北冰洋中心区表层海水营养盐及浮游植物群落对快速融冰的响应

依托2010年夏季中国第四次北极科学考察,通过对高纬度极地冰下水和冰芯的营养盐的连续观测及表层水颗粒物的藻类色素分析,获取了夏季快速融冰下冰水界面营养盐和光合色素的分布信息。结果表明调查期间表层水磷酸盐和硅酸盐相对于无机氮更丰富(依据Redfield比值),表现为显著的氮限制。而冰芯无机氮浓度相对更高,融冰释放对水体无机氮有一定的补充。色素分析显示岩藻黄素(Fuco)和叶绿素a(Chl a)是水体颗粒物的主要光合色素。在8月15日—8月18日期间,叶绿素c(Chl c)、硅藻黄素(Diato)、硅甲藻黄素(Diadino)和岩藻黄素(Fuco)分别达到6、22、73和922μg.m-3,体现了硅藻在群落中的优势地位。岩藻黄素(Fuco)的浓度在融冰快速期间有巨大的提升,主要来源于冰芯底部释放的衰老的冰生硅藻和浮游硅藻的生长。此外,青绿黄素(Prasino)和叶黄素(Lut)与岩藻黄素(Fuco)分布模式有明显的差异,暗示青绿藻和绿藻与硅藻对海冰融化的不同响应。

西赤道太平洋暖池区光合色素分布及其对浮游植物群落的指示作用

利用光合色素的生物标志性可以在"纲"水平上表征浮游植物群落结构。依托大洋科学考察第20航次和21航次,通过对西赤道太平洋不同区域5个站位的HPLC藻类色素分析及CHEMTAX程序因子分析,获取了暖池区光合色素及浮游植物群落的垂直分布信息。结果显示在寡营养的暖池区,玉米黄素(Zeaxanthin)及乙二烯叶绿素a(DV Chl a)与叶绿素a浓度呈显著的正相关,浮游植物群落结构以蓝细菌、原绿球藻及定鞭金藻为优势藻纲,按对生物量的贡献率原绿球藻大于蓝细菌大于定鞭金藻的。蓝细菌和原绿球藻分布在真光层不同深度,而在营养盐丰富的次表层优势浮游藻类为定鞭金藻。

北极快速变化的生态环境响应

北冰洋由于其特殊的地理位置,成为全球变化响应最为敏感的地区。本文聚焦北极海冰变化幅度最大的西北冰洋,从营养盐、叶绿素、浮游植物群落和沉积碳埋藏等变化来讨论海洋生态环境对北极快速变化的响应。尽管太平洋北向流和北极周边河流输入加强可以增加西北冰洋上层营养盐储库,但由于夏季硅藻旺发向沉积物迁出大量生源元素,使得上层营养盐相对亏损,部分海域存在显著的氮限制和硅限制。随海冰减退,尽管夏末海盆区浮游植物呈现小型化趋势,但西北冰洋总体上浮游植物现存量和初级生产力呈现增高的趋势;伴随叶绿素极大层下移、北扩,以硅藻为代表的生物泵过程得以更高效的运转。在沉积物埋藏的有机碳中,除原先北冰洋生态系统占据重要比份的冰藻外,硅藻等藻类的有机碳埋藏也逐渐增加。西北冰洋海洋初级生产力的增加不仅促进了生物泵的运转和碳的埋藏,而且给海洋生态系统提供了更多的食物来源。北极海域目前已成为全球碳源汇格局变化最大、海洋生态系统改变最显著的地区之一。

2012年楚科奇海及其邻近海域浮游植物现存量和初级生产力粒级结构研究

通过2012年夏季第五次北极科学考察期间在楚科奇海及其邻近海域现场调查所获得的数据分析研究了海域的粒度分级叶绿素a浓度和初级生产力。结果表明,叶绿素a浓度和初级生产力的高值均出现在楚科奇海陆架区,并且远高于深海区。去程时调查海域水层平均叶绿素a浓度的变化范围为0.32～15.66mg/m^3,平均（2.77±3.96）mg/m^3,高值区出现在南部邻近白令海峡海域、北部阿拉斯加巴罗近岸和冰缘区;初级生产力的范围为50.11～943.28mg/（m2·d）,高值出现在冰缘水华区。返程时水层平均叶绿素a浓度的变化范围为0.07～1.52mg/m^3,平均（0.41±0.40）mg/m^3,高值仍出现在陆架区,但比去程时低了一个数量级;初级生产力的分布范围为12.31～41.35mg/（m2·d）,高值出现在陆架区。浮游植物粒度分级测定结果表明,在生物量较低的深海区,叶绿素a浓度和初级生产力的粒级结构以微微型浮游生物（Pico级份）占优势（其贡献率分别为46.1%和56.9%）,小型（Net级份）和微型（Nano级份）对总叶绿素a浓度的贡献差异极小,分别为26.6%和27.3%,对总初级生产力的贡献分别为23.8%和19.3%;而在生物量较高的水深小于200m的陆架区,Net级份叶绿素a浓度所占百分比最高,Pico级份次之,Nano级份最低,分别为59.8%、27.9%和12.3%,初级生产力的粒级结构中叶绿素a浓度所占百分比由高到低同样是Net、Pico和Nano,所占百分比分别为60.6%,32.2%和7.2%。

长江口跨越锋面颗粒磷季节分布变化特征及影响因素

根据2006年夏、冬季以及2007年春、秋季＂海监49号＂科学考察船的调查数据,分析了长江口跨越锋面区域（31.00°~31.78°N、121.04°~123.99°E）颗粒总磷（PP）,颗粒无机磷（PIP）,颗粒有机磷（POP）的季节变化和空间分布特征。结果表明,PIP是水体颗粒磷的主要存在形式;受长江径流输沙量的影响,夏季各形态颗粒磷浓度为最高,秋、冬季次之,春季对应浓度最低;不同季节,颗粒磷表现的空间分布特征也有所不同,受锋面影响,夏季颗粒磷分布范围较广,春、秋、冬季羽状锋范围内缩,颗粒磷分布范围也相应减小。通过相关性分析可知,除陆源输入外,POP的积累还与浮游植物的繁殖有关,其中部分POP可能发生矿化分解,供浮游植物生长利用。另外,PIP的解吸释放是水体中无机磷的动态补充。

长江口及邻近海域夏季溶解无机碳体系及其响应机制初探

根据2009年8月＂908＂项目长江口补充调查总碱度（TAlk）、溶解无机碳（DIC）、pH值、溶解氧（DO）和叶绿素a（Chla）等数据的分析结果显示,长江口及邻近东海海域夏季溶解无机碳（DIC）含量分布范围在1 647.1~2 236.9μmol/dm3之间,平均值为2 031.2μmol/dm3;空间分布为由近岸冲淡水方向向外海逐渐增加;DIC在垂直分布上总体呈现底层水〉次表层水〉表层水,在29.0°N,122.6°E的底层存在1个高值中心,这可能与低温高盐的台湾暖流深层水作用有关。对TAlk、DIC与盐度的相关性探讨发现,当盐度为10~25,TAlk、DIC与盐度呈现很好的保守性关系;而在盐度接近0、大于30及盐度为25~28时则出现偏离保守型稀释曲线现象,而这3个区域分别属于河口淡水端、海水端和长江口羽状锋区域,这一现象的发生与河水端不同的输入源、海水端的水文物理过程以及长江羽状锋区域生物活动强弱密切相关。此外,根据DIC体系中DIC、pH值、温度和盐度等的实测数据进行推算可知,长江口及其邻近海域表层pCO2的范围为15.4~166.9 Pa（154.0~1 669.0μatm）,其中以29.5°N、123°E为中心的区域出现表层pCO2值的低值中心[〈39.0 Pa（390μatm）],理论上可认为是大气CO2的1个典型汇区。

北极楚科奇海沉积生物硅的分布及其硅质泵过程初探

依托第3次、第4次、第5次北极科学考察在北极楚科奇海采集的表层沉积物样品,通过碱液连续提取法对生物硅含量进行分析,以探讨楚科奇海的生物硅分布及硅质泵过程。结果显示,楚科奇海表层沉积物中生物硅的含量为1.23%~10.60%。高值区位于楚科奇海陆坡处72°N附近和楚科奇海南部阿纳德尔流和西伯利亚沿岸流的交界处68°N附近,低值区位于楚科奇海东部阿拉斯加沿岸流影响区域,其生物硅含量小于3%。楚科奇海表层沉积物中生物硅的分布与上层水体的初级生产力的分布格局较一致,而影响上层水体浮游植物生产的两个重要因素分别为楚科奇海环流格局（尤其是太平洋入流水的影响）和海冰融化。生物硅和有机碳之间存在很好的正相关关系,表层沉积物中蛋白石/有机碳（Sibio/Corg）的比值为1.6~2.02,与北太平洋中该比例相当,表明上层海洋硅质泵过程对楚科奇海碳埋藏的贡献较大,使得楚科奇海成为全球海洋吸收大气CO2重要的汇之一。

2009年夏季长江口及邻近海域硝酸盐、磷酸盐的变化规律及其行为特征

利用2009年6月份和8月份(夏季)长江口及邻近海域的调查资料,分析了该海域硝酸盐、磷酸盐的扩散和输运行为特征,结果表明:8月份冲淡水对长江口及邻近海域硝酸盐和磷酸盐的影响比6月份大,这可能与8月份时长江的径流量大有关;6月份和8月份,该海域硝酸盐、磷酸盐的转移机制主要是物理混合稀释过程,但8月份时的硝酸盐、磷酸盐转移机制稍显复杂;虽然8月份N∶P值比6月份更大,但是PO43-的绝对浓度却比6月份高,并且在这2个月期间,浮游植物的生长有明显的变化,可见P已满足了该区浮游植物的生长,区域内并不存在P限制;6月份PO43-绝对浓度由表层到底层水体呈逐渐降低的趋势,而8月份表层和底层水体中PO43-的绝对浓度明显高出10 m和30 m层,这可能是因为8月份时表层水PO43-受冲淡水作用影响明显、而底层水则受矿化作用影响明显所致。

加拿大海盆北部营养盐限制作用研究

利用2008年夏季中国第三次北极科学考察获得的营养盐、叶绿素a、温度和盐度等数据资料,结合现场营养盐添加实验的结果讨论西北冰洋加拿大海盆北部营养盐对浮游植物生长的限制作用。结果表明:由于融冰水稀释作用,加拿大海盆B80站约20m深度存在较强的盐跃层,阻碍了水体上下混合。较低浓度的溶解无机氮(DIN)和硅酸盐(分别为0.31μmol/L和0.94μmol/L)以及严重偏离Redfield比值的N/P、N/Si比值(分别为0.42和0.32)表明加拿大海盆表层水体存在N和Si限制。根据现场营养盐加富实验各培养组叶绿素a浓度变化、营养盐吸收总量差异和浮游植物种群结构,进一步表明氮是北冰洋海盆首要限制营养盐,而Si则抑制了硅质生物的生长。同时,较小的硝酸盐半饱和常数(Ks)证明即使在营养盐充足的情况下北冰洋海盆浮游植物生长速率也处于较低水平。计算得到各培养组营养盐吸收比例(N/P比值)均大于Redfield比值,可能是培养实验过程中以微型、微微型浮游植物为主,硅藻等小型浮游植物为辅造成的。

赤道太平洋上层水体颗粒态生物硅分布及与营养盐的关系

依托中国“大洋一号”第20和第21调查航次,分析测定了东、西赤道太平洋4个站位的颗粒态生物硅浓度及其粒级结构.结果显示赤道太平洋采样站各层位颗粒态生物硅（PBSi）总浓度分布范围为5～65 nmol/dm3,东赤道太平洋的调查站位颗粒态生物硅的总浓度平均值达46 nmol/dm3,是西赤道太平洋的近3倍.PBSi的粒径结果显示在东赤道太平洋调查站位0.8～20μm粒径颗粒是PBSi的主要来源,其平均贡献率高达64％;而在西赤道太平洋2种粒径的生物硅贡献率相当.营养盐分布对PBSi的浓度及粒径分布有显著的影响,并在一定程度上控制了“硅质泵”的组成结构,是控制大洋生物泵运转的重要因素.

西北太平洋楚科奇海沉积物-水界面营养盐输送通量估算

陆架区沉积物间隙水的营养盐再生是水体营养盐补充的重要途径之一。楚科奇海陆架区中部沉积物间隙水中的营养盐分布,是物理和生物扰动较弱状态下的沉积物-水界面的典型分布。本文对中国第4次北极科学考察采集的4个多管短柱沉积物样品及多管样站位的上层水样进行分析,得到沉积物间隙水、上覆水以及水柱中营养盐数据。结果表明,沉积物间隙水各营养盐浓度均先随沉积深度增加而呈指数快速升高,记为Ⅰ层;然后进入沉积物再矿化作用与营养盐移出速率相互抵消的稳定变化层,营养盐浓度在该阶段基本不变,记为Ⅱ层;最后是营养盐缓慢递减层,记为Ⅲ层,由于该层有机质降解作用耗尽氧气,NO-3和PO3-4被还原细菌利用而失去氧离子。通过双层模式和Fick第一扩散定律,计算得出楚科奇海沉积物-水界面硅酸盐、磷酸盐和硝酸盐的扩散通量分别为1.660mmol/(m2·d)(以Si计量)、0.008mmol/(m2·d)(以P计量)、0.117mmol/(m2·d)(以N计量)(以R06站为例)。四个调查站位沉积物中硅酸盐的扩散通量分别为3.101mmol/(m2·d)(以Si计量,CC1站)、1.660mmol/(m2·d)(以Si计量,R06站)、1.307mmol/(m2·d)(以Si计量,C07站)、0.243mmol/(m2·d)(以Si计量,S23站),含量呈现明显的纬度分布特征。沉积物间隙水N*的分布表明,楚科奇海沉积环境具有很强的反硝化过程,沉积物脱氮作用是硝酸盐一个重要的汇。

绿素对西北冰洋海源有机碳埋藏的指示意义

依托于2003年第2次北极科学考察航次,对西北冰洋25个表层沉积物样品用高效液相色谱仪（HPLC）进行绿素（chlorin）分析。结果显示,绿素含量值为0.04~125.29μg/g,平均18.92μg/g,远高于世界其他海域。楚科奇海陆架区绿素含量高,表明整体具有高的生产力。高营养盐的阿纳德尔流和白令海陆架流的输入促进了浮游植物的生长,加大了海源有机碳在楚科奇海陆架区的沉积,也加大了沉积绿素的输入。加拿大海盆区绿素含量低,主要因为海盆区营养盐含量低,加上海冰覆盖（光限制）,藻类生产力低;另一个因素是,海盆区水深较大,绿素在沉降过程中更容易降解,不易保存在沉积物中。通过上层水柱中叶绿素积分与表层沉积绿素的对比也可以看出,陆架区的生物量普遍高于海盆区。由于时间尺度的不同,楚科奇海上层海洋叶绿素分布（代表瞬时）和表层沉积绿绿素分布（代表几年至十几年平均）存在空间差异。而总有机碳归一化处理后的绿素与有机碳的比值,则与海源有机碳的百分含量有较好的相关性。经过归一化以后的沉积绿素与有机碳比值可以为长时间尺度下北冰洋上层海洋生态环境变化提供重要的信息。

2009年初夏长江口及毗邻海区表层浮游植物群落结构的色素表征

2009年6月对东海表层海水光合色素进行了高效液相色谱(HPLC)分析,通过藻类色素化学分类分析软件Chemical Taxonomy(CHEMTAX)获得了不同浮游植物对叶绿素a的贡献,研究了表层浮游植物群落结构的组成。结果表明:表层浮游植物的生物量与群落组成受温度、悬浮物质量浓度、营养盐等环境因素的影响,在水平分布上有着明显差异,具有区域性特征。长江河口区生物量不高,硅藻占绝对优势。长江冲淡水羽状锋是生物活动最为活跃的区域,Chla、硅藻特征色素Fuco和甲藻特征色素Peri等的高值均位于羽状锋附近,其中硅藻为优势种,其优势地位从近岸向外海逐渐降低,沿着长江冲淡水保持至123.5°E,在舟山群岛海域优势最明显。Chla的另一高值和金藻特征色素19’BF的高值位于浙闽沿岸,定鞭藻特征色素19’HF高值位于外陆架北部附近海域,而蓝藻特征色素Zea高值则位于台湾暖流控制区域,但生物量较低。东海中陆架海区,除个别站位以甲藻为优势种外,其余站位无明显的优势类群。

2012年夏季水团输送对挪威-格陵兰海营养盐及浮游植物群落结构的影响

依托2012年第五次北极科学考察分析了夏季挪威-格陵兰海域营养盐和光合色素的分布情况,探讨水团输送对该海域营养盐分布及对该海域浮游植物群落结构分布的影响。结果显示挪威海和格陵兰海域调查站位上层(200 m)水体中AT断面的硝酸盐、磷酸盐及硅酸盐平均浓度分别为9.0(±5.0)、0.65(±0.29)和1.8(±1.6)μmol·L^(–1),BB断面的硝酸盐、磷酸盐及硅酸盐平均浓度分别为8.9(±3.8)、0.71(±0.22)和1.8(±1.6)μmol·L^(–1)。挪威海和格陵兰海域上层水体中硅酸盐相对于硝酸盐远远不足,且呈显著硅限制,该限制随纬度的升高有所减轻,表现为北冰洋入流水的硅酸盐输送。光合色素与温度和营养盐的关系表现为:与温度呈正相关,与营养盐呈负相关。光合色素的分布结果表明,挪威-格陵兰海域浮游植物群落表层以硅藻或硅藻和定鞭金藻为主,次表层(叶绿素最大层)则以硅藻为优势种,并且硅藻更易聚集于混合层下方温跃层上方,定鞭金藻在表层水体低营养盐的条件下更具竞争力。此外,由于受大西洋入流分支的影响,浮游植物向挪威-大西洋流流经区域聚集(温度更高且营养盐充分),形成区域浮游植物分布差异。

融冰期北极楚科奇海陆架中心区硅限制与来源补充

相对氮亏损(N P约为7,小于16)的太平洋入流水携带的营养盐是支撑北冰洋上层生态系统的重要物质基础。海冰消退,光限制消失,楚科奇海陆架存在强烈的营养盐消耗与利用,广泛认为其表现为氮限制,因此该区域重点关注氮元素循环,对于硅元素的相关研究较少。本文基于2016年中国第七次北极科学考察和中国俄罗斯首次联合北极科学考察两个同步进行的航次调查结果,全面展示了融冰期整个楚科奇海陆架区的营养盐分布格局。结果显示,硝酸盐和亚硝酸盐表层基本耗尽;硅酸盐表现为中心低,周围高,陆架中心区是强烈的硅限制区域,受到硅和氮的共同限制。沿着太平洋入流方向,S01、R01、LV77-01站位30 m以深硅酸盐浓度高于太平洋入流水端员,说明沉积物孔隙水向底层水释放硅酸盐,因此在浅水陆架区孔隙水可作为上层海洋硅酸盐的潜在来源。本研究结合文献数据计算得到楚科奇海陆架沉积物水界面硅酸盐年通量为630.78 mmol·m^(-2)·a^(-1),总量为3.75×10^(11) mol·a^(-1),是太平洋入流水所携带硅酸盐年通量的一半(6.59×10^(11) mol·a^(-1)),表明沉积物孔隙水也是楚科奇海陆架硅酸盐的重要来源。

白令海及西北冰洋有机质来源与新鲜程度的脂肪酸指示

白令海、西北冰洋等高生产力海域在北冰洋“生物泵”中起到重要作用;海水升温、海冰消退等北极快速变化,将强烈影响该海域“生物泵”的结构与规模,并在沉积物中有机质的来源与新鲜程度上有所体现,可用脂肪酸加以指征。对第五次、第六次中国北极科学考察在以上海域采集的表层沉积物进行脂肪酸含量(以沉积物干重计)及组成分析,结果显示楚科奇海陆架总脂肪酸含量非常高((97.15±55.31)μg/g),白令海盆最低((15.00±1.30)μg/g),加拿大海盆、楚科奇海陆坡、白令海陆架居中(分别为(88.65±3.52)μg/g,(70.35±11.32)μg/g与(38.28±14.89)μg/g)。海源脂肪酸占总脂肪酸比例最高(86.82%±7.08%),陆源次之(8.45%±6.62%),细菌最低(4.63%±2.24%);硅藻指数(16:1ω9/16:0)在楚科奇海陆架(>0.82)、白令海陆架边缘(>0.65)较高,其他区域均较低。脂肪酸结果表明:(1)该海域沉积有机质主要来自海源,陆源贡献小;在北部、南部楚科奇海陆架、白令海陆架边缘,硅藻生物量占主要优势;细菌脂肪酸比例显著低于温暖海域,指示低温抑制细菌活动。(2)楚科奇海陆架区硅藻生产力高、细菌活动弱,新鲜有机质沉降效率高,但对未来海水升温、浮游植物群落变化也较为敏感。(3)加拿大海盆、楚科奇海陆坡的浮游植物群落由绿藻与金藻主导。以上结论说明脂肪酸可指示表层沉积物中有机质的来源与新鲜程度;未来,脂肪酸有望进一步揭示北冰洋“生物泵”对北极快速变化的响应。

夏季洪水对长江口及邻近海域颗粒有机碳分布与来源的影响

基于2020年7月洪水期间采集的长江口及邻近海域的温度、盐度、总悬浮物(Total Suspended Matter,TSM)质量浓度、颗粒有机碳(Particulate Organic Carbon,POC)质量浓度和颗粒有机碳稳定同位素(δ^(13)C_(POC))等数据,分析了洪水事件对该区域POC分布与来源的影响。结果显示,研究区域内POC和盐度呈显著负相关(r^(2)=0.41,p<0.01),与TSM呈显著正相关(r^(2)=0.92,p<0.01),表明咸淡水的混合是影响POC分布的重要因素。研究区域东北部表层海水POC质量浓度局部升高,并且δ^(13)C_(POC)值显示为海源信号,表明浮游植物生产是影响该海域POC分布的另一重要因素。此外,由于高径流量形成的稀释效应,洪水事件会降低陆源输入的POC质量浓度,研究区域东南侧偏轻的δ^(13)C_(POC)也表明,洪水事件会扩大陆源POC在东海的影响范围。

北极快速变化对北冰洋碳汇机制和过程的影响

北冰洋是全球海洋碳循环研究的关键地区之一,其独特的地理位置决定了它是开展海陆统筹研究碳汇的一个绝佳的场所:地形相对封闭,边缘有世界上最大的陆架区,外围有广袤的陆地冻土层和大河输入.近年来,由于全球变暖、海冰消退、北极快速变化所引起的一系列大气、冰雪、海洋、陆地和生物等多圈层相互作用过程的改变,已经对北极地区碳的源、汇效应产生了深刻影响.这种变化不仅体现在由于陆地冻土圈变化所引起的甲烷和二氧化碳释放,而且,随之而来的海水层化、混合和环流变化,陆源有机碳和营养物质入海通量的增加,改变了海洋二氧化碳"物理泵"、"生物泵"和"微型生物碳泵"作用的强度、方式,以及海洋原有的海洋碳储库构成,很可能会对全球海陆碳源汇格局产生重要影响.本文主要从北极快速变化所引起的海洋生物泵过程和陆地碳输入的变化来讨论全球变暖对沉积碳埋藏的影响.

海洋生物泵对西北冰洋氮亏损的贡献

富含营养盐的太平洋水经白令海峡流入楚科奇海,是北冰洋真光层最重要的营养盐来源.研究发现太平洋入流具有氮亏损和硝酸盐/磷酸盐比值(N/P比值)低的特征,多是归因于楚科奇海陆架沉积物中的反硝化作用.然而,楚科奇海具有较强的生物活动,生物泵过程对太平洋入流水营养盐性质的改造程度仍不得而知.本文研究发现,由于较强的生物吸收作用,太平洋入流向北冰洋高纬度输运过程中其营养盐浓度显著降低,且浮游生物利用营养盐的N/P比值(8.8±2.27)高于其源水的N/P比值(5~6).同时,楚科奇海具有较高的颗粒氮输出效率,将加剧太平洋入流的氮亏损.经计算,楚科奇海生物泵过程额外输出的氮元素高达111.7×10^(9)mol a^(-1),相当于该海区沉积物反硝化作用造成氮损失的一半左右.因此,除沉积物反硝化作用外,楚科奇海上层水体中浮游植物对营养盐的不均衡利用是造成北冰洋上层氮限制和磷过剩的另一个重要因素.在北冰洋发生快速变化的背景下,加强的生物泵作用将会进一步影响北冰洋的营养盐动力学和生物地球化学过程.