南大洋扇区夏季表层海水叶绿素a分布特征及其原因分析

廖静思， 陆志波， 王 娟， 李慧蓉，张 洁， 王硕仁

(1.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092；2.同济大学污染控制与资源化国家重点实验室，上海 200092；3.职合国环境署-同济大学环境与可持续发展学院，上海 200092；4.中国极地研究中心，上海 200136)

1 引 言

关于南大洋表层海水叶绿素分布规律的研究有很多，通常都是将南大洋分为5大海域，分别是威德尔海(60°W～20°E)、南印度洋海域(20°～90°E)、西南太平洋海域(90°～160°E)罗斯海(160°E～130°W)以及阿蒙森海(130°～60°W)[4]，方法上可以分为原位水样采集法以及水色卫星遥感法[11]。在南大洋大部分海域，叶绿素的平均值一般在0.3～0.4 mg/m3，除了一些浮游植物发生爆发的区域，叶绿素浓度能够达到1.0 mg/m3以上[12]。Marrari等人2006年发现南大洋超过90%的区域叶绿素浓度在0.05～1.5 mg/m3之间[13]。这其中罗斯海是生产力最旺盛的区域，约占南大洋年生产力的28%[14-15], 叶绿素最大浓度能够达到8.19 mg/m3[16]。其次是威德尔海，原位水样叶绿素浓度平均值为0.92 mg/m3[11], 而南印度洋和西南太平洋叶绿素浓度最低，大部分都是在0.328 mg/m3以下[17]。

在时间方面，对于南大洋的海冰边缘区而言，浮游植物的爆发一般是从夏季(12月～次年2月)开始，光合有效辐射开始增加，与此同时无冰区的发育为浮游植物爆发提供环境[18]。这些地区的碳同化和营养物质吸收率在夏季也有所增加[19-20]。

南大洋是世界上最大的高营养盐低叶绿素海域，即HNLC海域[21-22]。有研究显示，南大洋的营养盐水平至少能维持25 mg/m3的浮游植物叶绿素浓度[23], 然而实际值却远低于此。造成这种低生产力的主要原因是微量金属元素的缺乏，主要是铁[24]。另外光照辐射不足加剧了铁限制，产生共同限制效应[25]。

20世纪90年代，John Martin提出了铁限制假说[26], 并指出铁限制了HNLC海域浮游植物的生产力，自此之后，很多学者通过一系列的铁加富实验来验证这一假说[27～30]。结果表明加铁之后确实能引发浮游植物爆发，并且伴随着海洋表层CO2浓度的显著降低。同时大量研究表明南大洋浮游植物叶绿素爆发主要出现在以下几个区域: (1) 海洋峰处，海洋锋处被认为是高叶绿素浓度区[31-32]，其叶绿素浓度可以高达2～4.5 mg/m3[33]; (2) 海冰边缘区，初级生产力在海冰边缘区得到加强[34-35]，Arrigo等人2003年发现海冰边缘区叶绿素浓度能够高达7 mg/m3[36]; (3) 大陆架，该区域通常有很高的叶绿素浓度[37-38], Graham等人2015年发现只有在大陆或岛屿海岸线50 km以内年平均叶绿素浓度才能达到2 mg/m3以上[39]; (4) 在岛屿附近, 孤岛效应发生的主要地点是南乔治亚岛和克罗泽特克尔格伦群岛下游[40], 目前最大的浮游植物爆发是在克尔格伦岛以及其东南部临近高原发现的41; (5) 冰间湖, 它们相关的表层海水在春天和夏天的时候被指出具有持续提高水平的生物生产力，南极洲沿岸冰间湖的叶绿素浓度可以高达 0.6～14 mg/m3[42]。

卫星遥感的出现彻底改变了海洋学领域。但由于恶劣的环境条件，南极洲地区卫星数据的校准和验证受到限制。本研究首先采用的雪龙船走行数据数据采集系统利用传感器实现了数据的边走边测，数据量大且精度较高，可以克服传统的海洋卫星遥感监测和原位海水采样方法的不足又能很好的综合两者的优点。本文从整个南大洋出发，先对其5大海域表层海水温度、盐度以及叶绿素水平进行评估，然后找出浮游植物叶绿素极高值的区域，结合极高值区地形条件、水动力条件、海水状况以及太阳辐射等条件合理判断出现极高值的原因，研究南大洋生态系统对于全球气候变暖的响应对认知过去、现在的全球环境变化及预测未来意义重大。

2 研究方法

2.1 走航观测区域与时间

2013年11月7日～2014年4月15日，中国第30次南极科学考察中，雪龙船首次环南极考察航行任务，总航程约3.15万海里，总时间155天，其路线图如图1所示。由于本文研究的内容为南大洋表层海水叶绿素分布趋势，因此我们只取用60°S以南的数据进行研究。

2.2 走航观测数据采集系统

在第30次南极科学考察过程中，雪龙船的洁净水实验室内装载表层多要素连续自动测定系统。海水通过水泵抽吸经入水口进入Ferry Box，Ferry Box中装有WETStar荧光计以及自动传感器SEB21，WETStar荧光计可以测定表层海水叶绿素a浓度，SEB21则可以测表层海水温盐数据。海水的采样深度约为5 m左右。

图1 中国第30次南极科学考察雪龙船航行路线Fig.1 The navigation route map of China's 30th Antarctic scientific expedition.

2.3 正午太阳高度角及海冰冰点计算方法

本文利用太阳高度角这一变量来反映当地太阳辐射量。首先根据海水采样日期计算每天的太阳赤纬，太阳赤纬又称赤纬角，是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角。因赤纬值日变化很小，一年内任何一天的赤纬角δ可用下式计算：

sinδ=0.39795cos[0.98563(N-173)]

N为日数，自1月1日开始计算。同时我们用h来表示太阳高度角。

h=90°-|φ-δ| (φ——观测地地理纬度)

将某一区域海水的冰点变化范围与该地区海水的温度变化范围进行比较可以得出该地区海水是处于何种状态(海水、海冰或冰水混合)。而海水冰点范围的确定是根据该地区海水盐度的变化范围确定：海水冰点与盐度之间存在如下关系：

T-T0=-0.0535S-0.0000029

其中，T为海水冰点，T0为盐度为0时海水的冰点，S为海水盐度。

2.4 数据统计方法

本文采用统计学的方法分别对30次南极科学考察获得的温度、盐度和叶绿素浓度进行高低值等级的划分。取90%，50%，10%为其划分依据，得出3个变量的极低值、低值、高值以及极高值的划分依据，结果见表1。其中对于叶绿素a我们认为当其浓度大于2.144 mg/m3时为极高值区，结合其他文献中对浮游植物爆发时叶绿素浓度的描述证明等级划分是合理的(如图2)。

表1 温度、盐度以及叶绿素a浓度高低值等级划分Tab.1 Classification of temperature, salinity, and chlorophyll a concentration categories

(从上至下依次为本研究，文献[43]、[31]、[38]、[39]、[42])图2 叶绿素浓度高低等级划分Fig.2 Classification of chlorophyll concentration levels.

3 研究结果

3.1 南大洋叶绿素a浓度分布特征

在第30次南极科学考察过程中，南大洋叶绿素a的变化范围为0.06～11.647 mg/m3，最高值11.647 mg/m3出现在南印度洋海域，最低值0.06 mg/m3出现在西南太平洋海域。平均值只有0.869±1.154 mg/m3，这与南大洋HNLC的特点是相一致的(图3)。但此次航线中，40.26%的叶绿素a浓度在高值区，有10%的叶绿素a浓度超过了2.144 mg/m3，我们后面会对极高值区进行重点研究。

图3 南大洋表层海水叶绿素a分布(左)及各区等级概率分布图(右)Fig.3 Distribution of chlorophyll a in the surface water of the Southern Ocean (left) and the probability distribution map of each zone (right)

虽然南印度洋海域出现了最高值11.647 mg/m3，但是其平均值为0.771 mg/m3，只有39.87%的点是在高值(>0.504 mg/m3)以上。西南太平洋海域叶绿素浓度a水平很明显比南印度洋海域要低，大部分分布在低值(<0.504 mg/m3)以下，只有21.98%的点是在高值(>0.504 mg/m3)以上，这一高值水平在五大海域中是最低的。罗斯海叶绿素a浓度水平是最高的，有82.48%的点在高值(>0.504 mg/m3)以上，是五大海域中高值水平最高的海域。阿蒙森海叶绿素a浓度平均值比南印度洋海域要高，有45.77%的点位在高值(>0.504 mg/m3)以上。从平均值来看威德尔海叶绿素a浓度水平比南印度洋海域要低，有49.24%的点位在高值(>0.504 mg/m3)以上。综上所述，南大洋海域中罗斯海叶绿素a浓度水平最高，其次是威德尔海、阿蒙森海、南印度洋海域，最低的是西南太平洋海域。研究结果表明，此次航行中，叶绿素a浓度低于南大洋D10(极低值)的概率为9.94%，超过南大洋海域D90(极高值)的概率为10.18%。

表2 南大洋五大海域表层海水叶绿素a变化范围及平均值Tab.2 Range and average value of chlorophyll a in the surface seawater of the five oceans in the Southern Ocean (mg/m3)

3.2 温盐结构分布特征

南大洋海域温度变化范围为-1.9～3.1 ℃，最高值3.1 ℃出现在威德尔海海域，接近南设得兰群岛的位置(图4)。最低值-1.9 ℃出现在南印度洋海域，平均值为0.1 ℃。西南太平洋海域温度水平比南印度洋海域要高，有84.80%的点位温度是在低值 (<-1.4 ℃)以下。从表3得知罗斯海温度平均值是五大海域中最高的，而且在靠近维多利亚地附近温度普遍较高，有70.82%的点位温度在高值(>0 ℃)以上，40.01%的点位温度在极高值(>1.5 ℃)以上。阿蒙森海温度普遍偏高，有70.91%的点位温度在高值(>0 ℃)以上。威德尔海是除了罗斯海之外唯一拥有温度极高值的海域，而且有67.99%的点位温度在高值(>0 ℃)以上，但是温度平均值却远低于阿蒙森海。综上所述，罗斯海的温度水平最高，其次是阿蒙森海、威德尔海、西南太平洋海域最低的是南印度洋海域。此次航行中处于2014～2016年超强厄尔尼诺年的初始，分析发现温度低于南大洋D10(极低值)的概率为7.92%，超过南大洋海域D90(极高值)的概率为9.50%，处于温度高值区内的概率为41.04%。

图4 南大洋表层海水温度分布(左)及各区等级概率分布图(右)Fig.4 Distribution of temperature in the surface water of the Southern Ocean (left) and the probability distribution map of each zone (right)

表3 南大洋五大海域表层海水温度变化范围及平均值Tab.3 Range and average value of temperature in the surface seawater of the five oceans in the Southern Ocean (℃)

图5说明，整个南大洋海域的盐度变化范围为28.5～37.5 PSU，最高值37.5 PSU出现在南印度洋海域。西南太平洋海域盐度有39.72%的点位在高值(>33.6 PSU)以上。从表4可知，罗斯海盐度均值高于南印度洋海域以及西南太平洋海域，有58.00%的点位在高值(>33.6 PSU)以上。阿蒙森海盐度在33.0～34.1 PSU范围内集中分布，有51.72%的点位在高值(>33.6 PSU)以上。威德尔海盐度均值是五大海域中最高的，在32.6～36.5 PSU范围内集中分布，有69.26%的点位在高值(>33.6 PSU)以上。综上所述威德尔海盐度水平是最高的，其次是罗斯海、阿蒙森海、西南太平洋海域，南印度洋海域是最低的。分析发现盐度低于南大洋D10(极低值)的概率为8.18%，超过南大洋海域D90(极高值)的概率为17.82%。

图5 南大洋表层海水盐度分布(左)及各区等级概率分布图(右)Fig.5 Distribution of salinity in the surface water of the Southern Ocean (left) and the probability distribution map of each zone (right)

表4 南大洋五大海域表层海水盐度变化范围及平均值Tab.4 Range and average value of salinity in the surface seawater of the five oceans in the Southern Ocean (PSU)

4 讨 论

利用雪龙船获得的走航式ADCP资料对南大洋海域6个高值区的水动力进行分析见图6，结合水动力进一步对高值区叶绿素a浓度、温度以及盐度的变化进行分析，然后结合地形条件，海水状况综合分析每一个高值区产生的原因。

注：每个箱型的最高点和最低点分别代表最大值和最小值; 每个框的长度代表标准差; 小方块代表平均值; 短水平线代表中值。 图6 南大洋叶绿素a极高值区分布图 Fig.6 Distribution of high chlorophyll a concentration area in the Southern Ocean

4.1 六个极高值区产生的原因分析

见图7，高值区Ⅰ位于埃默里冰架，海水状态为冰水混合状态。图7显示在经历前期的平稳变化后，叶绿素的波动开始变得非常剧烈，甚至出现了>4 mg/m3，猜测可能是一股冰雪融水的注入，而这股冰雪融水引发了叶绿素浓度的剧烈上升，可以看出叶绿素在波动上升然后下降的整个过程中温盐结构变化很大，这都应该与此处是位于靠近大陆架的海冰边缘区有很大关系。冰山中含有来自冰川沉积物的含铁矿物，因此海冰的融化是海水中铁的重要来源[44-45]。冰雪融水可以释放冰藻细胞，作为引发无冰区浮游植物爆发的接种体[46]。与此同时，低盐度的冰雪融水增加了海冰附近水柱的稳定性，这对浮游植物的生长是一个很好的条件[46-47]。该航段还靠近大陆架，这也是重要的铁来源[48]。

注：从左到右的横坐标显示了航行的路径线条不连续处是因为船在此停留，表层多要素连续自动测定系统停止工作。图7 每个高叶绿素a区域(a-f:Ⅰ-Ⅵ区)的叶绿素a浓度，温度/盐度的变化Fig.7 Variations of the chlorophyll a concentration, temperature, and salinity in each high-chlorophyll a sector

高值区Ⅱ的温度水平是所有爆发区中最低的且变化幅度较小。该高值区所经过的海域海水等深线变化非常剧烈，该区水团交汇发生非常频繁，主要是因为南极陆坡锋位于此处[49]，这对营养物质以及铁的水平对流起到非常重要[50-51]，而这股高盐水应该与南极陆坡锋有着密切的关系。同时该区靠近大陆架，并且其西南方向上有两个科考站：法国Dumont Durville，澳大利亚Commonwealth Bay，这些条件都可以为浮游植物爆发提供大量的营养物质。

高值区Ⅲ整个过程叶绿素a、温度以及盐度变化，温度变化幅度很大，基本出现3个峰值，而且温度的变化基本与叶绿素变化幅度大体一致，盐度变化不是很剧烈，但是处于小幅波动上升。该浮游植物爆发区的温度和盐度水平明显比上两个区要高，尤其是温度。在高值区Ⅲ南部有大量的岛屿(扬岛、巴雷尼群岛、史特奇岛以及Balleny海山)，能够引发孤岛效应，这应该是导致该区出现了>4 mg/m3的区域的主要原因。

可以从高值区Ⅳ浓度图看出叶绿素a浓度出现了好几个峰值，而几乎每个峰值对应的温盐结构都有很剧烈的变化，可以将这些温盐结构的变化分为两种情况，高温低盐水以及低温高盐水，且整个过程的温度水平是所有浮游植物爆发区中最高的，盐度是第二高的，变化幅度都很大，这些变化都与此处的冰雪融水以及底部上升流[52]有密切关系，冰雪融水对浮游植物生长非常有利，而上升流可以将海洋底部大量的营养物质和铁携带至表层海水以供浮游植物生长[53～55]。高值区Ⅳ靠近维多利亚地，经过的海域浅滩、海盆密布，这些地形条件都可以为提供铁和营养盐提供有利条件。

高值区Ⅴ位于深海区，其南部的阿蒙森冰间湖以及松岛冰间湖由于冰雪融水以及绕极深层水(CDW)上涌带来的大量铁而出现浮游植物爆发[42,56～58]。而该高值区经过的区域属于非冰间湖区域[59]，但是仍然存在绕极深层水(CDW)上涌的现象。整个过程开始之后的一段时间内温盐均缓慢上升，这种现象的产生与绕极深层水(CDW)上涌有着密不可分的关系。同时整个过程温度水平比较低，但是变化波动较大，同样盐度水平也比较低，变化波动比高值区Ⅰ后半段以及高值区Ⅳ要小，但是相比于其他高值区还是比较大的，这些现象也都可以证明冰雪融水以及绕极深层水(CDW)上涌对该爆发区的影响。

高值区Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ均位于罗斯海海域，冰雪融水与底部上升流在罗斯海非常常见[60]。而罗斯海之所以生产力高的主要原因也是大陆架沉积物再悬浮以及冰雪融水释放出大量的铁[16]。

高值区Ⅵ的温盐处于较高水平，但是变化幅度非常小，高温高盐水的来源与CDW上涌有关[61～64]，底部上升流在威德尔海非常常见，尤其是在东部、南部以及莫德上升区域[34]，能够为浮游植物生长提供大量营养物质和铁。

4.2 相关性分析

每个高值区的多元线性相关分析结果如表5所示，不同高值区的叶绿素与温度、盐度以及太阳高度角这三个变量之间的相关关系是不同的。只有在高值区Ⅲ中叶绿素与温度呈正相关，盐度呈负相反，其他高值区叶绿素都是与温度呈负相关，与盐度呈正相关，太阳高度角这一变量也是只有在高值区Ⅲ和Ⅵ中与叶绿素呈正相关，其余都是负相关，这也能说明，在南半球的夏季，光照条件和温度条件其实是非常充足甚至是过剩的，而对于浮游植物生长来说，限制其生长的最主要的因素应该是营养盐，因此当高盐度的海水带来大量营养盐的时候，叶绿素浓度会随之升高。

表5 高值区各变量的相关性分析Tab.5 Correlation analysis of variables in high value areas

5 结 论

本文主要针对的是南大洋中某些区域出现浮游植物叶绿素a浓度高值的原因分析。

5.1 根据我们的结论，南大洋5大海域的温盐结构以及叶绿素分布水平差异是很明显的，其中温度水平罗斯海>阿蒙森海>威德尔海>西南太平洋海域>南印度洋海域。盐度水平为威德尔海>罗斯海>阿蒙森海>西南太平洋海域>南印度洋海域。叶绿素浓度罗斯海>威德尔海>阿蒙森海>南印度洋海域>西南太平洋海域。

5.2 分析表明，导致每个浮游植物爆发区出现的原因是各不相同的，而大部分高值区的出现是多种有利因素的叠加的结果，如浮游植物爆发区Ⅰ是受到海冰融化和位于大陆架附近的影响，爆发区Ⅱ受大陆架以及南极陆坡锋的双重影响，爆发区Ⅳ受海冰融化、底部上升流以及海底地形条件的影响，爆发区Ⅴ是因为处于海冰边缘区并存在着绕极深层水(CDW)上涌共同作用结果，爆发区Ⅵ是受到底部上升流以及地形条件的影响，只有浮游植物爆发区Ⅲ目前只分析出孤岛效应这一个原因。

5.3 通过进一步的相关性分析我们得出在南半球的夏季，对于浮游植物生长来说，光照条件和温度条件其实是非常充足甚至是过剩的，而限制浮游植物其生长的最主要的因素应该是缺乏营养盐。

5.4 本研究航次处于2014～2016年超强EI Nino事件的发生发展过程中，由于全球变暖海洋大气物化环境发生变化，造成了海域不同的营养供应环境，浮游植物生产力发生变化出现异常爆发区。但高纬度与低纬度之间对全球气候变化的响应与反馈机制, 目前仍未定论,更值得我们做进一步的探索研究。