春季東印度洋次表層亞硝酸鹽最大值的分布特征及影響因素*

張文全，王保棟，韋欽勝，孫　霞，辛　明，王子成

(國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061)

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春季東印度洋次表層亞硝酸鹽最大值的分布特征及影響因素*

張文全，王保棟*，韋欽勝，孫霞，辛明，王子成

(國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061)

根據(jù)2013年春季東印度洋現(xiàn)場調(diào)查資料，研究了次表層亞硝酸鹽最大值的空間分布特征及其形成機制。結(jié)果表明，春季東印度洋次表層亞硝酸鹽最大值(PNM)一般位于75～100 m水層中，且呈現(xiàn)斑塊狀分布，在赤道附近PNM所處深度較深，隨著南北緯度的增加，PNM水深相應(yīng)抬升。PNM位于溫密躍層/營養(yǎng)鹽躍層的中上部，且與次表層葉綠素最大值層(SCM)存在顯著的相關(guān)關(guān)系。在深度上，PNM一般位于SCM層內(nèi)下半部，且PNM深度隨SCM深度的增加而增加；在量值上，PNM量值與同層葉綠素a質(zhì)量濃度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系。結(jié)合PNM的影響因素分析，認(rèn)為東印度洋PNM主要是源自浮游植物的釋放。

東印度洋；亞硝酸鹽；空間分布；次表層亞硝酸鹽最大值(PNM)；影響因素

亞硝酸鹽是硝酸鹽和銨鹽轉(zhuǎn)化的中間體，是海水溶解無機氮中量最少的組分，其總量不足全球海洋固定總氮庫存(6.6×1011t)的0.025%[1]，但海洋中亞硝酸鹽濃度的動態(tài)變化能為海洋生物地球化學(xué)過程的研究提供重要信息，尤其是在研究海洋氮循環(huán)和營養(yǎng)鹽動力學(xué)中，亞硝酸鹽是不可或缺的載體之一。調(diào)查研究表明，在近海和大洋的層化區(qū)域，真光層底部亞硝酸鹽濃度通常達(dá)到一個極大值，而在更淺或更深的水層亞硝酸鹽的濃度接近于零[2]。此現(xiàn)象被稱為次表層亞硝酸鹽最大值，又稱第一亞硝酸鹽最大值(Primary Nitrite Maximum，PNM)[3-4]。早在20世紀(jì)30年代，Gilson在阿拉伯海首次報道了亞硝酸鹽最大值現(xiàn)象[5]，50—60年代先后在東北太平洋和南太平洋廣大海域以及馬尾藻海觀測到PNM現(xiàn)象[6-8]，近30 a來對PNM的觀測與研究更是呈現(xiàn)熱點化[9-11]，眾多觀測研究表明，PNM是近海和大洋中一個普遍存在的現(xiàn)象。

雖然對PNM現(xiàn)象的研究報道眾多，但其形成機制問題仍一直是人們爭論的焦點。一種觀點認(rèn)為，在真光層的底部由于光強較弱，浮游植物吸收硝酸鹽后不能將其完全還原為氨，只能不完全還原為亞硝酸鹽并釋放至水體中，在真光層的底部區(qū)域累積而形成PNM。半個世紀(jì)前Rakestraw和Vaccaro等就提到了PNM現(xiàn)象中浮游植物在亞硝酸鹽來源中的重要性[8,12]。Brandhorst及Wooster等人先后在東北太平洋和南太平洋廣大海域觀測到PNM并發(fā)現(xiàn)其分布和形成與葉綠素存在著一定的關(guān)系[6-7]，但直到Kiffer等提出的模型試驗才證明浮游植物在形成PNM中起著重要作用及其有效性[13]。后來French等人通過觀察墨西哥灣PNM現(xiàn)象中亞硝酸鹽的晝夜變化重現(xiàn)了浮游植物釋放亞硝酸鹽對形成PNM的重要作用[14]；Zafiriou和Lipschultz等人通過觀察馬尾藻海的PNM現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析，也認(rèn)為浮游植物對亞硝酸鹽的排泄是PNM形成的主要原因[15-16]。本世紀(jì)在紅海的觀測研究以及阿卡巴灣相關(guān)要素的晝夜變化分析，均認(rèn)為浮游植物對PNM的形成起著重要作用[10，17]。

熱帶東印度洋位于阿拉伯海東南部、孟加拉灣以南、蘇門答臘島的西面、10°S以北，包括赤道印度洋東側(cè)及其南部相關(guān)海域，通過馬六甲海峽和安達(dá)曼海與南中國海相通，既是印度洋-太平洋暖池的重要組成部分，也是海上的關(guān)鍵運輸要道。我們根據(jù)春季東印度洋的調(diào)查數(shù)據(jù)，通過分析PNM的空間分布特征及其與次表層葉綠素最大值(SCM)、溫密躍層和營養(yǎng)鹽等因素的關(guān)系，對春季東印度洋PNM現(xiàn)象的形成機制進(jìn)行探討。

1　調(diào)查與方法

我們的數(shù)據(jù)源自2013-03—05國家海洋局第一海洋研究所科研人員在東印度洋南部水體綜合調(diào)查春季航次的調(diào)查實測數(shù)據(jù)，該航次在東印度洋海域布設(shè)了3條東西斷面(I04，I05和I06)和1條南北斷面(I07)總共4條斷面88個站位(圖1)。

圖1　東印度洋海域調(diào)查站位(▲)Fig.1　Sampling stations(▲) in the East Indian Ocean in the spring 2013

海水溫度、鹽度由SBE-911直讀式CTD進(jìn)行現(xiàn)場測定。各個水層的水樣通過懸掛在CTD周圍的Niskin采水器采集，采樣層次分別為2，30，75，100，150和300 m。營養(yǎng)鹽樣品按照《海洋調(diào)查規(guī)范》規(guī)定的方法[28]，經(jīng)0.45 μm的醋酸纖維素濾膜(體積分?jǐn)?shù)為1%的稀鹽酸浸泡24 h后用Mili-Q水沖洗至中性)過濾后，用分光光度計現(xiàn)場測定。葉綠素a采用萃取熒光法，每個水層的樣品經(jīng)0.45 μm GF/F膜過濾，濾膜冷凍保存，經(jīng)丙酮和水體積比為9∶1的溶液萃取24 h 后，用Turner-Designs熒光計進(jìn)行測定。

2　結(jié)果與討論

2.1PNM的空間分布特征

在上混合層(0～30 m)，亞硝酸鹽濃度普遍小于0.1 μmol/L，大多接近檢出限或未檢出；在溫密躍層以下(>150 m)，亞硝酸鹽濃度普遍小于0.1 μmol/L；但在次表層(75～100 m)普遍存在PNM現(xiàn)象(圖2)，并且在該層次內(nèi)亞硝酸鹽濃度最小值在0.1 μmol/L左右，所以我們在此以亞硝酸鹽濃度>0.1 μmol/L為PNM的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計得到春季東印度洋南部水體PNM現(xiàn)象的出現(xiàn)頻率為90%，調(diào)查海域PNM呈現(xiàn)斑狀分布。

圖2　春季東印度洋亞硝酸鹽的斷面分布Fig.2　Vertical profiles of PNM in the East Indian Ocean in spring

春季東印度洋PNM的分布呈現(xiàn)空間差異。I04斷面東印度洋赤道附近，PNM的位置相對較深，均在100 m左右，斷面東段量值相對較大(>0.5 μmol/L)。I05斷面PNM的深度比I04斷面的總體上略淺，均在75 m左右，但在90°E與97°30′E附近，PNM深度仍然處在100 m左右。I06斷面兩端PNM深度均能達(dá)到100 m，而在靠近斷面中間位置(92°E附近)PNM的位置較淺，約為75 m。但在南北方向上，PNM總體呈現(xiàn)著特定的空間分布規(guī)律：隨著南北緯度的增加，PNM位置逐漸抬升，并且量值逐漸減小，出現(xiàn)PNM現(xiàn)象的頻率亦有所減小。I07斷面的PNM分布圖可進(jìn)一步反映出其在赤道南北海域空間分布的差異，赤道附近PNM位置較深(接近100 m)，而隨著自赤道向南北兩端的擴(kuò)展，PNM位置有逐漸抬升的跡象。

2.2PNM與溫密躍層及營養(yǎng)鹽躍層的關(guān)系

東印度洋上層各化學(xué)要素的分布與水文狀況密切相關(guān)。春季東印度洋南部水體溫度的垂直分布趨勢大致相同，典型站位溫度的垂直分布(圖3)顯示出，自表層到300 m水深，溫度有逐漸減小的趨勢，一般表層溫度大于28 ℃，300 m水深溫度小于12 ℃。在80～120 m等溫線較為密集，形成較強的溫躍層。

由典型站位垂直分布(圖3)表明，春季東印度洋海水層化現(xiàn)象明顯，營養(yǎng)鹽躍層(硝酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽)與密度躍層一致。PNM位于密度躍層和營養(yǎng)鹽躍層內(nèi)，且位于其層內(nèi)中部或上界略下，營養(yǎng)鹽作為浮游植物進(jìn)行光合作用的重要化學(xué)要素，它們量的多寡可以直接影響著浮游植物的生長繁殖，在營養(yǎng)鹽躍層的中上部，那里硝酸鹽濃度較上混合層明顯增大，足以支持浮游植物的生長、乃至形成次表層葉綠素最大值(SCM)。

亞硝酸鹽的產(chǎn)生速率必須大于物理擴(kuò)散速率才能形成PNM，因此物理擾動擴(kuò)散常常限制亞硝酸鹽的積聚[29-31]，而春季東印度洋海水強烈層化現(xiàn)象可減小這種限制，使亞硝酸鹽可以最大程度地聚集在溫密躍層及營養(yǎng)鹽躍層以內(nèi)，對于維持PNM起著重要作用。

圖3　典型站位(I05-8和I07-11)PNM與溫度、密度和營養(yǎng)鹽躍層的關(guān)系Fig.3　Vertical distributions of temperature, density and nutrients at typical St. I05-8 and St. I07-11

2.3PNM與SCM的關(guān)系

春季東印度洋PNM與SCM具有密切的關(guān)系(圖4)。在深度上，PNM深度隨著SCM深度的增加而增加。在赤道附近，SCM位置較深；隨著赤道向南北兩端海域擴(kuò)展，SCM深度逐漸變淺，而PNM深度的分布具有與SCM很好的跟進(jìn)性。圖5也能很好地說明這一規(guī)律：I05-8站位SCM所處深度為75 m左右，PNM相應(yīng)深度在75 m左右；I07-11站位SCM所處深度為75 m左右，PNM所處深度在100 m左右。雖然PNM具有對SCM的“追隨”效應(yīng)[32]，且有時兩者在同一水層位置出現(xiàn)，但PNM層一般位于SCM層的下半部。

圖4　春季東印度洋I07斷面SCM的斷面分布圖Fig.4　Vertical profiles of SCM in section I07 in the East Indian Ocean in spring

圖5　典型站位(I05-8和I07-11)亞硝酸鹽濃度和葉綠素a質(zhì)量濃度垂直分布Fig.5　Vertical distributions of nitrite and chlorophyll a at typical St. I05-8 and St. I07-11

在量值關(guān)系上，PNM層中亞硝酸鹽最大值與同深度葉綠素a質(zhì)量濃度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖6)，這說明PNM的量值在一定程度上受浮游植物生長的控制。此外，100 m水層PNM與葉綠素a的相關(guān)關(guān)系明顯好于75 m水層，可能是在較深的低光照、高硝酸鹽的環(huán)境中，浮游植物吸收硝酸鹽轉(zhuǎn)化為銨鹽的能量不足，導(dǎo)致中間代謝產(chǎn)物亞硝酸鹽的釋放速率增大。

圖6　春季東印度洋75 m和100 m水層PNM與對應(yīng)的葉綠素a的關(guān)系Fig.6　Relationship between nitrite maximum and corresponding chlorophyll a at 75 m and 100 m

2.4PNM的形成機制

大洋海水中亞硝酸鹽的來源一般有2個途徑：1)在氨氧化細(xì)菌(AOB)的作用下將氨氧化為亞硝酸鹽；2)硝酸鹽還原為亞硝酸鹽的反應(yīng)，可通過浮游植物對吸收的硝酸鹽的不完全還原，或硝酸還原細(xì)菌對水體中硝酸鹽的還原來完成。但后者只有在厭氧環(huán)境(如海洋中氧最小值層，即OMZ)中才可能發(fā)生，這也就是第二亞硝酸鹽最大值(SNM)的形成機制[33-35]。但是春季東印度洋OMZ深度在200 m左右，而PNM深度在75～100 m區(qū)域，所以PNM的形成不是硝酸還原細(xì)菌對硝酸鹽的還原所致。因此，大洋上層PNM層中亞硝酸鹽的來源主要是氨氧化細(xì)菌(AOB)作用下的氨氧化或浮游植物的排泄釋放。

PNM一般位于營養(yǎng)鹽躍層的中上部，那里營養(yǎng)鹽(硝酸鹽和磷酸鹽)濃度較上混合層明顯增大，足以支持浮游植物的生長。其次，春季東印度洋的真光層厚度在100 m左右，PNM深度(75～100 m)恰好位于真光層的底部區(qū)域，由于該區(qū)域光強較弱，浮游植物吸收的硝酸鹽不能被完全還原為銨鹽，導(dǎo)致中間代謝產(chǎn)物亞硝酸鹽的產(chǎn)生速率增大進(jìn)而形成釋放積聚現(xiàn)象。再者，從PNM與葉綠素a關(guān)系來看，PNM總是隨SCM深度的變化而變化，PNM深度與SCM水層有著很好的跟進(jìn)性；更重要的是，PNM量值與同層葉綠素a質(zhì)量濃度之間呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，這說明PNM的量值在一定程度上受浮游植物生長的控制，這些都為浮游植物是形成與維持PNM的觀點提供了有力證據(jù)。綜上所述，在光強較弱的真光層底部區(qū)域，浮游植物吸收硝酸鹽后進(jìn)行不完全還原為亞硝酸鹽并釋放，進(jìn)而在溫密躍層中累積而形成PNM。

3　結(jié)　論

春季東印度洋存在明顯的PNM現(xiàn)象，其分布特征：PNM呈現(xiàn)斑狀分布，赤道附近PNM水層深度較大，隨著南北緯度的增加，PNM水深相應(yīng)抬升。春季東印度洋PNM出現(xiàn)在溫密躍層及營養(yǎng)鹽躍層內(nèi)，溫密躍層的存在限制了亞硝酸鹽的物理擴(kuò)散。研究海域PNM與SCM關(guān)系密切：在深度上，PNM具有對SCM的“追隨”效應(yīng)；在量值上，PNM量值與同深度葉綠素a質(zhì)量濃度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。溫密躍層/營養(yǎng)鹽躍層深度、SCM深度及量值變化和光照條件是春季東印度洋PNM的主要影響因素。

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Spatial Distribution of Primary Nitrite Maximum and Its Influencing Factors in the East Indian Ocean in Spring

ZHANG Wen-quan, WANG Bao-dong, WEI Qin-sheng, SUN Xia, XIN Ming, WANG Zi-cheng

(TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China)

Based on the multi-disciplinary investigation in the East Indian Ocean in spring of 2013, the characteristics of nitrite spatial distribution in the upper water column and the formation mechanism of Primary Nitrite Maximum (PNM) were studied. The results showed that the pattern of PNM appeared in a manner of patch distribution in the water depth of 75～100 m in spring. The PNM layer was deeper in the area around the equator and its depth rose accompaning with the increase of latitude towards the south or the north. Furthermore, the PNM usually located in the upper boundary of the pycnocline and nutricline presenting a significantly positive correlation with the depth of Subsurface Chlorophyll Maximum(SCM). On the other hand, the depth of PNM was deeper with the increased depth of SCM in vertical distribution and the magnitude of PNM was significantly and positively correlated with the chlorophyll a concentration in the same layer. The analysis in combination with environmental factors of PNM suggested that the PNM in the East Indian Ocean was mainly released from the phytoplankton in spring.

East Indian Ocean; nitrite; spatial distribution; Primary Nitrite Maximum(PNM); influence factor

February 3, 2016

2016-02-03資助項目：全球變化與海氣相互作用專項——東印度洋南部水體綜合調(diào)查春季航次(GASI-03-01-02-01)

張文全(1987-), 男, 山東鄆城人, 碩士研究生， 主要從事生源要素海洋生物地球化學(xué)方面研究.

王保棟(1964-)，男，山東高密人，研究員，博士，主要從事海洋生物地球化學(xué)方面研究. E-mail：wangbd@fio.org.cn

(高峻編輯)

P734.4

A

1671-6647(2016)03-0403-08

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.03.010