南極普里茲灣沉積物中有機(jī)碳和總氮的含量與分布

劉瑞娟，于培松，扈傳昱，韓正兵，潘建明＊

（1.國家海洋局 第二海洋研究所 國家海洋局海洋生態(tài)系統(tǒng)與生物地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310012）

1 引言

海洋是全球最大的碳儲庫。人類活動每年排放的二氧化碳達(dá)490億噸［1］，其中約三分之一被海洋吸收，從而降低了大氣中二氧化碳（CO2）的含量，減緩了溫室效應(yīng)和全球變暖?？梢?，海洋在全球碳循環(huán)和氣候變化中具有重要的作用。表層海洋吸收的CO2，一部分參與海洋上層循環(huán)再重新釋放到大氣中，另一部分則通過生物泵和物理泵等過程遷移沉降到深層海洋，并最終埋藏在海底沉積物中，從而暫時脫離了全球碳循環(huán)。因此，沉積物中的碳含量直接反應(yīng)了海洋吸收CO2的凈通量，是理解全球碳循環(huán)和碳收支通量的關(guān)鍵指標(biāo)。南大洋作為全球重要的碳匯區(qū)，占全球大洋凈吸收CO2的30%～40%［2］。南極大陸邊緣也是全球氣候變化最敏感的區(qū)域之一，研究南極邊緣海沉積物中的碳、氮含量對于深入理解全球碳循環(huán)以及海洋生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要的意義［3—5］。

南極普里茲灣是南極大陸的第3大海灣，面積達(dá)6×104k m2，是典型的海冰邊緣區(qū)［6］，秋、冬、春季全部為海冰所覆蓋，只有夏季為短暫的融冰期。普里茲灣具有高營養(yǎng)鹽特征，夏季海冰融化，密集度減少，上層水體中浮游植物吸收營養(yǎng)鹽進(jìn)行光合作用，生產(chǎn)力旺盛［7］，生物泵作用強(qiáng)烈，對底層沉積產(chǎn)生重要影響。以往對普里茲灣沉積物中生物硅［8］、糖類［9］、生物標(biāo)志物重建的浮游植物生物量［6］以及上層水體葉綠素a和初級生產(chǎn)力的研究得出，普里茲灣是季節(jié)性高生產(chǎn)力海域，生源物質(zhì)是沉積有機(jī)質(zhì)的主要來源。由于樣品獲取的困難，目前對于普里茲灣海域沉積物中OC和TN尚缺乏系統(tǒng)性的研究，而對其開展深入的研究是闡明普里茲灣碳、氮生物地球化學(xué)循環(huán)所必需的。

本文整理并利用中國南極科學(xué)考察多個航次獲取的普里茲灣沉積物樣品，分析了OC和TN的含量與分布及其控制因素，并利用OC／TN探討了沉積有機(jī)質(zhì)的來源，研究了OC和TN的垂直分布特征，闡述了沉積速率對碳埋藏的重要作用，根據(jù)碳沉積量與埋藏量計(jì)算得出了碳埋藏率。這將為獲得南極普里茲灣碳通量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，深入揭示碳的來源及收支，有助于進(jìn)一步認(rèn)識南極邊緣海在全球碳循環(huán)中的作用。

2 研究方法

2.1 研究海區(qū)

普里茲灣處于南大洋的印度洋扇區(qū)，位于66°45′～69°30′S、70°～80°E所圍成的區(qū)域內(nèi)，是深嵌入南極大陸的一片水域［10］。灣頂部西南角與埃默里冰架連接，向北呈西南－東北走向的喇叭狀，灣口東部四女士淺灘（Four Ladies Bank）水深約200 m，最淺處小于60 m，西部福拉姆淺灘（Fram Bank）水深小于200 m，阻擋了外部冰川進(jìn)入灣內(nèi)，只有兩淺灘中間是水深大于500 m的凹槽，是灣內(nèi)外交換的主要通道［8］。灣中部水深超過500 m，東西兩邊淺于500 m［11］。普里茲灣存在明顯的海冰變化年周期，每年有7個月的冰封期和5個月的融冰期，一般9月份海冰面積最大，整個海灣都處于冰封狀態(tài)，從10月份開始慢慢融化，形成普里茲灣冰間湖，到2月份海冰面積最小，之后又開始凍結(jié)，直到9月份構(gòu)成一個年循環(huán)［10，12］。67°S大陸坡折處存在自東向西的東風(fēng)環(huán)流，近岸區(qū)域存在西向的沿岸流，分散地進(jìn)入灣內(nèi)東南部，經(jīng)過埃默里冰架下面形成一支狹窄而較強(qiáng)的海流，向西流出普里茲灣，此外灣內(nèi)為一個氣旋型環(huán)流［12］。

圖1 沉積物采樣站位（箭頭代表區(qū)域內(nèi)海表環(huán)流，黑點(diǎn)代表采樣站位）

2.2 樣品采集

沉積物樣品分別采集于中國“雪龍”號考察船第18、21、24、25和27次南極科學(xué)考察。采樣站位包括普里茲灣內(nèi)區(qū)、埃默里冰架邊緣區(qū)以及福拉姆和四女士淺灘區(qū)等（圖1），樣品采集時間主要集中在南極夏季12月－2月期間，共21個站位，具體采樣信息見表1，其中埃默里冰架邊緣11個站位，70.5°E左右斷面2個站位，73°E斷面3個站位，75.5°E左右斷面5個站位。表層沉積物樣品主要來自箱式采樣器，對箱式采樣器中沉積物樣品插管后取0～1 c m為表層樣；少數(shù)站位來自多管采樣器，多管沉積物現(xiàn)場分割，取0～1 c m為表層樣。柱狀I(lǐng)V－10、IS－4、IS－11和II－9沉積物樣品采用多管采樣器，管子直徑為10 c m，長60 c m，取樣長度在10～30 c m；只有III－13采用重力柱進(jìn)行采集。樣品采集后，現(xiàn)場分割，10 c m以上按1 c m間隔分樣，10 c m以下按2～3 c m間隔分樣，然后冷凍保存，帶回實(shí)驗(yàn)室，凍干研磨，隨后分別用于OC和TN的測定。

表1 沉積物采樣站位（＊代表柱樣）

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

沉積物中OC和TN的含量使用元素分析儀（Elementar Vario MICRO cube）進(jìn)行測定。稱取凍干并研磨后的沉積物約0.5 g樣品置于15 mL玻璃試管內(nèi)，加入10 mL 1 mol／L HCl，振蕩使樣品與 HCl充分混合，并放入50℃恒溫水浴中充分反應(yīng)，隨后樣品經(jīng)離心（2 500 r／min，5 min），倒去上清液，加入蒸餾水，清洗后再離心，重復(fù)水洗至中性，最后樣品經(jīng)冷凍干燥后稱重。儀器測定時，從酸洗處理后的樣品中準(zhǔn)確稱?。?0.000±0.020）mg，置于錫舟內(nèi)。上機(jī)測定時，以沉積物標(biāo)樣GBW07314為質(zhì)控，平行樣作對照，測量結(jié)果表明儀器在分析過程中非常穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1%。儀器分析結(jié)果經(jīng)樣品酸處理前后質(zhì)量比校正得樣品碳、氮含量。

沉積物中泥質(zhì)的含量通過含砂量換算獲得。含砂量采用水篩法進(jìn)行測定，首先將沉積物冷凍干燥后，稱取1～2 g放入預(yù)先洗凈并烘干后的63μm分樣篩上，并用蒸餾水反復(fù)沖洗，確保泥質(zhì)成分沖下，然后將分樣篩放進(jìn)烘箱中90℃保持4 h，再將分樣篩上烘干殘余物質(zhì)倒入稱量紙中稱重，該質(zhì)量與預(yù)先稱取的沉積物質(zhì)量比值即為該沉積物的含砂量。

3 結(jié)果與討論

3.1 表層沉積物中OC和TN

普里茲灣表層沉積物中OC和TN的含量變化范圍分別為0.14%～1.20%和0.02～0.20%，平均值分別為0.63%和0.11%。OC和TN含量具有相同的分布趨勢，在普里茲灣灣內(nèi)兩者均呈現(xiàn)明顯的西低東高趨勢，如圖2所示，大致以73°E為界，以西區(qū)域OC和TN含量均較低，而以東區(qū)域OC和TN含量均較高，其中灣內(nèi)東南部區(qū)域OC和TN含量最高。OC和TN含量的分布與沉積物中的泥質(zhì)含量密切相關(guān)，如圖3所示，普里茲灣表層沉積物中泥質(zhì)的分布也具有明顯的區(qū)域性，東西兩側(cè)差異較大，73°E以東區(qū)域泥質(zhì)含量較高，基本上都在80%以上，尤其是東南部區(qū)域高達(dá)95%以上，而以西海區(qū)泥質(zhì)含量較低，自東向西呈逐漸減小趨勢，福拉姆淺灘處出現(xiàn)泥質(zhì)含量的最低值。此外埃默里冰架和四女士淺灘邊緣少數(shù)站位泥質(zhì)含量也較低?？傮w上，普里茲灣東部區(qū)域主要為泥質(zhì)沉積，沉積物多為黃綠色的黏土，密度較小，顆粒細(xì)且均勻，OC和TN等生源要素含量較高，西部區(qū)域多為砂質(zhì)沉積，沉積物多為土黃色的粗顆粒，OC和TN等含量也較低，表層沉積物中OC、TN和泥質(zhì)的含量分布都具有很好的一致性。

圖2 表層沉積物中OC和TN的含量（%）與分布

圖3 表層沉積物中泥質(zhì)的含量（%）與分布

沉積物中OC和TN的線性相關(guān)系數(shù)R2＝0.986 3（n＝21，p＜0.005），如圖4所示，兩者具有顯著的正相關(guān)性，說明沉積物中OC（以C計(jì)）和TN（以N計(jì)）來源一致。OC和TN的線性表達(dá)式為OC＝6.895 8TN－0.067 1，其截距為－0.067 1，非常接近于0，即當(dāng)TN為0時，OC也接近于0，TN含量較高時，OC含量也較高，說明沉積物中OC和TN來源相同。海洋沉積物中有機(jī)質(zhì)的來源分為陸源和海源兩類，碳氮比（OC／TN）的大小通常是判斷海洋沉積有機(jī)碳海生還是陸生的標(biāo)準(zhǔn)［13］。根據(jù)Redfield Ratio，OC／TN約為6.6，所以通常海洋自生有機(jī)物的OC／TN通常在5～8的范圍內(nèi)，據(jù)研究陸源有機(jī)物的OC／TN可以高達(dá)20以上［14］。因此通常認(rèn)為OC／TN大于12的為陸源有機(jī)物，OC／TN小于8的為海源有機(jī)物。普里茲灣表層沉積物中OC／TN的變化范圍為5.5～8.2，平均值為6.8，OC和TN擬合的趨勢線斜率非常接近6.6，說明普里茲灣沉積物中有機(jī)質(zhì)主要為海洋生源沉積。同時也與扈傳昱等［15—16］在普里茲灣外布設(shè)的捕獲器獲得的1 000 m處有機(jī)質(zhì)中碳與氮比值大部分為5～7相接近，進(jìn)一步說明了沉積物中有機(jī)質(zhì)主要為海洋浮游生物來源的特征。Isla等［17］在杰拉許海峽得到表層沉積物中OC／TN為6.6～7.8，Pere Masque等［18］在布蘭斯菲爾德海峽西部發(fā)現(xiàn)沉積物中OC／TN在7左右，David和Olivier［19］發(fā)現(xiàn)羅斯海表層沉積物 OC／TN為7，南極大陸邊緣海沉積物中C／N比值均接近6.6，表明沉積物中有機(jī)質(zhì)都是海洋生物來源。

圖4 表層沉積物中OC和TN、泥質(zhì)的相關(guān)性

3.2 表層沉積物中OC分布的控制因素

表層沉積物中OC與泥質(zhì)呈現(xiàn)相似的分布趨勢，其相關(guān)性分析結(jié)果為R2＝0.904 7，如圖4所示，OC含量與泥質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，而OC主要來源于上層水體初級生產(chǎn)過程，因而表層沉積物中泥質(zhì)含量與上層水體初級生產(chǎn)過程密切相關(guān)。沉積物中OC的含量反映海洋上層生源物質(zhì)輸出并沉降到海底的有機(jī)質(zhì)豐度，有機(jī)碳通量能夠直接反映上層海洋生產(chǎn)力的變化［20］。中國南極考察多年來對普里茲灣海區(qū)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，海水葉綠素a、初級生產(chǎn)力、浮游植物細(xì)胞豐度等均以普里茲灣灣內(nèi)中心區(qū)域最高［21—24］，而營養(yǎng)鹽則呈現(xiàn)相反的分布趨勢，這主要是由于每年夏季海冰消融后，浮游植物快速生長，大量消耗了海水中的營養(yǎng)鹽，造成上層水體營養(yǎng)鹽含量降低，而葉綠素等明顯升高。在南極近岸海域，硅藻是浮游植物中的絕對優(yōu)勢種，同時硅是控制海洋碳循環(huán)的關(guān)鍵元素［25］。南極普里茲灣夏季浮游植物的調(diào)查顯示其主要是以大細(xì)胞或鏈狀群體的硅藻為主，并可以達(dá)到總細(xì)胞豐度的80%～90%。硅藻等浮游植物在一定的光照、溫度和營養(yǎng)物質(zhì)等物理化學(xué)條件下吸收水中的可溶性硅酸形成BSi，并以遺骸的形式由表層輸出并沉積到海底沉積物中，這個過程同時將OC輸送到深海及海底［8］。扈傳昱等［26］研究發(fā)現(xiàn)上部水體中顆粒態(tài)BSi和POC分布特征相似，BSi與上層水體生物生產(chǎn)過程密切相關(guān)，進(jìn)而表明上層水體硅藻等浮游生物通過生物泵過程對底層沉積具有直接的影響，上層水體初級生產(chǎn)力水平是影響表層沉積物中OC分布的重要因素。

沉積物中的砂主要來源于冰川融化過程。融冰期冰川攜帶陸源砂一并進(jìn)入海洋中，在融化過程中分離進(jìn)入海水中，最終保存在沉積物中。在普里茲灣，附近西冰架的冰川受東風(fēng)環(huán)流的推進(jìn)，不斷向四女士淺灘和福拉姆淺灘運(yùn)移堆積，西向沿岸流經(jīng)過埃默里冰架邊緣攜帶浮冰，流入較淺的西側(cè)福拉姆淺灘受到阻擋而沉積［27］，同時西側(cè)麥克羅伯遜地陸地冰川入海，可能在福拉姆淺灘附近沉積，形成西部海冰密集區(qū)，而東部海區(qū)則不同，一方面西向沿岸流侵入灣內(nèi)東南部上涌并輸送能量促進(jìn)海冰融化，另一方面浮冰被陸架邊緣較強(qiáng)下降風(fēng)吹離岸邊，形成潛熱型普里茲灣冰間湖［12］，并維持較長的穩(wěn)定開闊期，從而導(dǎo)致西部冰川堆積而東部無冰開闊。沉積物中陸源砂含量與海冰密集度均表現(xiàn)為西高東低，而OC則呈現(xiàn)相反的分布趨勢，這主要是因?yàn)楸〝y帶的陸源砂對沉積有機(jī)質(zhì)幾乎沒有貢獻(xiàn)，卻對生源有機(jī)質(zhì)起到稀釋作用。生源有機(jī)質(zhì)只能在短暫的融冰期進(jìn)行生產(chǎn)，生物生產(chǎn)量有限，而普里茲灣每年大部分時間被海冰覆蓋，冰川攜帶大量的陸源砂分離并保存在沉積物中，因此陸源砂對生源有機(jī)質(zhì)的稀釋是影響表層沉積物中OC分布的另一重要因素。此外，灣中心順時針的氣旋型環(huán)流，使水體垂直穩(wěn)定性好，利于上層生源有機(jī)質(zhì)的沉積。總之，在普里茲灣，上層水體的初級生產(chǎn)過程對沉積物貢獻(xiàn)OC，而冰川攜帶的陸源砂稀釋沉積物中OC。

3.3 OC和TN的垂直分布

在垂向分布上，普里茲灣5個站位柱樣沉積物中OC和TN（IS－11除外）的含量均為表層高于深層，OC含量隨深度增加不同程度地減少，到達(dá)一定深度后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖5所示。位于普里茲灣中心區(qū)域的III－13和IV－10 2個站位沉積物中OC和TN含量整體較高，而位于埃默里冰架邊緣的IS－4和IS－11 2個站位以及福拉姆淺灘處的II－9站位OC和TN的含量明顯較低，如表2所示，這與5個站位表層沉積物中OC和TN的分布以及影響因素相同，主要是受到上層水體初級生產(chǎn)力水平和冰川攜帶陸源砂等的共同影響。III－13、IV－10、IS－4和II－9站位柱樣沉積物中OC／TN均小于8（見表2），由此可知多年來沉積物中有機(jī)質(zhì)主要為生源沉積，其在垂直分布上沒有明顯的變化，說明多年來生源沉積較穩(wěn)定。

通常，生源有機(jī)質(zhì)從上層水體降落到水－沉積物界面作為表層沉積物開始降解礦化，隨著埋藏深度的增加，有機(jī)質(zhì)降解作用逐漸降低直到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。圖5中OC的垂直分布可以發(fā)現(xiàn)，5個站位柱樣沉積物中OC從表層向深層降低，位于灣中心的III－13、IV－10和淺灘處的II－9具有一定的波動性變化，而位于埃默里冰架邊緣的IS－4和IS－11隨深度增加逐漸降低，同時5個站位柱樣OC趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行埋藏的深度不同，III－13、IV－10和II－9站位在5 c m左右就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而IS－4和IS－11要到10 c m左右才趨于穩(wěn)定，說明III－13、IV－10和II－9站位沉積物降解礦化時間較短，而IS－4和IS－11站位沉積物則進(jìn)行了較長時間的降解礦化作用，降解礦化作用的時間長短主要與沉積速率有關(guān)，III－13、IV－10、II－9站位的沉積速率明顯高于IS－4和IS－11站位，如表2所示。III－13、IV－10、II－9站位較高的沉積速率導(dǎo)致降解礦化過程較短，有機(jī)質(zhì)未降解礦化完全即進(jìn)行埋藏，埋藏狀態(tài)不穩(wěn)定呈現(xiàn)波動性，而IS－4和IS－11站位沉積速率較低，有機(jī)質(zhì)經(jīng)歷較長的埋藏過程，降解礦化較充分后進(jìn)行穩(wěn)定埋藏。據(jù)此，將柱樣表層沉積物中OC含量視為碳沉積量，下部經(jīng)過降解礦化后穩(wěn)定狀態(tài)的OC含量視為碳埋藏量，兩者的比值（碳埋藏量／碳沉積量）即為碳埋藏率［18］。結(jié)果表明，灣中心區(qū)域碳埋藏率遠(yuǎn)高于冰緣區(qū)，5個站位OC的埋藏率為39%～91%。有研究發(fā)現(xiàn)，南極布蘭斯菲爾德海峽和杰拉許海峽作為重要的碳匯區(qū)，其OC埋藏率分別為60%～80%和71%～83%［17－18］，說明普里茲灣也具有較大的碳匯潛力。

圖5 OC（實(shí)線）和TN（虛線）的垂直分布

表2 柱樣中OC和TN、碳埋藏率以及沉積速率（Mean±SD）

4 結(jié)論

普里茲灣表層沉積物中OC和TN具有相同的西低東高的分布趨勢，73°E以西區(qū)域OC和TN含量較低，而以東海區(qū)OC和TN含量均較高，其中以灣內(nèi)東南部區(qū)域最高。泥質(zhì)含量也呈現(xiàn)相似的西低東高的分布趨勢。OC和TN的相關(guān)性分析以及OC／TN表明沉積物中有機(jī)質(zhì)主要來源于上層水體的初級生產(chǎn)過程。OC和TN的分布不僅與上層水體的生產(chǎn)力水平密切相關(guān)，同時也受到冰川攜帶陸源砂等因素的影響。

柱樣沉積物中OC／TN表明多年來有機(jī)質(zhì)均主要為海洋生源沉積，垂向上表層OC含量較高，隨深度增加不斷減小至穩(wěn)定狀態(tài)，表明從沉積到埋藏過程中存在明顯的降解礦化作用，較高的沉積速率減緩降解礦化作用，加速埋藏進(jìn)程并提高埋藏率，普里茲灣平均碳埋藏率與南極其他碳匯區(qū)相當(dāng)，揭示了普里茲灣也是南極重要的碳匯區(qū)之一。

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