西北太平洋楚科奇海沉积物-水界面营养盐输送通量估算.pdf

第卷 第期海 洋 学 报 ， 年月 张海舟， 庄燕培， 朱庆梅， 等西北太平洋楚科奇海沉积物水界面营养盐输送通量估算海洋学报，（） ：， ： - Z ，Z ，Z ， - ， ，（） ：，： - 西北太平洋楚科奇海沉积物水界面营养 盐输送通量估算 张海舟， 庄燕培， 朱庆梅， 李宏亮 * ， 刘小涯， 陈法锦， 卢勇， 陈建芳 （国家海洋局 第二海洋研究所 海洋生态系统与生物地球化学重点实验室， 浙江 杭州；广东海洋大学 广东 省近海海洋变化与灾害预警技术重点实验室， 广东 湛江） 收稿日期： - - ； 修订日期： - - 。 基金项目： 国家自然科学基金（，） ； 南北极环境综合考察与评估专项（，） ； 极地科学战略研究基金 （） 。 作者简介： 张海舟（） ， 男， 山东省烟台市人， 主要从事海洋生物地球化学研究。 - ： *通信作者： 李宏亮（） ， 男， 副研究员。 - ： 摘要：陆架区沉积物间隙水的营养盐再生是水体营养盐补充的重要途径之一。楚科奇海陆架区中部沉积 物间隙水中的营养盐分布， 是物理和生物扰动较弱状态下的沉积物水界面的典型分布。本文对中国第 次北极科学考察采集的个多管短柱沉积物样品及多管样站位的上层水样进行分析， 得到沉积物间隙水、 上覆水以及水柱中营养盐数据。结果表明， 沉积物间隙水各营养盐浓度均先随沉积深度增加而呈指数快速 升高， 记为层； 然后进入沉积物再矿化作用与营养盐移出速率相互抵消的稳定变化层， 营养盐浓度在该阶段 基本不变， 记为层； 最后是营养盐缓慢递减层， 记为层， 由于该层有机质降解作用耗尽氧气， 和 被还原细菌利用而失去氧离子。通过双层模式和第一扩散定律， 计算得出楚科奇海沉积物水界面硅 酸盐、 磷酸盐和硝酸盐的扩散通量分别为 （） （ 以计量） 、 （） （ 以计 量） 、 （） （ 以计量） （ 以站为例） 。四个调查站位沉积物中硅酸盐的扩散通量分别为 （） （ 以计量，站） 、 （） （ 以计量，站） 、 （） （ 以计量，站） 、 （） （ 以计量，站） ， 含量呈现明显的纬度分布特征。沉积物间隙 水N*的分布表明， 楚科奇海沉积环境具有很强的反硝化过程， 沉积物脱氮作用是硝酸盐一个重要的汇。 关键词： 生物硅； 沉积物水界面； 输送通量； 楚科奇海 中图分类号：； 文献标志码：文章编号： - （） - - 1 引言 楚科奇海营养盐储量和分布的控制因子包括水 团输送、 河流输入、 垂直混合以及海冰融化。由于楚 科奇海非常浅且范围有限， 太平洋入流是楚科奇海营 养盐状况的主要控制因素 ， 河流输入、 垂直混 合 对于楚科奇海营养盐来源具有重要贡献， 海冰 融化释放的无机氮和金属元素对表层水体有一定的 补充 。此外， 沉积物间隙水中营养盐的再生和向 水体的扩散也是水体营养盐补充的重要途径之一。 尤其对于像楚科奇海这样的陆架海域， 沉积物间隙水 向上覆水体输送营养盐在生源要素循环和生态系统 结构中起着相当重要的作用。沉积物水界面是水 体和沉积物两相组分组成的环境边界， 此处存在着典 型的生物地球化学过程， 在一定水深和缺氧条件下发 生反应， 并且都伴有有机质和微生物细菌的间接或直 接的参与 ， 是营养盐输送的重要媒介。沉积物水 界面下有机质的矿化作用是早期成岩的主要过程， 向 沉积物间隙水中释放营养物质， 往往使间隙水中营养 盐浓度高于上覆水体， 之后通过生物扰动、 分子扩散 等过程进行交换或迁移 。楚科奇海陆架区沉积物 中发生的强烈反硝化作用， 尽管表现为迁出， 但是 从沉积物间隙水输送的 补偿了部分迁出， 其通 量不容忽视 。沉积物间隙水输送的 通量分 布表明， 其最高值出现在陆架坡折区， 并随离岸距离 的增加而指数降低 。 等 对西北冰洋陆架沉积物中发生的反硝 化作用进行了研究， 发现楚科奇海沉积物间隙水 输送通量有显著地空间变化。继此之后， 鲜有研究分 析楚科奇海沉积物间隙水营养盐输送通量 ， 尤其 是对硅酸盐输送通量的研究。中国第次北极科学考 察期间（年月） 在楚科奇海采集了个站位 的水柱和沉积物间隙水的营养盐样品， 分析探讨沉积 物间隙水中营养盐的分布与上层水体中的营养盐分布 的关系， 推算沉积物水界面的营养盐扩散通量， 进而 着重研究楚科奇海硅酸盐的生物化学过程。 研究海区和实验方法 1 研究海区概况 楚科奇海位处于楚科奇半岛、 阿拉斯加半岛和弗 兰格尔岛之间， 形似倒三角， 纬度跨越 ， 是北 冰洋的陆架边缘海， 陆架区水深较浅， 平均水深约 ， 面积约 ， 约占北冰洋陆架面积的 ， 同时也是北冰洋和太平洋之间物质和能量交换 的重要纽带。穿过白令海峡的太平洋水分成股流 经楚科奇海（ 图） ， 东侧是高温低盐的阿拉斯加近岸 流（W） ， 西侧是低温高盐的阿纳德尔流（W） ， 中 间是水体介于两者之间的白令海陆架流（） 。此外 还有通过 进入楚科奇海的东西伯利亚 流， 它对楚科奇海水体的营养盐也有一定的影响。楚 科奇海陆架每年有个月被冰封覆盖着， 冬季冰 封期间生产力相对较低， 而夏季融冰时期则表现出很 高的生物生产力。 本文研究中采用的个多管短柱沉积物来源于 中国第次北极科学考察中的个考察站、 和（ 图） ， 水深分别为 、 、 和 。样品采用多管取样器（ - ） 进行采集， 为沉 积物短柱样。先收集沉积物上覆水并用 滤膜过滤后测定其营养盐， 短柱样在现场分割， 以 为间隔而 到底端以 为间隔进 行分割并离心（ ， ） ， 取上清液测定 其营养盐。同时还采集了多管样站位的上层水样， 用 于分析水柱营养盐。 实验方法 三部分营养盐样品（ 水柱中营养盐、 上覆水和沉 积物间隙水中的营养盐） 的硝酸盐、 磷酸盐和硅酸盐， 均由营养盐自动分析仪分析测定。分析方法 参考依据等 - 图 楚科奇海多管短柱采集及区域海流分布图 - 海洋学报 卷 和 营养盐自动分析仪操作手 册 ， 硝酸盐、 硅酸盐标准偏差小于， 磷酸盐标准偏 差小于。 其中， 海水样品采集后立即经 醋酸 纤维膜过滤之后， 滤液低温（ 低于 ） 冷藏保存， 在 内完成测定分析。上覆水样品经过滤后可直接 采用营养盐自动分析仪进行测定， 而沉积物间 隙水中营养盐浓度均非常高， 需在实验室中经超纯水 （ ） 稀释处理后， 再采用营养盐自 动分析仪进行测定， 操作过程和标准曲线与水柱中营 养盐一致。 3 结果 3 1 水柱营养盐的垂直分布特征 个调查站位水体盐度及营养盐（ 硝酸盐、 磷酸 盐和硅酸盐） 的垂直分布情况如图所示。总体来 看， 上层水营养盐浓度低， 深层水营养盐浓度高。营 养盐在 层以浅水体中几乎处于耗尽状态， 以深水层随深度增加浓度逐渐增加。营养盐在 底层均出现高值， 且其浓度和上覆水中基本一致。楚 科奇海南部的站位跃层明显而且较浅， 在水深 左右； 位于楚科奇海中部的站位跃层在水 深 左右， 而其磷酸盐跃层并不明显； 靠北端的 站位硝酸盐跃层在水深 左右， 而磷酸盐和 硅酸盐跃层不明显； 位于陆坡区的站位营养盐分 布与其他站位有所不同， 跃层相对较深， 在水深 左右， 这可能与其处于陆坡区且水深较深有关。 调查站位硝酸盐分布基本一致， 表层耗尽， 在约 层出现硝酸盐的跃层， 而底层硝酸盐浓度 基本在 之间，站位底层硝酸盐浓 度相对较低， 约 ， 底层硝酸盐值浓度也为其 水柱最大值； 靠近楚科奇海南部的站位存在明 显的磷酸盐跃层， 其他个站位变化不明显， 表层均 在 之间，和站位底层磷酸 盐浓度约 ，和站位底层磷酸盐浓 度约 ，站位在 存在磷酸盐浓度 极大值， 其他站位底层为最大值； 硅酸盐表层均基本 耗尽， 在 之间， 底层和相对 较高， 在 之间，和相对较低 在 之间，站位在 层存在较弱 的硅酸盐极大值（ ） ， 可能为冬季白令海 陆架水的贡献 。 3 沉积物间隙水中营养盐的垂直分布特征 3 .1 楚科奇海陆架区沉积物间隙水中硝酸盐 （ ） 及磷酸盐（ ） 的垂直分布 以站为例， 其营养盐的分布（ 图） 与沉积物 水界面处于较弱的物理和生物扰动状态下的典型 分布特征类似， 即营养盐均在靠近沉积物水界面处 有明显的浓度梯度， 随深度增加， 溶解态营养盐分布 呈现指数增加， 随后逐渐达到一个趋于稳定的浓 度 。如图 所示， 依据营养盐浓度梯度， 沉积物间 隙水中的营养盐随深度变化可以划分为个阶段： 指 数增加层（ 层） ，项营养盐的浓度均随着沉积深度的 变深快速升高； 稳定变化层（ 层） ， 营养盐浓度在该阶 段基本不变， 表明其沉积再矿化作用与营养盐移出速 率相互抵消； 缓慢递减层（ 层） ， 由于有机质降解作 用耗尽氧气， 和 被还原细菌利用而失去 氧离子。 站位沉积物间隙水中营养盐在 层 处于指数增加层（ 层） ， 变化幅度呈现硝酸盐大于磷 酸盐， 表层营养盐含量分别为 （ ） 、 （ ） ； 为稳定变化层（ 层） ， 硝酸盐 浓 度 接近 ， 而 磷酸 盐 浓度 约 ； 层以深至 营养盐呈现缓慢递减 趋势（ 层） ， 硝酸盐浓度含量近， 磷酸盐浓 度约 。 3 . 楚科奇海陆架区沉积物间隙水中溶解态硅酸 盐（ ） 的垂直分布 调查站位沉积物间隙水中溶解态硅酸盐分布： 陆 架区站位（、和） 总体分布相似， 且符合沉 积物水界面处于较弱的物理和生物扰动状态下的 典型分布特征， 均呈现表层含量最低， 沿间隙深度快 速增加的规律， 硅酸盐含量在 左右的层位达到 最大值（） （ 图、） 。而后硅酸盐 浓度随深度增加缓慢降低；位于陆坡区， 其沉积 物间隙水中硅酸盐分布表现不同， 随深度增加递增， 含量变化幅度相对较小， 没有稳定阶段的存在。陆架 区沉积物间隙水中溶解态硅酸盐总含量呈现由南向 北递减的趋势， 即从高到低分布依次为站、 站、站， 其中站和站含量接近。 沉积物间隙水中的营养盐均表现出由表层向下 逐渐增加的现象， 越接近沉积物表层营养盐含量越 低； 而水体中由上向下越接近沉积物表层营养盐含量 越高， 说明沉积物表层中的营养盐再生， 向上层水体 贡献了一定量的营养盐。 期 张海舟等： 西北太平洋楚科奇海沉积物水界面营养盐输送通量估算 图 楚科奇海个站位（、） 水柱营养盐浓度垂直分布 ， 海洋学报 卷 图 楚科奇海陆架区水柱（，） 和沉积物间隙水中（，） 硝酸盐及磷酸盐浓度垂直分布 （ 上覆水和水柱营养盐共x轴） （，） - （，） （ x ） 讨论 1 沉积物水界面营养盐输送通量估算方法 沉积物水界面的生物地球化学过程是指新近 沉降的沉积物（ 左右） 与水界面及其附近发生 的在生物参与下的物理和化学反应， 包括氧化和还 原、 溶解和沉淀、 吸附和解吸、 迁移和转化、 扩散和埋 藏、 细菌生化反应及生物扰动等作用 。在微生物 作用、 有机质矿化降解和沉积物中各种早期成岩作用 下， 沉积物间隙水中营养盐与上层水体进行交换。沉 积物水界面的营养盐扩散通量是据沉积物水界 面双层模型理论计算得出的， 双层包括界面之上受到 生物扰动的区域和界面下方未受到扰动的区域。 沉积物水界面的营养盐扩散通量计算依据 第一定律 ： J * C （ ） z DT，（） 式中，J * 表示沉积物水界面的扩散通量；表示沉 积物水界面； 表示沉积物表层 层的平均孔 隙度（ ） ， 采用和 的含水率 （） 计算得出站位、和的孔隙度分 别为 、 和 ，站位由于缺少合适的含 水率数据， 所以直接引用和 在楚科奇 海陆架区站附近的数据； C （ ） z 表示沉积物 界面浓度梯度， 可以采用沉积物表层（ ） 间隙 水中营养盐的含量与上覆水中营养盐含量的差值进行 估算 ； DT为沉积物总扩散系数， 由D估算而得 ： DD m， （） 式中， D代表任意溶剂的分子扩散系数 ； m是经验常 数， 时，m值在 之间， 时，m。 期 张海舟等： 西北太平洋楚科奇海沉积物水界面营养盐输送通量估算 图 楚科奇海陆架区水柱（） 和沉积物间隙水（） 中硅酸盐浓度垂直分布 （） - （） ， 海水中硅酸盐的分析扩散系数D为 ， 而海水中磷酸盐和硝酸盐的分子扩散系数 D是与温度有关的函数 ： D（）（ t）， （） D（）（ t）， （） 式中， t为近海底温度， 单位为。 估算楚科奇海陆架区沉积物水界面硝酸盐及 磷酸盐的输送通量 本文采用第一定律结合沉积物水界面双 层模型理论， 同样以站为例， 计算出了站位 磷酸盐和硝酸盐的沉积物水界面扩散通量（ 表） 。 硝酸盐的扩散通量与和 在楚科奇海 陆架区测得的数据 （） （ 以 计算） 基本吻合， 略高于等 在楚科奇海东 陆架区测得的数据 （） （ 以 计算） ， 而磷酸盐扩散通量略低于等 在楚 科奇海东陆架区测得的数据 （） （ 以计算） 。 表 1 楚科奇海陆架区（R站） 沉积物水界面磷酸盐与硝酸盐扩散通量 Tab 1 Fluxes of nitrate and phosphate at sediment - water interface on the Chukchi Sea shelf 营养盐 DDJ 注：J为正值表示营养盐由沉积物向水体中输送。 从通量计算结果可以看出， 沉积物中硝酸盐与磷 酸盐扩散通量的原子比值为， 低于 等 在渤海海域测定的沉积物中硝酸盐与磷酸 盐扩散通量的原子比值， 即楚科奇海沉积物为 上覆水体提供的硝酸盐低于渤海海域。 3 N *指示沉积物中反硝化作用 N *可用于评估大洋水体的硝化和反硝化作用， 这一参数由和在年提出， 按照 公式N*c（ ）c（ ） 计 算得到N*含量 ， 其中常数 是全球海洋反硝 海洋学报 卷 化作用的平均亏损值， 该参数表示全球平均N*设定 为； 因子 代表扣除反硝化作用过程中有机质释 放磷酸盐的影响。N*值越偏向正值表示硝化作用强 于反硝化作用， 越偏向负值表示反硝化作用越强。 楚科奇海陆架区水柱和沉积物间隙水中N*剖 面分布如图所示， 水柱中和沉积物间隙水中N*均 为负数（ 陆坡区站位 和 层为正值， 间隙水中N*的绝对值远大于水柱中N*的绝对值， 即间隙水中N*比水柱中负得多（ 小个数量级） ， 说明间隙水中反硝化作用强于水柱中。水柱中N* 基本在之间， 陆架区N*随深度增加， 陆坡 区出现极大值， 两者有所差异。水体中N*偏负可能 是源于融冰的影响。间隙水中N*负值均表现为随 深度先增后减， 陆架区极值层浅于陆坡区。个站位 沉积物间隙水中N*的平均值分别为 （ 站） 、 （站） 、 （站 ）和 （站） ， 差异显著，站位反硝化作用最 强，站位最弱， 而和站位基本接近， 但都 表示出强的反硝化作用。等 、 和 的调查研究结果显示， 陆架沉积物和海冰包 裹的卤水是西北冰洋脱氮作用的主要区域。 图 楚科奇海陆架区水柱（） 和沉积物间隙水（） 中N*值的垂直分布 N* （） - （） ， 估算楚科奇海陆架区沉积物水界面硅酸盐的 输送通量 楚科奇海区调查站位沉积物水界面硅酸盐扩 散通量如表所示，个站位沉积物中生物硅均表现 出强的源特征， 即由沉积物中向上覆水中大量输送硅 酸盐。此外， 各站位之间硅酸盐的输送通量存在明显 的区域差异， 其中站位最高，站位最低， 整体 表现为随纬度增高而降低的趋势。 与其他海域（ 表） 相比， 楚科奇海陆架区沉积物 水 界 面 中 硅 酸 盐 的 扩 散 通 量 与等 在 海陆架采集的沉积物的培养实验结果 （） 基本吻合， 略高于近海海域和 南大洋以及北大西洋沉积物中硅酸盐的扩散通量， 这 与楚科奇海生物生产力中硅藻等硅质生物的绝对优 势是分不开的 ； 明显高于北冰洋陆架沉积物中硅 酸盐的扩散通量， 这与北冰洋高纬度的海冰覆盖以及 硅质生物数量减少有关； 远低于东太平洋陆架区沉积 物中硅酸盐的扩散通量， 这也可能与两者海域的硅质 期 张海舟等： 西北太平洋楚科奇海沉积物水界面营养盐输送通量估算 生产力不同有关。此外， 楚科奇海陆架区沉积物中硅酸盐的扩散通量表现出较大的变化范围。 表 楚科奇海陆架区沉积物水界面硅酸盐的扩散通量 Tab Silicate flux at sediment - water interface on the Chukchi Sea shelf 站位深度 DJ 注： 海水中硅酸盐的分析扩散系数D为。 表3 楚科奇海陆架区及其他海域沉积物水界面硅酸盐扩散通量比较 Tab 3 Comparison of silicate flux at sediment - water interface on the Chukchi Sea shelf with other sea areas 研究区域 扩散通量 数据来源 渤海 等 黄、 东海 戚晓红等 南大洋 扈传昱等 南大洋 北大西洋 Z等 东太平洋陆架 北冰洋陆架 等 楚科奇海 本研究 从通量计算结果可以看出， 楚科奇海陆架区沉积 物硅酸盐、 磷酸盐和硝酸盐的扩散通量均为正值， 说 明在该区域沉积物中营养盐再矿化后， 基本都是由沉 积物向水体输送的， 即楚科奇海陆架区沉积物是水体 营养盐的源。并且， 根据沉积物中各营养盐扩散通量 的原子比值 （ 以站为 例） ， 硅酸盐的扩散通量远远高于硝酸盐的扩散通量， 而硝酸盐的扩散通量又是磷酸盐的倍。相对硝酸 盐和磷酸盐， 硅酸盐表现出非常高的再生率。 结论 （） 沉积物间隙水中的营养盐随深度变化可以划 分为个阶段： 指数增加层（ 层） ，项营养盐的浓度 均随着沉积深度的变深快速升高； 稳定变化层（ 层） ， 营养盐浓度在该阶段基本不变， 表明其沉积物再矿化 作用与营养盐移出速率相互抵消； 缓慢递减层（ 层） ， 由于有机质降解作用耗尽氧气， 和 被 还原细菌利用而失去氧离子。 （） 沉积物间隙水N*的分布表明， 楚科奇海沉 积环境具有很强的反硝化过程， 沉积物脱氮作用是硝 酸盐一个重要的汇。 （） 楚科奇海硅酸盐、 磷酸盐和硝酸盐的沉积物 水界面扩散通量分别为 （） ， （） ， （） （ 以 站为例） 。楚科奇海沉积物是营养盐的源， 原子比值 为 显示沉积物中生物硅 再矿化产生的硅酸盐对楚科奇海硅酸盐含量的贡献 非常高。个调查站位沉积物中硅酸盐的扩散通量 分别为 （） （站） 、 （） （站） 、 （） （站） 、 （） （站） ， 含量呈现明显的纬度 分布特征。 致谢： 感谢年中国第四次北极科学考察期间全 体“ 雪龙” 号船员和科考队员的无私帮助。 海洋学报 卷 参考文献： ， W， ， - ，： ， ， ： ？W ，（） ： ， ， W， ，（） ： ，Z Z， （，） ， ： ， ， ， - 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