南极普里兹湾沉积物中有机碳和总氮的含量与分布

刘瑞娟，于培松，扈传昱，韩正兵，潘建明＊

（1.国家海洋局 第二海洋研究所 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）

1 引言

海洋是全球最大的碳储库。人类活动每年排放的二氧化碳达490亿吨［1］，其中约三分之一被海洋吸收，从而降低了大气中二氧化碳（CO2）的含量，减缓了温室效应和全球变暖。可见，海洋在全球碳循环和气候变化中具有重要的作用。表层海洋吸收的CO2，一部分参与海洋上层循环再重新释放到大气中，另一部分则通过生物泵和物理泵等过程迁移沉降到深层海洋，并最终埋藏在海底沉积物中，从而暂时脱离了全球碳循环。因此，沉积物中的碳含量直接反应了海洋吸收CO2的净通量，是理解全球碳循环和碳收支通量的关键指标。南大洋作为全球重要的碳汇区，占全球大洋净吸收CO2的30%～40%［2］。南极大陆边缘也是全球气候变化最敏感的区域之一，研究南极边缘海沉积物中的碳、氮含量对于深入理解全球碳循环以及海洋生物地球化学循环具有重要的意义［3—5］。

南极普里兹湾是南极大陆的第3大海湾，面积达6×104k m2，是典型的海冰边缘区［6］，秋、冬、春季全部为海冰所覆盖，只有夏季为短暂的融冰期。普里兹湾具有高营养盐特征，夏季海冰融化，密集度减少，上层水体中浮游植物吸收营养盐进行光合作用，生产力旺盛［7］，生物泵作用强烈，对底层沉积产生重要影响。以往对普里兹湾沉积物中生物硅［8］、糖类［9］、生物标志物重建的浮游植物生物量［6］以及上层水体叶绿素a和初级生产力的研究得出，普里兹湾是季节性高生产力海域，生源物质是沉积有机质的主要来源。由于样品获取的困难，目前对于普里兹湾海域沉积物中OC和TN尚缺乏系统性的研究，而对其开展深入的研究是阐明普里兹湾碳、氮生物地球化学循环所必需的。

本文整理并利用中国南极科学考察多个航次获取的普里兹湾沉积物样品，分析了OC和TN的含量与分布及其控制因素，并利用OC／TN探讨了沉积有机质的来源，研究了OC和TN的垂直分布特征，阐述了沉积速率对碳埋藏的重要作用，根据碳沉积量与埋藏量计算得出了碳埋藏率。这将为获得南极普里兹湾碳通量提供基础数据，深入揭示碳的来源及收支，有助于进一步认识南极边缘海在全球碳循环中的作用。

2 研究方法

2.1 研究海区

普里兹湾处于南大洋的印度洋扇区，位于66°45′～69°30′S、70°～80°E所围成的区域内，是深嵌入南极大陆的一片水域［10］。湾顶部西南角与埃默里冰架连接，向北呈西南－东北走向的喇叭状，湾口东部四女士浅滩（Four Ladies Bank）水深约200 m，最浅处小于60 m，西部福拉姆浅滩（Fram Bank）水深小于200 m，阻挡了外部冰川进入湾内，只有两浅滩中间是水深大于500 m的凹槽，是湾内外交换的主要通道［8］。湾中部水深超过500 m，东西两边浅于500 m［11］。普里兹湾存在明显的海冰变化年周期，每年有7个月的冰封期和5个月的融冰期，一般9月份海冰面积最大，整个海湾都处于冰封状态，从10月份开始慢慢融化，形成普里兹湾冰间湖，到2月份海冰面积最小，之后又开始冻结，直到9月份构成一个年循环［10，12］。67°S大陆坡折处存在自东向西的东风环流，近岸区域存在西向的沿岸流，分散地进入湾内东南部，经过埃默里冰架下面形成一支狭窄而较强的海流，向西流出普里兹湾，此外湾内为一个气旋型环流［12］。

图1 沉积物采样站位（箭头代表区域内海表环流，黑点代表采样站位）

2.2 样品采集

沉积物样品分别采集于中国“雪龙”号考察船第18、21、24、25和27次南极科学考察。采样站位包括普里兹湾内区、埃默里冰架边缘区以及福拉姆和四女士浅滩区等（图1），样品采集时间主要集中在南极夏季12月－2月期间，共21个站位，具体采样信息见表1，其中埃默里冰架边缘11个站位，70.5°E左右断面2个站位，73°E断面3个站位，75.5°E左右断面5个站位。表层沉积物样品主要来自箱式采样器，对箱式采样器中沉积物样品插管后取0～1 c m为表层样；少数站位来自多管采样器，多管沉积物现场分割，取0～1 c m为表层样。柱状IV－10、IS－4、IS－11和II－9沉积物样品采用多管采样器，管子直径为10 c m，长60 c m，取样长度在10～30 c m；只有III－13采用重力柱进行采集。样品采集后，现场分割，10 c m以上按1 c m间隔分样，10 c m以下按2～3 c m间隔分样，然后冷冻保存，带回实验室，冻干研磨，随后分别用于OC和TN的测定。

表1 沉积物采样站位（＊代表柱样）

2.3 实验方法

沉积物中OC和TN的含量使用元素分析仪（Elementar Vario MICRO cube）进行测定。称取冻干并研磨后的沉积物约0.5 g样品置于15 mL玻璃试管内，加入10 mL 1 mol／L HCl，振荡使样品与 HCl充分混合，并放入50℃恒温水浴中充分反应，随后样品经离心（2 500 r／min，5 min），倒去上清液，加入蒸馏水，清洗后再离心，重复水洗至中性，最后样品经冷冻干燥后称重。仪器测定时，从酸洗处理后的样品中准确称取（30.000±0.020）mg，置于锡舟内。上机测定时，以沉积物标样GBW07314为质控，平行样作对照，测量结果表明仪器在分析过程中非常稳定，标准偏差小于1%。仪器分析结果经样品酸处理前后质量比校正得样品碳、氮含量。

沉积物中泥质的含量通过含砂量换算获得。含砂量采用水筛法进行测定，首先将沉积物冷冻干燥后，称取1～2 g放入预先洗净并烘干后的63μm分样筛上，并用蒸馏水反复冲洗，确保泥质成分冲下，然后将分样筛放进烘箱中90℃保持4 h，再将分样筛上烘干残余物质倒入称量纸中称重，该质量与预先称取的沉积物质量比值即为该沉积物的含砂量。

3 结果与讨论

3.1 表层沉积物中OC和TN

普里兹湾表层沉积物中OC和TN的含量变化范围分别为0.14%～1.20%和0.02～0.20%，平均值分别为0.63%和0.11%。OC和TN含量具有相同的分布趋势，在普里兹湾湾内两者均呈现明显的西低东高趋势，如图2所示，大致以73°E为界，以西区域OC和TN含量均较低，而以东区域OC和TN含量均较高，其中湾内东南部区域OC和TN含量最高。OC和TN含量的分布与沉积物中的泥质含量密切相关，如图3所示，普里兹湾表层沉积物中泥质的分布也具有明显的区域性，东西两侧差异较大，73°E以东区域泥质含量较高，基本上都在80%以上，尤其是东南部区域高达95%以上，而以西海区泥质含量较低，自东向西呈逐渐减小趋势，福拉姆浅滩处出现泥质含量的最低值。此外埃默里冰架和四女士浅滩边缘少数站位泥质含量也较低。总体上，普里兹湾东部区域主要为泥质沉积，沉积物多为黄绿色的黏土，密度较小，颗粒细且均匀，OC和TN等生源要素含量较高，西部区域多为砂质沉积，沉积物多为土黄色的粗颗粒，OC和TN等含量也较低，表层沉积物中OC、TN和泥质的含量分布都具有很好的一致性。

图2 表层沉积物中OC和TN的含量（%）与分布

图3 表层沉积物中泥质的含量（%）与分布

沉积物中OC和TN的线性相关系数R2＝0.986 3（n＝21，p＜0.005），如图4所示，两者具有显著的正相关性，说明沉积物中OC（以C计）和TN（以N计）来源一致。OC和TN的线性表达式为OC＝6.895 8TN－0.067 1，其截距为－0.067 1，非常接近于0，即当TN为0时，OC也接近于0，TN含量较高时，OC含量也较高，说明沉积物中OC和TN来源相同。海洋沉积物中有机质的来源分为陆源和海源两类，碳氮比（OC／TN）的大小通常是判断海洋沉积有机碳海生还是陆生的标准［13］。根据Redfield Ratio，OC／TN约为6.6，所以通常海洋自生有机物的OC／TN通常在5～8的范围内，据研究陆源有机物的OC／TN可以高达20以上［14］。因此通常认为OC／TN大于12的为陆源有机物，OC／TN小于8的为海源有机物。普里兹湾表层沉积物中OC／TN的变化范围为5.5～8.2，平均值为6.8，OC和TN拟合的趋势线斜率非常接近6.6，说明普里兹湾沉积物中有机质主要为海洋生源沉积。同时也与扈传昱等［15—16］在普里兹湾外布设的捕获器获得的1 000 m处有机质中碳与氮比值大部分为5～7相接近，进一步说明了沉积物中有机质主要为海洋浮游生物来源的特征。Isla等［17］在杰拉许海峡得到表层沉积物中OC／TN为6.6～7.8，Pere Masque等［18］在布兰斯菲尔德海峡西部发现沉积物中OC／TN在7左右，David和Olivier［19］发现罗斯海表层沉积物 OC／TN为7，南极大陆边缘海沉积物中C／N比值均接近6.6，表明沉积物中有机质都是海洋生物来源。

图4 表层沉积物中OC和TN、泥质的相关性

3.2 表层沉积物中OC分布的控制因素

表层沉积物中OC与泥质呈现相似的分布趋势，其相关性分析结果为R2＝0.904 7，如图4所示，OC含量与泥质含量呈显著正相关，而OC主要来源于上层水体初级生产过程，因而表层沉积物中泥质含量与上层水体初级生产过程密切相关。沉积物中OC的含量反映海洋上层生源物质输出并沉降到海底的有机质丰度，有机碳通量能够直接反映上层海洋生产力的变化［20］。中国南极考察多年来对普里兹湾海区的调查发现，海水叶绿素a、初级生产力、浮游植物细胞丰度等均以普里兹湾湾内中心区域最高［21—24］，而营养盐则呈现相反的分布趋势，这主要是由于每年夏季海冰消融后，浮游植物快速生长，大量消耗了海水中的营养盐，造成上层水体营养盐含量降低，而叶绿素等明显升高。在南极近岸海域，硅藻是浮游植物中的绝对优势种，同时硅是控制海洋碳循环的关键元素［25］。南极普里兹湾夏季浮游植物的调查显示其主要是以大细胞或链状群体的硅藻为主，并可以达到总细胞丰度的80%～90%。硅藻等浮游植物在一定的光照、温度和营养物质等物理化学条件下吸收水中的可溶性硅酸形成BSi，并以遗骸的形式由表层输出并沉积到海底沉积物中，这个过程同时将OC输送到深海及海底［8］。扈传昱等［26］研究发现上部水体中颗粒态BSi和POC分布特征相似，BSi与上层水体生物生产过程密切相关，进而表明上层水体硅藻等浮游生物通过生物泵过程对底层沉积具有直接的影响，上层水体初级生产力水平是影响表层沉积物中OC分布的重要因素。

沉积物中的砂主要来源于冰川融化过程。融冰期冰川携带陆源砂一并进入海洋中，在融化过程中分离进入海水中，最终保存在沉积物中。在普里兹湾，附近西冰架的冰川受东风环流的推进，不断向四女士浅滩和福拉姆浅滩运移堆积，西向沿岸流经过埃默里冰架边缘携带浮冰，流入较浅的西侧福拉姆浅滩受到阻挡而沉积［27］，同时西侧麦克罗伯逊地陆地冰川入海，可能在福拉姆浅滩附近沉积，形成西部海冰密集区，而东部海区则不同，一方面西向沿岸流侵入湾内东南部上涌并输送能量促进海冰融化，另一方面浮冰被陆架边缘较强下降风吹离岸边，形成潜热型普里兹湾冰间湖［12］，并维持较长的稳定开阔期，从而导致西部冰川堆积而东部无冰开阔。沉积物中陆源砂含量与海冰密集度均表现为西高东低，而OC则呈现相反的分布趋势，这主要是因为冰川携带的陆源砂对沉积有机质几乎没有贡献，却对生源有机质起到稀释作用。生源有机质只能在短暂的融冰期进行生产，生物生产量有限，而普里兹湾每年大部分时间被海冰覆盖，冰川携带大量的陆源砂分离并保存在沉积物中，因此陆源砂对生源有机质的稀释是影响表层沉积物中OC分布的另一重要因素。此外，湾中心顺时针的气旋型环流，使水体垂直稳定性好，利于上层生源有机质的沉积。总之，在普里兹湾，上层水体的初级生产过程对沉积物贡献OC，而冰川携带的陆源砂稀释沉积物中OC。

3.3 OC和TN的垂直分布

在垂向分布上，普里兹湾5个站位柱样沉积物中OC和TN（IS－11除外）的含量均为表层高于深层，OC含量随深度增加不同程度地减少，到达一定深度后趋于稳定状态，如图5所示。位于普里兹湾中心区域的III－13和IV－10 2个站位沉积物中OC和TN含量整体较高，而位于埃默里冰架边缘的IS－4和IS－11 2个站位以及福拉姆浅滩处的II－9站位OC和TN的含量明显较低，如表2所示，这与5个站位表层沉积物中OC和TN的分布以及影响因素相同，主要是受到上层水体初级生产力水平和冰川携带陆源砂等的共同影响。III－13、IV－10、IS－4和II－9站位柱样沉积物中OC／TN均小于8（见表2），由此可知多年来沉积物中有机质主要为生源沉积，其在垂直分布上没有明显的变化，说明多年来生源沉积较稳定。

通常，生源有机质从上层水体降落到水－沉积物界面作为表层沉积物开始降解矿化，随着埋藏深度的增加，有机质降解作用逐渐降低直到相对稳定的状态。图5中OC的垂直分布可以发现，5个站位柱样沉积物中OC从表层向深层降低，位于湾中心的III－13、IV－10和浅滩处的II－9具有一定的波动性变化，而位于埃默里冰架边缘的IS－4和IS－11随深度增加逐渐降低，同时5个站位柱样OC趋于相对稳定状态进行埋藏的深度不同，III－13、IV－10和II－9站位在5 c m左右就达到稳定状态，而IS－4和IS－11要到10 c m左右才趋于稳定，说明III－13、IV－10和II－9站位沉积物降解矿化时间较短，而IS－4和IS－11站位沉积物则进行了较长时间的降解矿化作用，降解矿化作用的时间长短主要与沉积速率有关，III－13、IV－10、II－9站位的沉积速率明显高于IS－4和IS－11站位，如表2所示。III－13、IV－10、II－9站位较高的沉积速率导致降解矿化过程较短，有机质未降解矿化完全即进行埋藏，埋藏状态不稳定呈现波动性，而IS－4和IS－11站位沉积速率较低，有机质经历较长的埋藏过程，降解矿化较充分后进行稳定埋藏。据此，将柱样表层沉积物中OC含量视为碳沉积量，下部经过降解矿化后稳定状态的OC含量视为碳埋藏量，两者的比值（碳埋藏量／碳沉积量）即为碳埋藏率［18］。结果表明，湾中心区域碳埋藏率远高于冰缘区，5个站位OC的埋藏率为39%～91%。有研究发现，南极布兰斯菲尔德海峡和杰拉许海峡作为重要的碳汇区，其OC埋藏率分别为60%～80%和71%～83%［17－18］，说明普里兹湾也具有较大的碳汇潜力。

图5 OC（实线）和TN（虚线）的垂直分布

表2 柱样中OC和TN、碳埋藏率以及沉积速率（Mean±SD）

4 结论

普里兹湾表层沉积物中OC和TN具有相同的西低东高的分布趋势，73°E以西区域OC和TN含量较低，而以东海区OC和TN含量均较高，其中以湾内东南部区域最高。泥质含量也呈现相似的西低东高的分布趋势。OC和TN的相关性分析以及OC／TN表明沉积物中有机质主要来源于上层水体的初级生产过程。OC和TN的分布不仅与上层水体的生产力水平密切相关，同时也受到冰川携带陆源砂等因素的影响。

柱样沉积物中OC／TN表明多年来有机质均主要为海洋生源沉积，垂向上表层OC含量较高，随深度增加不断减小至稳定状态，表明从沉积到埋藏过程中存在明显的降解矿化作用，较高的沉积速率减缓降解矿化作用，加速埋藏进程并提高埋藏率，普里兹湾平均碳埋藏率与南极其他碳汇区相当，揭示了普里兹湾也是南极重要的碳汇区之一。

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