南極羅斯海表層沉積物中生源組分的分布規(guī)律及其環(huán)境指示意義

周鄭鵬，肖文申，王汝建，滕聿央

同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 200092

南大洋表層生產(chǎn)力受到鐵肥限制，是全球大洋高硝酸鹽低葉綠素（High Nitrate Low Chlorophyll,HNLC）區(qū)域，影響浮游生物的生長和生物泵的效率[1]。羅斯海是南極生產(chǎn)力最高的邊緣海，年初級生產(chǎn)力達(dá)83.4 Tg C[1-2]，是全球大洋重要的海-氣交換地區(qū)。羅斯海陸架冰間湖通過高效的生物泵和物理泵將大氣CO2輸送到深海[2]，因此，羅斯海成為南大洋有效的碳匯區(qū)[1]。對羅斯海表層沉積物生產(chǎn)力指標(biāo)的分析可以獲得羅斯海海洋環(huán)境（洋流、水團(tuán)、海冰等）是如何控制其生產(chǎn)力的變化，從而對羅斯海在碳循環(huán)中的作用有更準(zhǔn)確的認(rèn)識。

前人研究發(fā)現(xiàn)，羅斯海陸架生產(chǎn)力的分布與冰間湖有關(guān)[1,3]。在南極橫貫山脈產(chǎn)生的下降風(fēng)的作用下，冰間湖在羅斯陸架西側(cè)形成，冰間湖的開闊水域使得藻類生物勃發(fā)[4]，浮游藻類產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)約0.5%在沉積物中埋藏[5]。硅藻是南大洋高緯區(qū)域主要的初級生產(chǎn)力，其硅質(zhì)殼體的埋藏成為沉積物重要組成部分[3]。表層沉積物中有機(jī)碳δ13Corg值取決于上層海水顆粒有機(jī)碳及異地搬運(yùn)有機(jī)碳的混合，典型的海源有機(jī)碳δ13C值為-22‰～-19‰，而陸源C3植物的δ13C值為-31‰～-22‰[6]?？傆袡C(jī)碳和總氮TOC/TN的比值也可指示物源：來自海洋藻類有機(jī)質(zhì)的TOC/TN比值通常為3～8，而陸生植物的TOC/TN比值通常為20甚至更高[7-8]。沉積物中碳酸鈣的含量主要受到鈣質(zhì)殼體生物生產(chǎn)力以及碳酸鈣保存效率的影響。前人研究顯示，在南極半島、羅斯海沉積物中碳酸鈣含量較低，而在阿蒙德森海、別林斯高晉海和威德爾海，沉積物中含有相對高含量的碳酸鈣[9]。

本文利用中國第31–35次南極科考在羅斯海陸架區(qū)域采取的表層沉積物樣品進(jìn)行TOC、TN、生物硅、碳酸鈣及δ13Corg的分析，詳細(xì)描繪了羅斯海表層沉積物生源組分的分布。將獲得的數(shù)據(jù)采用因子分析、K-means聚類分析等數(shù)理統(tǒng)計方法，結(jié)合水文和地形分布特征，分析了生產(chǎn)力指標(biāo)的環(huán)境控制因素，為羅斯海的生物地球化學(xué)過程與碳循環(huán)研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況

羅斯海位于南大洋太平洋扇區(qū)西南極大陸邊緣，位于阿代爾角與科爾貝克角之間近三角形的區(qū)域（圖1），其西部毗鄰南極橫貫山脈和維多利亞地，是下降風(fēng)的產(chǎn)生地。下降風(fēng)導(dǎo)致羅斯冰架西部和中部地區(qū)持續(xù)的北向氣流[7]。海冰被這些氣流驅(qū)趕，在冰架前緣形成冰間湖，例如羅斯海冰間湖（Ross Sea Polynya, RSP）、麥克默多灣冰間湖（McMurdo Sound Polynya, MSP）和特拉諾瓦灣冰間湖（Terra Nova Bay Polynya, TNBP）（圖1）[10]。羅斯海陸架現(xiàn)代生產(chǎn)力分布呈現(xiàn)區(qū)域性特征[11-13]。區(qū)域一為170oE以西，從羅斯冰架向北延伸到74.5oS的西南陸架地區(qū)，該區(qū)域混和層較淺，硅藻生產(chǎn)力高。區(qū)域二為170 oE以東，從羅斯冰架向北延伸到74.5oS的中央陸架區(qū)域，該區(qū)域混合層較深，生產(chǎn)力以定鞭藻（Phaeocystis antarctic）為主，硅藻較少。74.5°S以北為區(qū)域三，混合層深，受海冰長期覆蓋的影響，生產(chǎn)力較低。南大洋中溶解鐵離子可以促進(jìn)硅藻的勃發(fā)，數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)羅斯海鐵離子的來源主要是深部對流（60%）和海冰融水（30%）[14]。

圖 1 南極羅斯海陸架區(qū)概況[2]與2002—2011年南半球夏季海冰分布范圍（https://earthdata.nasa.gov）SSI：年均夏季海冰界限，AASW：南極表層水， CDW：繞極深層水， MCDW：變性繞極深層水，SW：陸架水，ASC：南極陸坡流，MSP：麥克默多灣冰間湖，RSP：羅斯海冰間湖， TNBP：特拉諾瓦灣冰間湖，DT：Drygalski海槽，JT：Joides海槽，GCT：Glomar Challenger海槽，JB：Joides海盆，RB：羅斯淺灘。Fig.1 Ross Sea physiographic and oceanographic map with site locationsAverage Summer Sea Ice (SSI) extent (2002-2011) is from https://earthdata.nasa.gov. AASW: Antarctic Surface Water, CDW: Deep Circumpolar Water,MCDW: Modified Circumpolar Deep Water, SW: Shelf Water, ASC: Antarctic Slope Current, MSP: McMurdo Sound Polynya, RSP: Ross Sea Polynya,TNBP: Terra Nova Bay Polynya, DT: Drygalski Trough, JT: Joides Trough, GCT: Glomar Challenger Trough, JB: Joides Basin, RB: Ross Bank.

羅斯冰架大致分布在羅斯海78°S以南的區(qū)域，由東南極冰蓋和西南極冰蓋共同補(bǔ)給[15]。羅斯海扇區(qū)TNBP和RSP都是高密度陸架水的產(chǎn)生地[16]，并且通過Drygalski海槽和Joides海槽流出至外陸架。繞極深層水上涌至陸架與南極表層水在羅斯海北部混合，形成變性繞極深層水。繞極深層水的上涌為表層水帶來大量營養(yǎng)鹽，同時為表層提供大量溶解態(tài)的鐵[17]，促進(jìn)陸架生產(chǎn)力[18]。東部的阿蒙森海的冰融水由沿岸流攜帶進(jìn)入羅斯海成為該區(qū)域南極表層水的一部分，匯入羅斯環(huán)流。南極表層水向西流經(jīng)外陸架，隨沿岸流至羅斯冰架東端。

羅斯海主要初級生產(chǎn)力屬種是硅藻和定鞭藻，其必要的營養(yǎng)元素是硝酸鹽和硅酸鹽[3,13,17]。它們在南半球春季（10—12月）開始勃發(fā)，定鞭藻在南半球春季末（12月）生產(chǎn)力達(dá)到鼎盛，硅藻在夏季（1—3月）生產(chǎn)力達(dá)到鼎盛[19]。在春季勃發(fā)初期，羅斯海陸架區(qū)域表層海水硝酸鹽和硅酸鹽含量較高（圖2 A, B, D, F）。春、夏硝酸鹽濃度分布一致，由西北外陸坡向陸架逐漸降低(圖2 A, B, D, F)，其最低值在東部科爾貝克角附近，即羅斯冰架東部前緣。春季硅酸鹽從中西部向東部逐漸降低，夏季在阿代爾角和東陸架最高。在生物生長季節(jié)羅斯海表層海水的營養(yǎng)鹽保持過剩[1]。羅斯海西北陸架地區(qū)存在高硝酸鹽低葉綠素區(qū)域，被認(rèn)為是低鐵離子濃度和低溫抑制了浮游生物生長[20]。

2 材料與方法

2.1 樣品

本文研究的43個表層沉積物樣品由中國第31–35次南極考察在羅斯海陸架區(qū)通過箱式、多管以及柱狀取樣器采集（圖1，表1），本項研究對表層0～10、0～5以及0～2 cm的沉積物樣品進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。沉積物大部分為灰色，灰綠色砂至粉砂質(zhì)軟泥，含有少量灰色細(xì)砂。位于羅斯海西岸阿代爾角附近的R19站位及東岸冰架前緣的RS78站位，表層沉積物為含較多黑色細(xì)礫的灰黑色軟泥，含鈣質(zhì)生物殼體，R1-03有較多的黑色磨圓較好的細(xì)礫石（見表1中對應(yīng)序號）。

圖 2 羅斯海表層海水營養(yǎng)鹽濃度分布圖A，B： 1955—2012年 羅斯海春季（10—12月）硅酸鹽和硝酸鹽在10 m水深的濃度；C，D：1955—2012年羅斯海夏季（1—3月）硅酸鹽和硝酸鹽在10 m水深濃度，改編自文獻(xiàn)[21]；E： 2009年南半球春季葉綠素月平均值；F： 2010年南半球夏季葉綠素濃度值。葉綠素分布來自https://oceanwatch.pifsc.noaa.gov/erddap/griddapFig.2 Nutrient and chlorophyll concentration in Ross sea surface waterA, B: 1955-2012 Southern Hemisphere spring (October-December) silicate and nitrate concentration at 10 m water depth; C, D: 1955-2012 Ross Sea summer(January-March) silicate, nitrate concentration at 10 m water depth; E: spring chlorophyll concentration in 2009; F: Summer chlorophyll concentration in 2010.Chlorophyll distribution are from https://oceanwatch.pifsc.noaa.gov/erddap/griddap

此外，本文共收集前人已發(fā)表的118個站位的表層沉積物生源組分?jǐn)?shù)據(jù)。生物硅數(shù)據(jù)（30個）來自Burckle等[22]；碳酸鈣數(shù)據(jù)（39個）來自Hauck等[9]；TOC數(shù)據(jù)（48個）和δ13Corg數(shù)據(jù)（45個）來自Andrews等[23]、Ohkouchi等[24]和Villinski等[25]。

2.2 方法

2.2.1 實驗方法

本文對采自羅斯海陸架區(qū)的43個表層沉積物樣品進(jìn)行生物硅、碳酸鈣、總有機(jī)碳和總氮等指標(biāo)的百分含量，以及有機(jī)碳同位素進(jìn)行了測量。所有測試都在同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點實驗室完成，測試方法參照該實驗室標(biāo)準(zhǔn)方法。

生物硅含量測量參照Mortlock和Froelich[26]，首先用碳酸鈉提取沉積物中生物硅，之后用硅鉬藍(lán)比色法測量其含量，該方法的誤差小于3%。

碳酸鈣含量使用NFP18-508儀器，采用氣體定量分析技術(shù)，通過測量碳酸鹽和鹽酸反應(yīng)放出的CO2的體積計算碳酸鹽含量，該方法誤差小于1%。

TOC和TN含量由Elementar Vario Cube有機(jī)元素分析儀測定：稱取0.2 g樣品置于試管內(nèi)，加入鹽酸去除無機(jī)碳；加入去離子水洗凈殘余的酸；將樣品低溫（40 oC）烘干后包樣上機(jī)測試其含量。測量結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1%。

δ13Corg測量使用Finnigan 253 Plus儀器，測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.2‰。

2.2.2 統(tǒng)計方法

為了分析各指標(biāo)之間以及各樣品之間的相互關(guān)系，本文采用了K-means聚類分析方法和因子分析方法。K-means聚類分析算法根據(jù)Arthur和Vassilvitskii模型[27]，旨在選擇最小化慣性或質(zhì)心內(nèi)平方和之和的質(zhì)心，采用歐幾里得距離公式：

其中，xj為樣本值，c為簇樣本值總和，ui為每個簇的平均值。K-means分析的變量輸入為δ13Corg和C/N，共36個站位樣本（43個總樣本中有7個站位無δ13Corg數(shù)據(jù)）。該組變量是區(qū)分有機(jī)質(zhì)來源的指標(biāo)參數(shù)[3]，同一來源的有機(jī)質(zhì)可以通過該算法劃分在同一簇內(nèi)從而進(jìn)行來源分析。

因子分析共36個站位樣本，輸入變量為TOC、TN、Opal、CaCO3、δ13Corg，目的是找尋聚類分析獲得的簇受到的主要環(huán)境因素的影響。因子分析算法是多元統(tǒng)計分析中常用的一種降維方式。首先通過Bartlett球形檢驗[28]和KMO值[29]檢驗各個因子的獨立性來確定該數(shù)據(jù)是否適合因子分析。Bartlett球形檢驗P值越接近0、KMO值越接近1代表各因子適合進(jìn)行因子分析。沒有加入C/N因子是因為C/N比值是TOC與TN計算的結(jié)果，加入后KMO值只有0.42無法進(jìn)行因子分析。因子分析通過主成分析方法（PCA）將累計方差總貢獻(xiàn)率＞85%的因子個數(shù)作為公共因子個數(shù)。通過回歸方法獲得載荷因子得分系數(shù)，從而計算各站位的因子得分。正交因子模型為：

表 1 ANT31-35航次表層樣信息Table 1 Information of the studied surface sediment samples retrieved from ANT 31-35 expeditions

其中，LP×m為公共因子負(fù)荷矩陣，F(xiàn)為公共因子載荷矩陣。?為特殊因子矩陣。XP×1為觀測值。

K-means聚類分析和因子分析均在Python上完成（聚類分析調(diào)用sklearn.kmeans庫，因子分析調(diào)用Factor_Analysis庫）。

續(xù)表 1

3 結(jié)果

3.1 Opal、CaCO3、TOC、TN百分含量，C/N比值及δ13Corg分布

羅斯陸架內(nèi)32個站位的Opal數(shù)據(jù)來自前人數(shù)據(jù)[30]，10個站位數(shù)據(jù)來自本項研究，共42個站位數(shù)據(jù)。其中最大值（31.1%）出現(xiàn)在R20站位，最小值（1.5%）出現(xiàn)在R18站位，標(biāo)準(zhǔn)差為7.6%（站位位置見圖1，表1）。Opal高值區(qū)域位于西南陸架冰間湖地區(qū)Joides海槽和Drygalski海槽東北向區(qū)域（圖3A）。低值區(qū)域位于阿代爾角以及中部陸架的南部。

碳酸鈣含量在RSP區(qū)域羅斯淺灘（Ross Bank，RB）和阿代爾角顯示高值，分別位于R19（6.5%）、RB11B（3.9%）和 A1-15（6.3%）三個站位，其他站位含量幾乎為0（圖3B）。

43個表層樣品TOC含量的平均值為0.81%，其中最大值（1.36%）出現(xiàn)在R16站位，最小值（0.16%）在R18站位，標(biāo)準(zhǔn)差為0.3%。西南陸架冰間湖地區(qū)（MSP、TNBP、RSP），Joides海槽西部與Drygalski海槽南部交匯處的沉積物中有較高的TOC含量；低值區(qū)域位于阿代爾角附近和Glomar Challenger海槽北部地區(qū)（圖3C）。TN含量平均值為0.11%。其中最高值（0.25%）出現(xiàn)在A1-09站位，最低值（0.014%）出現(xiàn)在R18站位，標(biāo)準(zhǔn)差為0.05%。TN百分含量高值范圍與TOC相似，位于西南陸架冰間湖以及Joides海盆西部與Drygalski海槽南部的交匯處。低值區(qū)域位于阿代爾角附近和Glomar Challenger海槽北部地區(qū)（圖3D）。

由TOC和TN含量計算得到羅斯陸架區(qū)域C/N比值平均為7.7，標(biāo)準(zhǔn)差為2.3，最大值（16.8）出現(xiàn)在R19站位，最低值（3.2）出現(xiàn)在RB02B站位。C/N在阿代爾角沿岸為高值，向東南方向遞減，在Glomar Challenger海槽北部陸架地區(qū)出現(xiàn)最低值（圖3E）。

羅斯海陸架上36個站位的沉積物δ13Corg最小值（-28.1%）出現(xiàn)在JB06站位，最大值（-23.7%）出現(xiàn)在R18站位。在TNBP地區(qū)顯示重值（圖3F），在中央陸架地區(qū)顯示低值，平均值為-26.3%。

3.2 統(tǒng)計分析結(jié)果

K-means聚類分析模型的參數(shù)為C/N和δ13Corg。K-means聚類分析顯示簇數(shù)為6時，簇內(nèi)誤方差（SSE）變化平穩(wěn)，SSE在10以內(nèi)，代表結(jié)果收斂。

因子分析方法可以分析各個聚類簇代表的環(huán)境影響因素，36個站位的因子得分分布圖將整個陸架區(qū)域劃分為三大生源組分特征區(qū)域（圖4）。

3.2.1 西南陸架冰間湖區(qū)域

該區(qū)域是因子1的高因子得分區(qū)域。因子1的主要因子為TOC、TN、Opal，占方差變化的85%。因子得分高值位于西南陸架冰間湖，代表站位分別是R20、A1-18、 R16（位置見圖1，表1），大致對應(yīng)聚類分析的2、5簇。這些簇的質(zhì)心δ13C較重，其因子特征值為2.48，是3個因子中最為穩(wěn)健的因子，其貢獻(xiàn)46%的方差變化，占主要成分。

圖 3 羅斯海表層沉積物生源分布圖A-F：來自本研究（圓圈）以及前人（三角）的羅斯海陸架表層沉積物Opal、碳酸鈣、TOC、TN含量，C/N，δ13Corg平面分布圖Fig.3 Distribution of biogenic components in surface sediments of the Ross SeaA-F: opal, carbonate, TOC, TN, C/N, δ13Corg values in surface sediments from the Ross Sea shelf from this study (circles) and published data (triangles).

3.2.2 中東部陸架盆地海槽區(qū)域

該區(qū)域是因子2的高因子得分區(qū)域。因子2的主要因子是δ13Corg，占方差變化的63%，特征值為1.14，貢獻(xiàn)了約21%的方差變化。因子得分高值位于Drygalski、Joides、Glomar Challenger海槽，代表站位分別是R18、RB16B、R02（圖1，表1），大致對應(yīng)聚類分析的1、4、6簇，這些簇的質(zhì)心δ13C值較輕。

3.2.3 阿代爾角沿岸外陸架區(qū)域

該區(qū)域是因子3的高因子得分區(qū)域。因子3的主要因子為碳酸鈣，占方差變化的81%，特征值為0.78，貢獻(xiàn)率為20.1%。因子得分高值位于RSP和阿代爾角附近，代表站位分別是R19、RB11B、A1-15（圖1，表1），大致對應(yīng)聚類分析的3簇。該簇質(zhì)心具有高C/N比。

圖 4 羅斯海陸架3個公共因子得分分布（A-C）以及聚類分析各簇在羅斯陸架上平面分布情況(D)其中2、5簇大致對應(yīng)因子1高得分站位分布，1、4、6簇大致對應(yīng)因子2高得分站位分布，3簇大致對應(yīng)因子3高得分站位分布。Fig.4 Distribution of factor scores for the three common factors on the Ross Sea shelf (A-C) and cluster analysis of the distribution of each cluster on the Ross shelf (D)Where clusters 2 and 5 correspond roughly to the distribution of factor 1 scores; clusters 1, 4 and 6 roughly to the distribution of factor 2 scores; and cluster 3 roughly to the distribution of factor 3 scores.

3.3 相關(guān)性檢驗

TOC、TN、Opal相關(guān)系數(shù)矩陣數(shù)值高，代表這3個因子有相關(guān)性。TOC、TN相關(guān)性很強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)0.818；TOC、TN與Opal的相關(guān)性相對來說較差，R2分別為0.246和0.37；δ13Corg、CaCO3、C/N相關(guān)系數(shù)矩陣數(shù)值低，小于0.01，代表這些因子相互獨立。

4 討論

4.1 表層沉積物年齡

表層沉積物參數(shù)與現(xiàn)代環(huán)境對比的前提是表層沉積物沉積時期的海洋環(huán)境與現(xiàn)代類似。因此，對表層沉積物年齡的控制是后續(xù)討論的前提。AMS14C測年顯示，羅斯海東部和中央陸架表層沉積物的平均年齡為3 148 aBP，最大年齡為4 525 aBP，地處羅斯中央冰架前緣；最小值為2 210 aBP，地處Little American海盆[23]。此外，西北扇區(qū)的JB-06站位表層沉積物年齡為825 aBP[31]。由于西南扇區(qū)的沉積物沉積速率較東部和中部更高，推測其表層沉積物年齡不大于東部陸架表層沉積物年齡[32]。因此，羅斯陸架的表層沉積物基本代表了晚全新世以來的沉積環(huán)境[15,33]。研究顯示，羅斯冰架在晚全新世5 ka時期退縮到現(xiàn)在位置，形成與現(xiàn)代相似的水文和沉積環(huán)境。因此，本文所研究的表層沉積物參數(shù)可與現(xiàn)代環(huán)境對比。

4.2 生源組分分布特征

根據(jù)因子分析結(jié)果，羅斯海陸架沉積物的生源組分的分布可劃分為3個特征區(qū)域：西南陸架冰間湖區(qū)域（TOC、TN、Opal為主要因子），中東部陸架盆地海槽區(qū)域(δ13Corg為主要因子)，以及靠近阿代爾角沿岸的外陸架區(qū)域（碳酸鈣為主要因子），與前人通過表層生產(chǎn)力和沉積速率指標(biāo)分類的結(jié)果大致相同[16,32-33]。相比之下，本文考慮了內(nèi)外水體物質(zhì)交換（如CDW）對沉積物生源物質(zhì)分布的影響，彌補(bǔ)了前人研究的不足。

4.2.1 TOC、TN、Opal分布特征及環(huán)境影響因子

TOC、TN、Opal在羅斯陸架的西南部和東部含量較高，中部含量較低（圖3A, C, D）。這個分布特征與遙感數(shù)據(jù)顯示的葉綠素含量相符（圖2C, F），說明表層沉積物的這3個指標(biāo)可以反映水體生產(chǎn)力的情況。這3個指標(biāo)是因子1的主要變量，該因子得分高的站位分布在西南陸架冰間湖。TOC，TN與Opal并沒有很好的線性關(guān)系，羅斯海陸架中南部Opal含量較低，但TOC含量較高（圖3A, C,D），代表硅藻不是唯一的生產(chǎn)力主控群落。非硅質(zhì)浮游生物定鞭藻（主要屬種Phaeocytis antarctica）是羅斯海主要的浮游藻類，主要位于羅斯海中南部RSP地區(qū)[1,3,11,17,34]。RSP硅藻勃發(fā)較差的原因可能是該地區(qū)混合層較深。Leventer等[34]發(fā)現(xiàn)硅藻主要勃發(fā)在上層水體層化穩(wěn)定的環(huán)境中，Sweeney等[13]認(rèn)為表層水溫度偏暖有利于硅藻勃發(fā)同時導(dǎo)致混合層變淺。TOC、TN與Opal保存的差異性也會略微降低它們的相關(guān)性。羅斯海沉積物中Si/C比值是顆粒物質(zhì)沉積水界面Si/C比值的兩倍，充分說明TOC的保存相比Opal較差[35]。

生產(chǎn)力受到海冰、混合層深度、光照強(qiáng)度以及營養(yǎng)鹽供給等因素影響[1,11,13]。在南半球春、夏季生物勃發(fā)期間整個羅斯海陸架表層海水主要的營養(yǎng)鹽（如硝酸鹽，硅酸鹽）過剩（圖2A, B, D, E），因此，營養(yǎng)鹽供應(yīng)并非羅斯海陸架生產(chǎn)力限制因素[1]。西南陸架冰間湖為無海冰覆蓋區(qū)域，解除了光照對生物生長的限制。同時，西南陸架冰間湖的下降風(fēng)增強(qiáng)了風(fēng)塵鐵的輸入促使藻類的勃發(fā)以及沉積[3,36-37]。特拉諾瓦灣冰間湖的CO2通量最大說明了冰間湖是高生產(chǎn)力地區(qū)[38]，季節(jié)性海冰覆蓋的東部陸架埋藏的TOC、Opal以及葉綠素含量均高于西南陸架冰間湖地區(qū)（圖2C, F；圖3A, C），可能與該地區(qū)繞極深層水的上涌有關(guān)。東北部陸坡處分布厚層繞極深層水[16]，其中向南的分支上涌至陸架形成變性繞極深層水。該水團(tuán)融化東南陸架季節(jié)性海冰，造成在海冰間隙生長的冰藻大量沉積[39]。同時，這種深部對流帶來的溶解鐵促成硅藻勃發(fā)[1]。繞極深層水深部對流帶來的鐵離子占羅斯海陸架溶解鐵的60%，遠(yuǎn)高于風(fēng)塵鐵的輸入[14]。前人研究發(fā)現(xiàn)該地區(qū)含有大量溶解鐵，說明鐵離子含量過剩[14,40-42]，鐵離子濃度不再是硅藻生長勃發(fā)的限制因素[17]，彌補(bǔ)了低透光率的不足，從而導(dǎo)致浮游生物生產(chǎn)力增加[43-44]。由于溶解鐵的缺乏[1,19-20]，阿代爾角生產(chǎn)力指標(biāo)含量較低，是高硝酸鹽低葉綠素生產(chǎn)力限制區(qū)域。綜上，羅斯海陸架生產(chǎn)力主要受溶解鐵含量的影響，羅斯海陸架高生產(chǎn)力區(qū)域分布在溶解鐵含量較高的區(qū)域。光照強(qiáng)度不是重要的生產(chǎn)力限制因素，因為季節(jié)性海冰的后退帶來了冰藻，硅藻沉積可以彌補(bǔ)低光照對生產(chǎn)力的限制?；旌蠈由疃戎饕绊懺孱惒l(fā)的優(yōu)勢屬種，影響沉積物中Opal的含量。

4.2.2 δ13Corg分布特征及其影響因素

δ13Corg在羅斯陸架西部較重而在中部海槽盆地較輕（圖3F），和前人數(shù)據(jù)的分布大體一致[25]。δ13Corg是因子2的主要變量，該因子得分高值的站位大致對應(yīng)聚類簇的1、4、6，分布在Drygalski、Joides、Glomar Challenger海槽地區(qū)。這些海槽沉積物中δ13Corg值較輕，最低值為-29%。結(jié)合前人45個站位的δ13Corg信息[23-25]，發(fā)現(xiàn)13Corg重值分布于具有高生產(chǎn)力的特拉諾瓦灣冰間湖和東北陸架地區(qū)（圖3F），表示δ13Corg的重值指示了較高的表層海水初級生產(chǎn)力。海槽區(qū)沉積物13Corg輕值指示受到陸源輸入的影響[23-25,45]。高鹽陸架水可能攜帶陸源物質(zhì)通過海槽外流也造成海槽地區(qū)13Corg變輕[23-24,45-46]。而海源有機(jī)碳更容易分解，導(dǎo)致δ13Corg負(fù)偏的陸源有機(jī)碳相對富集[25,47]。由于13Corg受到除生產(chǎn)力以外的因素影響，13Corg與因子一相關(guān)性較差。值得注意的是，C/N在中南陸架最低值為5，代表海洋藻生，與13Corg的指示結(jié)果相悖（圖3 E, F），可能由于有機(jī)碳的降解導(dǎo)致沉積物中氮相對富集，從而降低了C/N比[6]。相比之下，13Corg受降解的影響較小[24-25]。LGM以來，東西南極冰蓋的融冰水通過海槽流入羅斯海陸架[15]，與13Corg低值范圍大致相符，代表13Corg能較好地指示有機(jī)質(zhì)來源。

4.2.3 碳酸鈣分布特征及環(huán)境影響因素

羅斯海陸架上碳酸鈣含量很低，僅在羅斯海冰間湖地區(qū)和阿代爾角沿岸地區(qū)出現(xiàn)高值，與前人的結(jié)果相符（圖3B）[9]。相比之下，本文增加了位于羅斯海冰間湖前緣的羅斯海淺灘地區(qū)的樣品，并發(fā)現(xiàn)了該地區(qū)碳酸鈣含量較高（圖1, 圖3B）。

碳酸鈣是因子3的主要變量，該因子得分分布高值的站位大致對應(yīng)聚類3簇，分布在阿代爾角和羅斯淺灘（羅斯海冰間湖地區(qū)）。沉積物中碳酸鈣的含量主要受鈣質(zhì)生物生產(chǎn)力[48]和保存效率的影響[12]。在高生產(chǎn)力的西南陸架冰間湖區(qū)域碳酸鈣含量較高（圖3B），指示該地區(qū)鈣質(zhì)生物生產(chǎn)力較高且保存較好[9,47,49]。羅斯海主要的鈣質(zhì)生物為文石類（如翼足類Limacina helicina），不易保存[50]。pH值較低的繞極深層水通過海槽上涌至陸架，侵蝕鈣質(zhì)殼體[51]，造成中東部海槽盆地地區(qū)碳酸鈣含量難以保存[9]。生產(chǎn)力較高的東部陸架碳酸鈣含量卻較低，也代表碳酸鈣的保存受到繞極深層水的影響。此外，繞極深層水上涌還造成東南部陸架季節(jié)性海冰的融化。冰融水的稀釋使水體的碳酸鈣不飽和，促進(jìn)了碳酸鈣的溶解[9,16,49]。生產(chǎn)力受限制的阿代爾角（高硝酸鹽低葉綠素區(qū)域）與西南陸架冰間湖（高生產(chǎn)力地區(qū)）相比埋藏了較多的碳酸鈣（圖3B），推測與該地區(qū)有利的碳酸鈣保存環(huán)境有關(guān)。相比西南陸架冰間湖，該地區(qū)TOC含量低并且通風(fēng)性較差，由此限制了沉積物中因為TOC被氧化而使得孔隙水pH值降低，因此利于碳酸鈣在沉積物中的保存[48]。此外，阿代爾角的R19站位富含黑色砂礫，其C/N比值最高，δ13Corg較輕（-26%）（圖3E, F）代表該地區(qū)接受了來自陸架水的陸源碎屑[6]。全新世以來，從特拉諾瓦灣冰間湖產(chǎn)生的高堿度陸架水的輸入造成阿代爾角地區(qū)深部水體堿度高，利于碳酸鈣的沉積[51-53]。同時，高速南極陸坡流的篩選作用導(dǎo)致該地區(qū)沉積物粒度較高，有利于碳酸鈣物質(zhì)進(jìn)入砂質(zhì)沉積物保存下來[9,54]。

5 結(jié)論

（1）溶解鐵是影響羅斯海陸架生產(chǎn)力的主要影響因素，高溶解鐵含量區(qū)域（冰間湖以及東南陸架）生產(chǎn)力偏高，尤其是東南陸架，繞極深層水上涌為該地區(qū)提供了營養(yǎng)鹽和溶解鐵，同時溫暖的繞極深層水還會造成海冰融化，促進(jìn)生產(chǎn)力?；旌蠈由疃扔绊懺孱惒l(fā)的優(yōu)勢屬種，高生產(chǎn)力的特拉諾瓦灣冰間湖附近 δ13Corg值較重。陸源遺跡碳的輸入和富集影響δ13Corg的輕值分布。碳酸鈣的保存受繞極深層水以及南極陸坡流的影響，繞極深層水融化海冰會稀釋水體碳酸鈣的飽和度，減弱碳酸鈣的保存，南極陸坡流的篩選作用利于碳酸鈣的保存。

（2）因子分析和K-means聚類分析將羅斯海陸架地區(qū)劃分為3類環(huán)境影響區(qū)域：西南陸架冰間湖地區(qū)（主要影響TOC、TN、Opal的變化，代表水體生產(chǎn)力），海槽盆地地區(qū)（主要影響δ13Corg的變化，受陸架水流出的影響，是內(nèi)外陸架水流交換區(qū)域），位于阿代爾角沿岸靠外陸架地區(qū)（主要變量為碳酸鈣，特征為高C/N以及低δ13Corg，代表其為高陸源輸入?yún)^(qū)域）。

致謝：感謝中國第31-35次南極科考隊為沉積物樣品的采集所付出的艱辛努力。感謝中國極地研究中心提供沉積樣品。