南極普里茲灣及其鄰近海域懸浮顆粒有機(jī)物的碳同位素組成及其影響因素

任春燕，陳敏，2*，高眾勇，郭勞動，4，賈仁明，劉蕭，邱雨生，鄭敏芳

（1.廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院，福建廈門 361102；2.廈門大學(xué)近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門 361102；3.國家海洋局第三海洋研究所大氣與全球變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門 361005；4.美國威斯康星大學(xué)水科學(xué)學(xué)院，密爾沃基WI 53204）

南極普里茲灣及其鄰近海域懸浮顆粒有機(jī)物的碳同位素組成及其影響因素

任春燕1，陳敏1，2*，高眾勇3，郭勞動1，4，賈仁明1，劉蕭1，邱雨生1，鄭敏芳1

（1.廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院，福建廈門 361102；2.廈門大學(xué)近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門 361102；3.國家海洋局第三海洋研究所大氣與全球變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門 361005；4.美國威斯康星大學(xué)水科學(xué)學(xué)院，密爾沃基WI 53204）

依托中國第29次南極科學(xué)考察航次開展了南大洋普里茲灣及其鄰近海域懸浮顆粒有機(jī)物碳同位素組成（δ13CPOC）的研究，結(jié)合溫度、鹽度、營養(yǎng)鹽和溶解CO2的數(shù)據(jù)，揭示了影響研究海域顆粒有機(jī)物碳同位素組成的主控因素，計(jì)算出混合層中浮游植物吸收無機(jī)碳過程的碳同位素分餾因子。結(jié)果表明，普里茲灣及其鄰近海域的δ13CPOC介于－28.5‰～－21.1‰，平均值為－24.6‰，表現(xiàn)出灣內(nèi)大于灣外的特征。浮游植物同化吸收CO2過程的碳同位素分餾是影響研究海域混合層δ13CPOC的主要因素，根據(jù)δ13CPOC和1／［CO2（aq）］的線性擬合關(guān)系，計(jì)算出浮游植物同化吸收CO2過程的碳同位素分餾因子εp為23.4‰。δ13CPOC的垂直分布隨深度增加而增大，反映出顆粒有機(jī)物垂向輸送過程中顆粒有機(jī)物再礦化過程同位素分餾作用的影響。

懸浮顆粒有機(jī)物；δ13CPOC；碳同位素分餾因子；南極普里茲灣

1 引言

海洋顆粒有機(jī)物（POM）是生物泵運(yùn)轉(zhuǎn)的載體，POM從產(chǎn)生到沉降遷出至海底的過程中，一方面可將部分金屬元素和污染物攜帶至沉積物中，另一方面，沉降過程中有機(jī)物的降解可將部分生源要素等釋放至水體環(huán)境中。天然碳穩(wěn)定同位素組成可用來反映海洋生物泵各種生物地球化學(xué)過程的信息，包括生物光合作用、營養(yǎng)鹽的生物吸收、有機(jī)物質(zhì)的降解、顆粒物從真光層的輸出、有機(jī)物質(zhì)的不同來源等。真光層顆粒有機(jī)物的碳同位素組成變化可提供有關(guān)海洋生物固碳過程的相關(guān)信息，有助于深入理解海洋環(huán)境中碳的生物地球化學(xué)循環(huán)。對諸多河口的研究發(fā)現(xiàn)，陸源和海源δ13CPOC有不同的端元值，這為區(qū)分陸源和海源有機(jī)物的貢獻(xiàn)奠定了基礎(chǔ)［1—3］。對于開闊大洋，已發(fā)現(xiàn)不少海域δ13CPOC和溶解CO2濃度（［CO2（aq）］）具有負(fù)相關(guān)關(guān)系［4—9］，這為古海洋學(xué)研究中通過δ13CPOC反演海水表層溶解CO2濃度的變化提供了可能［10—11］。

南大洋是典型的高營養(yǎng)鹽、低葉綠素海區(qū)（HN-LC），南大洋約80%海域上層水體中的葉綠素a含量都小于0.5 mg／m3，生產(chǎn)力較低［12］，但它是全球大氣重要的冷源和CO2匯，其吸收的CO2占全球海洋凈吸收通量的35%，因而成為研究海洋碳循環(huán)及其與全球氣候變化關(guān)系的重要區(qū)域［13］。南大洋顆粒有機(jī)物的碳同位素組成與中低緯度海域相比有明顯不同的特征，懸浮顆粒有機(jī)物和沉積有機(jī)物的δ13CPOC均明顯低于中低緯度海域的相應(yīng)值［14—15］。研究表明，南大洋浮游植物體內(nèi)有機(jī)物的δ13C值隨著緯度的增加而降低，這種降低起初被認(rèn)為是溫度變化引起光合作用過程碳同位素分餾的變化所致，但此后的研究證實(shí)，溫度引起的溶解CO2濃度變化，進(jìn)而導(dǎo)致光合作用過程碳同位素分餾因子變化才是關(guān)鍵因素［4，16］。也有研究指出，南大洋較低的δ13CPOC值是由低溫、低光照、高溶解CO2濃度和低浮游植物生長速率共同所致［17］。

普里茲灣位于南大洋印度洋扇區(qū)，是南極大陸沿岸面積僅次于威德爾海和羅斯海的第三大海灣，也是我國南極科學(xué)考察的重點(diǎn)海區(qū)。由于埃默里冰架等的隔離作用，普里茲灣受陸源輸入和人類活動的影響較少。迄今為止，有關(guān)普里茲灣及其鄰近海域顆粒有機(jī)物碳同位素組成的研究還比較少，且主要集中在表層和真光層。Popp等研究了伊麗莎白公主地至普里茲灣東側(cè)一個(gè)南北向斷面懸浮顆粒有機(jī)物碳同位素的控制因素，發(fā)現(xiàn)δ13CPOC與溶解CO2濃度（［CO2（aq）］）之間沒有相關(guān)性，提出浮游植物種類及其生長速率的變化可能是調(diào)控δ13CPOC變化的主要因素［18］。Zhang等研究了普里茲灣上層水體碳動力學(xué)與水團(tuán)構(gòu)成的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)海冰融化水份額與δ13CPOC之間具有顯著的正相關(guān)關(guān)系［19］。尹希杰等報(bào)道了普里茲灣及其鄰近海域表層海水δ13CPOC的空間分布特征及其影響因素，認(rèn)為研究海域δ13CPOC的分布可能主要受浮游植物吸收CO2過程的影響［20］。

本研究利用中國第29次南極科學(xué)考察航次的機(jī)會，開展了普里茲灣及其鄰近海域整個(gè)水柱中懸浮顆粒有機(jī)物碳同位素組成的研究，結(jié)合溫度、鹽度、營養(yǎng)鹽和溶解CO2的數(shù)據(jù)，探討懸浮顆粒有機(jī)物從表及底碳同位素組成空間變化的影響因素，揭示研究海域浮游植物光合作用過程的碳同位素分餾及其分餾因子。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品采集

懸浮顆粒物樣品采自中國第29次南極科學(xué)考察航次，該航次由“雪龍”號科考船實(shí)施，采樣時(shí)間為2013年1月31日至3月3日（南半球夏季），利用CTD采集了表層至3 500 m深度區(qū)間不同深度的海水樣品。研究海區(qū)的海冰季節(jié)變化顯著，一般而言，10月為海冰融化初期，11至12月是融化中期，1月至2月是海冰融化末期［21］，本研究樣品采集時(shí)間屬于海冰融化末期。

樣品采集區(qū)域最北到64.5°S，站位主要分布在5個(gè)經(jīng)向斷面，分別為P3（68°E）、P4（70.5°E）、P5（73° E）、P6（75°E）和P7（78°E附近）斷面，共計(jì)27個(gè)站位（圖1）。P3斷面采集了5個(gè)站位的樣品，站位北起65°S、最南至67.5°S的陸架區(qū)，靠近達(dá)恩利角冰間湖。P4斷面由65°S向南延伸至陸架區(qū)弗拉姆淺灘處（67.5°S），共設(shè)有5個(gè)站位。P5斷面由65°S沿73°E向南穿過普里茲灣灣口延伸至普里茲灣灣內(nèi)68.5°S，此斷面為歷次南極科學(xué)考察的重點(diǎn)斷面，共設(shè)有6個(gè)站位。P6斷面由普里茲灣灣外66°S向南穿過四女士淺灘延伸至普里茲灣灣內(nèi)69.2°S，共設(shè)有6個(gè)站位。P7斷面由64.5°S向南穿過四女士淺灘至68°S，共設(shè)有5個(gè)站位。

圖1 普里茲灣及其鄰近海域懸浮顆粒有機(jī)物碳同位素組成研究的采樣站位Fig.1 Sampling locations in the Prydz Bay and its adjacent areas during 2013

2.2 方法

海水中懸浮顆粒物樣品由CTD采集的海水樣品（5～10 dm3）經(jīng)過預(yù)先高溫灼燒的47 mm GF／F濾膜（450℃，4 h）過濾后得到。將含有顆粒物的濾膜于60℃下烘干，裝入濾膜盒，于－20℃下冷凍保存，帶回陸地實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行POC及δ13CPOC的分析。在陸地實(shí)驗(yàn)室，濾膜干燥后用濃鹽酸酸熏48 h，去除無機(jī)碳，用Milli-Q水潤洗烘干后，包入錫舟送入元素分析儀－同位素比值質(zhì)譜儀聯(lián)機(jī)測定（EA-IRMS）（Carlo Erba NC 2500，Thermo Finnigan DELTAPLUSXP）。EAIRMS按如下條件進(jìn)行設(shè)置：氧化爐溫度為1 000℃，還原爐溫度為650℃；色譜柱（Porapak Q）溫度為50℃；He載氣流量為100 cm3／min；O2流量為150 cm3／min；參考?xì)釩O2流量為150 cm3／min。顆粒物中的有機(jī)碳通過催化氧化作用轉(zhuǎn)化為CO2，進(jìn)而測得POC含量及δ13CPOC。POC含量測定所采用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為C6H6N2O，檢出限為0.1μmol，測量精度優(yōu)于0.2%。碳穩(wěn)定同位素的分析標(biāo)準(zhǔn)為美國南卡羅萊州白堊系皮狄組擬箭石（PDB，Peedee Belemnite）。為確保測量過程中儀器的穩(wěn)定性及所得δ13C值的準(zhǔn)確，每間隔10個(gè)待測樣品穿插一個(gè)IAEA-C8標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（δ13C＝－18.3‰）進(jìn)行單點(diǎn)校正，IAEA-C8標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.2‰。

溶解CO2濃度根據(jù)DIC、p H和TA計(jì)算得到（CO2 SYS V2.1）［22］，其中，DIC和TA分別采用無機(jī)碳分析儀（DIC Analyzer AS-C3）和總堿度滴定儀（Total Alkalinity Gran Titration System，AS-ALK1）進(jìn)行測量［23］，DIC和TA的測定精度均優(yōu)于0.1%。p H用Thermo Orion ROSS 復(fù)合p H電極（型號8102BN）及Thermo Orion 3 star p H計(jì)測得，測量精度優(yōu)于0.005 p H單位（0.1 m V）。計(jì)算中所用碳酸離解常數(shù)K1和K2采用Mehrbach等報(bào)道［24］并經(jīng)Dickson和Millero修正的數(shù)值［25］。

營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)由國家海洋局第二海洋研究所韓正兵、潘建明研究員提供。海水樣品經(jīng)0.45μm醋酸纖維膜過濾后用飽和氯化汞溶液固定，保存于潔凈的塑料瓶中，帶回陸地實(shí)驗(yàn)室。分別用銅鎘柱還原法、抗壞血酸磷鉬藍(lán)法測定硝酸鹽、活性磷酸鹽的含量（《海洋監(jiān)測規(guī)范》GB 173784－2007）。溫度、鹽度數(shù)據(jù)由SBE－911 plus CTD直接獲得，其中溫度測量的精度為±0.001℃，電導(dǎo)率的測定精度為±0.002 S／m。

3 結(jié)果

3.1 溫度和鹽度

海水的表層溫度介于－1.49～0.77℃，平均值為－0.37℃。表層溫度的分布整體呈現(xiàn)東北－西南走向，灣內(nèi)溫度最低（P5-11站），由灣內(nèi)向?yàn)惩庵饾u增高，至深海區(qū)表層溫度達(dá)到最高（P7-05站）。表層水的鹽度介于32.78～34.13，平均值為33.75，最低值出現(xiàn)在P6-13站，最高值出現(xiàn)在P3-07站。表層鹽度的分布表現(xiàn)出灣內(nèi)低于灣外、灣外西側(cè)高于東側(cè)的特征。研究區(qū)域5個(gè)斷面溫鹽的垂直分布特征十分類似，故以P3和P5斷面為例加以說明（下同）。從普里茲灣灣內(nèi)外溫度、鹽度的垂直分布可以看出，研究區(qū)域從表到底主要存在南極夏季表層水（AASW），冬季殘留水（WW），繞極深層水（CDW）和南極底層水（AABW），CDW由灣外涌升至陸坡區(qū)。陸架區(qū)受海冰融化水影響，溫度、鹽度低于陸坡及深海區(qū)，深海區(qū)近底層出現(xiàn)AABW的特征［26］（圖2、圖3）。

3.2 營養(yǎng)鹽

普里茲灣及其鄰近海域表層海水硝酸鹽濃度的變化范圍為17.52～31.26μmol／dm3，平均值為27.16μmol／dm3，最低值出現(xiàn)在灣內(nèi)的P6-13站，最高值出現(xiàn)在陸坡區(qū)的P4-05站。表層海水活性磷酸鹽濃度的變化范圍為1.16～2.56μmol／dm3，平均值為2.17μmol／dm3?；钚粤姿猁}和硝酸鹽的變化趨勢一致，陸架區(qū)由于浮游植物光合作用吸收營養(yǎng)鹽更為強(qiáng)烈，硝酸鹽和磷酸鹽濃度明顯低于陸坡區(qū)和深海區(qū)。整個(gè)研究區(qū)域硝酸鹽和活性磷酸鹽的垂直變化呈隨深度增加而增加的趨勢，中深層水體變化相對較小（圖2、圖3）。

3.3 CO2（aq）

普里茲灣及其鄰近海域表層CO2（aq）含量介于12.6～21.8μmol／kg之間，平均值為18.5μmol／kg，最低值出現(xiàn)在灣內(nèi)的P6-13，最高值出現(xiàn)在陸坡區(qū)的P3-07站。整個(gè)研究區(qū)域CO2（aq）含量的變化趨勢呈現(xiàn)由灣內(nèi)向?yàn)惩庵饾u增加的特征；CO2（aq）的垂直分布則表現(xiàn)為隨深度增加而增大，但中深層變化較小的規(guī)律，反映出真光層CO2（aq）被浮游植物吸收利用的影響（圖2、圖3）。

3.4 POC

普里茲灣及其鄰近海域表層水POC含量介于0.86～10.83μmol／dm3之間，平均值為3.85μmol／dm3，變化范圍較大，最高值出現(xiàn)在營養(yǎng)鹽和CO2（aq）濃度最低的P6-13站，最低值出現(xiàn)在陸坡區(qū)弗拉姆淺灘處的P4-07站，總體低于此前中國南極科學(xué)考察航次報(bào)道的普里茲灣及其鄰近海域表層水的POC含量（1.06～93.67μmol／dm3）［27—29］，可能與采樣站位的空間分布以及采樣時(shí)間的不同有關(guān)。本研究在灣內(nèi)采樣站位較少，特別是未能采集到埃默里冰架附近海域的樣品，而冰架邊緣海域的浮游植物生長一般較為旺盛，具有較高的初級生產(chǎn)力［30—31］，另外，本研究樣品的采集時(shí)間處于海冰融化末期，比其他航次來得晚，此時(shí)浮游植物的藻華已處于后期。從POC的空間分布看，陸架區(qū)POC濃度高于陸坡及深海區(qū)，而中深層海水POC含量變化較?。▓D2、圖3）。

圖2 普里茲灣及其鄰近海域P3斷面溫度、鹽度、硝酸鹽濃度、磷酸鹽濃度、CO2（aq）、POC和δ13CPOC的分布Fig.2 Sectional distributions of temperature，salinity，nitrate，phosphate，CO2（aq），POC andδ13CPOCat Section P3 in the Prydz Bay and its adjacent areas

3.5 δ13CPOC

普里茲灣及其鄰近海域表層水δ13CPOC的變化范圍介于－28.6‰～－26.2‰，平均值為－27.4‰，最低值出現(xiàn)在弗拉姆淺灘附近的P4-07站，最高值出現(xiàn)在達(dá)恩利角附近的P3-09站。研究海域表層水的δ13CPOC明顯低于中低緯度海域的報(bào)道值，與高緯度海域的報(bào)道值相符合（表1），也與此前報(bào)道的表層水δ13CPOC隨緯度增加而降低的趨勢［5，7，9］相一致。對比普里茲灣表層海水δ13CPOC的數(shù)據(jù)，本研究結(jié)果比中國第22次南極考察報(bào)道的普里茲灣表層水體δ13CPOC（－27.4‰～－19.0‰）稍低［19］，可能的原因在于本研究航次未采集到埃默里冰架前沿的樣品，而海冰融化所釋放冰藻的δ13CPOC一般較高（－15‰～－8‰）［32］。本研究結(jié)果與同一航次表層δ13CPOC的報(bào)道值（變化范圍為－29.7‰～－26.3‰，平均值為－28.01‰）［20］相一致。

圖3 普里茲灣及其鄰近海域P5斷面溫度、鹽度、硝酸鹽濃度、磷酸鹽濃度、CO2（aq）、POC和δ13CPOC的分布Fig.3 Sectional distributions of temperature，salinity，nitrate，phosphate，CO2（aq），POC andδ13CPOCat Section P5 in the Prydz Bay and its adjacent areas

表1 海洋懸浮顆粒有機(jī)物的δ13CPOC值Tab.1 Comparisons inδ13CPOCvalues of suspended particulate organic matter from different marine environments

普里茲灣及其鄰近海域δ13CPOC的空間分布顯示，灣內(nèi)陸架區(qū)的δ13CPOC總體高于灣外陸坡及深海區(qū)，并且無論是陸架區(qū)，還是陸坡區(qū)和海盆區(qū)，δ13CPOC均隨著深度的增加而增加，如陸架區(qū)次表層的δ13CPOC比混合層高約2‰，而陸坡區(qū)和深海區(qū)深層水的δ13CPOC分別比次表層和混合層高約1‰和2‰（圖2、圖3）。δ13CPOC隨深度增加而增加的形成可能與生源顆粒有機(jī)物垂向輸送過程的再礦化作用有關(guān)，在有機(jī)物降解過程中，會優(yōu)先降解貧13C的有機(jī)物，導(dǎo)致殘留顆粒物的δ13CPOC逐漸升高［17，33－34］。與此類似，南大洋澳大利亞扇面1 500 m以淺沉降顆粒有機(jī)物δ13CPOC隨著深度的增加而增加［17］；亞北極東北太平洋也發(fā)現(xiàn)真光層以深懸浮顆粒有機(jī)物的δ13CPOC隨深度的增加而顯著增加［33］。

4 討論

4.1 普里茲灣混合層δ13CPOC變化的主控因素

與中深層相比，海洋真光層中的δ13CPOC變化一般較大，其影響因素主要包括溫度、p H值、光強(qiáng)、生物利用無機(jī)碳形態(tài)、浮游植物種群、生長速率等。各因素對δ13CPOC的影響情況歸納如下：（1）溫度：研究表明，海水溫度每升高1℃，δ13CPOC增加0.3‰～0.5‰［40—41］。（2）海水p H值：海水p H值主要通過影響碳酸鹽體系無機(jī)碳的形態(tài)及其含量，從而影響浮游植物固碳底物的含量及其同位素分餾［42］。（3）光照：光強(qiáng)由于會影響初級生產(chǎn)過程，從而對δ13CPOC產(chǎn)生影響。在高緯度海域，混合層深度可作為光照強(qiáng)度變化的指標(biāo)，一般而言，混合層越深，水柱平均光強(qiáng)降低，初級生產(chǎn)力下降，導(dǎo)致δ13CPOC較低；相反，混合層變淺時(shí)，水柱平均光強(qiáng)增強(qiáng)，初級生產(chǎn)力提高，光合作用導(dǎo)致反應(yīng)底物濃度降低，δ13CPOC增加［19，43］。（4）生物利用無機(jī)碳形態(tài)：浮游植物利用的無機(jī)碳形態(tài)不同，其產(chǎn)生的δ13CPOC會產(chǎn)生差別。如果浮游植物吸收利用的是HCO－3和CO2－3，則其產(chǎn)生的δ13CPOC要高于利用CO2（aq）產(chǎn)生的δ13CPOC，這與不同固碳過程的同位素分餾因子不同有關(guān)，浮游植物通過C3過程Rubisco酶吸收利用CO2（aq）的碳同位素分餾因子要大于C4過程β－羧化酶利用HCO－3和CO2－3的同位素分餾因子［44］。（5）浮游植物種群：浮游植物種群結(jié)構(gòu)的變化，也可能導(dǎo)致其產(chǎn)生的δ13CPOC不同，有研究表明，硅藻產(chǎn)生的δ13CPOC要高于甲藻［45］。（6）浮游植物生長速率：浮游植物生長速率（μ）越快，所產(chǎn)生的δ13CPOC越高［40，46］。另外，有研究表明，浮游植物脂類含量的不同也會影響δ13CPOC，脂類有機(jī)物的δ13C值一般低于氨基酸和蛋白質(zhì)的δ13C，而溫度越低，浮游植物體內(nèi)的脂類物質(zhì)含量往往越高，由此導(dǎo)致δ13CPOC的降低［17］。

溫度、p H值、光強(qiáng)、生物利用無機(jī)碳形態(tài)、浮游植物種群、生長速率等因素引起的δ13CPOC變化本質(zhì)上都是通過影響浮游植物所吸收的無機(jī)碳含量及吸收過程的同位素分餾來實(shí)現(xiàn)的。對于海洋以C3光合作用過程為主的海洋浮游植物而言，海水中CO2（aq）的變化將對光合作用產(chǎn)生的δ13CPOC起決定性作用。已有研究發(fā)現(xiàn)，很多海域的δ13CPOC與［CO2（aq）］之間具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，如印度洋［4］、大西洋［5］、南大洋部分海域［6，8—9］等。對全球海洋表層δ13CPOC進(jìn)行的模型研究也表明，全球海洋表層水δ13CPOC的變化主要受控于［CO2（aq）］的變化［46］。δ13CPOC與［CO2（aq）］負(fù)相關(guān)性的存在主要取決于溫度或者生物活動調(diào)控的［CO2（aq）］，由赤道向兩極方向，溫度逐漸降低，CO2（aq）增加，浮游植物碳吸收過程中的同位素分餾作用加強(qiáng)，導(dǎo)致δ13CPOC降低［7］。

普里茲灣及其鄰近海域遠(yuǎn)離陸地，且受埃默里冰架的隔離作用，陸源輸入很小，POC主要來自浮游植物光合作用產(chǎn)生，因而研究海域δ13CPOC的變化受陸源輸入或人類活動的影響很?。?7—29］。本研究結(jié)果顯示，研究區(qū)域混合層（50 m以淺）的δ13CPOC和［CO2（aq）］之間具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系：δ13CPOC＝－0.23［CO2（aq）］－23.38（n＝78，r2＝0.22，p＜0.000 1）（圖4），說明浮游植物同化吸收CO2過程的同位素分餾是影響普里茲灣及其鄰近海域混合層δ13CPOC變化的主要調(diào)控因素。另外，普里茲灣及其鄰近海域混合層POC含量與溶解CO2濃度之間具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（r2＝0.36，p＜0.000 1）（圖5），并且溶解CO2與硝酸鹽（r2＝0.68，p＜0.000 1）和活性磷酸鹽（r2＝0.79，p＜0.000 1）之間均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系（圖6），這些都可佐證浮游生物活動影響到溶解CO2的含量，進(jìn)而通過同化吸收過程的同位素分餾影響普里茲灣及其鄰近海域δ13CPOC的變化。

4.2 浮游植物吸收無機(jī)碳過程的碳同位素分餾因子

圖4 普里茲灣及其鄰近海域混合層中δ13CPOC和［CO2（aq）］的關(guān)系Fig.4 Relationship betweenδ13CPOCand［CO2（aq）］in the mixed layer in the Prydz Bay and its adjacent areas

圖5 普里茲灣及其鄰近海域混合層中［CO2（aq）］和POC的關(guān)系Fig.5 Concentrations of CO2（aq）verse particulate organic carbon（POC）in the mixed layer in the Prydz Bay and its adjacent areas

圖6 普里茲灣及其鄰近海域混合層中［CO2（aq）］和硝酸鹽和活性磷酸鹽濃度的關(guān)系Fig.6 Correlation between［CO2（aq）］and nitrate or phosphate concentration in the mixed layer of the Prydz Bay and its adjacent areas

盡管不同海域的δ13CPOC往往與［CO2（aq）］存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但不同海域二者之間的線性擬合方程往往不同，例如，南大西洋δ13CPOC與［CO2（aq）］的擬合關(guān)系為：δ13CPOC＝－0.8［CO2（aq）］－12.6［16］；德雷克海峽為：δ13CPOC＝－0.9［CO2（aq）］－9.4［38］；東北大西洋為：δ13CPOC＝－1.5［CO2（aq）］－2.1［5］。不同海域δ13CPOC與［CO2（aq）］擬合方程的不同與浮游植物固碳過程中碳同位素分餾因子的變化有關(guān)，生物作用改變δ13CPOC主要是通過改變碳的同位素分餾程度即分餾因子εp來進(jìn)行的。當(dāng)無機(jī)碳只是來自浮游植物通過被動擴(kuò)散所吸收的CO2（aq），考慮到浮游植物種群和生長速率，δ13CPOC與［CO2（aq）］存在如下的關(guān)系［35，37，46］：

δ13CPOC＝δ13CCO2（aq）－εp＋a·μ／［CO2（aq）］，（1）式中，δ13CCO2（aq）是反應(yīng)物CO2（aq）的碳同位素組成；εp是光合作用固碳過程的碳同位素分餾因子；μ代表浮游植物的生長速率，a是反映不同種群的常數(shù)。由公式可以看出，δ13CPOC受εp、μ和［CO2（aq）］的共同影響。

本研究獲得的普里茲灣及其鄰近海域混合層δ13CPOC和1／［CO2（aq）］的線性擬合方程為：δ13CPOC＝（－31.4±0.9）＋69.1／［CO2（aq）］（r2＝0.19，p＜0.000 1）（圖7）。擬合方程的截距（－31.4±0.9）即代表了（δ13CCO2（aq）－εp），而南大洋的δ13CCO2（aq）約為－8‰［47］，因此，普里茲灣及其鄰近海域浮游植物同化吸收無機(jī)碳過程中的碳同位素分餾因子εp為23.4‰±0.9‰，這與文獻(xiàn)報(bào)道的浮游植物C3過程Rubsico酶吸收CO2（aq）的分餾因子（25‰～30‰）［43］一致，也再次證實(shí)浮游植物吸收溶解CO2過程是影響普里茲灣及其鄰近海域δ13CPOC變化的主要因素。

浮游植物種群組成和生長速率的空間變化可能是影響普里茲灣及其鄰近海域δ13CPOC和［CO2（aq）］擬合相關(guān)性的因素之一。普里茲灣灣內(nèi)陸架區(qū)浮游植物優(yōu)勢種為羽紋硅藻（Nitzschiafragilariopsis）、裸鞭毛藻和個(gè)體較大的異養(yǎng)甲藻，水華發(fā)生時(shí)的優(yōu)勢種為羽紋硅藻和大的異養(yǎng)甲藻，而灣外海盆區(qū)的浮游植物優(yōu)勢種為個(gè)體較大的環(huán)紋硅藻和個(gè)體較小的甲藻，羽紋硅藻的δ13C值較高，而裸鞭毛藻和環(huán)紋硅藻的δ13C較低［43］。另外，冰融水份額也會影響δ13CPOC和［CO2（aq）］的擬合相關(guān)，對普里茲灣及其鄰近海域的研究發(fā)現(xiàn)，表層海水δ13CPOC與冰融水份額之間具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，因此，海冰融化會通過影響浮游植物生長速率等影響到光合作用可利用CO2（aq）的變化，進(jìn)而導(dǎo)致δ13CPOC的空間變化［19］。除浮游植物種類和生長速率的影響外，浮游植物吸收無機(jī)碳路徑的不同也會導(dǎo)致δ13CPOC的變化，進(jìn)而影響δ13CPOC和［CO2（aq）］的相關(guān)性，目前已證實(shí)硅藻中存在的β－羧化酶可通過C4路徑吸收海水中的HCO3－［48］。

5 結(jié)論

圖7 普里茲灣及其鄰近海域混合層中δ13CPOC和1／［CO2（aq）］的關(guān)系Fig.7 Relationship betweenδ13CPOCand 1／［CO2（aq）］in the mixed layer of the Prydz Bay and its adjacent areas

普里茲灣及其鄰近海域混合層中的POC含量和δ13CPOC總體表現(xiàn)出灣內(nèi)大于灣外的特征，可歸因于浮游植物同化吸收CO2過程的同位素分餾作用。根據(jù)δ13CPOC和1／［CO2（aq）］的線性擬合關(guān)系，計(jì)算出普里茲灣及其鄰近海域浮游植物同化吸收無機(jī)碳過程中的碳同位素分餾因子為23.4‰。δ13CPOC垂向分布上呈現(xiàn)隨深度增加而增大的特征，可歸因于生源顆粒有機(jī)物垂向輸送過程中再礦化所致的同位素分餾作用。

致謝：感謝國家海洋局第二海洋研究所韓正兵、潘建明研究員提供營養(yǎng)鹽的數(shù)據(jù)。

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Stable carbon isotopic composition of suspended particulate organic matter in the Prydz Bay and its adjacent areas

Ren Chunyan1，Chen Min1，2，Gao Zhongyong3，Guo Laodong1，4，Jia Renming1，Liu Xiao1，Qiu Yusheng1，Zheng Minfang1

（1.College of Ocean and Earth Sciences，Xiamen University，Xiamen 361102，China；2.State Key Laboratory of Marine Environmental Science，Xiamen University，Xiamen 361102，China；3.Key Lab of Global Change and Marine-Atmospheric Chemistry，Third Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Xiamen 361005，China；4.School of Freshwater Sciences，University of Wisconsin-Milwaukee，WI 53204，USA）

To better understand carbon and particle dynamics in the Prydz Bay and its adjacent areas，stable carbon isotopic composition in suspended particulate organic matter（POM）along with aqueous CO2，nutrients and hydrographic data were measured to examine the spatial and vertical distributions ofδ13CPOCand their controlling factors during the 29thChinese Antarctic Research Expedition.Furthermore，carbon isotope fractionation factor during the assimilation of dissolved inorganic carbon（DIC）by phytoplankton in the mixed layer was estimated.Our resultsshowed thatδ13CPOCranged from－28.5‰to－21.1‰with an average of－24.6‰，showing an increase trend from the inner bay to open waters outside the Bay.Carbon isotope fractionation factor during phytoplankton DIC assimilation in the mixed layer was estimated to be 23.4‰based on the relationship betweenδ13CPOCand 1／［CO2（aq）］，and was the major controlling factor forδ13CPOCvalues in the mixed layer in the Prydz Bay and its adjacent areas.Values ofδ13CPOCincreased in general with increasing depth in the study areas，ascribing to the isotope fractionation during POM remineralization.

suspended particulate organic matter；δ13CPOC；isotope fractionation factor；Prydz Bay；Antarctic

X145

A

0253-4193（2015）12-0074-11

任春燕，陳敏，高眾勇，等.南極普里茲灣及其鄰近海域懸浮顆粒有機(jī)物的碳同位素組成及其影響因素［J］.海洋學(xué)報(bào)，2015，37（12）：74—84，

10.3969／j.issn.0253-4193.2015.12.008

Ren Chunyan，Chen Min，Gao Zhongyong，et al.Stable carbon isotopic composition of suspended particulate organic matter in the Prydz Bay and its adjacent areas［J］.Haiyang Xuebao，2015，37（12）：74—84，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2015.12.008

2015-09-30；

2015-10-18。

南北極環(huán)境綜合考察與評估專項(xiàng)（CHINARE01-04-03，04-01-06，04-04，04-03-05）；國家自然科學(xué)基金杰出青年基金項(xiàng)目（41125020）。

任春燕（1985—），女，天津市人，博士研究生，從事同位素海洋化學(xué)研究。E-mail：wounderful007＠163.com

*通信作者：陳敏（1970—），男，廣東省興寧市人，教授，博士，從事同位素海洋化學(xué)研究。E-mail：mchen＠xmu.edu.cn