扈传昱 韩正兵 孙维萍 陈际雨

(1. 国家海洋局海洋生态系统与生物地球化学重点实验室 杭州 310012; 2. 国家海洋局第二海洋研究所 杭州 310012)

生物硅(biogenic silica, BSi)主要来源于硅藻、放射虫、硅质鞭毛藻和海绵骨针等, 其中硅藻是海洋表层生物硅的主要生产者。在南大洋, 硅藻是生物泵的重要组成部分, 输送到深海的有机碳通量一半以上是由硅藻贡献(Nelson et al, 1995; Sigmon et al, 2002)。因此进行南大洋生物硅的生物地球化学关键过程研究, 有助于我们更好地理解南大洋碳循环的时空变化。普里兹湾所在的南大洋印度洋扇形区是典型的边缘海冰区,是除威德尔海、罗斯海之外最大的海湾。然而相对于威德尔海、罗斯海海域, 在普里兹湾开展的有关生物硅的研究还非常薄弱。扈传昱等(2012)利用中国第 27次南极科学考察期间获得的颗粒物样品, 对南大洋普里兹湾海域水体中颗粒态生物硅(particulate biogenic silica, PBSi)的含量及分布特征进行了初步研究, 分析了该海域颗粒态生物硅与营养盐、浮游植物以及颗粒有机碳之间的关系。本文在上述研究的基础上, 结合中国第25、26、27、28、29次南极科学考察期间获取的数据, 重点探讨了普里兹湾表层水体中PBSi含量的年际变化情况及其与气候事件的关系。

1 材料与方法

1.1 样品采集

本研究中的样品采集于中国第25、26、27、28、29次南极科学考察航次(表1), 5个航次样品的站位位于南大洋普里兹湾以及邻近海域, 这些站位贯穿研究海域的深海区、陆坡区、毗邻陆架区和湾内近岸区。图1为25—29航次采样站位图。

采集的海水样品(1.5L)经Nucleopore聚碳酸酯膜(孔径 0.40μm, 直径 47mm)过滤, 收集 PBSi样品, 过滤后将滤膜放入膜盒冷冻保存,回实验室分析。叶绿素a(chl a)样品采用Whatman GF/F膜过滤, 滤膜冷冻保存后分析。

1.2 样品分析

对水体中悬浮颗粒态生物硅(PBSi)的测定通常根据样品来源而定, 基于前人提出的热NaOH提取法的基础上, Tréguer等人(1992)提出了适合大洋水体中的 PBSi的测定方法。此法简单、灵敏度高, 本研究即采用这种测定方法。具体步骤为: 将过滤有生物硅的滤膜 1/4对折, 放入 10mL塑料离心管中, 加0.2mol/L NaOH溶液混匀, 在95°C水浴中提取45min,取出, 冷却至室温加HCl中和, 离心后按照《海洋调查规范》(GB／12763.4 2007)测定上清液中的硅酸盐含量。chl a样品的测定采用《海洋调查规范》(GB／12763.6 2007)中的萃取荧光法, 利用唐纳荧光计(Turner Designs, Model 10灵敏度为0.025μg/L)测定。

图1 普里兹湾水体中生物硅采样站位图(25—29航次)Fig.1 Locations of PBSi sampling in the Prydz Bay (CHINARE-25—29)

表1 南极考察25—29航次大面站采样时间Tab.1 The sampling time during the CHINARE cruises (25—29)

1.3 遥感数据及图片获取

MEI(Multivariate ENSO Index)数据来源于http://www.cdc.noaa.gov/Bkew/MEI/mei.html; 普里兹湾湾内海域表层水体中 chl a浓度数据(72°—78°E, 67°—69°S)来 源于 http://gdata1.sci.gsfc.nasa.gov/daac-bin/G3/gui.cgi?instance_id=ocean_month; 本文所采用的遥感海表chl a浓度和遥感海表温度(SST)资料均来自于美国国家航天航空局(NASA)MODIS-Aqua卫星(http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/cgi/l3)。其中遥感图片中chl a浓度数据为每月平均值(即12月平均值, 1月平均值, 2月平均值, 3月平均值), 其它遥感chl a浓度数据为普里兹湾夏季平均值(即12月—3月期间平均值)。

2 结果

2.1 2009—2013年普里兹湾表层水体中 PBSi的含量变化

根据 CHINARE-29航次获取的数据可知, 在2013年夏季普里兹湾海域表层水体中PBSi的含量在0.38—8.62μmol/dm3之间变化, 平均含量为 1.55±1.86μmol/dm3, 图2a是表层水体中PBSi含量分布图,由图可知在普里兹湾表层水体中PBSi的分布趋势是67°S以南湾内含量明显高于 67°S以北的湾外海域,这种分布趋势与扈传昱等(2012)报道的普里兹湾表层水体生物硅的分布一致。朱根海等(1995)、孙军等(2003)的研究认为普里兹湾及邻近海域微小型浮游植物各类别的组成比率和细胞丰度以硅藻类占绝对优势, 其种类占总种类数的 73.0%; 微小型浮游植物的细胞丰度, 硅藻类占99.75%, 处于绝对优势。有研究表明 PBSi能很好的反映水体中的硅藻细胞生物量,从而成为记载水体中初级生产力的有力手段(Leblanc et al, 2002; Nelson et al, 2002; Umani et al, 2002)。普里兹湾浮游植物的旺发主要发生在陆架区、海冰边缘区, 67°S以南海域chl a浓度明显高于67°S以北海域(图2b)。普里兹湾表层水体中PBSi的分布趋势与表层chl a浓度的水平分布基本吻合。根据扈传昱等人(2012)的研究, 在普里兹湾上层水体中 PBSi的分布状态与生物活动关系密切, 充分显示出夏季普里兹湾生物因子对PBSi的主控作用。

对2009至2013年即CHINARE-25, 26, 27, 28, 29航次期间获得的普里兹湾表层水体中PBSi的数据进行了对比, 图3为2009年至2013年期间普里兹湾海域67°S以南及以北海域夏季表层PBSi平均含量变化示意图, 由图可知在 2009—2013年夏季期间, 普里兹湾湾内以及湾外海域表层PBSi平均含量均呈现一定的年际差异, 湾内平均含量在每个年份均高于湾外海域。湾内和湾外的PBSi平均值的最高值均出现在 2009/2010年夏季, 分别为 14.32±5.07μmol/dm3,3.21±1.82μmol/ dm3; 相对于其它年份2012/2013年夏季是 PBSi平均含量最低的年份, 湾内仅为 2.86±2.68μmol/dm3, 湾外则为 0.87±0.31μmol/dm3。其它年份中2008/2009年和2010/2011年湾内PBSi的平均含量相近分别为7.63±2.17μmol/dm3和8.53±2.67μmol/dm3,为次高值年份, 湾外海域亦此。普里兹湾湾内海域近年来 PBSi的含量变化, 与研究人员报道的夏季威德尔海海域 PBSi的含量范围 0.1—18.9μmol/dm3相近(Pasquer et al, 2010), 而与Ross海海域春季PBSi的平均含量 21.7μmol/dm3相比明显较低(Nelson et al,1986)。

图2 CHINARE-29航次获取的2013年夏季普里兹湾表层PBSi (μmol/dm3, a)以及chl a (μg/dm3, b)含量分布图Fig.2 Distributions of PBSi (μmol/dm3, a) and chl a (μg/dm3, b) contents in the surface water of Prydz Bay in austral summer of 2013 during CHINARE-29

图3 普里兹湾湾内以及湾外海域表层PBSi含量年际变化趋势(μmol/dm3)Fig.3 Interannual difference of PBSi contents in the surface water of inner areas and outer areas of Prydz Bay(μmol/dm3)

2.2 2009-2013年普里兹湾表层水体中chl a的含量变化

图 4为 2009—2013年夏季调查期间, 普里兹湾湾内及湾外实测的表层水体中chl a平均含量变化图,可知在 2009—2013年期间, 普里兹湾湾内以及湾外表层水体中 chl a的平均含量的最高值同样出现在2009/2010 年夏季, 分别为 5.28±2.16μg/dm3和 0.93±0.87μg/dm3, 2008/2009和2010/2011年chl a平均含量也出现明显下降但是亦为平均值的次高值年份。在最低值出现的年份上湾内最低值同样出现在 2012/2013年夏季平均为 0.99±0.96μg/dm3, 而湾外平均含量的最低值则出现在2011/2012年的夏季为0.22±0.02μg/dm3。

图4 普里兹湾湾内以及湾外海域表层chl a含量年际变化趋势(μg/dm3)Fig.4 Interannual difference of chl a contents (μg/dm3) at surface water of inner areas and outer areas of Prydz Bay

图5 2007年12月至2012年5月MEI值序列以及遥感chl a浓度变化(μg/dm3)Fig.5 Data of MEI and remote sensing data of chl a (μg/dm3)from December of 2007 to May of 2012

在2012以及2013年度的调查时间基本上在2月底3月初(表1), 已为南极夏季的尾声, 因此在这两个年份chl a浓度明显较低与调查时间有一定的关系。每年的chl a平均浓度数据显示, 普里兹湾湾内湾外海域表层chl a平均含量与PBSi的平均含量的年际变化趋势非常一致, 因此我们认为, 在普里兹湾浮游生物的生长旺发的年际差异是造成不同年度PBSi含量的变化的主要原因。而在南大洋由于浮游植物生长受众多因素的制约, 因此生物硅的生产也是受综合因素控制。

3 讨论

南大洋海冰区的生态系统是全球气候变化的重要响应与反馈窗口, 海冰是全球大气—海洋环流以及气候变化之间的重要纽带, 同时也对海冰区生态系统中海洋生物具有重要影响, 目前对相关研究已经取得很多成果, 其中南极海冰变化与ENSO的关系尤为引人注目, 而由此引发的南大洋海冰区生态系统生物地球化学过程的响应更是值得深入研究。据文献报道, 南极海冰变化与ENSO循环过程存在一定的联系(陈锦年等, 2003; Arrigo et al, 2004a), 浮游植物的生长和群落结构变化与全球气候变暖及 ENSO也相应地存在一定的关联; 海洋初级生产力异常变化与多元ENSO指数(Multivariate ENSO Index, MEI)有很显著的相关性。其它研究则指出厄尔尼诺事件会通过大气遥相关过程使南大洋海域温度产生变化(Arrigo et al, 2003, 2004b), 在陆架区海冰的消融会比正常时段早, 开阔水域面积增加, 相应地浮游植物会提前旺发, 其中若干浮游植物对厄尔尼诺事件响应十分快速, 而在拉尼娜年, 明显滞后于其他年份, 且叶绿素a的浓度也低于其它年份。基于这种现象我们将普里兹湾调查期间的MEI以及chl a浓度的变化做了分析。图5为调查期间MEI值随时间变化图, 正值越大表明厄尔尼诺倾向越强, 负值越大表明拉尼娜倾向越强, 图中还给出了相应的时间内遥感获取的普里兹湾表层水体中chl a含量的变化(方点)。从图中可以看出遥感chl a浓度与MEI的时间序列具有一定的相关性, 基本上呈现为MEI高的年份对应的chl a浓度也高的趋势。表明普里兹湾海域浮游植物生长与ENSO事件有一定的联系, 即在厄尔尼诺年普里兹湾浮游植物生产要高于拉尼娜年。

为了验证上述推测, 我们对收集整理的中国南极考察历史调查数据进行了分析。结果显示在 1992年 12月—1993年 2月普里兹湾采集浮游植物期间,正处在厄尔尼诺事件过程中(王绍武等, 1999), 经鉴定该时期浮游植物共有5门34属95种, 其中硅藻占76.6%, 与 2002年 1—2月的正常年份获取的数据相比(表 2), 浮游植物群落的物种组成发生了变化种群数量增加, 高于正常年份的3门37属87种。浮游植物细胞丰度为 38.75×103个/dm3, 明显高于正常年份的 8.80×103个/dm3; 硅藻占优势, 比例也有一定的升高, 优势种群为圆柱菱形藻和巴克氏菱形藻, 在正常年份则为克格伦拟脆杆藻。1998年12月—1999年1月南极调查时间则处于强度较大的拉尼娜事件范围中, 期间浮游植物种类组成经鉴定共有 5门20个属36种, 种群数量显著减少, 细胞丰度值 4.02×103个/dm3也明显低于正常年和厄尔尼诺年; 硅藻占总量的比例下降为61.1%, 优势种群为短菱形藻。根据以上历史数据表明厄尔尼诺/拉尼娜事件对普里兹湾的浮游植物生长以及种群结构有一定影响。

本文对普里兹湾表层水体中生物硅含量的研究结果显示, 2009—2010年夏季生物硅含量在几个年份中最高, 对照图5的MEI值可以看出, 在2009年12月—2010年 2月调查期间对应的是厄尔尼诺事件。遥感数据及影像(表3, 图6)表明, 在2009年12月份普里兹湾海域湾内陆架区温度明显升高,海冰开始融化并有形成冰间湖的趋势。普里兹湾湾内夏季平均温度为 0.01°C, 高于整个陆坡区以及深海区温度–0.14°C, 也明显高于正常时段(2008/2009夏季)(表3,图7), 到了1月份海冰基本完全消融。浮游植物在12月就开始大面积旺发, 明显高于1月, 到2月逐渐减弱, 而3月浮游植物仅在海冰边缘区还有一定的生长,海冰已经开始形成。与正常年份相比浮游植物旺发峰值时间提前到了12月而非的1月。根据实测的普里兹湾 chl a浓度资料显示, 在这个夏季不仅是表层,在 0—50m 层处 chl a浓度的高值区域也扩展到了66°S(金思韵等, 2012), 同期利用遥感获取的夏季chl a含量平均值明显高于其它年份, 而相应的普里兹湾实测PBSi的时间刚好处在旺发时间的12月底, 因此含量与其它年度相比为也呈现峰值状态。

表2 在厄尔尼诺/拉尼娜年期间普里兹湾浮游植物的种类组成、细胞丰度以及与正常年份对比Tab.2 Variations in species composition and abundance of phytoplankton in Prydz Bay during El Niño, La Niña and normal periods

表3 在厄尔尼诺/拉尼娜年期间普里兹湾温度、chl a浓度、PBSi数据以及与正常年份对比Tab.3 Variations in SST and chl a, PBSi concentrations in Prydz Bay during El Niño, La Niña, and normal periods

对照图5的MEI值可知, 在2010/2011年的夏季对应的气候事件为拉尼娜事件, 相应地普里兹湾各个区域的海表温度与厄尔尼诺年份以及正常年份(表3, 图 8)相比都明显偏低, 且在湾内陆架区仍为大部分海冰覆盖没有形成冰间湖, 整个夏季温度平均值为–0.95°C, 湾外海域虽然略高为–0.77°C, 但相对于正常年份仍属于低温, 在1月份仍有一定程度的海冰覆盖。浮游植物在12月仅在很小的区域开始生长, 直到 2011年的 1月才逐渐扩展开始大量旺发, 到了 2月整个海湾海冰才基本融化, 浮游植物相应地继续旺发, 在时间上明显滞后于厄尔尼诺年份的 12月以及正常年份的1月, 到了3月海冰已经基本全部覆盖了整个海湾, 其覆盖程度也远大于厄尔尼诺年份以及正常年份, 仅在冰间湖区域有小范围浮游植物生长。遥感获取的普里兹湾夏季 chl a浓度明显低于2009/2011年夏季, 浮游植物的旺发区域仅局限在67°S以南, 相应的实测 PBSi也明显降低, 但是由于湾内现场取样时间为1月, 是最大旺发时间, 因此相对于2008/2009年的正常年份(取样时间为2月)的湾内PBSi仍略高。

图6 2009年12月至2010年3月普里兹湾海表温度(°C, 其中图a为2009年12月, 图b为2010年1月, 图c为2010年2月, 图d为2010年3月)与2009年12月份至2010年3月份chl a浓度(mg/m3, 其中图e为2009年12月, 图f为2010年1月, 图g为2010年2月, 图h为2010年3月)遥感分布图Fig.6 MAMO_SST_4km.CR sea surface temperature(°C, a—d) and MAMO_CHLO_4km.CR chlorophyll a concentration(mg/m3, e—h)in surface water of Prydz Bay 2009. 12—2010. 3

图7 2008年12月份至2009年3月份普里兹湾海表温度(°C, 其中图a为2008年12月, 图b为2009年1月, 图c为2009年2月, 图d为2009年3月)与2009年12月份至2010年3月份chl a浓度(mg/m3, 其中图e为2008年12月, 图f为2009年1月, 图g为2009年2月, 图h为2009年3月)遥感分布图Fig.7 MAMO_SST_4km.CR sea surface temperature(°C, a—d) and MAMO_CHLO_4km.CR chlorophyll a concentration(mg/m3, e—h)in surface water of Prydz Bay 2008. 12—2009. 3

图8 2010年12月至2011年3月普里兹湾海表温度(°C, 其中图a为2010年12月, 图b为2011年1月, 图c为2011年2月, 图d为2011年3月)与2009年12月份至2010年3月份chl a浓度(mg/m3, 其中图e为2010年12月, 图f为2011年1月, 图g为2011年2月, 图h为2011年3月)遥感分布图Fig. 8 MAMO_SST_4km.CR sea surface temperature(°C, a—d) and MAMO_CHLO_4km.CR chlorophyll a concentration (mg/m3,e—h) in surface water of Prydz Bay 2010. 12—2011. 3

根据以上历史数据及现有数据, 我们认为气候变化会对普里兹湾的海冰变化产生一定的影响, 而相应地普里兹湾浮游植物在数量、种群结构上也会改变, 从而影响PBSi的含量与分布。

4 结论

在2013年夏季, 普里兹湾海域表层PBSi的含量在0.38—8.62μmol/dm3之间, 在67°S以南湾内海域明显高于67°S以北的湾外海域, 与表层chl a浓度的分布趋势基本吻合。在普里兹湾生物因子是PBSi含量分布的主控因子。根据多个航次的数据对比, 在普里兹湾 PBSi的含量存在一定的年际变化, 这种变化与chl a浓度的年际变化趋势相同。分析表明在厄尔尼诺事件发生时普里兹湾海冰消退早于正常年份, 相应的浮游植物生长也强于正常年份; 而在拉尼娜事件发生期间普里兹湾海冰消退晚于正常年份, 同时浮游植物生长也弱于正常年份。结合南极考察有关普里兹湾浮游植物生物量种群结构的历史数据与相应的气候事件, 发现气候事件对普里兹湾的海冰变化产生一定影响, 而相应地浮游植物在数量、种群结构上也会随海冰发生变化, 从而对 PBSi的含量与分布也产生影响。因此在2009/2010夏季, 受厄尔尼诺事件影响, 在普里兹湾表层水体中 PBSi的含量明显高于受拉尼娜事件影响的年份和正常年份。

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