴于本研究的目的在于揭示水柱中颗粒有机物及其同位素组成的变化，以便后续与水柱垂直拖网(未分层)所采集浮游植物、浮游动物的碳、氮同位素组成进行对比，因此，文中给出的POC、PN浓度，C/N比(摩尔比，下同)，δ13C和δ15N均为各研究站位整个水柱的平均值，具体由各层位各要素的测值取算术平均计算获得．尽管这样的处理损失了各要素垂直分布的细结构特征，但更有利于反映其空间变化规律，也利于未来与网拖生物测值的比较．

2 结果与讨论

2.1 温度和盐度的分布

春季研究海域水柱的平均温度介于19.82～22.63 ℃之间，平均为(21.26±0.85) ℃(n= 14)(表1)．温度的高值出现在湾顶部铁山港和防城港的外围海域，低值出现在琼州海峡西侧海域(图2(a))．HB01、HB12、HB21和HB23站水柱的平均温度较低，与该区域近底层存在冷水团有关．孙湘平[14]指出，北部湾北部冷水团是由北部湾中部冬季低温混合水在春末、初夏温跃层形成后残留在深槽中形成，它出现在4月，6—7月最强，9月消失，持续时间约5个月．该冷水团与南部湾口的底层冷水并不相通，而是独立存在的，是在北部湾有利地形条件下当地形成的．

研究海域水柱平均盐度的变化范围为32.10～32.87，平均为(32.48±0.24)(n=14)(表1)．盐度高值出现的区域对应于温度低值区域，同样反映出冷水团的影响．盐度低值出现在湾顶部铁山港和防城港的外围海域，表明这些区域受淡水影响较为明显(图2(b))．

2.2 POC、PN浓度和C/N比的分布

水柱平均POC浓度的变化范围为2.75～10.97 μmol/L，平均为(6.27±3.12) μmol/L(n=14)(表1)．POC高值出现在铁山港外围海域的HB29和HB30站，最低值出现在湾中部的HB01站(图3(a))．

水柱平均PN浓度的变化范围为0.56～1.76 μmol/L，平均为(1.10±0.47) μmol/L(n=14)(表1)．与POC分布类似，PN浓度的最高值也出现在铁山港外围海域的HB29站，最低值出现在湾中部的HB01站(图3(b))．

POC和PN的水平分布总体上表现为湾顶部铁山港外围海域(HB19、HB29、HB30、HB32站)较高，其次是钦州湾外围海域(HB05、HB17、HB18、HB21站)，低值区位于琼州海峡西侧海域(HB01、HB12、HB23、HB24、HB35、HB40站)(图3(a)，(b))．

图3 北部湾北部海域水柱平均POC(a，μmol/L)、PN(b，μmol/L)和C/N比(c)的分布Fig.3 Distribution of the averaged POC (a,μmol/L),PN (b,μmol/L) and C/N ratio (c) in water column in the northern Beibu Gulf

水柱颗粒有机物C/N比的变化范围为4.69～6.45，平均为(5.52±0.60)(n=14)(表1)．最高值出现在钦州湾外围海域的HB17站，最低值出现在琼州海峡西侧海域的HB23站．总体上看，湾北部沿岸海域颗粒有机物的C/N比(5.98±0.32)要高于琼州海峡西侧海域(4.91±0.18)(表1，图3(c))．

2.3 POC、PN同位素的分布及其影响因素

水柱颗粒有机物的δ13C介于-23.5×10-3～-18.9×10-3之间，平均为(-21.3±1.3)×10-3(n=14)(表1)．δ13C最高值出现在HB32站，最低值位于HB01站，总体上表现为自东向西降低的趋势(图4(a))．

颗粒有机物δ15N介于3.8×10-3～8.7×10-3之间，平均为(6.1±1.5)×10-3(n= 14)(表1)．最高值出现在HB19站，最低值出现在HB35站．δ15N的空间分布具有如下特征：铁山港外围海域最高，钦州湾外围海域次之，琼州海峡西部海域最低(图4(b))．

图4 春季北部湾北部海域水柱颗粒有机物平均δ13C(a，10-3)和δ15N (b，10-3)的分布Fig.4 Distribution of the averaged δ13C (a,10-3) and δ15N(b,10-3) in water column in the northern Beibu Gulf in spring

根据POC、PN、C/N比、δ13C、δ15N的空间分布，研究海域可分为钦州湾外围海域、铁山港外围海域和琼州海峡西侧海域3个区域，它们具有不同的POC、PN浓度及碳、氮同位素组成特征.

钦州湾外围海域在3个区域中具有最低的δ13C((-22.3±0.8)×10-3)，以及居中的POC浓度((6.62±2.14) μmol/L)、PN浓度((1.12±0.38) μmol/L)、C/N比(5.95±0.35)和δ15N((6.2±0.3)×10-3)，较低的δ13C反映出钦州湾外围海域的颗粒有机物受陆源输入影响较大(图5)．一般而言，陆源有机物的δ13C明显低于海源有机物[15-16]．对于陆源输入的PN，其同位素组成与来源有关，土壤氮的δ15N变化较大(-10×10-3～15×10-3)，大多在2×10-3～5×10-3之间，化学氮肥的δ15N一般为(0±3)×10-3，而人类生活污水颗粒有机物的δ15N一般为10×10-3～20×10-3[17]．钦州湾外围海域颗粒有机物的δ15N平均值为6.2×10-3，反映出该区域的PN可能主要来自土壤氮的贡献．

铁山港外围海域在3个区域中具有最高的δ15N((7.6±1.0)×10-3)，以及较高的δ13C((-20.6±1.3)×10-3)，且颗粒有机物C/N比(6.00±0.34)接近于Redfield比值，这些均表明，铁山港外围海域的颗粒有机物主要来自生源的贡献(图5)．该区域的POC((10.13±0.99) μmol/L)、PN浓度((1.68±0.08) μmol/L)明显高于其他2个区域，说明其生物活动比较活跃．同航次初级生产力的研究表明，铁山港外围海域的初级生产力在3个区域中是最高的，其水柱平均生产力是其他2个区域的1.5～7.3倍[18]，可为以上论述提供佐证．该区域较高的初级生产力会通过生物吸收无机碳过程中的同位素分馏导致其颗粒有机物的δ13C较高[12,19-20]．

琼州海峡西侧海域的颗粒有机物表现出明显不同的特征，其POC((3.46±0.65) μmol/L)、PN浓度((0.70±0.13) μmol/L)、C/N比(4.91±0.18)和δ15N((4.6±0.5)×10-3)是3个区域中最低的，而δ13C居中((-21.2±1.4)×10-3)(图5)．这些结果说明，琼州海峡西侧海域水体受到了南海外海水的较明显影响，从而呈现低POC、PN浓度的特征．张国荣等[21]对春季北部湾水体运输特征的研究表明，春季南海外海水可从琼州海峡东口向西流动进入北部湾，这与本研究在琼州海峡西侧海域观察到低的POC、PN浓度相吻合．琼州海峡西侧海域的颗粒有机物呈现低δ15N和C/N比的特征，反映了生物固氮作用的影响．同航次利用15N2示踪法开展的生物固氮作用研究表明，琼州海峡西侧海域的生物固氮速率比其他区域明显高得多[22]．在生物固氮作用较为活跃的海域，因为固氮生物可直接利用大气N2形成低15N丰度的营养盐和有机物，由此导致在存在生物固氮作用的海洋生态系统中，颗粒有机物的δ15N和C/N比往往较低[23]．

图5 春季北部湾北部海域δ13C、δ15N与 C/N比的关系Fig.5 The relationship among δ13C，δ15N and C/N ratios in the northern Beibu Gulf in spring

3 结 论

春季北部湾北部海域POC、PN浓度及其同位素组成的空间分布表明，研究海域颗粒有机物主要受陆源、生物初级生产过程和生物固氮作用的影响，其中钦州湾外围海域的颗粒有机物受陆源输入影响较大，呈现低δ13C的特征；铁山港外围海域的颗粒有机物主要受生物初级生产过程所调控，具有高POC、PN浓度、高δ15N的特征；琼州海峡西侧海域的POC、PN浓度较低，更接近于南海外海水的特征，与此同时，该海域颗粒有机物的δ15N和C/N比较低，说明其受生物固氮作用的影响较为明显．

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