西北太平洋山间盆地沉积物有机碳质量累积速率及影响因素

李继东，孙栋，王春生,5，杨娟*

(1.中国地质大学（北京）海洋学院，北京100083；2.自然资源部第二海洋研究所，浙江杭州310012；3.自然资源部海洋生态系统动力学重点实验室，浙江 杭州310012；4.南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东 珠海519080；5.上海交通大学海洋学院，上海200030)

1 引言

西北太平洋是全球气候变化响应的敏感海区。作为海气交互作用的重要场所，西北太平洋海山区在气候变化中所扮演的重要角色，受到全球海洋环境状况（如海表温度增加、海洋层化作用加强和海洋酸化等）影响。在一定时间尺度内，海洋“生物泵”引起的沉积有机碳埋藏可以认为是海洋碳汇作用的最终净效应[1]。作为海洋碳库的重要组成，海底沉积物的碳库构成及累积速率变化最终会对全球海洋碳循环产生影响[2]。此外，有机质的沉降和累积过程是联系上层浮游生态系统与底层底栖生态系统的重要物质和能量纽带，是深海采矿环境特别受关注区（APEI）建立和选划的重要依据[3−4]。当前，关于热带西北太平洋山间盆地对区域和全球碳循环的贡献还知之甚少。

已有研究表明，影响海底沉积物有机碳质量累积速率的因素很多，主要包括上层海洋的初级生产力水平、沉降过程中的有机质再矿化率、沉积速率及沉积层有机质的保存条件等[5]。海洋上层的初级生产力在很大程度上决定着到达海床的颗粒有机物通量[6−7]。生物泵的效率也受浮游生物群落粒径大小和种类组成的影响。据预测，上层海洋升温将加剧层化，减少对上层透光带的营养输入，并导致浮游植物群落从大型、快速下沉的硅藻转向缓慢下沉的微型浮游生物[8]。这一转变可能会减少对海底的输出通量以及转移效率[9−10]。然而，也有学者认为，沉积通量受初级生产力影响不大，主要与浮游动物关系密切，浮游动物通过消化使有机碳颗粒增大或减小，从而影响了沉积通量[11]。

沉降过程中沉降速率和有机质的再矿化率也因海区不同而差异显著。有机碳在沉降过程中主要在上层不断被氧化分解利用，颗粒有机碳（Particulate Organic Carbon，POC）的矿化和再矿化主要发生在海洋上层的1 000m深度以内。使用沉积物捕获器调查发现，颗粒有机物（Particulate Organic Matter，POM）含量随深度呈指数下降，只有10%的净初级生产力残留在数百米深处，不到1%的净初级生产力残留在4 000m深处[12]。沉降过程中，微生物参与的有机碳再矿化速率变化范围为0.01 ～0.50 d−1[13–15]。最终少部分净初级生产力避免了矿化作用，被埋藏并保存在沉积物中[16]。Henson等[17]对全球净初级生产力和2 000m水深处有机碳通量的研究发现，净初级生产力和2 000 m处有机碳通量的分布趋势一致。海水中放射性230Th的垂直分布特征反映出西北太平洋海区颗粒物沉降通量较中、东太平洋海区低[18]，接近最终沉降到海底沉积物中的输出生产力通量。

进入沉积层后，控制有机质埋藏效率的因素主要包括有机物本身的分子结构和组成种类、波动的氧化还原条件、微生物代谢、沉积速率、矿物聚合作用、生物扰动等[19]。其中氧化还原条件决定了沉积物和间隙水之间矿化和元素交换的效率[20]。沉积物的生物扰动作用，包括颗粒物再悬浮作用与洞穴流通作用间接影响有机质的保存条件[21]。

以上因素可能独立影响或相互作用影响着不同海区海洋沉积物有机碳质量的累积速率。据此，本文从沉积物有机碳的区域输入和保存条件出发，对西北太平洋山间盆地沉积物有机碳质量累积速率特征及潜在的影响因素展开深入研究，其成果将有助于提高西北太平洋海山−海盆生态系统有机碳汇过程的整体认识，同时也为加强西北太平洋区域环境管理计划的实施提供科学依据。

2 研究材料与方法

2.1 研究区域概况

西北太平洋海山地形起伏剧烈，有独特的深海生态系统。在这数百至上千千米长的海山链上分布着很多座深水海山和盆地；西北太平洋海域的海山年龄介于65～150 Ma之间，均由白垩纪以来多期岩浆活动所形成，海山按形态构造因素分为平顶型海山和尖峰型海山两类[22]。这一海区受北赤道流（North Equatorial Current，NEC）和北赤道逆流（North Equatorial Counter Current，NECC）控制[23]，西面为西北太平洋暖池东伸暖舌，在底层受到来自南极的下层绕极深层水（Lower CircumpolarWater，LCPW）影响，其特征主要为低温、高盐及高溶解氧[24]。南极底流携带了大量的氧气，使沉积物处于利于氧化的环境。携带南极深层水的深部环流经过太平洋时分为东、西两支[25]，影响本研究区域的是西支流，即在麦哲伦海山附近150°E以西分叉。

本区主要以典型的寡营养海区为主，真光层的平均叶绿素a（Chlorophylla，Chla）浓度较低（小于0.1 mg/m3）；西北太平洋浮游植物丰度水平分布由低纬度向高纬度递增，与营养盐分布趋势一致[26]。由于远离陆地，缺少陆源碎屑的输入，沉降颗粒物以生源颗粒为主，其中颗石藻上脱落的颗石和放射虫是太平洋沉降颗粒物中最常见的生源颗粒，此外，有孔虫、硅藻及浮游软体动物的贝壳也比较常见。

2.2 样品采集及测试

本研究以中国大洋48航次西北太平洋典型海山区山间盆地沉积环境调查为基础，在西北太平洋马尔库斯−威克海山区（C区）和麦哲伦海山链（M区），以箱式采样器采集沉积物，利用现场插管的方法共获得8个站位的沉积柱样品，研究区域范围为17°～24°N，153°～160°E，各站位的采样点位置见图1。

图1 采样站位Fig.1 Sampling stations in the study area

对每个站位的沉积柱进行氧化还原电位现场测试和沉积物分层取样，流程如下：

1）氧化还原电位（Eh）测试

利用侧壁有排孔的采样管（事先已用电工胶带封好）采集沉积物，后从排孔逐层插入ORP测试仪（innoORP 100，Twinno）进行沉积柱不同深度Eh的原位测定。每次测定前，氧化还原电极预先在ORP 256 m V标准缓冲溶液进行校正，偏差不大于2m V。计算沉积柱0～11 cm沉积物Eh值的加权平均值和标准差。

2）沉积物分样

吸出采样管上覆水后进行沉积物分样，0～4 cm层，每0.5 cm间隔进行分样，4～5 cm层，每1 cm间隔进行分样，5～11 cm层，每2 cm间隔进行分样，分割后的沉积物样装入洁净的聚乙烯自封袋中，于−20℃条件下冷冻保存。同时用自制针管采样器对每个层位再取1 m L的样品装入小号密封袋，以备测定干密度和孔隙度。沉积物样品带回实验室后，连续冷冻干燥约72 h（在−70℃和抽真空条件下），为后续的实验备用。

3）干密度测定

用实验室的电子天平（德国Sartorius公司，BLl500型，精度为0.000 1 g）测量单位体积湿质量，完全干燥后再次测量样品的干质量，计算沉积物干密度（公式（1）[27]）和孔隙度（公式（2）[28]），公式为

式中，ρD代表沉积物干密度(单位：g/cm3)；WD代表沉积物干质量(单位：g)；V代表沉积物体积（单位：cm3）；Ww代表沉积物湿质量(单位：g)；ρsw代表海水密度，取1.025 g/cm3。

式中，φ代表沉积物孔隙度（%）；ρD、WD、Ww、ρsw含义与公式（1）相同。计算沉积柱0～11 cm沉积物干密度和孔隙度的加权平均值和标准差。

4）粒度分析

对各深度沉积物粒度样品进行预处理，即利用30%H2O2去除有机质，利用1 mol/L盐酸去除钙质贝壳，然后上机测试。测试仪器是Mastersizer 2000激光粒度仪（英国Malvern公司）。测试范围为0.02 ～2 000μm，重复测量误差小于2%。采用尤登−温德华氏等比制Φ值粒级标准，将粒径划分标准转化为Φ值，沉积物颗粒的直径粒径（d，单位：mm）与Φ值的互换关系公式为：Φ=−log2d。再以Φ值为基础，采用Folk和Ward的公式[29]进行平均粒径的计算，公式为

式中，Φ16、Φ50、Φ84分别表示概率累积曲线上16%、50%、84%所对应的Φ值。计算沉积柱0～11 cm平均粒径的加权平均值。

5）有机碳含量及δ13Corg值

将冷冻干燥后的沉积物样品各取5 g左右，用玛瑙研钵研磨，过100目筛，用1mol/L的HCl酸化处理后，利用元素分析仪−同位素比值质谱仪（EA-IRMS）测定不同深度层位TOC及δ13Corg。样品在元素分析仪中高温燃烧后生成CO2，通过计算峰面积来计算TOC含量，质谱仪检测CO2的13C与12C比率，并与国际标准物（Pee Dee Belnite，PDB）比对后计算出样品的δ13C值。有机碳含量及δ13Corg测定精度分别为−0.01 %～0.01 %和−0.01 ‰～0.01 ‰，计算沉积物在0～11 cm深度有机碳的加权平均值和标准差。

2.3 有机碳质量累积速率计算方法

计算沉积物中的有机碳埋藏量通常采用沉积物质量累积速率与沉积物中有机碳含量的乘积法[30−31]。其中，本文中线性沉积速率的参数参考钱前坤[32]对西太平洋采薇海山的调查结果，选取同等水深沉积物线性沉积速率的平均值为0.89 mm/ka，结合前面各站位表层11 cm深度内样品实测干密度和孔隙度平均值数据，获得沉积物质量累积速率（公式（4）[33]）和有机碳质量累积速率（公式（5）），公式为

式中，F为沉积物质量累积速率（单位：kg/（m2·ka））；S为沉积物线性沉积速率（单位：mm/ka）；ρD为沉积物干密度（单位：g/cm3）；φ为沉积物孔隙度（%）。

式中，Forgc为有机碳质量累积速率（单位：g/（m2·ka））；TOC含量（%）为沉积柱0～11 cm深度内有机碳含量的平均值。

2.4 净初级生产力及海底地形数据来源

本区净初级生产力数据来源于Ocean Productivity网站(http://orca.science.oregonstate.edu/1080.by.2160.monthly.hdf.vgpm.m.chl.m.sst.php)，利用VGPM模型处理的SeaW iFS-NPP标准网格化产品，获得2014−2018年多年的平均数据集，数据分辨率为(1/6)°。提取研究区各站位年均净初级生产力。

本研究区海底地形数据来源于GlobalMapper软件在线下载的SRTM全球高程数据（http://srtm.csi.cgiar.org/if fails），数据分辨率为3 rad/s。同时，以海底4 000 m等深线为海山基准面，利用Global Mapper测量工具测定每个箱式采样点与最近海山基准面的距离。

2.5 主成分分析及Pearson相关分析

各站位有机碳质量累积速率及潜在控制因素的平面分布图利用ODV软件完成，空间数据插值采用反距离权重法测得。

为探讨有机碳质量累积速率的潜在控制因素及其贡献，利用SPSS软件进行主成分分析和Pearson相关性分析。主成分分析选取的变量有：净初级生产力（Net Primary Productivity，NPP，以碳计，单位：g/（m2·a））、距海山距离（单位：km）、水深（单位：m）、TOC含量（%）、沉积物质量累积速率（单位：kg/（m2·ka））、平均粒径Mz（Φ值）、氧化还原电位Eh（单位：m V）。在主成分分析的基础上，进行Pearson相关分析，探讨各因素之间以及各因素与有机碳质量累积速率及沉积物质量累积速率之间的相关性。

3 结果

3.1 沉积物有机碳质量累积速率及环境参数特征

通过现场实测、实验室测定，结合卫星遥感数据、海底地形数据，获得本次研究区主要有机碳质量累积速率及环境参数（表1 ）。如表1 所示，本区有机碳质量累积速率变化范围为1.41 ～1.73 g/（m2·ka），均值 为1.60 g/（m2·ka）；沉 积 物 质 量 累 积 速 率 范 围 为0.37 ～0.59 kg/（m2·ka），均值为0.49 kg/（m2·ka）；净初级生产力均值为（50.89 ±3.18 ）g/(m2·a)；有机碳密度介于0.64 ～1.00 g/cm3；TOC含量介于0.29 %～0.46 %，平均值为0.36%；各站点水深范围为4 601～5 694 m，海山距离范围为7.3 ～117.6 km；沉积物干密度介于1.76 ～2.32 g/cm3，均值为2.11 g/cm3；沉积物孔隙度介于71.93 %～81.31 %，均值为74.83 %。

表1 各站位有机碳质量累积速率及相关环境因子Table 1 F orgc and related environmental factorsat each station

3.2 沉积物有机碳质量累积速率及控制因素的平面空间分布特征

对各站位有机碳质量累积速率及潜在控制因素进行反距离权重法空间插值，获得其平面分布特征（图2 ）。如图2 所示，本区净初级生产力（NPP）、有机碳质量累积速率（Forgc）、沉积物质量累积速率（F）整体表现出北高南低的趋势，且高有机碳质量累积速率集中分布于本区19°～23°N中部偏西；TOC含量则表现出北低南高的趋势。本区表层沉积物平均粒径（Mz，Φ值）反映出东北及西南部较高，中部较低，东北部沉物颗粒相对较细。氧化还原电位Eh北部低、南部高，22°N附近最低。

图2 研究区有机碳质量累积速率F orgc、沉积物质量累积速率F、净初级生产力（以碳计）NPP、TOC、平均粒径Mz（Φ）及氧化还原电位Eh平面分布Fig.2 The regional distribution of massaccumulation rate,sediment mass accumulation rate,net primary productivity (carbon),TOC,average particle size and redox potential in the study area

3.3 沉积物有机碳质量累积速率的影响因素分析

对影响西北太平洋山间盆地有机碳质量累积速率的潜在影响因素：净初级生产力、海山距离、水深、TOC、沉积物质量累积速率、平均粒径、氧化还原电位为变量，进行主成分分析。各主成分特征值、方差解释度及累积贡献率见表2。

如表2 所示，选择累积贡献率大于80%的前2个主成分；主成分F1方差解释度为43.138%；主成分F2方差解释度为37.390%。各变量的主成分荷载见图3。

表2 主成分提取表Table2 Principal com ponent extraction table

如图3 所示，对主成分F1的荷载贡献较大的变量包括：氧化还原电位Eh（|−0.879 |）>0.8 、净初级生产力NPP（0.871 6 ）>0.8 ；沉积物质量累积速率（0.76 63 ）>0.7 、TOC（|−0.7519 |）>0.7 ；平均粒径Mz（0.5697 ）>0.5 ；对主成分F2的荷载贡献大的变量有水深（0.930 ）>0.9 、海山距离（0.856 9 ）>0.8 。其中主成分F1反映的是海区水层和沉积层的生物地球化学循环驱动因素。主成分F2包含水深、海山距离，反映的是地形因素。

图3 主成分荷载图Fig.3 Principal component loadsdiagram

将本研究涉及与有机碳累计速率有关的影响因素进行Pearson相关分析，具体结果见表3。

如表3 所示，有机碳质量累积速率与各环境参数之间相关性均不显著，但仍表现出与第一主成分正相关，与第二主成分负相关的趋势。其中，第一主成分与NPP、沉积物质量累积速率显著正相关，与TOC含量、Eh显著负相关，反映出有机碳生产、沉降和埋藏条件的相关因素；第二主成分与海山距离、水深显著正相关，反映为地形因素。

表3 有机碳质量累积速率及各参数的相关性Table3 Correlation coefficient of F orgc with variousenvironm ental param eters

4 讨论

4.1 影响有机碳质量累积速率的因素

影响海洋沉积物有机质保存和再矿化的因素很多，且不同因素的作用程度随时空发生变化[19]。总体而言，本区有机碳质量累积速率的空间分布格局主要与有机碳的生产与输入过程、有机碳保存条件以及地形因素的影响有关。

4.1.1 初级生产力与生产者对有机碳质量累积速率的控制作用

本区表层沉积物有机碳质量累积速率分布格局与上层净初级生产力、沉积质量累积速率的分布格局基本一致（图2）。因此推测，上层、表层净初级生产力越高，颗粒沉降作用越强，对海底表层沉积物有机碳累积的贡献越大。

然而相关分析表明，本区沉积物表层TOC含量对有机碳质量累积速率的贡献较大，但TOC含量与沉积物质量累积速率变化趋势相反，且沉积物表层有机碳含量与NPP呈负相关。究其原因，水体的有机碳含量虽然与沉积速率有关，即个体越大，沉降越快，但同时个体大的颗粒，如硅藻类，有机碳含量却相对较低。此外，相似的海区，不同的输出途径可能产生不同的结果。例如，热带太平洋海底分布的放射虫软泥以及硅藻软泥即代表着不同营养级的输出途径。这种粒径相关的生物效应对寡营养海区碳通量的影响已日益受到关注[34−35]。

本研究区位于太平洋暖池寡营养区边缘，水文条件受到北太平洋中央环流以及热带北赤道流和赤道逆流的影响（如图1 所示）。Ishizaka等[36]调查发现，本区的浮游植物群落类型丰富，存在纬向和垂直分布的差异。其中粒径为3～20μm的初级生产者主要分布在20°N以北及10°N以南的真光层上层。本区的环境条件，例如营养盐限制虽然不能很好地解释硅藻的多样性格局，但能部分解释硅藻的粒径分布[37]。Girault等[38]也发现了由于微微型蓝藻的固氮作用，在营养盐限制的西北太平洋亚热带环流和暖池区，硅藻和蓝藻的组合群落呈现出了显著的纬向差异。其中，在黑潮延伸区和暖池区的硅藻和甲藻均有很高的丰度，而中间过渡区的硅藻丰度很低。据此推测，本区表层沉积物中有机碳含量与沉积颗粒来源大小、颗粒有机碳含量及生物组分相关。这一推测与孟凡盛等[39]调查本区表层沉积物的生物硅和有机碳含量呈不显著负相关关系基本一致。

4.1.2 地形因素对沉积环境及有机碳质量累积速率的影响

除了海洋上层的净初级生产力输入外，进入海底沉积物的有机碳还受到保存环境的影响。本区山间盆地地形复杂，为底栖生物群落的生存提供了多样性的栖息地，同时也对有机碳的埋藏过程有一定影响。影响有机碳质量累积速率的环境因素随海山的距离的变化，可以反映出地形因素的影响作用（图4）。

一般而言，距离海山越近的山间盆地，水深相对较浅，底流较强，底栖生物密度更高，生物活动对于表层沉积物的扰动更强烈[40]。而强烈的底栖生物扰动及其引起的氧化还原环境的波动将加快有机质的分解，促进有机质的再矿化过程[41]。如图4 所示，距离海山越近，沉积物δ13Corg值越低，间接反映出有机质再矿化程度越高。这种地形影响在距离海山80 km以内的山间盆地尤为显著。这一结果与本区底栖生物扰动强度随距海山距离变化的趋势基本一致[42]。类似的，Eh随距海山距离的变化与δ13Corg值相反，即距离海山越近，沉积环境的氧化还原条件越有利于有机质的分解。相比而言，远离海山，位于开阔盆地的BC1834站位，其沉积物表层TOC含量相对较高而δ13Corg较低，推测其有机碳累积过程可能还受到洼地汇聚作用以及南极底流的影响。但总体而言，有机碳质量累积速率受到地形因素的控制作用是十分有限的。

图4 影响有机碳质量累积速率的沉积环境参数随距海山距离的变化Fig.4 The changesof sedimentary environment paremetersof the total organic carbon massaccumulation ratewith the distance from the nearest seamount

4.2 本区与周围太平洋海区有机碳质量累积速率的差异对比

已有的调查数据表明，调查区所在的西北太平洋海山区是太平洋初级生产力最低的海区[18]。由于西北太平洋海山区靠近西太平洋暖池，海水层化较强，水体结构稳定，表层水体营养盐含量较低，导致浮游植物的生长受到限制，浮游植物颗粒更小，输出生产力更低。而东太平洋、赤道太平洋，由于较浅的温跃层和赤道潜流上升，来自下部输入的营养盐较多，净初级生产力也较高[43]。

此外，依据宋金明等[44]以Eh值为条件对本区及周围海区进行沉积环境判定（表4），发现东太平洋和赤道太平洋的氧化环境可能造成沉积物中有更多的有机碳被氧化。西北太平洋的净初级生产力虽低，但是保存环境相对是更有利的。

表4 太平洋沉积环境判定Table4 Determ ination of the Pacific Ocean sedimentary environment

结合前人对东太平洋、赤道太平洋的有机碳质量累积速率研究成果，本文对太平洋各海区的有机碳质量累积速率、净初级生产力及其转移效率（有机碳质量累积速率/净初级生产力）进行对比，见表5。

如表5 所示，本研究区域平均有机碳质量累积速率为(1.60 ±0.11 )g/(m2·ka)，与同处于西太平洋麦哲伦海山链的采薇海山相当。有机碳质量累积速率分区差异表现为：赤道太平洋最高，东太平洋次之，西太平洋山间盆地最低。各海区净初级生产力的转移效率表现为赤道太平洋最高（0.014 8%），本研究区（0.0031 %）与采薇海山（0.003 4%）相当，略低于东太平洋（0.005 5%），与赤道太平洋相差约4倍。由此推测，整个太平洋热带−亚热带海区NPP水平越高，转移效率越高，沉积物有机碳质量累积速率也越高。这一结果与Cartapanis等[48]提供的全球现代有机碳质量累积速率分布格局基本一致。

表5 太平洋不同海区有机碳质量累积速率、NPP、转移效率的对比Table 5 The com parison of F orge, NPP and transfer efficiency in different Pacific Ocean regions

5 结论

本文以中国大洋48航次采集自西北太平洋典型海山区山间盆地的沉积物样品和资料为基础，通过对西北太平洋山间盆地沉积物有机碳质量累积速率特征及影响因素展开深入研究，获得如下认识：

（1）西北太平洋海山区山间盆地沉积物有机碳质量累积速率及其相关影响因素呈现的南北分布差异为，净初级生产力、沉积物质量累积速率、有机碳质量累积速率从北到南呈现逐渐递减的分布格局；粒度的分布情况从北到南由细颗粒过渡到粗颗粒；有机碳含量从北到南是由低到高的变化趋势；氧化还原电位北部低，南部高。

（2）西北太平洋海山区山间盆地沉积物有机碳质量累积速率相对较低，变化范围为1.41 ～1.73 g/（m2·ka），均值为1.60 g/（m2·ka），以中部偏西海区的有机碳质量累积速率最高；全区平均约有0.003 1%的净初级生产力埋藏于表层沉积物中。

（3）沉积物有机碳质量累积速率受水层和沉积层的生物地球化学循环驱动因素，如海洋净初级生产力、沉积物质量累积速率、有机碳含量、氧化还原电位等对有机碳质量累积速率有一定影响，同时海山距离、水深等地形因素也起到一定的影响作用。由于本研究区空间范围内地形复杂，采样点的数量和分布的限制，可能是造成本区沉积物有机碳质量累积速率与各环境参数的相关性不显著的原因。

（4）整体而言，西北太平洋山间盆地有机碳质量累积速率和净初级生产力转移效率均低于东太平洋和赤道太平洋海区。

致谢：感谢大洋48航次全体成员为本研究提供的现场采集样品。感谢中国地质大学（北京）宋宇航同学协助收集遥感数据及室内样品处理。