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1、第 13 卷第 3期极地研究Vol. 13,No. 32001 年 9 月CHINESE JOU RNAL OF POLAR RESEARCHSeptember 2001研究论文夏季南极普里兹湾碳的生物地球 化学循环: POC 的分布特征a扈传昱 张海生 潘建明 陈志强 刘小涯 卢勇( 国家海洋局第二海洋研究所海底科学重点实验室, 杭州 310012)提要 在中国第 15次南极考察期间对普里兹湾的颗粒有机碳(POC) 进行了研究。 结果表明: 夏季普里兹湾POC表层含量在 94. 20- 1124. 00L g/L, 平均 279. 11Lg/L,POC含量由湾内向湾外递减。湾内平均含量 52
2、7. 14L g/L, 湾外平均含量 171. 72L g/L, 湾内POC 含量远远大于湾外。 断面分布表明水体上层POC含量高于底层含量, 在 100m附近含量达到最低, 且变化显著。POC与叶绿素 a 的高度相关性(r= 0. 889, n= 91) 表明普里兹湾 POC 主要由 POCB组成即主要来自于浮游植物的贡献。POC/chl a值为 110. 33 与Ross海相近, 但高于太平洋等海域。POC与DIN、PO43-之间均呈现良好的负相关, 相关系数分别为- 0. 607、 - 0. 486 (n= 86) 。关键词 POC 叶绿素 a 营养盐 普里兹湾1 前言大气中二氧化碳等温
3、室效应气体的增加以及随之产生的气候效应, 是当今人类面临的重大全球环境问题, 由此引发科学界对全球碳循环研究的重视。 海洋中的有机碳是全球 最大的碳储库之一, 主要包括溶解有机碳( DOC) 以及颗粒有机碳( POC) 。大气中的 CO2溶于水后因各种物理、 化学和生物过程相互作用, 转化成颗粒物, 一般包括海洋中有生命和无生命的悬浮颗粒和沉积物微粒, 其中的活物质主要是浮游植物。 通常在表层海水中颗粒有机物主要由生物碎屑( 死亡生物体) 、 浮游动植物和鱼类组成。 这些颗粒物质一部分会沉积到海底, 另一部分则被微生物消耗后重新转化成 CO2。 虽然颗粒有机碳仅是溶解有机 碳的1/ 8 左右,
4、 但在全球碳循环中的作用却非常显著( 徐立, 洪华生, 1995; Richard et al. ,1992; Gregory et al. , 1999; David et al. , 1989) 。由于南大洋生态系统碳等生源要素在全a 收稿日期 2001 年 4 月收到来稿, 2001 年 6 月收到修改稿。 基金项目 国家重点基金项目( 49836010) 及九五攻关项目“ 98-927-02” 专题中“ 95-02-04/ 06” 课题资助。 作者简介 扈传昱, 女, 1973 年生。现为国家海洋局第二海洋研究所实习研究员, 主要从事海洋化学研究。球生物地球化学循环中起着举足轻重的作用
5、, 因此研究南大洋海域 POC 的来源以及迁移 转化, 对揭示南大洋作为大气CO2源或汇的作用意义显著。本文结合第15次南大洋科学考察资料, 对夏季南极普里兹湾 POC 的含量与分布进行初步研究。2 研究海区和取样站位研究海区位于普里兹湾及以北邻近海区, 于 1998 年 11 月- 1999 年 4 月中国第 15次南极科学考察期间, 在普里兹湾、 断面采取了 POC 的样品, 站位图见图 1。图 1 POC 采样站位图 Fig. 1. The sampling stations.3 样品处理与分析方法采集的海水样品经 Whatman GF/ F 膜( 预先 500 C 灼烧 4h) 过滤,
6、 在- 20 C 下保存回实验室分析。分析前先用浓 HCl 熏蒸 12h 以除无机碳, 60干燥 2h 后用 Carbo-ErbaEA 1110 CHN 元素分析仪测定 POC。海水样品先通过 200Lm 的网筛, 用 GF/ F 膜在低于 0. 5 个大气压下过滤 300- 500ml, 用T urner Designs 10-005R 荧光光度计和萃取荧光法测量叶绿素 a。无机营养盐按照 海洋监测规范 ( 1992) 要求进行。196极地研究 第 13卷4 结果与讨论图 2 断面温度(a) 、 盐度(b)Fig. 2.T he temperature(a)and salinity(b)of
7、 section.4. 1 水文条件南大洋表层温度的分布状况主要取决于太阳辐射、 融冰以及气象、 海流的时空变化,下层主要取决于水团配置、 海流等因素。 图 2a 是断面温度图, 整体上温度的变化是普里197第 3 期 扈传昱等: 夏季南极普里兹湾碳的生物地球化学循环:POC的分布特征兹湾内温度最高, 由湾内向湾口逐渐降低并达到最低, 其后由湾口向湾外部的开阔海域逐 渐增高, 平均为- 0. 98 。 25m 层温度分布与表层相比温度相近略有降低, 范围- 1. 84-1. 84, 平均- 1. 21。50m 层与表层相比则明显降低, 50m 层温度均在 0以下, 范围- 1. 88- - 0
8、. 90, 平均- 1. 59, 湾外有一簇由东向北逐渐降低的温度峰, 温度值高于 湾口, 与湾内相近。 100m 层、 200m 层与 500m 层温度与表层相比有明显不同, 湾内温度明显低于湾外, 湾外部温度达到 0以上, 三层的平均温度分别为- 1. 09、 - 0. 98、 0. 23,且湾外部温度随深度增加有上升的趋势。到了 1000m 层, 湾内温度上升到 0以上, 平均0. 91, 总体上仍低于湾外部。断面温度的变化与断面类似。 盐度的变化与温度相比较为简单( 图 2b) , 测区大部分站位盐度值在 33. 00- 33. 99之间, 属于低盐, 表明表层海水受海冰融化稀释影响。
9、与表层温度的水平分布类似表层盐度值也是由湾内部向湾口降低, 达到最低值后由湾口向湾外部的开阔海域逐渐升高。在 25m 层盐度明显表层升高, 整个海湾盐度值在 33. 60- 34. 44 之间平均值为 34. 02, 分布趋势由北向南逐渐增加。50m 层、 100m 层、 200m 层分布与变化趋势类似, 总体上讲湾内与湾外盐度值差异已不是非常明显, 50m 层变化范围在 33. 93- 34. 45, 平均 34. 24, 100m层变化范围在 34. 28- 34. 57, 平均 34. 41, 200m 层变化范围 34. 36- 34. 66, 平均 34. 49。 到了500m 与1
10、000m 层盐度分布, 由湾内向湾外开阔海域逐渐升高。 由于深层盐度的平面分布几乎被海流支配, 然而深层等深面上各测站盐度变化不大, 实际被视为等盐度状态。4. 2 POC 含量与分布图 3a 是第 15 航次普里兹湾及其邻近海域表层 POC 的水平分布图。由图可知, POC 在表层的分布有一个明显的趋势, 就是由湾内向湾外逐渐降低。POC 最高含量出现在-14 站位 1124. 00Lg/ L, POC 最低含量出现在-9 站位 62. 86L g/ L。普里兹湾及其邻近海域表层 POC 平均含量为 279. 11Lg/ L, 湾内平均含量 527. 14L g/ L, 湾外平均含量171.
11、 72Lg/ L, 湾内POC 含量远远大于湾外。 总体上讲表层 POC 含量随纬度的变化与叶绿素a 基 本一致, 、 断面表层叶绿素a 的水平分布见图 3b。 从开阔海域到海冰区再到普里兹湾冰穴逐渐增加。为了探讨生物有机碳( POCB) 和碎屑有机碳( POCD) 对总 POC 的贡献, 对叶绿素 a 与 POC 进行线性分析。结果表明, 表层 POC 与叶绿素 a 有非常好的正相关, 相 关系数为 0. 93( n= 18) , 由此可知在表层 POC 主要来源于浮游植物。在普里兹湾湾外POC 含量远远小于湾内, 表明湾外浮游植物生产远小于湾内。 表层POC 的分布与温度亦有一定的相似,
12、表明夏季温度逐渐升高而导致浮游植物的生长旺盛, 从而影响 POC 含量 的变化。普里兹湾及其邻近海域 POC 在垂直分布上有明显不同, 在开阔海区由于混合深度大, POC 高浓度可深至 100m, 在浮冰区大约只在 50m, 在固定冰处 POC 高含量只集中在表层几米处。 这种垂直分布在几个站的POC 垂直分布图( 图4) 中十分明显。 POC 含量到 一定深度后迅速降低, 这是由于发生有机碳大量的溶出或降解而造成的。图 4 同时给出了叶绿素 a 的垂直分布情况, 可知在普里兹湾 POC 的这种垂向分布与叶绿素 a 的分布基本相同, POC 的高值点与低值点与叶绿素 a 的高值点与低值点基本上
13、 相对应, 而湾外的开阔海域的-2 与-2 站 POC 与叶绿素 a 的垂向分布略有不同。 在湾内叶绿素a 的含量明显高于湾外开阔海域, 表明湾内光合作用较湾外开阔海域强, 由此可198极地研究 第 13卷图 3 表层 POC( a)、 叶绿素 a( b) 的平面分布图( 单位: Lg/ l) Fig. 3. T he distribution of the surface POC( a) and chl a( b).推断在开阔海域浮游植物对 POC 的贡献比湾内小。199第 3 期 扈传昱等: 夏季南极普里兹湾碳的生物地球化学循环:POC的分布特征图 4 、 断面POC(a) 、 叶绿素a(
14、b)垂向分布( 单位:Lg/l) Fig. 4.T he POC(a)and chl a(b)profile of sectionand.4. 3 POC 与叶绿素 a 以及营养盐的关系总体上讲普里兹湾 POC 与叶绿素 a 有较好的相关性, 图 5 是 POC 与叶绿素 a 的相 关关系图, 二者的相关方程为 POC= 117. 82 chl a+ 11. 651( n= 91, r= 0. 889) , POC 与chl a 的斜率为 117. 33, 表明普里兹湾的浮游生物富含碳。POC 主要由活体生物有机碳 ( POCB) 组成, 设 chl a 为零, 由回归方程外推可得无生命的碎屑
15、有机碳( POCD) 的含量仅为11. 651Lg/ l。Redfield et al. ( 1963) 在培养皿中测得浮游植物的 POC/ chl a 比值为 35,Finenko et al. ( 1977) 在太平洋 0 - 150 W 发现了较低的浮游植物的 POC/ chl a 比值 25 - 36 之间( 表 1) , Richard et al. ( 1992) 报道了 1988 年 3 月在太平洋 0 - 150 W 处 POC/200极地研究 第 13卷chl a 比值为 58, 较 Finenko et al. ( 1977) 的比值高。而 Smith et al. ( 1
16、996) 在 Ross 海的POC/ chl a 比值为 116- 150。本文所得普里兹湾及邻近海域 POC/ chl a 比值与 Ross 海 相近。 就 POC 与叶绿素a 的相关性来看, 普里兹湾及邻近海域的 POC 主要与浮游植物的生长有关。图 5 POC 与叶绿素 a 关系图 Fig. 5.The relationship between POC and chl a.表 1 普里兹湾 POCchl a(w/w)值与其他海域比较 Table 1. The value of POCchl a (w/w) in Prydz Bay and in other area.海区POCchl a( w/ w)参考文献普里兹湾海区118本文Ross 海116- 150Smith et al. ( 1996)太平洋 0 - 150 W25- 36Finenko et al. ( 1974)太
