地球科学进展, 2020, 35(7): 731-741 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2020.057

研究论文

2018年春季西太平洋 Kocebu海山区海水中颗粒态有机碳的地球化学特征

马骏,1,2,3,4, 宋金明,1,2,3,4, 李学刚1,2,3,4, 袁华茂1,2,3,4, 李宁1,2,3,4, 段丽琴1,2,3,4, 王启栋1,2,3,4

1.中国科学院海洋研究所 中国科学院海洋生态与环境科学重点实验室,山东 青岛 266071

2.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋生态与环境科学功能实验室,山东 青岛 266237

3.中国科学院大学,北京 100049

4.中国科学院海洋大科学研究中心,山东 青岛 266071

Geochemical Characteristics of Particulate Organic Carbon in the Kocebu Seamount Waters of the Western Pacific Ocean in Spring 2018

Ma Jun,1,2,3,4, Song Jinming,1,2,3,4, Li Xuegang1,2,3,4, Yuan Huamao1,2,3,4, Li Ning1,2,3,4, Duan Liqin1,2,3,4, Wang Qidong1,2,3,4

1.Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China

2.Laboratory for Marine Ecology and Environmental Science, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China

3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

4.Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China

通讯作者: 宋金明(1964-),男,河北枣强人,研究员,主要从事海洋生物地球化学研究. E-mail:jmsong@qdio.ac.cn

收稿日期: 2020-05-10   修回日期: 2020-06-20   网络出版日期: 2020-08-20

基金资助: 科技基础资源调查专项项目“西太平洋典型海山生态系统科学调查”.  2017FY100802
国家自然科学基金项目“西太平洋最小含氧带对基于生物泵传输效率的生源要素循环的影响”.  91958103

Corresponding authors: Song Jinming (1964-), male, Zaoqiang County, Hebei Province, Professor. Research areas include marine biogeochemistry. E-mail:jmsong@qdio.ac.cn

Received: 2020-05-10   Revised: 2020-06-20   Online: 2020-08-20

作者简介 About authors

马骏(1992-),男,山东莱州人,博士研究生,主要从事海洋生物地球化学研究.E-mail:mjqdio@163.com

MaJun(1992-),male,LaizhouCity,ShandongProvince,Ph.Dstudent.Researchareasincludemarinebiogeochemistry.E-mail:mjqdio@163.com

摘要

海山区颗粒有机碳的地球化学特征研究对深入认知大洋海山生态系统的物质循环过程具有重要意义。基于2018年3月对西太平洋Kocebu海山的综合调查,探讨了Kocebu海山区海水中颗粒有机碳的分布、来源及组成等地球化学特征。结果表明,随着水深的增加, 颗粒有机碳浓度逐渐降低,并在接近海山底部的水层中略有回升。在各水团中,颗粒有机碳平均浓度的大小依次为北太平洋热带水大于北太平洋中层水大于底层水,其中在底层水中,山顶附近站位的颗粒有机碳浓度低于远离海山的站位。海山山顶上方750~1 500 m水层中存在上升流,进而在该区域内形成颗粒有机碳浓度12.50 μg/L等值线隆起,但未形成“海山效应”。Kocebu海山区的颗粒有机碳主要为海源输入,颗粒有机碳/颗粒态有机氮平均值为3.75。在0~300 m的水层中,仅叶绿素最大值层中的颗粒有机碳/叶绿素a小于200,表明该水层中颗粒有机碳主要为生命态形式;而300 m水层中,颗粒有机碳/叶绿素a急剧升高,非生命态颗粒有机碳在总颗粒有机碳中贡献最大。

关键词: 海山区 ; 颗粒有机碳 ; 海山效应 ; 水团 ; 西太平洋

Abstract

The study of the geochemical characteristics of the POC in the seamount area will be of great significance for further understanding the material cycle process in the seamount ecosystem. Based on a comprehensive survey of the Kocebu seamount in the Western Pacific Ocean in March, 2018, the distribution, source and composition of Particulate Organic Carbon (POC) in the seawater of the Kocebu seamount area were discussed. The results showed that the concentration of POC in the Kocebu seamount area gradually decreased with the increasing water depth, and slightly rose in the water layers near the bottom of the seamount. The average concentration of POC in each water mass was sorted from high to low in the order of North Pacific Tropic Water, North Pacific Intermediate Water and Deep Water (DW), and the concentration of POC at stations near the seamount summit was lower than that far from the seamount in the DW. There was upwelling at the water layers of 750~1 500 m above the seamount summit, causing the uplift of the 12.50 μg/L POC isoline in this region, however, no “seamount effect” was formed. The POC was mainly imported from the sea with an average POC/PON of 3.75. At the water layers of 0~300 m, only the POC/chlorophyll a (Chl a) at deep chlorophyll maximum layer was less than 200, indicating that the POC in this region was mainly in a form of life, while at the water layer of 300 m, the POC/Chl a increased sharply, indicating that the non-living POC contributed the most to the total POC.

Keywords: Seamount area ; POC ; Seamount effect ; Water mass ; Western Pacific Ocean.

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本文引用格式

马骏, 宋金明, 李学刚, 袁华茂, 李宁, 段丽琴, 王启栋. 2018年春季西太平洋 Kocebu海山区海水中颗粒态有机碳的地球化学特征. 地球科学进展[J], 2020, 35(7): 731-741 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.057

Ma Jun, Song Jinming, Li Xuegang, Yuan Huamao, Li Ning, Duan Liqin, Wang Qidong. Geochemical Characteristics of Particulate Organic Carbon in the Kocebu Seamount Waters of the Western Pacific Ocean in Spring 2018. Advances in Earth Science[J], 2020, 35(7): 731-741 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.057

1 引 言

作为地球上最大的碳库,海洋对全球碳循环有着十分重要的作用。有机碳和无机碳共同组成了海洋碳库,其中有机碳又分为颗粒态有机碳(Particulate Organic Carbon,POC)和溶解态有机碳(Dissolved Organic Carbon,DOC) [ 1~ 3]。POC虽然仅占海洋有机碳的10%,但其对海洋生态系统具有十分重要的意义 [ 4~ 6]。POC不仅与海洋生物的生长、代谢和死亡等生命活动紧密相关,是海洋碳固定、迁移和输出的主要形式,同时也影响和控制着海水中DOC和溶解态无机碳(Dissolved Inorganic Carbon,DIC)的行为,并与氮和磷等生源要素形成耦合效应,对海洋碳循环产生深远的影响 [ 7~ 9]。因此POC的研究一直是海洋碳循环的热点问题,对其分布、来源和组成等生物地球化学特征的探讨贯穿于海洋碳循环研究的整个过程。

海山是深海大洋中的典型地貌,通常指突出海底表面1 000 m以上的隆起 [ 10~ 12]。受独特地形的影响,海山区的水文环境复杂,往往形成较为孤立的生态系统,从而使物质的分布、生物群落的组成等与其他地区迥异 [ 11, 13]。目前虽已证实大多数海山可显著提高营养盐浓度、叶绿素a(Chlorophyll a,Chl a)含量以及生物量等,即形成“海山效应” [ 14~ 17],但国内外尚缺乏大洋海山区POC的研究,尚不清楚海山是否对POC的分布产生显著影响,也不明晰海山区的POC的地球化学特征。

本研究聚焦西太平洋Kocebu海山区,根据2018年3月对其开展综合调查的数据,阐明了Kocebu海山区海水中POC的分布特征,分析了海山对POC分布的影响程度,探讨了海山区POC的来源及组成,为大洋海山区POC的地球化学研究提供理论依据和借鉴。

2 材料与方法

2.1 研究区域

2018年3月搭乘“科学”号调查船对西太平洋的Kocebu海山区(152.54°~153.42°E,17.16°~17.78°N)进行综合调查。Kocebu海山呈典型的“双峰型”,调查期间,在Kocebu海山上方共设置19个站位,分A和B两个断面,其中A断面设10个站位,B断面设8个站位,交汇于东侧山顶的O站位,深度为1 195 m;西侧山顶为A9站位,深度为1 487 m( 图1)。

图1

图1   Kocebu海山区的调查站位图

(a) 海山位置图;(b) 站位设置图;(c) A和B断面

Fig.1   Sampling stations in the Kocebu seamount area

(a) Location map of seamount; (b) Station setting map; (c) Section A and B


根据Kocebu海山区的温盐关系图( 图2)及相关报道 [ 18~ 20],将该海域的水团划分为北太平洋热带水(North Pacific Tropic Water,NPTW)、北太平洋中层水(North Pacific Intermediate Water,NPIW)和深层水(Deep Water,DW)3种。其中NPTW位于0~200 m的水层,特点是高盐高温(平均温度为26.07 ºC,平均盐度为26.07);NPIW位于250~600 m的水层,特点是温度和盐度变化大(温度范围为6.66~19.70 ºC,盐度范围为34.16~34.96);DW位于大于700 m的水层,特点是低温(温度范围为1.45~5.82 ºC,平均温度为3.47 ºC)( 表1)。

图2

图2   Kocebu海山区的水团分布图

Fig.2   The distribution of water masses in the Kocebu seamount area


表1   Kocebu海山区各水团中的温度、盐度和 POC分布

Table 1  The distribution of temperature, salinity and POC in different water masses in the Kocebu seamount area

水团水层/m温度/ºC盐度POC浓度/(μg/L)
范围均值范围均值范围均值
NPTW0~20019.57~27.4326.0734.84~35.1634.9214.05~34.7123.61
NPIW250~6006.66~19.7012.6434.16~34.9634.4610.29~23.2314.93
DW≥7001.45~5.823.4734.36~34.6934.559.01~16.4612.02

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2.2 研究方法

为尽可能减少潮汐运动对各参数分布的影响,样品采集均在每日晚20时至次日6时进行。采样时,在各站位0、30、50、75、100、叶绿素最大值层(Deep Chlorophyll Maximum Layer,DCML)、200、300、500、750、1 000、2 000 m和底层使用Niskin采水器(KC-Denmark,丹麦)采集水样。本次调查共采集和测定了温度、盐度、POC、颗粒态有机氮(Particulate Organic Nitrogen,PON)溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)、硝酸盐(Nitrate,NO 3-N)和Chl a等参数,各参数的采集均按照海洋调查规范(GB12763.6-2007)进行。样品采集和分析测试方法如下:

(1)温度和盐度:使用CTD(Sea-bird SBE911,美国)在采集水样时同步测定。

(2)POC:采样时,每层取3 L水样通过直径为25 mm,孔径为0.7 μm的玻璃纤维膜(Whatman GF/F, 英国)(滤膜先经450 ℃灼烧4 h后,用0.5 mol/L盐酸浸泡24 h,之后用超纯水洗至中性并烘干)过滤,将滤膜置于冰箱-20 ℃冷冻保存,带回实验室测定。测定时,先将滤膜进行酸化处理(用0.5 mol/L盐酸淋洗膜样,用超纯水洗至中性并烘干),之后将滤膜磨碎,称重后取一定质量的样品,使用元素分析仪与稳定同位素质谱仪联机(Thermo Fisher Scientific Flash EA 1112 HT- Delta Ⅴ Advantages,美国)测定POC浓度,测定精度为±0.8‰ [ 4]

(3)PON:采样时,每层取5 L水样通过直径为47 mm、孔径为0.7 μm的玻璃纤维膜(Whatman GF/F, 英国)(滤膜先经450 ℃灼烧4 h后,用0.5 mol/L盐酸浸泡24 h,之后用超纯水洗至中性并烘干)过滤,将滤膜置于冰箱-20 ℃冷冻保存,带回实验室测定。测定时,用25 mL 0.1 mol/L的盐酸浸取震荡滤膜2 h,浸取后的滤膜加入25 mL碱性过硫酸钾,在124 ℃的温度下消解1 h,同样取5 mL浸取液,半定容后,调节pH至5左右,定容至25 mL,使用营养盐自动分析仪(SEAL QuAAtro,德国)测定样品的PON,测定精度为±5% [ 21]

(4)DO:每层用50 mL棕色碘量瓶采样,加入硫酸锰和碱性碘化钾溶液固定后,用Winkler碘量法现场测定DO,相对标准偏差小于等于2% [ 1]

(5)NO 3-N:采样时,取上述过滤后的海水100 mL于高密度聚乙烯瓶中,用氯仿固定(终浓度2‰),置于冰箱-20 ºC冷冻保存,带回实验室测定。测定时,营养盐自动分析仪(SEAL QuAAtro,德国)测定样品的NO 3-N,检测限为0.02 μmol/L [ 10]

(6)Chl a:采样时,每层取水样2 000 mL,经200 μm筛绢过滤去除浮游动物后,使用0.7 μm滤膜(Whatman GF/F,英国)过滤,样品用锡箔纸包裹后置于冰箱-20 ºC冷冻保存,带回实验室测定。测定时,用90%丙酮萃取样品12~24 h后,使用Turner荧光光度计(Turner Designs, 美国)测定浓度 [ 1, 22]

3 结果与讨论

3.1  POC的垂直分布特征

POC浓度总体随着水深的增加呈逐渐降低的趋势,且在700 m以深的水层中保持稳定,并在接近海山底部的水层中略有回升( 图3)。在NPTW中,POC的平均浓度在各水团中最高,达23.61 μg/L,浓度范围为14.05~34.71 μg/L。该水团中各水层的POC浓度均处于高值,其中DCML最高,平均值为24.50 μg/L。在NPIW中,POC的平均浓度为14.93 μg/L,范围为10.29~23.23 μg/L。该水团仅包括了300和500 m两层,其中300 m水层的POC浓度较NPTW的200 m水层显著降低,至14.35 μg/L,而500 m水层的POC浓度又略有回升,至15.07 μg/L。在DW中,POC的平均浓度在各水团中最低,为12.02 μg/L,浓度范围为9.01~16.46 μg/L。该水团中各水层的POC浓度随水深的增加略有下降,并基本保持稳定,其中1 000和2 000 m水层中的平均值分别为12.21和11.50 μg/L,此外在接近海山底部的水层中各站位的POC浓度略有回升。

图3

图3   Kocebu海山区 5 0001 000 m水深中 POC的垂直分布

Fig.3   The vertical distribution of POC at 5 000 and 1 000 m in the Kocebu seamount area


大洋真光层一般位于200 m以浅的水层 [ 11, 23],该区域内浮游植物进行光合作用,产生大量的有机物,随着水深的增加,有机物被微生物逐渐分解,其含量呈逐渐降低的趋势。本研究中,POC的平均浓度在NPTW中最高,在DW中最低,POC浓度的这种垂直变化特征在大洋中是普遍存在的。Menzel等 [ 24]在发现热带东太平洋中上层水体的POC浓度最高可达800 μg/L以上,而1 000 m以深的水层中POC浓度不到10 μg/L。同时他们还指出大西洋的马尾藻海的上层水体和深层水体也存在POC的巨大差异 [ 25]。POC与浮游植物的生物量往往呈正相关 [ 2, 26],本研究中POC浓度在DCML中达到最高,为24.50 μg/L,体现了浮游植物的生长和繁殖是控制POC浓度的主要因素之一。真光层以下的水层中,光合作用逐渐变弱并最终消失,有机物分解占主导作用,导致POC的迅速降低 [ 1, 27]。本研究中300 m水层的POC已降至14.35 μg/L,与200 m水层的POC之差远大于其与1 000 m水层之差,表明有机物在200~300 m的水层中分解速度极快,消耗了大量的POC。值得一提的是,500 m水层中POC浓度较300 m水层略有回升,这种现象可能与深海散射层的分布有关。大多数浮游动物具有昼夜垂直迁移的习性,夜晚时其向上移动至真光层中觅食,白天向下移动至400~600 m的水层中停留,进而在该水层形成深海散射层 [ 11, 28]。由于浮游动物的生长、代谢和死亡等原因,导致了深海散射层中POC的增加。在700 m以深的水层中,POC虽仍在降低,但变化速度明显放缓,且在接近海山底部的水层中略有回升。这种现象在南海 [ 29]、大西洋 [ 30]、太平洋中部 [ 31]等均有发现,造成这种现象的原因可能是,POC在经历从上至下的降解过程后,易分解的部分已消耗殆尽 [ 21, 29],同时水温的降低抑制了微生物的活性 [ 24, 32],使POC的降解速率显著下降,而在接近海山底部的水层中,可能存在底栖生物活动或水流运动引起的POC再悬浮 [ 7, 33, 34],导致其浓度略有回升。

图4反映了POC和温度的垂直分布与Kocebu海山的位置关系。从 图4可以看出,在海山东西侧山顶的O和A9站位附近,均出现了POC浓度的低值区。A断面中,东侧山顶O站位及其附近的A4和A3站位,西侧山顶A9站位及其附近的A10站位1 000 m左右的水层中POC浓度较周围站位普遍降低,且这些站位该水层中均出现12.50 μg/L的POC浓度等值线的隆起,同时紧邻两个山顶上方的水层中POC浓度低于10.00 μg/L。B断面中,山顶O站位及其附近的B5、B6和B7站位750 m左右的水层中也出现了12.50 μg/L的POC浓度等值线的隆起,这些站位该水层中的POC浓度也普遍低于其他站位。在A和B断面中,750 m以浅和2 000 m以深的水层中未见POC的垂直分布与海山位置有明显的联系。值得一提的是,在A和B断面中POC浓度12.50 μg/L等值线隆起的相似位置上(特别是东西侧山顶O和A9站位),同时存在4 ºC等温线的隆起,其幅度也与POC浓度12.50 μg/L等值线隆起类似,均在750~1500 m的水层中。

图4

图4   Kocebu海山区 AB断面中 POC和温度的分布

Fig.4   The distribution of POC and temperature in section A and B of the Kocebu seamount area


作为海底独特的地貌,海山往往对周围的水流产生一定的影响,进而影响其他环境要素的分布 [ 13, 17]。当水流流经海山时,由于海山地形的抬升作用,使得上升流成为海山区最为典型的水文特征。上升流引发的温盐及其他环境要素的变化被普遍报道。Ma等 [ 10]在热带西太平三座海山的研究中,证实了海山区上升流作用下温度、盐度和营养盐浓度等近乎一致的变化,提出海山具有提高其附近水域营养盐浓度的观点。Comeau等 [ 35]在Cobb海山上方的相同位置上,发现了具有相似幅度的等温线和营养盐浓度等值线的隆起。Mourino 等 [ 14]报道了东北大西洋Great Meteor海山东西断面0~150 m的水层中存在等温线和等盐度线的隆起。在海山研究中,由于上升流难以被仪器观测,常用等温线或等盐度线的隆起来判断是否存在上升流,而在有的研究中,也会结合生源要素和Chl a等参数的分布特征判断水文情况的变化 [ 10, 13]。本研究中,在Kocebu海山东西侧山顶的O和A9站位750~1 500 m的水层中存在一条4 ºC的等温线的隆起,表明该区域由于山顶的地形效应存在上升流。上升流促进底部较低浓度的POC向上涌升,在4 ºC等温线隆起的相似位置上,同时出现POC浓度12.50 μg/L等值线隆起,使得山顶附近站位的POC浓度普遍低于远离山顶的站位。Kocebu海山区温度和POC的分布共同表征水文情况的变化,在其他水层中,等温线和POC浓度的等值线无明显的变化,表明其他水层中的水文情况较为稳定,主要存在洋流的水平运动,未形成上升流。其中750 m以浅及1 500 m以深的水层中稳定的等温线和POC浓度的等值线说明由海山地形引起的上升流影响范围有限,仅限于750~1 500 m的水层中。

3.2  POC的水平分布特征

为研究Kocebu海山区POC的水平分布特征,分别计算了NPTW、NPIW和DW(仅包括750和1 000 m两个水层)中各站位水柱中的平均浓度。 图5描述了Kocebu海山区各水团中POC的水平分布与海山的位置关系。在NPTW中,POC的水平分布无明显的规律,水柱中POC的平均浓度在东侧山顶的O站位、B7站位及B1站位较高,都超过25.00 μg/L,分别达26.60、26.51和25.04 μg/L;其在B3、A7和A2站位较低,都低于22.00 μg/L,分别为20.97、21.21和21.76 μg/L。在NPIW中,POC的水平分布也无明显的规律,水柱中POC的平均浓度在远离海山的B8和A10站位以及靠近东侧山顶的B4站位较高,分别为19.08、17.48和18.06 μg/L;其在东侧山顶附近的A6、O和B5站位较低,分别为11.09、12.34和12.41 μg/L。在DW中,POC的水平分布与海山的位置有紧密的联系。水柱中POC的平均浓度在东侧山顶附近的B6、O、B7和B5站位较低,分别为9.59、9.80、10.24和10.30 μg/L,在西侧山顶的A9站位也较低,为12.74 μg/L;其在A8站位以及远离海山的B8和B1站位较高,分别为14.26、14.05和13.83 μg/L。

图5

图5   Kocebu海山区不同水团中 POC的水平分布

Fig.5   The horizontal distribution of POC in different water masses of the Kocebu seamount area


NPTW和NPIW中 POC的水平分布无明显的规律,在海山山顶附近的站位及远离山顶的站位均存在高值或低值,表明海山对该两种水团中的POC无显著的影响。在DW中,POC在东西侧山顶附近的站位(特别是东侧山顶)显著低于远离海山的站位,结合 图4及上文的分析,表明海山山顶附近的上升流促进底部低浓度POC的上涌,导致该水团中靠近山顶的站位POC浓度较低。Kocebu海山区东西两侧山顶分别为1 195和1 487 m,是典型的“深海山” [ 11, 36]。即便在海山山顶附近形成上升流,该上升流的影响范围也有限,仅局限在750~1 500 m的水层中,上升流携带底部营养物质的上涌,难以对上部的NPTW和NPIW构成影响,更难以导致真光层中营养物质聚集、Chl a增多和生物量增加的“海山效应”。在诸多海山的调查报道中,深海山中从未发现过“海山效应”,在东北大西洋的Sedlo [ 37]、中太平洋的Horizon [ 38]和北太平洋的Jasper [ 13]等深海山均未发现真光层中营养物质和生物量增多的现象。

3.3  POC的来源及组成解析

海水中的POC来源主要包括陆源和海源两种方式 [ 7, 39]。POC/PON常用于区分海水中POC的来源,当POC/PON>12时,表示POC为陆源输入;当POC/PON<12时,表示POC为海源输入 [ 7, 40]。而POC/PON随水深的变化主要与POC和PON的性质有关,PON中的氨基酸和氨基糖等物质较有机碳更容易被分解 [ 7, 41]。本研究中,Kocebu海山区的POC/PON范围为1.90~11.32,平均值为3.75,由此可见,Kocebu海山区由于远离陆地,POC主要为海源输入。POC/PON随水深的增加呈先升后降的趋势,并与POC、PON、DO、和NO 3-N的变化紧密相关( 图3图6)。在0~200 m的水层中,有机物的生成与消耗同时发生,POC和PON保持基本稳定,POC/PON较低,平均值为3.51。在300~1 000 m的水层中,有机物分解最为剧烈,DO急剧下降,PON的降解速率高于POC,产生大量的NO 3-N,使POC/PON显著提高;而在接近海山底部的水层中,沉积物再悬浮作用导致POC和PON不同程度的增加 [ 2, 34],且由于水流的水平输送等原因 [ 11, 42],POC/PON略有下降。左九龙等 [ 43]报道黑潮底层水中PON仍占总颗粒态氮的70%以上,这部分难降解的PON可进一步埋藏于沉积物中,在再悬浮的作用下快速释放至水体中,可能对POC/PON造成一定的影响。

图6

图6   Kocebu海山区 PONDONO 3-N的垂直分布

Fig.6   The vertical distribution of PON, DO and NO 3-N in the Kocebu seamount area


POC又可分为生命态POC和非生命态POC [ 2, 34]。其中POC/Chl a常用于表示非生命态POC对总POC的贡献程度,当POC/Chl a位于20~200时,表明浮游植物光合作用产生的生命态POC是POC的主要组成;当POC/Chl a超过200 时,表明降解和碎屑有机物等非生命态POC是POC的主要组成 [ 2, 40]。本研究中由于更深水层的Chl a浓度极低且低于检测限,只测定了0~300 m水层的Chl a浓度。Kocebu海山区所处的海区真光层位于200 m以浅的水层,而DCML位于次表层 [ 16, 44],Chl a的平均浓度达0.197 mg/m 3;在300 m水层已处极低水平,为0.002 mg/m 3表2)。POC/Chl a与Chl a的变化紧密关联,其平均值随着水深的增加呈先降后升的趋势,在0~100 m的水层中均大于200,在DCML最低,在300 m水层中迅速升高( 表2[ 16, 44]。马骏等 [ 16]和赵丽等 [ 45]均指出西太平寡营养海域的异养细菌丰度在真光层上部较高,大量的异养细菌的代谢和分解作用可能造成非生命态POC的快速增加。在DCML中,浮游植物大量繁殖,导致该水层中生命态POC占优势。而在300 m水层中Chl a急剧降低,POC/Chl a急剧升高,生物代谢活动产生的残渣、碎屑和粪粒等构成的非生命态POC在总POC中贡献最大。这种POC组分的变化特征在大洋中较为常见,Gundersen等 [ 46]在大西洋的百慕大海区,Danovaro等 [ 47]在克里特海都发现了类似的现象。

表2   Kocebu海山区 0~300 m水层中 Chl aPOC/Chl a的分布

Table 2  The distribution of Chl aPOC/Chl a at 0~300 water layers in the Kocebu seamount area

水层Chl a/ (mg/m 3)POC/Chl a
范围均值范围均值
0 m0.028~0.0670.047324.13~819.39539.72
30 m0.033~0.0780.049345.87~793.94551.27
50 m0.035~0.0840.054267.50~654.62479.24
75 m0.040~0.0950.065216.11~654.77386.32
100 m0.021~0.2760.097113.05~976.66314.01
叶绿素最大值层0.097~0.3360.19759.10~286.43138.57
200 m0.011~0.0830.042225.93~1 562.34581.50
300 m0.001~0.0050.0022 621.09~1 3051.346 508.56

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4 结 论

作为深海大洋中的典型地貌,海山往往形成较为孤立的生态系统。POC等生源要素作为海洋生态系统的物质基础,其特征不仅受控于生物群落组成及其相互作用,也具有十分重要的生态学意义。基于对西太平洋Kocebu海山区POC的分布、来源及组成等地球化学特征的初步揭示,本研究探讨了该海山区POC的关键生物地球化学过程,评估了“海山效应”对POC的潜在影响,旨在深化人们对海山区化学海洋学的认知水平,为大洋海山区的POC等生源要素的深入研究提供借鉴,对探明海山独特生态系统的物质循环过程作出参考。

Kocebu海山区的POC浓度总体随着水深的增加呈逐渐降低的趋势,且在700 m以深的水层中保持稳定,并在接近海山底部的水层中略有回升。海山区所处的水域可分为3种水团,POC的平均浓度在各水团中大小依次为NPTW(23.61 μg/L)>NPIW(14.93 μg/L)>DW(12.02 μg/L)。POC浓度在DCML和500 m水层分别由于Chl a浓度最高和深海散射层的分布而较高。NPTW和NPIW中 POC的水平分布无明显的规律,而在DW中,POC浓度在东西侧山顶附近的站位显著低于远离海山的站位。

Kocebu海山仅对山顶上方750~1 500 m水层中POC的分布产生一定的影响,未形成“海山效应”,表现在该水层中东西侧山顶附近的站位存在上升流,引起POC浓度12.50 μg/L等值线隆起,使得山顶附近站位的POC浓度普遍低于远离山顶的站位,进而导致了DW中的POC平面分布图中海山山顶附近站位POC浓度较低的现象。

Kocebu海山区海水中的POC/PON平均值为3.75,表明POC主要为海源输入。POC/PON随水深的增加呈先升后降的趋势,这种变化可能与POC和PON不同的分解速率、再悬浮以及水流的水平输送有关。在0~300 m水层中,仅DCML的POC/Chl a<200,表明该水层中POC主要为生命态形式。而300 m水层中Chl a急剧降低,POC/Chl a急剧升高,生物代谢活动产生的残渣、碎屑和粪粒等构成的非生命态POC在总POC中贡献最大。

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