春季北部灣北部海域顆粒有機(jī)物的碳、氮同位素組成

何映雪，林 峰，陳 敏，張 潤，楊偉鋒，鄭敏芳，邱雨生

(廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院，福建 廈門 361102)

碳、氮穩(wěn)定同位素常被用于海洋生態(tài)系統(tǒng)食物鏈營養(yǎng)等級的分析、有機(jī)物來源與歸宿的確定以及消費(fèi)者食物來源組成等方面的研究中[1-2]，其應(yīng)用前提在于不同來源有機(jī)物的碳(13C/12C)、氮(15N/14N)同位素比值具有特異性．然而，有機(jī)物的同位素組成除受來源影響外，還受到海洋生物地球化學(xué)過程的影響[3-4]．準(zhǔn)確掌握海洋生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物碳、氮同位素組成的分布特征及其影響因素，是將其應(yīng)用于海洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)．海水中的顆粒有機(jī)物主要由陸源碎屑和生源顆粒構(gòu)成，是海洋生態(tài)系統(tǒng)中高營養(yǎng)級生物的營養(yǎng)來源之一，并可根據(jù)其組成反映自然和人類活動的影響[5]．開展海水顆粒有機(jī)碳(POC)、顆粒氮(PN)同位素的研究，將有助于更好地分辨海洋有機(jī)物的來源，揭示影響其同位素組成的因素，進(jìn)而評判海域高營養(yǎng)級生物的食物來源．

北部灣位于我國南海西北部，三面陸地，一面鄰海，面積約為1.293 × 105km2，地理位置介于105.5°～110.0°E，16°～22°N之間，屬于熱帶、亞熱帶的半封閉淺海灣．北部灣東臨海南島、瓊州海峽和雷州半島，并通過瓊州海峽與廣州灣相通，北接廣西壯族自治區(qū)，西臨越南．北部灣海底地形平坦，平均水深38 m，灣內(nèi)最大水深100 m，北部等深線大致平行于海岸線．北部灣海域季風(fēng)盛行，每年11月至次年3月盛行東北風(fēng)，6至8月盛行西南風(fēng)．位于北部灣東部的瓊州海峽介于海南島和雷州半島之間，長約20 km，平均水深100 m[6-8]．此前已開展過北部灣水文學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等方面的研究，北部灣冬、夏季的環(huán)流結(jié)構(gòu)特征具體表現(xiàn)為：冬季海水在強(qiáng)而穩(wěn)定的東北季風(fēng)作用下垂向混合均勻，斜壓性很弱，主要表現(xiàn)為氣旋型正壓風(fēng)生流；灣中部107.5°E，18.5°N附近被一大范圍逆時針環(huán)流所控制，南部灣口也存在一個不閉合的逆時針環(huán)流，外海水由海南島南部和瓊州海峽進(jìn)入，順越南沿岸流出．夏季的正壓風(fēng)生流結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，灣西北形成一個扁長的橢圓形反氣旋環(huán)流，內(nèi)含兩個小范圍反氣旋渦，灣頂和灣中均形成小氣旋型環(huán)流，灣口處則形成不閉合的反氣旋型環(huán)流[9]．黃以琛等[10]分析了北部灣夏、冬季海表溫度、葉綠素及濁度的分布特征，并引入葉綠素與濁度的比值探討濁度的控制因素，揭示徑流、環(huán)流、風(fēng)場和地形對北部灣上層水體環(huán)境要素的調(diào)控機(jī)制，結(jié)果表明，夏季北部灣海表溫度分布較為均勻，葉綠素濃度和濁度值沿岸較高，外海較低．沿岸流海域濁度的主要影響因素是陸源物質(zhì)輸入和沉積物再懸浮，上升流海域則是浮游植物影響為主．張潤[11]利用15N2示蹤法實測了北部灣海域的生物固氮速率，給出了固氮速率的時空分布，評估了生物固氮作用對研究海域生物生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)．

本研究實測了春季北部灣北部海域水體懸浮POC、PN濃度及其同位素組成，目的在于揭示它們在研究海域水柱中的分布特征及其影響因素，為應(yīng)用碳、氮同位素開展北部灣食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的分析奠定基礎(chǔ)．

1 方 法

1.1 樣品采集

表1 春季北部灣北部海域的溫度、鹽度、POC、PN濃度及其同位素組成Tab.1 Temperature,salinity,concentrations of POC and PN and their isotopic composition in the northern Beibu Gulf in spring

研究樣品采集于2011年4月，由廣東海洋大學(xué)“天鷹號”科考船實施，采集了瓊州海峽西側(cè)海域和灣頂部沿岸海域共14個站位不同深度的海水樣品．在14個采樣站位中，欽州灣外圍海域(HB05、HB17、HB18和HB21站)和鐵山港外圍海域(HB19、HB29、HB30和HB32站)除HB21站水深超過30 m外，其他站位的水深均不超過20 m；瓊州海峽西側(cè)海域(HB01、HB12、HB23、HB24、HB35和HB40站)由于海底地形起伏，水深變化較大，HB24站水深僅16.5 m，而HB40站水深達(dá)50 m(圖1，表1)．

圖1 春季北部灣北部海域的采樣站位Fig.1 Sampling locations in the northern Beibu Gulf in spring

各研究站位均采集了由表及底4～5層的水樣(表1)，水樣由CTD-rossette采水器采集，溫度、鹽度數(shù)據(jù)來自CTD記錄．海水中的顆粒物于船上利用預(yù)先高溫灼燒過(450 ℃，4 h)的GF/F濾膜過濾收集，過濾體積為4 L．所收集顆粒物樣品于60 ℃下烘干，冷凍保存至陸地實驗室進(jìn)行POC、PN濃度及其同位素組成的分析．

1.2 POC、PN濃度及其同位素組成的分析

顆粒物樣品帶回陸地實驗室后，置于裝有濃鹽酸的干燥器中酸熏48 h，去除其中的無機(jī)碳酸鹽成分，之后用Milli-Q水洗滌至中性，在60 ℃下烘干至恒質(zhì)量，進(jìn)行碳、氮濃度及其同位素組成的測量．通過元素分析儀(Carlo Erba NC2500)和同位素比值質(zhì)譜儀(Finnigan MAT DeltaplusXP)聯(lián)機(jī)測定碳、氮濃度及其同位素組成[12-13]，POC、PN的測量精度好于6%．碳、氮同位素組成用δ值表示：

其中δsample代表樣品中顆粒有機(jī)物的δ13C或δ15N；Rsample代表實測的13C/12C或15N/14N比值；Rstandard代表標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的13C/12C或15N/14N比值．以美國南卡羅萊州白堊系皮狄組擬箭石(PDB)和大氣氮分別作為碳、氮同位素分析的標(biāo)準(zhǔn)．在實際樣品測定過程中，為確保測量過程中儀器的穩(wěn)定性及所得同位素比值的準(zhǔn)確，每間隔10份待測樣品穿插一份標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行測量，δ13C、δ15N測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.2×10-3．

圖2 北部灣北部海域水柱平均溫度(a， ℃)和鹽度(b)的分布Fig.2 Distribution of the averaged temperature (a, ℃) and salinity (b) in water column in the northern Beibu Gulf

1.3 數(shù)據(jù)處理

鑒于本研究的目的在于揭示水柱中顆粒有機(jī)物及其同位素組成的變化，以便后續(xù)與水柱垂直拖網(wǎng)(未分層)所采集浮游植物、浮游動物的碳、氮同位素組成進(jìn)行對比，因此，文中給出的POC、PN濃度，C/N比(摩爾比，下同)，δ13C和δ15N均為各研究站位整個水柱的平均值，具體由各層位各要素的測值取算術(shù)平均計算獲得．盡管這樣的處理損失了各要素垂直分布的細(xì)結(jié)構(gòu)特征，但更有利于反映其空間變化規(guī)律，也利于未來與網(wǎng)拖生物測值的比較．

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度和鹽度的分布

春季研究海域水柱的平均溫度介于19.82～22.63 ℃之間，平均為(21.26±0.85) ℃(n= 14)(表1)．溫度的高值出現(xiàn)在灣頂部鐵山港和防城港的外圍海域，低值出現(xiàn)在瓊州海峽西側(cè)海域(圖2(a))．HB01、HB12、HB21和HB23站水柱的平均溫度較低，與該區(qū)域近底層存在冷水團(tuán)有關(guān)．孫湘平[14]指出，北部灣北部冷水團(tuán)是由北部灣中部冬季低溫混合水在春末、初夏溫躍層形成后殘留在深槽中形成，它出現(xiàn)在4月，6—7月最強(qiáng)，9月消失，持續(xù)時間約5個月．該冷水團(tuán)與南部灣口的底層冷水并不相通，而是獨(dú)立存在的，是在北部灣有利地形條件下當(dāng)?shù)匦纬傻模?/p>

研究海域水柱平均鹽度的變化范圍為32.10～32.87，平均為(32.48±0.24)(n=14)(表1)．鹽度高值出現(xiàn)的區(qū)域?qū)?yīng)于溫度低值區(qū)域，同樣反映出冷水團(tuán)的影響．鹽度低值出現(xiàn)在灣頂部鐵山港和防城港的外圍海域，表明這些區(qū)域受淡水影響較為明顯(圖2(b))．

2.2 POC、PN濃度和C/N比的分布

水柱平均POC濃度的變化范圍為2.75～10.97 μmol/L，平均為(6.27±3.12) μmol/L(n=14)(表1)．POC高值出現(xiàn)在鐵山港外圍海域的HB29和HB30站，最低值出現(xiàn)在灣中部的HB01站(圖3(a))．

水柱平均PN濃度的變化范圍為0.56～1.76 μmol/L，平均為(1.10±0.47) μmol/L(n=14)(表1)．與POC分布類似，PN濃度的最高值也出現(xiàn)在鐵山港外圍海域的HB29站，最低值出現(xiàn)在灣中部的HB01站(圖3(b))．

POC和PN的水平分布總體上表現(xiàn)為灣頂部鐵山港外圍海域(HB19、HB29、HB30、HB32站)較高，其次是欽州灣外圍海域(HB05、HB17、HB18、HB21站)，低值區(qū)位于瓊州海峽西側(cè)海域(HB01、HB12、HB23、HB24、HB35、HB40站)(圖3(a)，(b))．

圖3 北部灣北部海域水柱平均POC(a，μmol/L)、PN(b，μmol/L)和C/N比(c)的分布Fig.3 Distribution of the averaged POC (a,μmol/L),PN (b,μmol/L) and C/N ratio (c) in water column in the northern Beibu Gulf

水柱顆粒有機(jī)物C/N比的變化范圍為4.69～6.45，平均為(5.52±0.60)(n=14)(表1)．最高值出現(xiàn)在欽州灣外圍海域的HB17站，最低值出現(xiàn)在瓊州海峽西側(cè)海域的HB23站．總體上看，灣北部沿岸海域顆粒有機(jī)物的C/N比(5.98±0.32)要高于瓊州海峽西側(cè)海域(4.91±0.18)(表1，圖3(c))．

2.3 POC、PN同位素的分布及其影響因素

水柱顆粒有機(jī)物的δ13C介于-23.5×10-3～-18.9×10-3之間，平均為(-21.3±1.3)×10-3(n=14)(表1)．δ13C最高值出現(xiàn)在HB32站，最低值位于HB01站，總體上表現(xiàn)為自東向西降低的趨勢(圖4(a))．

顆粒有機(jī)物δ15N介于3.8×10-3～8.7×10-3之間，平均為(6.1±1.5)×10-3(n= 14)(表1)．最高值出現(xiàn)在HB19站，最低值出現(xiàn)在HB35站．δ15N的空間分布具有如下特征：鐵山港外圍海域最高，欽州灣外圍海域次之，瓊州海峽西部海域最低(圖4(b))．

圖4 春季北部灣北部海域水柱顆粒有機(jī)物平均δ13C(a，10-3)和δ15N (b，10-3)的分布Fig.4 Distribution of the averaged δ13C (a,10-3) and δ15N(b,10-3) in water column in the northern Beibu Gulf in spring

根據(jù)POC、PN、C/N比、δ13C、δ15N的空間分布，研究海域可分為欽州灣外圍海域、鐵山港外圍海域和瓊州海峽西側(cè)海域3個區(qū)域，它們具有不同的POC、PN濃度及碳、氮同位素組成特征.

欽州灣外圍海域在3個區(qū)域中具有最低的δ13C((-22.3±0.8)×10-3)，以及居中的POC濃度((6.62±2.14) μmol/L)、PN濃度((1.12±0.38) μmol/L)、C/N比(5.95±0.35)和δ15N((6.2±0.3)×10-3)，較低的δ13C反映出欽州灣外圍海域的顆粒有機(jī)物受陸源輸入影響較大(圖5)．一般而言，陸源有機(jī)物的δ13C明顯低于海源有機(jī)物[15-16]．對于陸源輸入的PN，其同位素組成與來源有關(guān)，土壤氮的δ15N變化較大(-10×10-3～15×10-3)，大多在2×10-3～5×10-3之間，化學(xué)氮肥的δ15N一般為(0±3)×10-3，而人類生活污水顆粒有機(jī)物的δ15N一般為10×10-3～20×10-3[17]．欽州灣外圍海域顆粒有機(jī)物的δ15N平均值為6.2×10-3，反映出該區(qū)域的PN可能主要來自土壤氮的貢獻(xiàn)．

鐵山港外圍海域在3個區(qū)域中具有最高的δ15N((7.6±1.0)×10-3)，以及較高的δ13C((-20.6±1.3)×10-3)，且顆粒有機(jī)物C/N比(6.00±0.34)接近于Redfield比值，這些均表明，鐵山港外圍海域的顆粒有機(jī)物主要來自生源的貢獻(xiàn)(圖5)．該區(qū)域的POC((10.13±0.99) μmol/L)、PN濃度((1.68±0.08) μmol/L)明顯高于其他2個區(qū)域，說明其生物活動比較活躍．同航次初級生產(chǎn)力的研究表明，鐵山港外圍海域的初級生產(chǎn)力在3個區(qū)域中是最高的，其水柱平均生產(chǎn)力是其他2個區(qū)域的1.5～7.3倍[18]，可為以上論述提供佐證．該區(qū)域較高的初級生產(chǎn)力會通過生物吸收無機(jī)碳過程中的同位素分餾導(dǎo)致其顆粒有機(jī)物的δ13C較高[12,19-20]．

瓊州海峽西側(cè)海域的顆粒有機(jī)物表現(xiàn)出明顯不同的特征，其POC((3.46±0.65) μmol/L)、PN濃度((0.70±0.13) μmol/L)、C/N比(4.91±0.18)和δ15N((4.6±0.5)×10-3)是3個區(qū)域中最低的，而δ13C居中((-21.2±1.4)×10-3)(圖5)．這些結(jié)果說明，瓊州海峽西側(cè)海域水體受到了南海外海水的較明顯影響，從而呈現(xiàn)低POC、PN濃度的特征．張國榮等[21]對春季北部灣水體運(yùn)輸特征的研究表明，春季南海外海水可從瓊州海峽東口向西流動進(jìn)入北部灣，這與本研究在瓊州海峽西側(cè)海域觀察到低的POC、PN濃度相吻合．瓊州海峽西側(cè)海域的顆粒有機(jī)物呈現(xiàn)低δ15N和C/N比的特征，反映了生物固氮作用的影響．同航次利用15N2示蹤法開展的生物固氮作用研究表明，瓊州海峽西側(cè)海域的生物固氮速率比其他區(qū)域明顯高得多[22]．在生物固氮作用較為活躍的海域，因為固氮生物可直接利用大氣N2形成低15N豐度的營養(yǎng)鹽和有機(jī)物，由此導(dǎo)致在存在生物固氮作用的海洋生態(tài)系統(tǒng)中，顆粒有機(jī)物的δ15N和C/N比往往較低[23]．

圖5 春季北部灣北部海域δ13C、δ15N與 C/N比的關(guān)系Fig.5 The relationship among δ13C，δ15N and C/N ratios in the northern Beibu Gulf in spring

3 結(jié) 論

春季北部灣北部海域POC、PN濃度及其同位素組成的空間分布表明，研究海域顆粒有機(jī)物主要受陸源、生物初級生產(chǎn)過程和生物固氮作用的影響，其中欽州灣外圍海域的顆粒有機(jī)物受陸源輸入影響較大，呈現(xiàn)低δ13C的特征；鐵山港外圍海域的顆粒有機(jī)物主要受生物初級生產(chǎn)過程所調(diào)控，具有高POC、PN濃度、高δ15N的特征；瓊州海峽西側(cè)海域的POC、PN濃度較低，更接近于南海外海水的特征，與此同時，該海域顆粒有機(jī)物的δ15N和C/N比較低，說明其受生物固氮作用的影響較為明顯．

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