大洋中溶解态镉与磷酸盐的相关关系及关键控制过程

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2024.011

大洋中溶解态镉（Cd）与磷酸盐（PO₄）存在相关关系，常被用来反演古海洋生产力的变化。基于国际海洋研究计划“痕量元素及同位素的海洋生物地球化学研究”（GEOTRACES）2023年公布的数据集产品IDP2021v2以及近40年发表的相关文献，综述了大洋Cd-PO₄线性相关关系的提出、不同海盆Cd-PO₄关系汇总以及影响其相关性因素的最新研究进展。大洋Cd-PO₄线性相关关系受多种因素影响，总体呈现双线性相关的特征。不同水深影响其相关关系的关键海洋生物地球化学过程不同：上层水（<200 m）主要为浮游植物的吸收，中层水（500~1 000 m）为颗粒态Cd与磷酸盐的再矿化与水团混合，深层水（>1 500 m）则主要为水团混合。其中，起源于南大洋的南极中层水与南极深层水向北的运移对全球大洋中深层水的Cd-PO₄值的分布具有重要意义。

关键词: 镉磷比, 生物地球化学过程, 水团混合, GEOTRACES

The correlation between dissolved cadmium (Cd) and phosphate (PO₄) in the ocean is often used to reconstruct paleoproductivity. Based on the intermediate data product IDP2021v2 released by GEOTRACES (an international study of the marine biogeochemical cycles of trace elements and isotopes) in 2023 and related literature published in the past 40 years, this paper reviews the latest research progress regarding the correlation between Cd and PO₄ in the ocean. It summarizes the Cd-PO₄ relationship in various ocean basins and identifies their major influencing factors. The controlling factors affecting the oceanic Cd-PO₄ relationship differ from surface to deep water and generally exhibit a bilinear correlation. In this study, the key processes controlling the correlation in different water layers are summarized, including the absorption of phytoplankton in the upper water (<200 m), remineralization of particulate Cd and P, mixing of water masses in the intermediate water mass (500~1 000 m), and mixing of different water masses in deep water (>1 500 m). The northward migration of Antarctic intermediate and bottom water from the Southern Ocean is vital in shaping the global ocean Cd-PO₄ relationship.

Key words: Cd to PO₄ ratio, Biogeochemical processes, Water mass mixing, GEOTRACES.

中图分类号:

P736.4

图1 大洋PO₄ 与Cd垂直剖面图
数据源自GEOTRACES数据集产品IDP2021v2（https：//www.geotraces.org/geotraces-intermediate-data-product-2021）与参考文献［ 9 - 12 ］

Fig. 1 Vertical profile of PO₄ and Cd in the open oceans
Data derived from the GEOTRACES Intermediate data product IDP2021v2 （https：//www.geotraces.org/geotraces-intermediate-data-product-2021） and references ［9-12］

图2 大洋Cd-PO₄ 相关关系曲线
（a）北太平洋Cd与PO ₄相关关系（据参考文献［ 13 ］修改）；（b） 1988年全球海洋Cd与PO ₄相关关系（据参考文献［ 41 ］修改）；（c） 2021年全球海洋Cd与PO ₄相关关系（数据源自GEOTRACES 数据集产品IDP2021v2，https：//www.geotraces.org/geotraces-intermediate-data-product-2021，参考文献［ 11 ， 46 ］及实验室未发表数据）；横坐标中灰色数据标签代表双线性关系转折处PO ₄的浓度值

Fig. 2 The correlation curve of oceanic Cd-PO₄
（a） Correlation between Cd and PO ₄ in the North Pacific Ocean （modified after reference ［ 13 ］）；（b） Correlation between Cd and PO ₄ in the global ocean in 1988 （modified after reference ［ 41 ］）；（c） Correlation between Cd and PO ₄ in the global ocean in 2021 （data derived from the GEOTRACES Intermediate data product IDP2021v2， https：//www.geotraces.org/geotraces-intermediate-data-product-2021， references ［11，46］ and unpublished data）； The grey data label in the horizontal coordinate represents the concentration value of PO ₄ at the bend of the two-linear relation

图3 不同海域全水深Cd-PO₄ 关系
数据源自GEOTRACES数据集产品IDP2021v2（https：//www.geotraces.org/geotraces-intermediate-data-product-2021）、印度洋数据源自参考文献［ 46 ］、南太平洋和北太平洋数据源自参考文献［ 11 ］以及北太平洋数据源自实验室未发表数据；横坐标中灰色数据标签代表双线性关系转折处PO ₄的浓度值

Fig. 3 Full vertical depth Cd-PO₄ relationship in different seas
Data derived from the GEOTRACES Intermediate data product IDP2021v2 （https：//www.geotraces.org/geotraces-intermediate-data-product-2021）， Indian Ocean date from reference ［ 46 ］， North Pacific and South Pacific date from reference ［ 11 ］ and North Pacific （unpublished data）； The grey data label in the horizontal coordinate represents the concentration value of PO ₄ at the bend of the two-linear relation

图4 影响大洋Cd/PO₄ 值的因素
物理背景场来自参考文献［ 47 - 48 ］；SAMW：亚南极模态水，AAIW：南极中层水，NADW：北大西洋深层水，CDW：绕极深层水，AABW：南极底层水

Fig. 4 Factors affecting the ocean Cd/PO₄ ratio
The physical background field from references ［47-48］；SAMW： Sub-Antarctic Mode Water， AAIW： Antarctic Intermediate Water， NADW： North Atlantic Deep Water， CDW： Circumpolar Deep Water， AABW： Antarctic Bottom Water

图5 大洋上层海水分馏因子（FF）的经向和洋盆间变化（据参考文献［ 49 ］修改）

Fig. 5 Meridional and interbasin variations of Fractionation Factor （FF） in surface ocean water （modified after reference ［ 49 ］）

图6 沿GEOTRACES GP16断面航次（南太平洋）颗粒态Cd （a）与P （b）的垂直剖面（数据源自参考文献［ 75 ］）
纵坐标为不等间距坐标轴

Fig. 6 Vertical profile of granular Cd （a） and P （b） along GEOTRACES GP16 cross section voyage （South Pacific）（data from reference ［ 75 ］）
The ordinates are axes with unequal spacing

图7 大西洋和太平洋的Cd/PO₄ 、Cd、PO₄ 断面分布
数据源自GEOTRACES数据集产品IDP2021v2，https：//www.geotraces.org/geotraces-intermediate-data-product-2021， GA02数据源自参考文献［ 45 ， 69 ］，GP15数据源自参考文献［ 11 ］，GP19数据源自参考文献［ 2 ］，水团信息源自参考文献［ 2 ， 69 ， 81 ］；SACW：南大西洋中央水，UCDW：上绕极深水，NACW：北大西洋中央水，LCDW：下绕极深水，EqPIW：赤道太平洋中层水，NPIW：北太平洋中层水，PDW：太平洋深层水

Fig. 7 Distribution of Cd/PO₄， Cd， PO₄ sections of Atlantic and Pacific
Data derived from the GEOTRACES Intermediate data product IDP2021v2， https：//www.geotraces.org/geotraces-intermediate-data-product-2021， GA02 data from references ［45， 69］， GP15 data from reference ［ 11 ］， and GP19 data from reference ［ 2 ］，water mass information from references ［2， 69， 81］）；SACW： South Atlantic Central Water， UCDW： Upper Circumpolar Deep Water， NACW： North Atlantic Central Water， LCDW： Lower Circumpolar Deep Water， EqPIW： Equatorial Pacific Intermediate Water， NPIW： North Pacific Intermediate Water， PDW： Pacific Deep Water

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Correlation Between Dissolved Cadmium and Phosphate and Its Key Controlling Processes in the Open Ocean