西北太平洋楚科奇海沉積物-水界面營養(yǎng)鹽輸送通量估算

張海舟，莊燕培，朱慶梅，李宏亮*，劉小涯，陳法錦，盧勇，陳建芳

(1.國家海洋局 第二海洋研究所 海洋生態(tài)系統(tǒng)與生物地球化學(xué)重點實驗室，浙江 杭州 310012；2.廣東海洋大學(xué) 廣東省近海海洋變化與災(zāi)害預(yù)警技術(shù)重點實驗室，廣東 湛江 524088)

西北太平洋楚科奇海沉積物-水界面營養(yǎng)鹽輸送通量估算

張海舟1，莊燕培1，朱慶梅2，李宏亮1*，劉小涯1，陳法錦2，盧勇1，陳建芳1

(1.國家海洋局 第二海洋研究所 海洋生態(tài)系統(tǒng)與生物地球化學(xué)重點實驗室，浙江 杭州 310012；2.廣東海洋大學(xué) 廣東省近海海洋變化與災(zāi)害預(yù)警技術(shù)重點實驗室，廣東 湛江 524088)

生物硅；沉積物-水界面；輸送通量；楚科奇海

1 引言

2 研究海區(qū)和實驗方法

2.1 研究海區(qū)概況

楚科奇海位處于楚科奇半島、阿拉斯加半島和弗蘭格爾島之間，形似倒三角，緯度跨越65～75N，是北冰洋的陸架邊緣海，陸架區(qū)水深較淺，平均水深約80 m，面積約620×103km2，約占北冰洋陸架面積的22%，同時也是北冰洋和太平洋之間物質(zhì)和能量交換的重要紐帶。穿過白令海峽的太平洋水分成3股流經(jīng)楚科奇海(圖1)，東側(cè)是高溫低鹽的阿拉斯加近岸流(ACW)，西側(cè)是低溫高鹽的阿納德爾流(AW)，中間是水體介于兩者之間的白令海陸架流(BS)。此外還有通過De Long Strait進入楚科奇海的東西伯利亞流，它對楚科奇海水體的營養(yǎng)鹽也有一定的影響。楚科奇海陸架每年有8～9個月被冰封覆蓋著，冬季冰封期間生產(chǎn)力相對較低，而夏季融冰時期則表現(xiàn)出很高的生物生產(chǎn)力。

本文研究中采用的4個多管短柱沉積物來源于中國第4次北極科學(xué)考察中的4個考察站CC1、R06、C07和S23(圖1)，水深分別為45 m、49 m、47 m和363 m。樣品采用多管取樣器(DSC-2)進行采集，為沉積物短柱樣。先收集沉積物上覆水并用0.45 μmol/L濾膜過濾后測定其營養(yǎng)鹽，短柱樣在現(xiàn)場分割，0～10 cm以1 cm為間隔而10 cm到底端以2 cm為間隔進行分割并離心(3 000 r/min，15 min)，取上清液測定其營養(yǎng)鹽。同時還采集了多管樣站位的上層水樣，用于分析水柱營養(yǎng)鹽。

2.2 實驗方法

三部分營養(yǎng)鹽樣品(水柱中營養(yǎng)鹽、上覆水和沉積物間隙水中的營養(yǎng)鹽)的硝酸鹽、磷酸鹽和硅酸鹽，均由Skalar營養(yǎng)鹽自動分析儀分析測定。分析方法參考依據(jù)Grasshoff等[14]《Methods of seawater analy-sis》和《Skalar SAN++營養(yǎng)鹽自動分析儀操作手冊》，硝酸鹽、硅酸鹽標(biāo)準(zhǔn)偏差小于3%，磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2%。

圖1 楚科奇海多管短柱采集及區(qū)域海流分布圖Fig.1 Sampling sites of multi-core sediment and regional currents in the Chukchi Sea

其中，海水樣品采集后立即經(jīng)0.45 μmol/L醋酸纖維膜過濾之后，濾液低溫(低于0.5℃)冷藏保存，在48 h內(nèi)完成測定分析。上覆水樣品經(jīng)過濾后可直接采用Skalar營養(yǎng)鹽自動分析儀進行測定，而沉積物間隙水中營養(yǎng)鹽濃度均非常高，需在實驗室中經(jīng)超純水(MilliQ water)稀釋處理后，再采用Skalar營養(yǎng)鹽自動分析儀進行測定，操作過程和標(biāo)準(zhǔn)曲線與水柱中營養(yǎng)鹽一致。

3 結(jié)果

3.1 水柱營養(yǎng)鹽的垂直分布特征

4個調(diào)查站位水體鹽度及營養(yǎng)鹽(硝酸鹽、磷酸鹽和硅酸鹽)的垂直分布情況如圖2所示?？傮w來看，上層水營養(yǎng)鹽濃度低，深層水營養(yǎng)鹽濃度高。營養(yǎng)鹽在20～30 m層以淺水體中幾乎處于耗盡狀態(tài)，30 m以深水層隨深度增加濃度逐漸增加。營養(yǎng)鹽在底層均出現(xiàn)高值，且其濃度和上覆水中基本一致。楚科奇海南部的CC1站位躍層明顯而且較淺，在水深20 m左右；位于楚科奇海中部的R06站位躍層在水深30 m左右，而其磷酸鹽躍層并不明顯；靠北端的C07站位硝酸鹽躍層在水深20 m左右，而磷酸鹽和硅酸鹽躍層不明顯；位于陸坡區(qū)的S23站位營養(yǎng)鹽分布與其他站位有所不同，躍層相對較深，在水深50 m左右，這可能與其處于陸坡區(qū)且水深較深有關(guān)。

調(diào)查站位硝酸鹽分布基本一致，表層耗盡，在約20～50 m層出現(xiàn)硝酸鹽的躍層，而底層硝酸鹽濃度基本在9～13 μmol/L之間，R06站位底層硝酸鹽濃度相對較低，約5 μmol/L，底層硝酸鹽值濃度也為其水柱最大值；靠近楚科奇海南部的CC1站位存在明顯的磷酸鹽躍層，其他3個站位變化不明顯，表層均在0.1～0.6 μmol/L之間，CC1和C07站位底層磷酸鹽濃度約1.8 μmol/L，R06和S23站位底層磷酸鹽濃度約1.0 μmol/L，S23站位在150 m存在磷酸鹽濃度極大值，其他站位底層為最大值；硅酸鹽表層均基本耗盡，在0～1.5 μmol/L之間，底層C07和S23相對較高，在20～35 μmol/L之間，CC1和R06相對較低在7～8 μmol/L之間，S23站位在75 m層存在較弱的硅酸鹽極大值(13.4 μmol/L)，可能為冬季白令海陸架水的貢獻[15]。

3.2 沉積物間隙水中營養(yǎng)鹽的垂直分布特征

調(diào)查站位沉積物間隙水中溶解態(tài)硅酸鹽分布：陸架區(qū)站位(CC1、R06和C07)總體分布相似，且符合沉積物-水界面處于較弱的物理和生物擾動狀態(tài)下的典型分布特征，均呈現(xiàn)表層含量最低，沿間隙深度快速增加的規(guī)律，硅酸鹽含量在4 cm左右的層位達到最大值(400～600 μmol/L)(圖4a、b、c)。而后硅酸鹽濃度隨深度增加緩慢降低；S23位于陸坡區(qū)，其沉積物間隙水中硅酸鹽分布表現(xiàn)不同，隨深度增加遞增，含量變化幅度相對較小，沒有穩(wěn)定階段的存在。陸架區(qū)沉積物間隙水中溶解態(tài)硅酸鹽總含量呈現(xiàn)由南向北遞減的趨勢，即從高到低分布依次為CC1站、R06站、C07站，其中CC1站和R06站含量接近。

沉積物間隙水中的營養(yǎng)鹽均表現(xiàn)出由表層向下逐漸增加的現(xiàn)象，越接近沉積物表層營養(yǎng)鹽含量越低；而水體中由上向下越接近沉積物表層營養(yǎng)鹽含量越高，說明沉積物表層中的營養(yǎng)鹽再生，向上層水體貢獻了一定量的營養(yǎng)鹽。

圖2 楚科奇海4個站位(CC1、R06、C07、S23)水柱營養(yǎng)鹽濃度垂直分布Fig.2 Vertical profiles of salinity and nutrients concentration in water column at CC1，R06，C07 and S23 in the Chukchi Sea

圖3 楚科奇海陸架區(qū)R06水柱(a,b)和沉積物間隙水中(c，d)硝酸鹽及磷酸鹽濃度垂直分布(上覆水和水柱營養(yǎng)鹽共x軸)Fig.3 Vertical distribution of nitrate and phosphate in water column(a，b)and sediment pore-water(c，d)at R06 on the Chukchi Sea shelf(overlying water share the x axis with water column nutrients)

圖4 楚科奇海陸架區(qū)水柱(a～d)和沉積物間隙水(e～h)中硅酸鹽濃度垂直分布Fig.4 Vertical distribution of DSi in water column(a～d)and sediment pore-water(e～h)at CC1，R06，C07 and S23 on the Chukchi Sea shelf

4 討論

4.1 沉積物-水界面營養(yǎng)鹽輸送通量估算方法

沉積物-水界面的生物地球化學(xué)過程是指新近沉降的沉積物(15 cm左右)與水界面及其附近發(fā)生的在生物參與下的物理和化學(xué)反應(yīng)，包括氧化和還原、溶解和沉淀、吸附和解吸、遷移和轉(zhuǎn)化、擴散和埋藏、細菌生化反應(yīng)及生物擾動等作用[12]。在微生物作用、有機質(zhì)礦化降解和沉積物中各種早期成巖作用下，沉積物間隙水中營養(yǎng)鹽與上層水體進行交換。沉積物-水界面的營養(yǎng)鹽擴散通量是據(jù)沉積物-水界面雙層模型理論計算得出的，雙層包括界面之上受到生物擾動的區(qū)域和界面下方未受到擾動的區(qū)域。

沉積物-水界面的營養(yǎng)鹽擴散通量計算依據(jù)Fick第一定律[17]：

(1)

DS=D·Φm-1，

(2)

式中，D代表任意溶劑的分子擴散系數(shù)[22]；m是經(jīng)驗常數(shù)，Φ≥0.7時，m值在2.5～3之間，Φ≤0.7時，m=2。

海水中硅酸鹽的分析擴散系數(shù)D為10×10-6cm2/s[23]，而海水中磷酸鹽和硝酸鹽的分子擴散系數(shù)D是與溫度有關(guān)的函數(shù)[19]：

(3)

(4)

式中，t為近海底溫度，單位為℃。

4.2 估算楚科奇海陸架區(qū)沉積物-水界面硝酸鹽及磷酸鹽的輸送通量

本文采用Fick第一定律結(jié)合沉積物-水界面雙

層模型理論，同樣以R06站為例，計算出了R06站位磷酸鹽和硝酸鹽的沉積物-水界面擴散通量(表1)。硝酸鹽的擴散通量與Chang和Devol[19]在楚科奇海陸架區(qū)測得的數(shù)據(jù)[0.03～0.425 mmol/(m2·d)(以N計算)]基本吻合，略高于Souza等[11]在楚科奇海東陸架區(qū)測得的數(shù)據(jù)[0.007～0.100 mmol/(m2·d)(以N計算)]，而磷酸鹽擴散通量略低于Souza等[11]在楚科奇海東陸架區(qū)測得的數(shù)據(jù)[0.014～0.345 mmol/(m2·d)(以P計算)]。

表1 楚科奇海陸架區(qū)(R06站)沉積物-水界面磷酸鹽與硝酸鹽擴散通量Tab.1 Fluxes of nitrate and phosphate at sediment-water interface on the Chukchi Sea shelf

注：J0為正值表示營養(yǎng)鹽由沉積物向水體中輸送。

從通量計算結(jié)果可以看出，沉積物中硝酸鹽與磷酸鹽擴散通量的原子比值為DIN∶P=15∶1，低于Liu等[24]在渤海海域測定的沉積物中硝酸鹽與磷酸鹽擴散通量的原子比值51∶1，即楚科奇海沉積物為上覆水體提供的硝酸鹽低于渤海海域。

4.3 N*指示沉積物中反硝化作用

楚科奇海陸架區(qū)水柱和沉積物間隙水中N*剖面分布如圖5所示，水柱中和沉積物間隙水中N*均為負數(shù)(陸坡區(qū)S23站位200 m和360 m層為正值，間隙水中N*的絕對值遠大于水柱中N*的絕對值，即間隙水中N*比水柱中負得多(小1～2個數(shù)量級)，說明間隙水中反硝化作用強于水柱中。水柱中N*基本在-1～-16之間，陸架區(qū)N*隨深度增加，陸坡區(qū)出現(xiàn)極大值，兩者有所差異。水體中N*偏負可能是源于融冰的影響。間隙水中N*負值均表現(xiàn)為隨深度先增后減，陸架區(qū)極值層淺于陸坡區(qū)。4個站位沉積物間隙水中N*的平均值分別為-49.13(CC1站)、-320.30(R06站)、-119.04(C07站)和-188.83(S23站)，差異顯著，R06站位反硝化作用最強，CC1站位最弱，而C07和S23站位基本接近，但都表示出強的反硝化作用。Devol等[13]、Rysgarrd和Glud[26]的調(diào)查研究結(jié)果顯示，陸架沉積物和海冰包裹的鹵水是西北冰洋脫氮作用的主要區(qū)域。

圖5 楚科奇海陸架區(qū)水柱(a～d)和沉積物間隙水(e～h)中N*值的垂直分布Fig.5 Vertical distribution of N* in water column (a～d)and sediment pore-water(e～h)at CC1，R06，C07 and S23 on the Chukchi Sea shelf

4.4 估算楚科奇海陸架區(qū)沉積物-水界面硅酸鹽的輸送通量

楚科奇海區(qū)調(diào)查站位沉積物-水界面硅酸鹽擴散通量如表2所示，4個站位沉積物中生物硅均表現(xiàn)出強的源特征，即由沉積物中向上覆水中大量輸送硅酸鹽。此外，各站位之間硅酸鹽的輸送通量存在明顯的區(qū)域差異，其中CC1站位最高，S23站位最低，整體表現(xiàn)為隨緯度增高而降低的趨勢。

與其他海域(表3)相比，楚科奇海陸架區(qū)沉積物-水界面中硅酸鹽的擴散通量與Link等[32]在Beaufort海陸架采集的沉積物的培養(yǎng)實驗結(jié)果[0.43～2.5 mmol/(m2·d)]基本吻合，略高于近海海域和南大洋以及北大西洋沉積物中硅酸鹽的擴散通量，這與楚科奇海生物生產(chǎn)力中硅藻等硅質(zhì)生物的絕對優(yōu)勢是分不開的[33]；明顯高于北冰洋陸架沉積物中硅酸鹽的擴散通量，這與北冰洋高緯度的海冰覆蓋以及硅質(zhì)生物數(shù)量減少有關(guān)；遠低于東太平洋陸架區(qū)沉積物中硅酸鹽的擴散通量，這也可能與兩者海域的硅質(zhì)生產(chǎn)力不同有關(guān)。此外，楚科奇海陸架區(qū)沉積物中硅酸鹽的擴散通量表現(xiàn)出較大的變化范圍。

表2 楚科奇海陸架區(qū)沉積物-水界面硅酸鹽的擴散通量Tab.2 Silicate flux at sediment-water interface on the Chukchi Sea shelf

注：海水中硅酸鹽的分析擴散系數(shù)D為10×10-6cm2/s。

表3 楚科奇海陸架區(qū)及其他海域沉積物-水界面硅酸鹽擴散通量比較Tab.3 Comparison of silicate flux at sediment-water interface on the Chukchi Sea shelf with other sea areas

從通量計算結(jié)果可以看出，楚科奇海陸架區(qū)沉積物硅酸鹽、磷酸鹽和硝酸鹽的擴散通量均為正值，說明在該區(qū)域沉積物中營養(yǎng)鹽再礦化后，基本都是由沉積物向水體輸送的，即楚科奇海陸架區(qū)沉積物是水體營養(yǎng)鹽的源。并且，根據(jù)沉積物中各營養(yǎng)鹽擴散通量的原子比值Si∶DIN∶P=2 075∶15∶1(以R06站為例)，硅酸鹽的擴散通量遠遠高于硝酸鹽的擴散通量，而硝酸鹽的擴散通量又是磷酸鹽的15倍。相對硝酸鹽和磷酸鹽，硅酸鹽表現(xiàn)出非常高的再生率。

5 結(jié)論

(2)沉積物間隙水N*的分布表明，楚科奇海沉積環(huán)境具有很強的反硝化過程，沉積物脫氮作用是硝酸鹽一個重要的匯。

(3)楚科奇海硅酸鹽、磷酸鹽和硝酸鹽的沉積物-水界面擴散通量分別為1.660 mmol/(m2·d)，0.008 mmol/(m2·d)，0.117 mmol/(m2·d)(以R06站為例)。楚科奇海沉積物是營養(yǎng)鹽的源，原子比值為Si∶DIN∶P=2 075∶15∶1顯示沉積物中生物硅再礦化產(chǎn)生的硅酸鹽對楚科奇海硅酸鹽含量的貢獻非常高。4個調(diào)查站位沉積物中硅酸鹽的擴散通量分別為3.101 mmol/(m2·d)(CC1站)、1.660 mmol/(m2·d)(R06站)、1.307 mmol/(m2·d)(C07站)、0.243 mmol/(m2·d)(S23站)，含量呈現(xiàn)明顯的緯度分布特征。

致謝：感謝2010年中國第四次北極科學(xué)考察期間全體“雪龍”號船員和科考隊員的無私幫助。

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Estimation of nutrients flux of water-sediment interface in the Chukchi Sea，the western Arctic Ocean

Zhang Haizhou1，Zhuang Yanpei1，Zhu Qingmei2，Li Hongliang1，Liu Xiaoya1，Chen Fajin2，Lu Yong1，Chen Jianfang1

(1.LaboratoryofMarineEcosystemandBiogeochemistry，SecondInstituteofOceanography，StateOceanologicaAdministion，Hangzhou310012，China; 2.GuangdongProvinceKeyLaboratoryofCoastalOceanVariationDisasterPredictionTechnologies，GuangdongOceanUniversity，Zhanjiang524088，China)

biogenic silica; water-sediment interface; transport flux; Chukchi Sea

2015-04-09；

2015-06-09。

國家自然科學(xué)基金(41003036,41076135)；南北極環(huán)境綜合考察與評估專項(CHINARE20130403, 20130304)；極地科學(xué)戰(zhàn)略研究基金(20120104)。

張海舟(1992—)，男，山東省煙臺市人，主要從事海洋生物地球化學(xué)研究。E-mail:zhz07062011@sina.com

*通信作者：李宏亮(1981—)，男，副研究員。E-mail:lihongliang@sio.org.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.11.015

P721；P734.4+4

A

0253-4193(2015)11-0155-10

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