2009—2013年普里茲灣表層水體中生物硅含量的年際變化及其與全球氣候事件的關(guān)系*

扈傳昱 韓正兵 孫維萍 陳際雨

(1. 國家海洋局海洋生態(tài)系統(tǒng)與生物地球化學(xué)重點實驗室 杭州 310012; 2. 國家海洋局第二海洋研究所 杭州 310012)

生物硅(biogenic silica, BSi)主要來源于硅藻、放射蟲、硅質(zhì)鞭毛藻和海綿骨針等, 其中硅藻是海洋表層生物硅的主要生產(chǎn)者。在南大洋, 硅藻是生物泵的重要組成部分, 輸送到深海的有機(jī)碳通量一半以上是由硅藻貢獻(xiàn)(Nelson et al, 1995; Sigmon et al, 2002)。因此進(jìn)行南大洋生物硅的生物地球化學(xué)關(guān)鍵過程研究, 有助于我們更好地理解南大洋碳循環(huán)的時空變化。普里茲灣所在的南大洋印度洋扇形區(qū)是典型的邊緣海冰區(qū),是除威德爾海、羅斯海之外最大的海灣。然而相對于威德爾海、羅斯海海域, 在普里茲灣開展的有關(guān)生物硅的研究還非常薄弱。扈傳昱等(2012)利用中國第 27次南極科學(xué)考察期間獲得的顆粒物樣品, 對南大洋普里茲灣海域水體中顆粒態(tài)生物硅(particulate biogenic silica, PBSi)的含量及分布特征進(jìn)行了初步研究, 分析了該海域顆粒態(tài)生物硅與營養(yǎng)鹽、浮游植物以及顆粒有機(jī)碳之間的關(guān)系。本文在上述研究的基礎(chǔ)上, 結(jié)合中國第25、26、27、28、29次南極科學(xué)考察期間獲取的數(shù)據(jù), 重點探討了普里茲灣表層水體中PBSi含量的年際變化情況及其與氣候事件的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本研究中的樣品采集于中國第25、26、27、28、29次南極科學(xué)考察航次(表1), 5個航次樣品的站位位于南大洋普里茲灣以及鄰近海域, 這些站位貫穿研究海域的深海區(qū)、陸坡區(qū)、毗鄰陸架區(qū)和灣內(nèi)近岸區(qū)。圖1為25—29航次采樣站位圖。

采集的海水樣品(1.5L)經(jīng)Nucleopore聚碳酸酯膜(孔徑 0.40μm, 直徑 47mm)過濾, 收集 PBSi樣品, 過濾后將濾膜放入膜盒冷凍保存,回實驗室分析。葉綠素a(chl a)樣品采用Whatman GF/F膜過濾, 濾膜冷凍保存后分析。

1.2 樣品分析

對水體中懸浮顆粒態(tài)生物硅(PBSi)的測定通常根據(jù)樣品來源而定, 基于前人提出的熱NaOH提取法的基礎(chǔ)上, Tréguer等人(1992)提出了適合大洋水體中的 PBSi的測定方法。此法簡單、靈敏度高, 本研究即采用這種測定方法。具體步驟為: 將過濾有生物硅的濾膜 1/4對折, 放入 10mL塑料離心管中, 加0.2mol/L NaOH溶液混勻, 在95°C水浴中提取45min,取出, 冷卻至室溫加HCl中和, 離心后按照《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB／12763.4 2007)測定上清液中的硅酸鹽含量。chl a樣品的測定采用《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB／12763.6 2007)中的萃取熒光法, 利用唐納熒光計(Turner Designs, Model 10靈敏度為0.025μg/L)測定。

圖1 普里茲灣水體中生物硅采樣站位圖(25—29航次)Fig.1 Locations of PBSi sampling in the Prydz Bay (CHINARE-25—29)

表1 南極考察25—29航次大面站采樣時間Tab.1 The sampling time during the CHINARE cruises (25—29)

1.3 遙感數(shù)據(jù)及圖片獲取

MEI(Multivariate ENSO Index)數(shù)據(jù)來源于http://www.cdc.noaa.gov/Bkew/MEI/mei.html; 普里茲灣灣內(nèi)海域表層水體中 chl a濃度數(shù)據(jù)(72°—78°E, 67°—69°S)來 源于 http://gdata1.sci.gsfc.nasa.gov/daac-bin/G3/gui.cgi?instance_id=ocean_month; 本文所采用的遙感海表chl a濃度和遙感海表溫度(SST)資料均來自于美國國家航天航空局(NASA)MODIS-Aqua衛(wèi)星(http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/cgi/l3)。其中遙感圖片中chl a濃度數(shù)據(jù)為每月平均值(即12月平均值, 1月平均值, 2月平均值, 3月平均值), 其它遙感chl a濃度數(shù)據(jù)為普里茲灣夏季平均值(即12月—3月期間平均值)。

2 結(jié)果

2.1 2009—2013年普里茲灣表層水體中 PBSi的含量變化

根據(jù) CHINARE-29航次獲取的數(shù)據(jù)可知, 在2013年夏季普里茲灣海域表層水體中PBSi的含量在0.38—8.62μmol/dm3之間變化, 平均含量為 1.55±1.86μmol/dm3, 圖2a是表層水體中PBSi含量分布圖,由圖可知在普里茲灣表層水體中PBSi的分布趨勢是67°S以南灣內(nèi)含量明顯高于 67°S以北的灣外海域,這種分布趨勢與扈傳昱等(2012)報道的普里茲灣表層水體生物硅的分布一致。朱根海等(1995)、孫軍等(2003)的研究認(rèn)為普里茲灣及鄰近海域微小型浮游植物各類別的組成比率和細(xì)胞豐度以硅藻類占絕對優(yōu)勢, 其種類占總種類數(shù)的 73.0%; 微小型浮游植物的細(xì)胞豐度, 硅藻類占99.75%, 處于絕對優(yōu)勢。有研究表明 PBSi能很好的反映水體中的硅藻細(xì)胞生物量,從而成為記載水體中初級生產(chǎn)力的有力手段(Leblanc et al, 2002; Nelson et al, 2002; Umani et al, 2002)。普里茲灣浮游植物的旺發(fā)主要發(fā)生在陸架區(qū)、海冰邊緣區(qū), 67°S以南海域chl a濃度明顯高于67°S以北海域(圖2b)。普里茲灣表層水體中PBSi的分布趨勢與表層chl a濃度的水平分布基本吻合。根據(jù)扈傳昱等人(2012)的研究, 在普里茲灣上層水體中 PBSi的分布狀態(tài)與生物活動關(guān)系密切, 充分顯示出夏季普里茲灣生物因子對PBSi的主控作用。

對2009至2013年即CHINARE-25, 26, 27, 28, 29航次期間獲得的普里茲灣表層水體中PBSi的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比, 圖3為2009年至2013年期間普里茲灣海域67°S以南及以北海域夏季表層PBSi平均含量變化示意圖, 由圖可知在 2009—2013年夏季期間, 普里茲灣灣內(nèi)以及灣外海域表層PBSi平均含量均呈現(xiàn)一定的年際差異, 灣內(nèi)平均含量在每個年份均高于灣外海域。灣內(nèi)和灣外的PBSi平均值的最高值均出現(xiàn)在 2009/2010年夏季, 分別為 14.32±5.07μmol/dm3,3.21±1.82μmol/ dm3; 相對于其它年份2012/2013年夏季是 PBSi平均含量最低的年份, 灣內(nèi)僅為 2.86±2.68μmol/dm3, 灣外則為 0.87±0.31μmol/dm3。其它年份中2008/2009年和2010/2011年灣內(nèi)PBSi的平均含量相近分別為7.63±2.17μmol/dm3和8.53±2.67μmol/dm3,為次高值年份, 灣外海域亦此。普里茲灣灣內(nèi)海域近年來 PBSi的含量變化, 與研究人員報道的夏季威德爾海海域 PBSi的含量范圍 0.1—18.9μmol/dm3相近(Pasquer et al, 2010), 而與Ross海海域春季PBSi的平均含量 21.7μmol/dm3相比明顯較低(Nelson et al,1986)。

圖2 CHINARE-29航次獲取的2013年夏季普里茲灣表層PBSi (μmol/dm3, a)以及chl a (μg/dm3, b)含量分布圖Fig.2 Distributions of PBSi (μmol/dm3, a) and chl a (μg/dm3, b) contents in the surface water of Prydz Bay in austral summer of 2013 during CHINARE-29

圖3 普里茲灣灣內(nèi)以及灣外海域表層PBSi含量年際變化趨勢(μmol/dm3)Fig.3 Interannual difference of PBSi contents in the surface water of inner areas and outer areas of Prydz Bay(μmol/dm3)

2.2 2009-2013年普里茲灣表層水體中chl a的含量變化

圖 4為 2009—2013年夏季調(diào)查期間, 普里茲灣灣內(nèi)及灣外實測的表層水體中chl a平均含量變化圖,可知在 2009—2013年期間, 普里茲灣灣內(nèi)以及灣外表層水體中 chl a的平均含量的最高值同樣出現(xiàn)在2009/2010 年夏季, 分別為 5.28±2.16μg/dm3和 0.93±0.87μg/dm3, 2008/2009和2010/2011年chl a平均含量也出現(xiàn)明顯下降但是亦為平均值的次高值年份。在最低值出現(xiàn)的年份上灣內(nèi)最低值同樣出現(xiàn)在 2012/2013年夏季平均為 0.99±0.96μg/dm3, 而灣外平均含量的最低值則出現(xiàn)在2011/2012年的夏季為0.22±0.02μg/dm3。

圖4 普里茲灣灣內(nèi)以及灣外海域表層chl a含量年際變化趨勢(μg/dm3)Fig.4 Interannual difference of chl a contents (μg/dm3) at surface water of inner areas and outer areas of Prydz Bay

圖5 2007年12月至2012年5月MEI值序列以及遙感chl a濃度變化(μg/dm3)Fig.5 Data of MEI and remote sensing data of chl a (μg/dm3)from December of 2007 to May of 2012

在2012以及2013年度的調(diào)查時間基本上在2月底3月初(表1), 已為南極夏季的尾聲, 因此在這兩個年份chl a濃度明顯較低與調(diào)查時間有一定的關(guān)系。每年的chl a平均濃度數(shù)據(jù)顯示, 普里茲灣灣內(nèi)灣外海域表層chl a平均含量與PBSi的平均含量的年際變化趨勢非常一致, 因此我們認(rèn)為, 在普里茲灣浮游生物的生長旺發(fā)的年際差異是造成不同年度PBSi含量的變化的主要原因。而在南大洋由于浮游植物生長受眾多因素的制約, 因此生物硅的生產(chǎn)也是受綜合因素控制。

3 討論

南大洋海冰區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)是全球氣候變化的重要響應(yīng)與反饋窗口, 海冰是全球大氣—海洋環(huán)流以及氣候變化之間的重要紐帶, 同時也對海冰區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中海洋生物具有重要影響, 目前對相關(guān)研究已經(jīng)取得很多成果, 其中南極海冰變化與ENSO的關(guān)系尤為引人注目, 而由此引發(fā)的南大洋海冰區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)過程的響應(yīng)更是值得深入研究。據(jù)文獻(xiàn)報道, 南極海冰變化與ENSO循環(huán)過程存在一定的聯(lián)系(陳錦年等, 2003; Arrigo et al, 2004a), 浮游植物的生長和群落結(jié)構(gòu)變化與全球氣候變暖及 ENSO也相應(yīng)地存在一定的關(guān)聯(lián); 海洋初級生產(chǎn)力異常變化與多元ENSO指數(shù)(Multivariate ENSO Index, MEI)有很顯著的相關(guān)性。其它研究則指出厄爾尼諾事件會通過大氣遙相關(guān)過程使南大洋海域溫度產(chǎn)生變化(Arrigo et al, 2003, 2004b), 在陸架區(qū)海冰的消融會比正常時段早, 開闊水域面積增加, 相應(yīng)地浮游植物會提前旺發(fā), 其中若干浮游植物對厄爾尼諾事件響應(yīng)十分快速, 而在拉尼娜年, 明顯滯后于其他年份, 且葉綠素a的濃度也低于其它年份?；谶@種現(xiàn)象我們將普里茲灣調(diào)查期間的MEI以及chl a濃度的變化做了分析。圖5為調(diào)查期間MEI值隨時間變化圖, 正值越大表明厄爾尼諾傾向越強(qiáng), 負(fù)值越大表明拉尼娜傾向越強(qiáng), 圖中還給出了相應(yīng)的時間內(nèi)遙感獲取的普里茲灣表層水體中chl a含量的變化(方點)。從圖中可以看出遙感chl a濃度與MEI的時間序列具有一定的相關(guān)性, 基本上呈現(xiàn)為MEI高的年份對應(yīng)的chl a濃度也高的趨勢。表明普里茲灣海域浮游植物生長與ENSO事件有一定的聯(lián)系, 即在厄爾尼諾年普里茲灣浮游植物生產(chǎn)要高于拉尼娜年。

為了驗證上述推測, 我們對收集整理的中國南極考察歷史調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示在 1992年 12月—1993年 2月普里茲灣采集浮游植物期間,正處在厄爾尼諾事件過程中(王紹武等, 1999), 經(jīng)鑒定該時期浮游植物共有5門34屬95種, 其中硅藻占76.6%, 與 2002年 1—2月的正常年份獲取的數(shù)據(jù)相比(表 2), 浮游植物群落的物種組成發(fā)生了變化種群數(shù)量增加, 高于正常年份的3門37屬87種。浮游植物細(xì)胞豐度為 38.75×103個/dm3, 明顯高于正常年份的 8.80×103個/dm3; 硅藻占優(yōu)勢, 比例也有一定的升高, 優(yōu)勢種群為圓柱菱形藻和巴克氏菱形藻, 在正常年份則為克格倫擬脆桿藻。1998年12月—1999年1月南極調(diào)查時間則處于強(qiáng)度較大的拉尼娜事件范圍中, 期間浮游植物種類組成經(jīng)鑒定共有 5門20個屬36種, 種群數(shù)量顯著減少, 細(xì)胞豐度值 4.02×103個/dm3也明顯低于正常年和厄爾尼諾年; 硅藻占總量的比例下降為61.1%, 優(yōu)勢種群為短菱形藻。根據(jù)以上歷史數(shù)據(jù)表明厄爾尼諾/拉尼娜事件對普里茲灣的浮游植物生長以及種群結(jié)構(gòu)有一定影響。

本文對普里茲灣表層水體中生物硅含量的研究結(jié)果顯示, 2009—2010年夏季生物硅含量在幾個年份中最高, 對照圖5的MEI值可以看出, 在2009年12月—2010年 2月調(diào)查期間對應(yīng)的是厄爾尼諾事件。遙感數(shù)據(jù)及影像(表3, 圖6)表明, 在2009年12月份普里茲灣海域灣內(nèi)陸架區(qū)溫度明顯升高,海冰開始融化并有形成冰間湖的趨勢。普里茲灣灣內(nèi)夏季平均溫度為 0.01°C, 高于整個陸坡區(qū)以及深海區(qū)溫度–0.14°C, 也明顯高于正常時段(2008/2009夏季)(表3,圖7), 到了1月份海冰基本完全消融。浮游植物在12月就開始大面積旺發(fā), 明顯高于1月, 到2月逐漸減弱, 而3月浮游植物僅在海冰邊緣區(qū)還有一定的生長,海冰已經(jīng)開始形成。與正常年份相比浮游植物旺發(fā)峰值時間提前到了12月而非的1月。根據(jù)實測的普里茲灣 chl a濃度資料顯示, 在這個夏季不僅是表層,在 0—50m 層處 chl a濃度的高值區(qū)域也擴(kuò)展到了66°S(金思韻等, 2012), 同期利用遙感獲取的夏季chl a含量平均值明顯高于其它年份, 而相應(yīng)的普里茲灣實測PBSi的時間剛好處在旺發(fā)時間的12月底, 因此含量與其它年度相比為也呈現(xiàn)峰值狀態(tài)。

表2 在厄爾尼諾/拉尼娜年期間普里茲灣浮游植物的種類組成、細(xì)胞豐度以及與正常年份對比Tab.2 Variations in species composition and abundance of phytoplankton in Prydz Bay during El Ni?o, La Ni?a and normal periods

表3 在厄爾尼諾/拉尼娜年期間普里茲灣溫度、chl a濃度、PBSi數(shù)據(jù)以及與正常年份對比Tab.3 Variations in SST and chl a, PBSi concentrations in Prydz Bay during El Ni?o, La Ni?a, and normal periods

對照圖5的MEI值可知, 在2010/2011年的夏季對應(yīng)的氣候事件為拉尼娜事件, 相應(yīng)地普里茲灣各個區(qū)域的海表溫度與厄爾尼諾年份以及正常年份(表3, 圖 8)相比都明顯偏低, 且在灣內(nèi)陸架區(qū)仍為大部分海冰覆蓋沒有形成冰間湖, 整個夏季溫度平均值為–0.95°C, 灣外海域雖然略高為–0.77°C, 但相對于正常年份仍屬于低溫, 在1月份仍有一定程度的海冰覆蓋。浮游植物在12月僅在很小的區(qū)域開始生長, 直到 2011年的 1月才逐漸擴(kuò)展開始大量旺發(fā), 到了 2月整個海灣海冰才基本融化, 浮游植物相應(yīng)地繼續(xù)旺發(fā), 在時間上明顯滯后于厄爾尼諾年份的 12月以及正常年份的1月, 到了3月海冰已經(jīng)基本全部覆蓋了整個海灣, 其覆蓋程度也遠(yuǎn)大于厄爾尼諾年份以及正常年份, 僅在冰間湖區(qū)域有小范圍浮游植物生長。遙感獲取的普里茲灣夏季 chl a濃度明顯低于2009/2011年夏季, 浮游植物的旺發(fā)區(qū)域僅局限在67°S以南, 相應(yīng)的實測 PBSi也明顯降低, 但是由于灣內(nèi)現(xiàn)場取樣時間為1月, 是最大旺發(fā)時間, 因此相對于2008/2009年的正常年份(取樣時間為2月)的灣內(nèi)PBSi仍略高。

圖6 2009年12月至2010年3月普里茲灣海表溫度(°C, 其中圖a為2009年12月, 圖b為2010年1月, 圖c為2010年2月, 圖d為2010年3月)與2009年12月份至2010年3月份chl a濃度(mg/m3, 其中圖e為2009年12月, 圖f為2010年1月, 圖g為2010年2月, 圖h為2010年3月)遙感分布圖Fig.6 MAMO_SST_4km.CR sea surface temperature(°C, a—d) and MAMO_CHLO_4km.CR chlorophyll a concentration(mg/m3, e—h)in surface water of Prydz Bay 2009. 12—2010. 3

圖7 2008年12月份至2009年3月份普里茲灣海表溫度(°C, 其中圖a為2008年12月, 圖b為2009年1月, 圖c為2009年2月, 圖d為2009年3月)與2009年12月份至2010年3月份chl a濃度(mg/m3, 其中圖e為2008年12月, 圖f為2009年1月, 圖g為2009年2月, 圖h為2009年3月)遙感分布圖Fig.7 MAMO_SST_4km.CR sea surface temperature(°C, a—d) and MAMO_CHLO_4km.CR chlorophyll a concentration(mg/m3, e—h)in surface water of Prydz Bay 2008. 12—2009. 3

圖8 2010年12月至2011年3月普里茲灣海表溫度(°C, 其中圖a為2010年12月, 圖b為2011年1月, 圖c為2011年2月, 圖d為2011年3月)與2009年12月份至2010年3月份chl a濃度(mg/m3, 其中圖e為2010年12月, 圖f為2011年1月, 圖g為2011年2月, 圖h為2011年3月)遙感分布圖Fig. 8 MAMO_SST_4km.CR sea surface temperature(°C, a—d) and MAMO_CHLO_4km.CR chlorophyll a concentration (mg/m3,e—h) in surface water of Prydz Bay 2010. 12—2011. 3

根據(jù)以上歷史數(shù)據(jù)及現(xiàn)有數(shù)據(jù), 我們認(rèn)為氣候變化會對普里茲灣的海冰變化產(chǎn)生一定的影響, 而相應(yīng)地普里茲灣浮游植物在數(shù)量、種群結(jié)構(gòu)上也會改變, 從而影響PBSi的含量與分布。

4 結(jié)論

在2013年夏季, 普里茲灣海域表層PBSi的含量在0.38—8.62μmol/dm3之間, 在67°S以南灣內(nèi)海域明顯高于67°S以北的灣外海域, 與表層chl a濃度的分布趨勢基本吻合。在普里茲灣生物因子是PBSi含量分布的主控因子。根據(jù)多個航次的數(shù)據(jù)對比, 在普里茲灣 PBSi的含量存在一定的年際變化, 這種變化與chl a濃度的年際變化趨勢相同。分析表明在厄爾尼諾事件發(fā)生時普里茲灣海冰消退早于正常年份, 相應(yīng)的浮游植物生長也強(qiáng)于正常年份; 而在拉尼娜事件發(fā)生期間普里茲灣海冰消退晚于正常年份, 同時浮游植物生長也弱于正常年份。結(jié)合南極考察有關(guān)普里茲灣浮游植物生物量種群結(jié)構(gòu)的歷史數(shù)據(jù)與相應(yīng)的氣候事件, 發(fā)現(xiàn)氣候事件對普里茲灣的海冰變化產(chǎn)生一定影響, 而相應(yīng)地浮游植物在數(shù)量、種群結(jié)構(gòu)上也會隨海冰發(fā)生變化, 從而對 PBSi的含量與分布也產(chǎn)生影響。因此在2009/2010夏季, 受厄爾尼諾事件影響, 在普里茲灣表層水體中 PBSi的含量明顯高于受拉尼娜事件影響的年份和正常年份。

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