南极半岛近岸海域生物化学要素分布特征及影响因素

付 丹郑晓玲王保栋辛 明滕 芳谢琳萍

(国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266071)

南极半岛近岸海域生物化学要素分布特征及影响因素

付 丹,郑晓玲*,王保栋,辛 明,滕 芳,谢琳萍

(国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266071)

基于中国第30次南极科学考察在南极半岛(60°～63°S)近岸海域获取的调查资料,分析了该海域生物化学要素中溶解有机碳(DOC)、总氮(TN)和总磷(TP)分布特征并讨论地形和水团对其的影响。结果表明:2014年夏季南极半岛近岸海域水体DOC浓度变化范围为40.5～78.1μmol/L,平均浓度为66.3μmol/L;TN浓度变化范围为4.2～29.5μmol/L,平均浓度为14.9μmol/L;TP浓度变化范围为0.8～2.9μmol/L,平均浓度为2.0μmol/L。表层DOC呈现研究海域西北部D1断面和东南部D5断面浓度较高,中部DOC浓度较低;表层TN与TP浓度高值区出现在研究海域西部D1断面北部以及南部,中部和东部浓度较低;DOC,TN和TP浓度的垂直分布与海底地形和水团交汇密切相关,水团运动受阻于地形致使生物化学要素在垂直方向再分布。DOC,TN和TP空间分布反映了南极半岛近岸海域生物化学要素复杂的流通,将为合理开发和利用南极资源及环境影响评价提供科学依据。

南极半岛;溶解有机碳;总氮;总磷;分布特征

南极地区是全球气候变化最敏感的区域之一,且南大洋作为全球典型的高营养盐低叶绿素[1](High Nitrate Low Chlorophyll,HNLC)的海区,其生物化学要素直接影响南大洋的生物资源分布及生态环境变化。南大洋是全球大气CO2最重要的汇,在全球碳循环中扮演重要角色[2]。溶解有机碳(Dissolved Organic Carbon,DOC)时空分布在海洋碳循环以及海洋生态系统中起着重要的作用[3]。海洋中氮磷分布也是海洋生产量、海区肥沃性的一种重要标志[4]。复杂的海底地形和多支流交汇导致了南极半岛近岸海域的流场和水团交换异常复杂[5-6]。而随着人类对南极研究的深入,对合理利用南极生物资源及南极生态环境影响程度的讨论日益增加,探明该海域DOC,总氮(Total Nitrogen,TN)和总磷(Total Phosphorus,TP)及受水团的影响对南极半岛近岸海域生物地球化学循环、合理地开发利用南极生物资源及海岸工程前后海洋生态环境影响评价方面具有重要意义。

科学界对南极半岛地区生物化学的研究发现,位于HNLC的南大洋系统中,南极半岛威德尔海盆和罗斯海保持低的生产力水平[7]。Wiebinga和de Baar[8]认为相对于世界主要大洋,南极半岛近岸海域的DOC浓度较低。Guildford和Hecky[9]对海洋总态营养盐研究发现海洋中叶绿素值与TP显示正相关。无机营养盐能够模拟浮游植物生长,并且能示踪表层海水的营养物的生物化学通量[10],有机态氮磷可能是海洋上混合层潜在的营养物质库[11],但是现今科学界多以无机态氮磷作为海洋营养要素研究的基础,对海洋中总态氮磷的研究仍较少[12]。随着南极考察的工程建设,海岸生态环境必然受到影响,对南极区域性环境承载力与脆弱性评价急待深入。而工程环境影响评价体系中,生物化学要素变化影响环境的影响程度对评价工程综合效益意义重大[13-14]。本文利用中国第30次南极科学考察航次期间采集的海水样品,分析了南极半岛近岸海域DOC,TN和TP的空间分布特征,并讨论了地形和水团的影响,以期对南极半岛近岸海域环境影响评价及生物资源利用与保护提供科学依据。

(王 燕 编辑)

1 研究方法

1.1 站位信息

根据中国第30次南极大洋科学考察实施方案,在2014年2月中旬至3月期间,利用雪龙号科考船的船载SBE 911 PLUS CTD搭载的10 L Rosette采水器,采集南极半岛近岸海域海水样品。采样区域向西以南极半岛北部和西北部陆架及陆坡为界,向东以南奥克尼群岛东部威德尔海底层水外流区为界,即60°～63°S, 45°～60°W的海域布设了28个测站。采样层次主要以0,25,50,100,200 m标准水层外加500,1 000 m和底层为主(以站位水深为准)。具体采样站位信息见图1。

图1 南极半岛近岸海域调查站位图Fig.1 Survey stations in the offshore area of the Antarctic Peninsula

1.2 实验方法

样品的采集、保存及分析按照GB/T 12763.4—2007《海洋调查规范》[15]和GB 17378.4—2007《海洋监测规范》[16]进行。DOC水样采集后立即用预先经450℃灼烧过的0.45μm GF/F玻璃纤维膜过滤,收集50 m L滤液于450℃预灼烧过的棕色玻璃试剂瓶中,TN与TP水样直接采集100 m L海水样品封存于Nalgene聚乙烯瓶中,-20℃冰库冷冻保存。同时记录采样站位CTD温度,盐度,深度和叶绿素信息。

采用高温催化氧化法[17]总有机碳分析仪(TOC-VCPH型,日本岛津公司产品)测定海水中DOC浓度。仪器法精密度相对标准偏差为2%;再现性相对标准偏差为2%;相对误差为1%。采用过硫酸钾氧化法[18]营养盐连续注射流动分析仪(SKALAR San++型,荷兰SKALAR公司产品)测定海水中TN与TP浓度。TN检出限为3.78μmol/L,TN浓度为20.0μmol/L时,相对标准偏差为±5%;TP检出限为0.09μmol/L,TP浓度为1.0～6.4μmol/L时,相对标准偏差为±5%。

2 结果与讨论

2.1 DOC,TN与TP浓度分布特征

南极半岛近岸海域海水中DOC,TN与TP浓度测定结果(表1)显示,DOC变化范围为34.3～186.7 μmol/L,主要变化范围为40.5～78.1μmol/L,平均浓度为66.3μmol/L。已知的南大洋DOC报道中, Ogawa等[17]于1995年夏季在凯尔盖朗群岛观测到的上混合层DOC浓度为45～55μmol/L。Wiebinga等[8]于1994年夏季在南极半岛海域(62°E,49°～66°S)得到上混合层DOC浓度为51.5～63.2μmol/L,主要变化范围为43.0～91.0μmol/L与本文研究海域的DOC浓度相当。相较于世界其他大洋DOC浓度分布(表2),本文研究海域部分开阔区域DOC含量低于已报道的大洋含量,南大洋的HNLC性质可能是原因之一。

表1 DOC,TN与TP浓度测定结果Table 1 Determinations of DOC,TN and TP concentrations

表2 世界其他水域DOC,TN与TP浓度分布[9,19-23]Table 2 Distributions of DOC,TN and TP concentrations in the other oceans of the world

TN变化范围为4.2～29.5μmol/L,平均浓度为14.9μmol/L;TP浓度的变化范围为0.8～2.9μmol/L,平均浓度为2.0μmol/L。已知的南大洋氮磷营养盐报道中,Blain等[24]于2013年夏季研究了南大洋凯尔盖朗群岛附近(68°～70°E,48°～49°S)的氮磷浓度,以加和的形式得到无机氮和有机氮浓度总和变化范围约为25.8～26.4μmol/L,无机磷浓度大于1.0μmol/L,本文研究海域的TN浓度与凯尔盖朗群岛无机氮与有机氮加和浓度相似。相较于世界其他水域TN与TP浓度分布(表2),本文研究海域TN浓度低于其他大洋; TP浓度略高于其他大洋,但是低于淡水。

2.2 表层DOC,TN和TP水平分布特征

南极半岛近岸海域表层DOC,TN与TP浓度水平分布特征见图2。

图2 表层DOC,TN与TP浓度水平分布特征Fig.2 Horizontal distribution characteristics of DOC,TN and TP concentrations in the surface layer

表层DOC浓度(图2a)在研究海域西北部D1断面和东南部D5断面浓度较高,研究海域中部鲍威尔海盆,D2断面,D4断面和横向DA断面DOC浓度均较低。

D1断面北部D1-03站为南设得兰海槽至德雷克海峡海域,海水温度随深度先降低再升高,300～500 m水温最高达1.9℃,1 000 m水深降低至1.3℃;盐度随深度增大而增大,底层盐度保持在34.7。该现象表明,D1断面北部水团是典型的南极圈水团,从上至下依次为夏季表层水、冬季水和绕极深层水(Circumpolar Deep Water,CDW)[6]。CDW自西向东流动,D1断面北部地形升高,深层水被迫抬升,储存在南大洋深层的碳库[8]抬升致使表层DOC浓度出现高值区。D1-03站0,100 m DOC浓度均大于100μmol/L,200 m DOC浓度甚至高于160μmol/L。D1断面南部D1-07站位于中央海盆,海水温度随深度增大而先升高再降低, 50 m水温最高达0.8℃,1 000 m水深降低至-1.3℃,该现象表明,由于海底地形的影响,D1-07站与D1-03站的DOC来源不同;该站和鲍威尔海盆DOC浓度均呈现较低的特征,与史久新等[6]报道的中央海盆可能受鲍威尔海盆水团影响相符合。

D5断面温度垂直分布特征为随深度先降低再升高,底层温度保持在0.5℃左右。盐度随深度增加而增大,底层盐度保持在34.6左右,该现象表明,D5断面是威德尔深层水(Weddell Deep Water,WDW)[6]。D5-04站,D5-05站和D5-06站DOC浓度出现异常高值均大于100μmol/L,最高达186.7μmol/L。D5断面位于南奥克尼海台,WDW保持顺时针气旋式运动[6],北向越过南奥克尼海台进入斯科舍海。威德尔海深层碳库随WDW[25]运动可能是D5断面DOC浓度出现局部高值的原因之一。

D2断面横跨范围广,北部与南部DOC分布呈现不同的特征。北部底层水温最高达1.7℃,该现象表明,D2断面北部受CDW的影响,DOC浓度最高达88.0μmol/L;南部位于鲍威尔海盆,整体浓度较低,南部底层温度达0.4℃,但是温盐在垂直方面分布均没有D5断面紧密相关,该现象表明,此处可能为WDW水团,但是受其他因素的影响导致DOC浓度较低。

D3和DA断面温盐数据变化复杂,此处水团交汇复杂,但是均没有出现高浓度的DOC,DOC浓度范围为54.1～75.3μmol/L,具有南大洋DOC的低浓度特征。

表层TN与TP浓度高值区出现在研究海域西北部D1断面以及南部,中部和东部浓度较低(图2b和图2c)。

D1断面西北部D1-03站TN浓度范围为21.6～29.5μmol/L,TP浓度范围为2.0～2.6μmol/L。中部和东部TN浓度范围为7.5～14.6μmol/L,TP浓度范围为0.8～2.5μmol/L。与DOC和水团关系相似,TN与TP和水团运动也存在相关性。D1断面北部CDW自西向东流动时受阻于地形,上层水体显示高浓度的TN与TP;南部WDW在威德尔海边缘地区显示较高浓度的TN与TP;WDW水团向北流至鲍威尔海盆却显示较低浓度的TN与TP。

南极半岛北部和南部分布受CDW和WDW水团影响较大的近岸海域DOC,TN与TP浓度较大,中部区域浓度较小。作为生物化学要素基础的DOC,TN与TP反映了海洋生产力水平上限,是海岸工程对海洋生态影响的重要参数[13],海岸工程前后的生物化学要素变化体现工程对近岸海域总体影响的累积效应,各阶段生物化学要素的变化是工程环境影响评价体系中重要组成部分。

2.3 DOC,TN与TP垂直分布特征

由2.2可知南极半岛近岸海域D1和D5断面为DOC,TN与TP浓度变化较大的海域,因此,本节选取D1(图3a)和D5(图4a)断面介绍该海域DOC,TN与TP垂直分布特征。

DOC浓度垂直分布受地形和水团影响,D1断面北部随深度先降低后升高并趋于稳定;南部上层出现高值,随后降低,底层DOC浓度较低(图3b)。D5断面北部DOC普遍较高;南部表层较高,底层较低(图4b)。

图3 D1断面DOC,TN与TP垂直分布特征Fig.3 Vertical distribution characteristics of DOC,TN and TP concentrations along Section D1

D1断面北部D1-03站DOC浓度在25～50 m左右降低,在50～200 m升高,200 m以下水层较高且稳定,可能是因为CDW底层难以降解的DOC循环时间尺度较长,在海洋中的空间运动是海洋碳循环重要组成部分[26]。D1断面北部DOC随地形有明显抬升的趋势(图3b),验证了CDW被地形抬升。相对于南部D1-07站和北部D1-03,D1-05站全水深的DOC浓度均较低,该站为CDW和中央海盆中水团交汇处,相对于该站高浓度的TN和TP,反应了D1-05站的低生产力水平。

D5断面北部,WDW绕过南奥克尼海台进入斯科舍海[6]。根据现场CTD叶绿素结果显示,D5断面叶绿素值于25 m左右出现极大值,上混合层DOC浓度也较大(图4b),这表明生物活动与上混合层较高的DOC有一定的相关性。D5断面南部深层水的温度和盐度随深度逐渐增大(图4e和4f),和史久新等[6]中介绍的WDW属性一致,表明WDW也能够从南部爬上南奥克尼海台,成为D5断面南部DOC分布的主要影响因素。

TN和TP浓度的垂直分布特征受地形和水团影响,D1断面随深度先升高后降低(图3c和3d),D5断面随深度增加逐渐增大(图4c和4d)。

图4 D5断面DOC,TN,TP浓度与温盐垂直分布特征Fig.4 Vertical distribution characteristics of DOC,TN and TP concentrations and the temperature and salinity along Section D5

D1断面上混合层TN与TP变化较大,TN和TP浓度在表层较高,其在25～200 m升高,200 m以下水层较高。该海域地形复杂,陆架陆坡等隔绝使得底层海水被阻隔抬升,温度和盐度变化复杂,表明不同水团在此断面上混合层进行复杂的混合。D5断面的上混合层TN和TP普遍较低,而底层的TN和TP值却较高,这与DOC分布特征完全相反。

研究海域DOC,TN与TP浓度在25～75 m的急剧变化显示出温跃层对深层海水营养物质存在隔绝作用,上混合层水平方向上DOC,TN与TP浓度变化显著,表明上混合层水体平流对DOC,TN与TP的具有较强流通作用。温跃层以下DOC,TN与TP浓度在一定范围内相对稳定。

DOC,TN和TP及地形与水团垂直分布特征反映了南极半岛近岸海水交换能力对生物化学要素的具有重要影响,也是环境影响评价的重要依据[27]。

2.4 cDOC/cTN与cTN/cTP

海洋浮游植物多样性及生产力水平与海洋生态环境密切相关[13],是海岸工程对海洋生物生态影响的主要分析因子。浮游植物与海水中C/N/P比例近乎恒定且相等,称为Redfield值[28]。海水中营养盐摩尔比值偏离Redfield系数过高或过低,均可导致浮游植物的生长受到某一相对低含量元素的限制。无机态、有机态和颗粒态氮磷均能被浮游植物吸收进行物质循环,均在海洋氮磷循环中起着重要作用,所以cTN/cTP理论上可以合理地解释浮游植物限制作用[12],且cTN/cTP已经被运用在计算淡水系统中氮磷的限制影响[29],海洋中cTN/cTP仍缺乏研究,本节研究南极半岛近岸海域cDOC/cTN和cTN/cTP比值,以期为研究南极半岛近岸生物资源特征与海洋资源保护提供科学依据。

研究海域近岸海域cDOC/cTN与cTN/cTP比值见图5。cDOC/cTN比值范围为2～10(图5a),平均值为5.0。研究海域西部D1与D2断面cDOC/cTN比值范围为3～5;中部D3与DA断面cDOC/cTN比值范围为5～9;东部D5断面上混合层出现异常大值,cDOC/cTN比值达到16～19,可能由于D5断面为研究海域DOC浓度最高值区域。由于水团性质的影响,D5断面不同水深比值变化较大,比值范围为2～19。

cTN/cTP比值小于16,比值范围为3～16(图5b),平均值为7.7。D1断面D1-03,D1-04,D1-05站位cTN/cTP比值范围为10～21;D1-06,D1-07与D2断面南部cTN/cTP比值范围为6～9,D2断面比值由南向北有减小的趋势,北部D2-02站cTN/cTP值减小至4～5;中部D3与DA断面,cTN/cTP比值范围为3～5;东部D5断面cTN/cTP比值相对于中部有所提高,比值范围为5～10。

图5 研究海域cDOC/cTN与cTN/cTPFig.5.The ratios ofcDOC/cTNandcTN/cTPin the study area

3 结 论

南极半岛近岸海域水体生物化学要素中DOC浓度的变化范围为34.3～186.7μmol/L,主要变化范围为40.5～78.1μmol/L,平均为66.3μmol/L。TN浓度的变化范围为4.2～29.5μmol/L,平均为14.9 μmol/L;TP浓度的变化范围为0.8～2.9μmol/L,平均为2.0μmol/L。研究海域cDOC/cTN比值范围为2～10,总均值为5.0。cTN/cTP比值小于16,比值范围为3～16,平均值为7.7。

表层DOC,TN和TP浓度西北部与南部浓度较高,中部与东部较低;DOC,TN和TP浓度垂直分布与海底地形和水团交汇密切相关,水团运动受阻于地形而被迫抬升致使生物化学要素在垂直方向再分布。生物化学要素DOC,TN与TP空间分布特征反映了海洋生产力水平上限和海水交换能力,对科学可持续地开发和利用南极资源有重要意义,为工程环境影响评价体系中工程综合效益的评价提供科学依据。

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Distributions of Biochemical Elements and Their Influencing Factors in the Offshore Area of the Antarctic Peninsula

FU Dan,ZHENG Xiao-ling,WANG Bao-dong,XIN Ming,TENG Fang,XIE Lin-ping
(The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China)

Based on the data obtained in the offshore area(60°～63°S)of the Antarctic Peninsula during the 30th Chinese Antarctic Research Expedition,the distribution characteristics of dissolved organic carbon (DOC),total nitrogen(TN)and total phosphorus(TP)in the study area are analyzed and the control factors such as topography and water mass are discussed.The results show that in the summer of 2014,the concentration of DOC in the water mass of the study area varied from 40.47 to 78.08μmol/L,with an average of 66.33μmol/L;the concentration of TN varied from 4.24 to 29.54μmol/L,with an average of 14.88μmol/L;and the concentration of TP ranged from 0.80 to 2.85μmol/L,with an average of 2.00μmol/L.The concentration of DOCin the surface layer was higher along Section D1 in the northwest and Section D5 in the southeast and lower in the middle of the study sea.The concentrations of TN and TP in the surface layer were higher to the north and south of Section D1 and lower in the middle and eastern parts of the study area.The vertical distributions of DOC,TN and TP concentrations are considered to be closely related to the seabed topography and the water masses.The impediment of seabed topography to the water masses may cause the biochemical elements to redistribute vertically.The spatial distributions of DOC,TN and TP reflect the complex biochemical cycles in the offshore area of the Antarctic Peninsula. This study will provide scientific basis for the resources development and utilization and the environmental impact assessment in the Antarctic pole.

Antarctic Peninsula;dissolved organic carbon;total nitrogen;total phosphorus;distribution characteristics

P734.2

A

1002-3682(2017)01-0043-09

10.3969/j.issn.1002-3682.2017.01.005

2016-11-29

南北极环境综合考察与评估专项——南极周边海域海洋化学与碳通量考察(CHINARE2016-01-04)

付 丹(1991-),男,硕士研究生,主要从事海洋化学与大气化学方面研究.E-mail:fudan@fio.org.cn

*通讯作者:郑晓玲(1962-),女,研究员,博士,主要从事极地环境科学方面研究.E-mail:zxl@fio.org.cn

Received:November 29,2016