南喬治亞島海域浮游植物季節(jié)性旺發(fā)特征與POC輸出通量:基于BGC-Argo和衛(wèi)星遙感觀測(cè)

趙躍然,范高晶,吳嘉琪,3,孫維萍,潘建明,韓正兵*

(1.自然資源部海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,自然資源部第二海洋研究所,浙江 杭州 310012; 2.中國極地研究中心,上海 201209; 3.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院,浙江 舟山 316000)

0 引言

南大洋是全球最大的高營養(yǎng)鹽低葉綠素(high-nutrient low-chlorophyll,HNLC)海區(qū),由于其具有豐富且過剩的營養(yǎng)鹽,被認(rèn)為是全球海洋中最具潛力的碳匯區(qū),對(duì)全球碳循環(huán)有著舉足輕重的作用[1]。自“鐵假說”提出以來[2],已有許多“鐵加富”試驗(yàn)表明在南大洋HNLC海域人工施加鐵肥可引起浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力升高[3-5],鐵被認(rèn)為是影響南大洋浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力最為關(guān)鍵的限制因子。與HNLC區(qū)域形成鮮明對(duì)比,南大洋還存在著許多天然鐵施肥區(qū)域,主要是由天然鐵源的輸入而刺激浮游植物發(fā)生季節(jié)性旺發(fā)[6-8],如西南極半島[9]、南喬治亞島[10-11]、凱爾蓋朗群島[12-13]和克羅澤群島[14-15]等,這些高初級(jí)生產(chǎn)力海域?yàn)槠簌Z、海豹等高營養(yǎng)級(jí)生物提供了關(guān)鍵的棲息聚集地,對(duì)維持南極生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要。

南喬治亞島附近海域是南大洋最大的浮游植物旺發(fā)海域之一,具有豐富的生態(tài)系統(tǒng)、群落組成以及巨大的碳匯潛力[16],高生產(chǎn)力區(qū)域主要集中在南喬治亞島西北側(cè)的喬治亞海盆區(qū)域。許多研究推測(cè)這種區(qū)域性特征可能主要受控于水文過程[17-21,11]。然而,該區(qū)域浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力的年際變動(dòng)較大[16],且存在高生產(chǎn)力低輸出效率(high productivity low export efficiency,HPLE)的特征[22],這些現(xiàn)象仍需要許多生物地球化學(xué)觀測(cè)資料來作進(jìn)一步研究[23-25,18]。

生物地球化學(xué)剖面浮標(biāo)(biogeochemical Argo float, BGC-Argo)是一種新型的原位觀測(cè)裝置,可提供較高時(shí)空分辨率、多參數(shù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)資料,近年來被廣泛應(yīng)用于海洋原位觀測(cè)研究[26],以彌補(bǔ)船基觀測(cè)和衛(wèi)星遙感觀測(cè)的不足。本文基于南喬治亞島附近海域BGC-Argo的原位觀測(cè)資料,結(jié)合衛(wèi)星遙感觀測(cè)數(shù)據(jù),探究南喬治亞島附近海域浮游植物的旺發(fā)過程對(duì)上層海洋碳輸出通量的貢獻(xiàn)與影響。

1 材料與方法

1.1 研究海域

南喬治亞島(37°W,55°S)位于南大洋大西洋扇區(qū)的斯科舍海東北邊界[16],在極地鋒(polar front,PF)和南極繞極流南鋒(southern Antarctic circumpolar current front,SACCF)之間,島嶼大陸架離岸向外延伸50～150 km,并對(duì)周圍海流流向產(chǎn)生一定影響。南極繞極流(Antarctic circumpolar current,ACC)從南喬治亞島大陸架的西南方向到達(dá)南喬治亞島的南部,然后分別向西和向東北分叉成兩個(gè)分支,向西的分支繼續(xù)向西流動(dòng),而向東北的分支則繞過南喬治亞島的北部,轉(zhuǎn)向喬治亞海盆,沿著喬治亞海盆陡峭的輪廓線反向流動(dòng),最后恢復(fù)其向東的路線[27-28]。南喬治亞島周圍水團(tuán)分布受SACCF以及島嶼徑流的共同影響[21,19],島嶼西南部海域水團(tuán)具有威德爾海(Weddell Sea,WS)和ACC混合水團(tuán)的性質(zhì)[29],島嶼東北部海域水團(tuán)與南極區(qū)水(Antarctic zone water,AZW)有相似的物理特性,島嶼西北部海域水團(tuán)是主要來自島嶼徑流的南喬治亞大陸架水(South Georgia shelf water,SGSW)[20]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 BGC-Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)

在南大洋碳和氣候觀測(cè)與建模(the Southern Ocean carbon and climate observations and modeling,SOCCOM)項(xiàng)目中篩選出研究海區(qū)鄰近的BGC-Argo浮標(biāo)(編號(hào):12545)。該浮標(biāo)搭載的傳感器可獲取溫度、鹽度、葉綠素(Chl-a)、硝酸鹽和顆粒有機(jī)碳(particulate organic carbon,POC)等數(shù)據(jù),其中POC數(shù)據(jù)由光學(xué)反向散射率計(jì)算得到[30]。本研究選用高分辨率數(shù)據(jù)文件,時(shí)間范圍為2017年10月至2020年2月,共82個(gè)剖面數(shù)據(jù),深度范圍選取200 m以淺,溫鹽深數(shù)據(jù)分辨率為 2 m,生化參數(shù)分辨率分別為5 m(100 m以淺)和10 m(100～200 m),垂直剖面的采樣時(shí)間間隔為10天。數(shù)據(jù)質(zhì)量控制全部由SOCCOM完成(https://soccom.princeton.edu/)。

該浮標(biāo)于2017年底進(jìn)入研究海區(qū),沿南設(shè)得蘭群島向東移動(dòng),至2018年5月繞經(jīng)該群島東部陸架邊緣后北上,然后沿北部陸架向西運(yùn)動(dòng),并于2019年1月正式進(jìn)入喬治亞海盆,在海盆盤旋約6個(gè)月后離開海盆繼續(xù)向東部運(yùn)動(dòng)。浮標(biāo)的漂流軌跡幾乎完全沿著南極繞極流的運(yùn)動(dòng)方向(圖1)。為便于后續(xù)討論,本文定義南極夏季為11月至次年3月,南極冬季為4月至10月。

圖1 研究海域及BGC-Argo的移動(dòng)軌跡Fig.1 Study area and the movement trajectory of BGC-Argo floats(圖中等值線表示水深,單位:m;藍(lán)色點(diǎn)表示浮標(biāo)剖面站點(diǎn);黑粗線和紅粗線分別為南極繞極流南鋒(SACCF)和極鋒(PF);色標(biāo)采用對(duì)數(shù)處理,顏色反映1997年至2017年南半球12月至次年2月氣候態(tài)Chl-a分布,數(shù)據(jù)來自歐洲航天局 GlobColour項(xiàng)目的多元數(shù)據(jù)融合產(chǎn)品,空間分辨率為25 km×25 km,時(shí)間分辨率為1個(gè)月。)(Contour lines represent water depth, unit: m. Blue dots represent the profiling float stations. The thick black line and red line indicate the southern Antarctic circumpolar current front (SACCF) and polar front (PF), respectively. Color bar uses log transformation, and the color represents the climatological distribution of Chl-a from December to February in the southern hemisphere from 1997 to 2017. The data are from the multi-sensor merged product of the European Space Agency’s GlobColour project with a spatial resolution of 25 km × 25 km and a temporal resolution of 1 month.)

1.2.2 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

與BGC-Argo匹配的衛(wèi)星遙感葉綠素?cái)?shù)據(jù)來源于歐洲航天局(European Space Agency,ESA)GlobColour項(xiàng)目提供的多源數(shù)據(jù)融合產(chǎn)品(https://hermes.acri.fr/),由水色傳感器SeaWiFs、MERIS、MODIS和VIIRS融合處理得到,空間分辨率為25 km×25 km,時(shí)間分辨率為8天,時(shí)間范圍為2017年11月—2020年2月。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 硝酸鹽季節(jié)性消耗與POC輸出通量

根據(jù)BUESSELER[31]的定義,本研究選取100 m深度作為上層POC向下輸出的界面,并利用硝酸鹽的虧損法來估算碳輸出通量[32]。本研究將硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)化至鹽度35[33],以減少物理過程對(duì)硝酸鹽變化的影響。浮游植物光合作用所消耗的營養(yǎng)鹽被認(rèn)為是上層100 m硝酸鹽的季節(jié)性消耗值,即硝酸鹽的冬季儲(chǔ)量與水體中剩余硝酸鹽的濃度之差:

(1)

式中:UN代表硝酸鹽的季節(jié)性消耗值,z表示深度,cN(z)表示深度為z處的硝酸鹽濃度,cN(100)代表100 m深度處冬季硝酸鹽的濃度。

表1 基于BGC-Argo的夏季平均混合層深度、POC儲(chǔ)量、NCP和POC輸出通量Tab.1 Summer mean values of MLD, POC storage, NCP, and POC export flux based on BGC-Argo

南喬治亞島所處的南大西洋浮游植物中C/N的摩爾比取7.5[34-35],據(jù)此可計(jì)算100 m以上浮游植物的凈群落生產(chǎn)力(net community productivity,NCP):

NCP=7.5×UN

(2)

因?yàn)槿芙庥袡C(jī)碳(dissolved organic carbon,DOC)在該海域?qū)OC輸出通量貢獻(xiàn)較低(1%～10%)[22],本研究未考慮DOC向下輸出對(duì)NCP的影響。

因此,夏季POC輸出量可由夏季凈NCP與POC儲(chǔ)量之差估算得到,輸出通量則由POC輸出量的時(shí)間變率估算得到:

(3)

1.3.2 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與BGC-Argo數(shù)據(jù)匹配

基于BGC-Argo各站點(diǎn)所對(duì)應(yīng)日期,篩選出時(shí)間尺度上最接近的衛(wèi)星遙感Chl-a數(shù)據(jù),再對(duì)BGA-Argo站點(diǎn)實(shí)際距離最近像素點(diǎn)進(jìn)行匹配。

1.3.3 混合層深度計(jì)算

混合層深度(mixed layer depth,MLD)基于BGC-Argo中的剖面觀測(cè)數(shù)據(jù),通過取距離海表10 m處的密度變化閾值0.03 kg/m3計(jì)算得到[36]。

2 結(jié)果

2.1 生化參數(shù)的時(shí)空分布

南喬治亞島附近上層海水溫度總體呈現(xiàn)夏高冬低的分布趨勢(shì)(圖2a)。2018年5月至10月期間,浮標(biāo)位于南喬治亞島南部,海表溫度低于0 ℃;2018年12月,浮標(biāo)進(jìn)入南喬治亞島東南部海域,海水溫度開始升高,約為4 ℃左右;隨著季節(jié)演替,海水溫度在2019年9月最終降低至1 ℃左右。上層海水密度和鹽度隨季節(jié)的分布變化趨勢(shì)則與溫度相反(圖2b,2c)。整體上,在南極夏季,南喬治亞島附近海域的海水層化現(xiàn)象顯著。

圖2 BGC-Argo浮標(biāo)獲取的各生化參數(shù)剖面變化Fig.2 Profiles of biogeochemical parameters of BGC-Argo floats(圖中白色虛線表示混合層深度。)(The white dashed line represents the depth of the mixed layer.)

南喬治亞島附近海域上層Chl-a質(zhì)量濃度和POC濃度呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)性差異,即夏季高冬季低,其高值和驟變區(qū)域與地理位置有密切聯(lián)系。2017年12月浮標(biāo)位于南喬治亞島與南設(shè)得蘭群島之間的南極半島東北部海域,此時(shí)Chl-a質(zhì)量濃度開始升高,到2018年2月達(dá)到全年最大值,于3月之后迅速衰減。2018年12月浮標(biāo)進(jìn)入南喬治亞島東南海域,此時(shí)Chl-a質(zhì)量濃度開始升高,2019年1月浮標(biāo)進(jìn)入喬治亞海盆,隨后Chl-a質(zhì)量濃度在2月達(dá)到最大值。當(dāng)浮標(biāo)位于喬治亞海盆內(nèi)時(shí),Chl-a質(zhì)量濃度一直維持著相對(duì)較高的水平,直到2019年3月混合層深至 75 m,Chl-a呈現(xiàn)出向下擴(kuò)散的趨勢(shì),盡管Chl-a質(zhì)量濃度有所降低,整個(gè)混合層的Chl-a儲(chǔ)量卻似乎有所增加(圖2d)。

南喬治亞島附近海域上層POC濃度的時(shí)空變化及分布趨勢(shì)與Chl-a幾乎完全相同,略有所不同的是,2018/2019年夏季POC的濃度低于2017/2018年同期(圖2e)。上層硝酸鹽的時(shí)空分布特征與Chl-a和POC相反,呈夏季低冬季高的特征。與南極半島東北部海域相比,在喬治亞海盆觀測(cè)到的夏季硝酸鹽濃度整體更低,且低值持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)(圖2f)。

2.2 衛(wèi)星遙感與BGC-Argo觀測(cè)的Chl-a差異

如圖3所示,衛(wèi)星遙感與BGC-Argo觀測(cè)的Chl-a變化趨勢(shì)基本一致,BGC-Argo觀測(cè)的Chl-a基本無缺失值,但衛(wèi)星遙感獲取的Chl-a則存在大量的缺失,且主要集中在冬季。2017/2018年夏季,浮標(biāo)未進(jìn)入南喬治亞島海域,混合層深度較淺,衛(wèi)星遙感獲取的表層Chl-a均高于BGC-Argo的觀測(cè)結(jié)果。而在2018/2019年夏季,浮標(biāo)開始進(jìn)入南喬治亞島海域,混合層比2017/2018年夏季時(shí)南極半島東北部海域的略深,當(dāng)衛(wèi)星遙感和BGC-Argo觀測(cè)的Chl-a均達(dá)到峰值時(shí),BGC-Argo觀測(cè)的表層Chl-a高于衛(wèi)星遙感觀測(cè)結(jié)果(圖3)。比較BGC-Argo觀測(cè)到的表層葉綠素(Chl-a5 m)和次表層葉綠素(Chl-a50 m)發(fā)現(xiàn),當(dāng)夏季混合層較淺時(shí),表層Chl-a要明顯高于次表層;而在冬季,混合層加深,表層和次表層的Chl-a水平相當(dāng),甚至部分站點(diǎn)次表層Chl-a要高于表層(圖4)。

圖3 衛(wèi)星遙感和BGC-Argo獲取的表層Chl-a質(zhì)量濃度時(shí)間序列對(duì)比Fig.3 Comparison of time series of Chl-a mass concentration observed by remote sensing and BGC-Argo

圖4 BGC-Argo觀測(cè)到5 m和50 m處Chl-a質(zhì)量濃度差異的浮動(dòng)柱狀圖Fig.4 Floating bar chart of the difference in Chl-a mass concentration between 5 m and 50 m observed by BGC-Argo(柱形頂部和底部分別表示Chl-a5 m和Chl-a50 m,綠色柱形表示Chl-a5 m大于Chl-a50 m,橙色反之,柱長(zhǎng)表示二者的差異。)(The top and bottom of the bars represent Chl-a5 m or Chl-a50 m respectively. Green bars indicate that Chl-a5 m is higher than Chl-a50 m, while orange bars indicate the opposite, and the length of the bars represents the difference.)

2.3 NCP與POC輸出通量

2017/2018年夏季,浮標(biāo)位于南極半島東北部海域,混合層平均深度為38.49±18.93 m,上層100 m的POC儲(chǔ)量和NCP都較高,平均值分別為610.32±124.83 mmol·m-2和3 976.14±124.53 mmol·m-2(表1)。NCP一直保持高值至5月驟降,而POC儲(chǔ)量從夏季初期達(dá)到峰值后迅速下降,后逐漸升高,至3月達(dá)到最大值,再緩慢下降(圖5)。

圖5 南喬治亞島附近海域上層100 m的NCP與POC儲(chǔ)量時(shí)間序列變化Fig.5 Time series of NCP and POC storage in the upper 100 m of the waters surrounding South Georgia Island

2018/2019年夏季,浮標(biāo)開始進(jìn)入喬治亞海盆,混合層平均深度加深,達(dá)到62.40±24.55 m。與上一年度相似,POC儲(chǔ)量和NCP隨季節(jié)變化開始逐漸升高,NCP在2019年1月下旬達(dá)到第一個(gè)峰值,而POC儲(chǔ)量則在2018年12月后出現(xiàn)多個(gè)峰值,二者的季節(jié)性均值分別為691.62±158.92 mmol·m-2和4 591.86±316.12 mmol·m-2。

與NCP和POC儲(chǔ)量明顯不同,2018/2019年浮標(biāo)位于喬治亞海盆時(shí)測(cè)得的季節(jié)性POC輸出量明顯高于上一年,并在5月份達(dá)到峰值。通過對(duì)POC輸出量時(shí)間變率的估算,2018/2019年夏季的POC輸出通量達(dá)到45.29±5.40 mmol·m-2·d-1(r=0.92,p<0.05),而2017/2018年夏季僅為7.12±3.90 mmol·m-2·d-1(r=0.45,p<0.05)(圖6)。盡管兩個(gè)海域的Chl-a、POC儲(chǔ)量和NCP的季節(jié)性均值相差不多,但喬治亞海盆較高的POC輸出通量反映出該海域更強(qiáng)的碳泵效率,可能有諸多因素驅(qū)動(dòng)上層POC快速且穩(wěn)定地向下輸出。

圖6 南喬治亞島附近海域POC輸出量時(shí)間序列變化Fig.6 Time series of POC export in the waters near South Georgia Island(陰影部分表示2017/2018年和2018/2019年夏季;趨勢(shì)線分別為兩個(gè)夏季POC輸出量相對(duì)時(shí)間的變化趨勢(shì)。)(The shaded area represents the summer seasons of 2017/2018 and 2018/2019; the trend line shows the temporal variation of POC export)

3 討論

3.1 衛(wèi)星遙感與BGC-Argo觀測(cè)的Chl-a差異分析

由于南大洋高緯度海域易受太陽高度角和云層覆蓋等影響,導(dǎo)致大部分衛(wèi)星遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失,但前人研究表明,在Chl-a質(zhì)量濃度較低的南大洋開闊海域,走航與衛(wèi)星遙感觀測(cè)所分別獲取的Chl-a質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)之間具有很好的相關(guān)性[37-38]。為探究衛(wèi)星遙感觀測(cè)的Chl-a和BGC-Argo觀測(cè)結(jié)果之間的差異,將兩種手段獲取的表層Chl-a結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,剔除空白值后的衛(wèi)星遙感觀測(cè)值與BGC-Argo觀測(cè)值的相關(guān)性顯著(r=0.72,p<0.05)。當(dāng)混合層深度較淺時(shí)(如在南極半島東北部海域),衛(wèi)星遙感觀測(cè)到的Chl-a要略高于BGC-Argo觀測(cè)到的數(shù)據(jù);而當(dāng)混合層深度較深時(shí)(如喬治亞海盆),二者基本一致或衛(wèi)星遙感觀測(cè)的Chl-a略低(圖3)。斯科舍海[39]和南喬治亞島附近海域[40]的走航調(diào)查中均發(fā)現(xiàn)相似的結(jié)果,衛(wèi)星遙感觀測(cè)結(jié)果略微低估了高生產(chǎn)力時(shí)的Chl-a,而略微高估了低生產(chǎn)力時(shí)的Chl-a。

導(dǎo)致“低估”的原因很可能是在于觀測(cè)手段的時(shí)空尺度差異。衛(wèi)星遙感僅能探測(cè)海洋上層幾十米的Chl-a,并且易受云層等影響,而BGC-Argo卻能獲取整個(gè)水柱中高分辨率的Chl-a水平,這種差異是導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果不一致的主要原因。盡管KORB 等[40]發(fā)現(xiàn)南喬治亞島附近表層海水Chl-a質(zhì)量濃度與混合層Chl-a平均質(zhì)量濃度有良好的相關(guān)性,由于喬治亞海盆處混合層深度通常為50～150 m,基于BGC-Argo的數(shù)據(jù)能更為準(zhǔn)確地反映該海域Chl-a的時(shí)空分布特征,進(jìn)一步反映該地區(qū)的初級(jí)生產(chǎn)力水平。

3.2 喬治亞海盆區(qū)夏季浮游植物的旺發(fā)機(jī)制

前人針對(duì)喬治亞海盆區(qū)浮游植物季節(jié)性旺發(fā)現(xiàn)象已開展了大量的調(diào)查與研究[16-21,11,25],本文通過衛(wèi)星遙感和BGC-Argo兩種觀測(cè)手段均發(fā)現(xiàn)喬治亞海盆在夏季出現(xiàn)大量水華,說明該海域存在生物可利用鐵的維持或補(bǔ)給機(jī)制[41]。有研究表明,南喬治亞島以北的浮游植物水華現(xiàn)象,主要是源于島嶼附近大陸架的沉積鐵的補(bǔ)充。大陸架表層水體中溶解態(tài)鐵的濃度范圍為1.5～6 nmol·L-1,并由向北的羽狀流水平輸送至海盆區(qū)域[42-43]。喬治亞海盆表層水體中溶解態(tài)鐵的濃度范圍為0.5～2 nmol·L-1,基本不存在鐵限制的影響,此外,島嶼下游特有的表面環(huán)流模式也與浮游植物爆發(fā)的分布特征相近[19]。

最近的研究發(fā)現(xiàn)2017年11月—12月期間喬治亞海盆區(qū)的溶解態(tài)鐵濃度低于0.2 nmol·L-1,已處于鐵限制的狀態(tài),而顆粒態(tài)鐵和有機(jī)碳在水柱中存在著解耦現(xiàn)象,浮游植物持續(xù)水華所需的鐵可能主要來自于水柱中顆粒態(tài)鐵的再循環(huán)[25]?；旌蠈由疃容^深可能有助于真光層底部溶解態(tài)鐵重新補(bǔ)給到上層,這可能是喬治亞海盆出現(xiàn)多個(gè)Chl-a峰值的原因。南大洋的Chl-a出現(xiàn)雙峰或多峰的現(xiàn)象并非喬治亞海盆獨(dú)有,在南大洋的其他海域也有許多報(bào)道,如澳大利亞南部亞南極帶區(qū)域的雙峰現(xiàn)象[44]和凱爾蓋朗群島附近海域的雙峰現(xiàn)象[45]。本研究中喬治亞海盆的Chl-a呈現(xiàn)出多個(gè)峰值,主要集中在12月、1月和2月,甚至在3月和4月還出現(xiàn)了峰值(圖3),這種情況則可能是由鐵的供應(yīng)方式轉(zhuǎn)變?cè)斐?。此?硅藻的大量繁殖造成硅酸鹽的耗盡,也可能是造成這種多峰現(xiàn)象的原因[16]之一。

3.3 喬治亞海盆區(qū)的高POC輸出通量

通過比較上、下游的夏季POC儲(chǔ)量和NCP,發(fā)現(xiàn)二者均未表現(xiàn)出顯著差異(單因素ANOVA檢驗(yàn),p>0.05),而混合層深度則差異顯著(單因素ANOVA檢驗(yàn),p=0.006)。近年來,已有許多研究發(fā)現(xiàn)季節(jié)性混合層碳泵對(duì)海洋生物泵貢獻(xiàn)巨大[46-47],也有研究發(fā)現(xiàn)喬治亞海盆區(qū)的反氣旋渦與該處的高生產(chǎn)力有關(guān)系[48]。由于喬治亞海盆區(qū)夏季混合層平均深度明顯深于南極半島東北部海域(表1),且POC輸出量的增長(zhǎng)趨勢(shì)隨著時(shí)間變化相對(duì)穩(wěn)定(r=0.92,圖6),反映了喬治亞海盆上層POC具有持續(xù)向下層輸出的機(jī)制,可能與混合層碳泵有著密切關(guān)系。海盆區(qū)水柱中顆粒態(tài)鐵比有機(jī)碳具有更快的再循環(huán)效率[25],進(jìn)一步表明了上層水體的混合有利于鐵的循環(huán)補(bǔ)充和碳的向下輸出。MOIGNE 等[22]通過234Th∶238U不平衡法估算了喬治亞海盆2013年1月下旬100 m水深處的輸出碳通量約為22 mmol·m-2·d-1[22],略低于本文估算的結(jié)果,但該研究通過對(duì)比南喬治亞島上、下游的輸出通量和輸出效率,認(rèn)為喬治亞海盆具有HPLE的特征,表層高細(xì)菌活性和低糞便輸出是該區(qū)域發(fā)生HPLE的主要原因,這種解釋似乎又與其他人的研究結(jié)果相悖[49-50]。

喬治亞海盆高生產(chǎn)力主要來自于小型浮游植物(硅藻等)的貢獻(xiàn)[48],硅藻休眠孢子被認(rèn)為是上層POC向深海的高沉降通量的主要因素[24],與南大洋克羅澤群島天然鐵施肥區(qū)域的研究結(jié)果[51]相一致。最近的沉積物捕獲器觀測(cè)結(jié)果也顯示,該海域11月和12月的水柱中碳通量主要來自于浮游動(dòng)物糞便的貢獻(xiàn),而在1月則主要來自于硅藻休眠孢子的沉降[50]。通過沉積物捕獲器的觀測(cè)對(duì)比了南喬治亞島上游(威德爾海北部)和下游(喬治亞海盆)深海的有機(jī)碳通量,也發(fā)現(xiàn)了喬治亞海盆區(qū)的碳通量(40.6 mmol·m-2·a-1,水深2 000 m)要高于威德爾海北部(26.4 mmol·m-2·a-1,水深1 500 m)[24]。BELCHER 等[52]在喬治亞海盆區(qū)通過沉積物捕獲器獲知2018年12月400 m和2 000 m水深的POC輸出通量分別為3.81 mmol·m-2·d-1和3.62 mmol·m-2·d-1,據(jù)此可估算出Martin衰減系數(shù)b為0.82,低于全球均值0.86[53],表明POC向下輸送具有更高的效率。這些研究均顯示喬治亞海盆的生物泵運(yùn)轉(zhuǎn)效率較高。

GIERING 等[54]基于沉降微粒的POC含量和沉降速率,估算了2017年春末夏初時(shí)南喬治亞島周圍海域的POC輸出通量為0.2～135.2 mmol·m-2·d-1,其變化范圍高達(dá)4個(gè)量級(jí),表明有機(jī)碳通量的觀測(cè)存在一定偶然性。本文結(jié)果反映了整個(gè)夏季的POC輸出通量受短時(shí)間尺度的物理-生物-化學(xué)過程影響較小,可以更準(zhǔn)確地反映區(qū)域性和季節(jié)性POC輸出通量。南大洋存在HPLE現(xiàn)象似乎是有一定的時(shí)間局限性,不足以反映整個(gè)生物泵的真實(shí)狀況,尤其是在季節(jié)性更強(qiáng)的極地海域。因此,覆蓋時(shí)間尺度更長(zhǎng)的BGC-Argo數(shù)據(jù),可以更為準(zhǔn)確地評(píng)估海洋生物固碳的能力。

4 結(jié)論

本文利用南極南喬治亞島附近海域的BGC-Argo所獲取的數(shù)據(jù)資料對(duì)該海域浮游植物旺發(fā)特征進(jìn)行了分析,并估算了POC輸出通量,得到以下結(jié)論:1)南喬治亞島上游(南極半島東北部)和下游(喬治亞海盆)海域Chl-a均呈現(xiàn)出很強(qiáng)的季節(jié)性特征,可能是由于島嶼陸架沉積物鐵源的持續(xù)供應(yīng)和補(bǔ)給;2)在南極半島東北部和喬治亞海盆的POC儲(chǔ)量和NCP差異不大的條件下,兩個(gè)海域的夏季POC輸出通量分別為7.12±3.90 mmol·m-2·d-1和45.29±5.40 mmol·m-2·d-1,喬治亞海盆區(qū)域更高的季節(jié)輸出通量可能是由于混合層加深而造成的;3)結(jié)合同期的沉積物捕獲器觀測(cè)結(jié)果,估算喬治亞海盆的Martin衰減系數(shù)b為0.82,表明該區(qū)域具有更高的生物泵效率,與前人認(rèn)為研究海域存在HPLE現(xiàn)象的結(jié)論有所不同,表明覆蓋了整個(gè)浮游植物生長(zhǎng)季節(jié)的BGC-Argo可更準(zhǔn)確地量化與評(píng)估海洋生物地球化學(xué)過程和固碳能力。

致謝衷心感謝兩位匿名審稿專家和期刊編輯對(duì)本文提出的寶貴意見。本文所使用的BGC-Argo數(shù)據(jù)是由南大洋碳和氣候觀測(cè)與建模(SOCCOM)項(xiàng)目收集并免費(fèi)提供的,該項(xiàng)目由美國國家科學(xué)基金會(huì)極地計(jì)劃(NSF PLR-1425989和OPP-1936222)資助,并得到NASA、國際Argo計(jì)劃和NOAA的支持。其中,Argo計(jì)劃是全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)的一部分(http://www.argo.ucsd.edu,http://argo.jcommops.org)。