楚科奇海与加拿大海盆表层沉积物表观特征及其环境指示

通过对中国首次和第二次北极科学考察采集的表层沉积物的观察,根据沉积物的颜色和气味、砾石分布、底栖生物及贝壳分布特征的分析,探讨了该海区表层沉积物表观特征变化与有机质输入、沉积物的氧化还原状态的关系、底栖生物分布范围、冰筏碎屑的分布区域及与海流的关系,指出在研究区软体动物生长的北界位于73.5°N,比浮游动物的北界约低2个纬度。冰筏碎屑的北界可作为融冰水的北界或永久冰区的南界,位置在77°24′N附近。通过对沉积物表观特征的综合分析,结合研究区的海流特征,指出研究区的海流分布对沉积物分布有重要影响,尤其是两股不同性质的海流相遇,对西南部与东部两个区域的沉积物组成及性质具有较强的控制作用。

北极楚科奇海和加拿大海盆南部颗粒生物硅的粒级结构

对2003年北极航次采集的样品进行颗粒生物硅(particulate biogenic silica,PBSi)浓度测定,依据光合浮游植物粒径大小,计算出两个粒级结构(0．8—20μm,>20μm)的PBSi对水柱中生物硅现存量的贡献．结果表明,楚科奇海水体中PBSi浓度(0．86—5．59μmol·L-1,平均值2．56μmol·L-1)比加拿大海盆(0．27—0．72μmol·L-1,平均值0．46μmol·L-1)高一个量级．大粒径(>20μm)的PBSi是楚科奇海和加拿大海盆水体中生物硅现存量的主要贡献者,所占比例分别是81．72％和64．65％．自楚科奇陆架海区向加拿大海盆延伸,较小粒径(0．8～20μm)的PBSi比例逐渐增加．但是叶绿素a粒级结构显示,大粒级(>20μm)叶绿素a在楚科奇海和加拿大海盆分别占60％以上和30％以下．加拿大海盆PBSi和叶绿素a粒级结构的差异表明,硅藻并非加拿大海盆的优势种群．将PBSi和叶绿素a粒级结构与生物泵效率(输出生产力和初级生产力之比)相比较,认为PBSi和叶绿素a的粒级结构相结合,对研究生物泵效率有较好的指示意义．

加拿大海盆与楚科奇海柱状沉积物中硫酸盐还原菌的分布状况

对取自北极楚科奇海及加拿大海盆的10个沉积物岩芯分别在4℃、25℃培养温度下进行硫酸盐还原菌（SRB）分析,结合首次北极科考海洋沉积物SRB的研究成果,探讨了研究区SRB的分布特点.研究结果表明,4℃与25℃温度培养的SRB含量均为0~2.4×10^6个.g^-1（湿样）;4℃时SRB的检出率与平均含量分别为45.5%和2.06×10^4个.g^-1（湿样）,25℃培养条件下分别为73.7%和4.70×10^4个.g^-1（湿样）;柱状沉积物中SRB的检出率、含量范围、平均含量都明显高于表层沉积物中SRB的相关指标;岩芯中SRB含量分布与采样点的纬度、深度有一定关系,但这种关系不如表层沉积物中SRB分布表现的那么明显;4℃培养时,各层位SRB含量的平均值范围为51~1.2×10^6个.g^-1（湿样）,25℃时为2.04×10^2~2.47×10^5个.g^-1（湿样）;在所研究的深度范围内,4℃时培养SRB的垂直变化较为明显,而25℃时SRB的垂直变化相对缓和;根据4℃、25℃2个不同培养温度时SRB的检出率、含量对比看,似乎25℃时更有利于某些SRB的繁衍.

楚科奇海-加拿大海盆表层沉积物中的粘土矿物

楚科奇海—加拿大海盆表层沉积物中主要存在3种粘土矿物组合:1)伊利石—高岭石—绿泥石—蒙皂石,仅见于加拿大海盆北部;2)伊利石—绿泥石—蒙皂石—高岭石,主要见于楚科奇海中部;3)伊利石—绿泥石—高岭石—蒙皂石,普遍见于研究区内除上述两海区以外的广大区域。就各粘土矿物的区域变化而言,总体上由楚科奇海向加拿大海盆,伊利石和高岭石呈含量增加趋势,绿泥石和蒙皂石含量呈减少趋势。根据粘土矿物的质量分数和粘土矿物间比值的区域变化,可大体以(74°30′N,175°W)和(71°30′N,150°W)两点连线为界,将研究区分为南、北两个明显不同的粘土矿物分区:南区以绿泥石和蒙皂石含量较高为主要特征,其中S/I和S/K普遍较高、而K/I和K/CH则普遍较低;北区则以伊利石和高岭石含量较高为主要特征,其中S/I和S/K普遍较低,而K/I和K/CH则普遍较高。粘土矿物的这种分布格局和区域变化表明,在北冰洋的楚科奇海—加拿大海盆海域,不论是粘土矿物的来源还是其分布变化的控制因素,都存在着明显的南、北之别:在该海域的南部,粘土矿物主要来源于阿拉斯加的岩石风化产物、育空河的入海物质以及东西伯利亚海沿岸主要河流的入海物质,其分布主要受来自太平洋的水流结构和西伯利亚沿岸流所控制;而在该海域的北部,粘土矿物则主要来源于加拿大马更些河的入海物质和由北冰洋欧亚海盆扩散而来的细粒物质,其分布主要受北冰洋的跨极漂流、来自大西洋的水流结构以及波弗特涡流等所控制。

加拿大海盆与楚科奇海表层沉积物中硫酸盐还原菌丰度分布状况

对中国第2次北极科学考察海洋表层沉积物(0～1 cm)中硫酸盐还原菌进行4℃、25℃的培养实验,结合首次北极科学考察海洋沉积物硫酸盐还原菌研究成果,研究了研究区硫酸盐还原菌丰度的分布。结果表明,4℃培养得出硫酸盐还原菌丰度为0～2.4×104个/g(湿样),平均3 433个/g(湿样),并呈现有规律的分布趋势:低纬区的高于高纬区的,浅水区的高于深水区的。本区硫酸盐还原菌丰度高于中国东海、南海和黄海部分海区沉积物中的,低于胶州湾以及西北冰洋某些海区中的。25℃培养时硫酸盐还原菌丰度为0～2.4×104个/g(湿样),平均4 062个/g(湿样),在1 880 m以浅水域其丰度与4℃培养时的一致,而在1 880 m以深水域其丰度高于4℃培养时丰度。

楚科奇海—加拿大海盆表层沉积物中的氨基酸

对2003年中国第二次北极科学考察所获得的部分表层沉积物样品进行了总水解氨基酸(THAA)、氨基糖(HA)的测定。不同区域氨基酸主要成分不同,楚科奇海站位的氨基酸主要成分为甘氨酸(Gly)、谷氨酸(Glu),位于加拿大海盆的B80、B11、P27站THAA的主要成分为丝氨酸(Ser)。沉积物的总有机碳(TOC)、总氮(TN)、THAA、HA含量等特征随区域不同有较大差别,白令海峡的BS11站TOC、HA含量最低,加拿大海盆的B80站THAA、TN含量最低。楚科奇海R03站TOC、TN为最高,THAA在R11含量达最大值,HA在楚科奇海台的P11站最高。初步讨论了楚科奇海—加拿大海盆表层沉积物中氨基酸的空间分布,根据氨基酸选择性降解和主成份分析结果引入DI"指标,并对七个站位表层沉积物有机质新鲜程度进行了比较,新鲜度由大至小顺序为C15>BS11>R11>S11>P11>R03>B80,这与表层沉积物来源、水动力条件等有关,由此推测楚科奇海陆架、白令海峡沉积物有机质较楚科奇海台、加拿大海盆较为新鲜。

夏季加拿大海盆海冰边缘区声体积后向散射强度研究

声信号的体积后向散射强度是声传播过程中一个关键的参数。海冰边缘区的声体积后向散射强度研究对深入认识北极声场环境有着十分重要的意义。本文利用中国第六次北极科学考察获取的数据资料研究了海冰边缘区声体积后向散射强度特性。结果表明:加拿大海盆海冰边缘区是声体积后向散射强度的明显过渡区。无冰海面(海冰密集度小于15%)海洋深层水的声体积后向散射强度明显大于密集海冰区域的海水(海冰密集度大于50%)。讨论了声体积后向散射强度与海冰融化之间的关系,造成融冰区声体积后向散射强度增大的原因是水下悬浮泥沙、浮游生物等悬浮物质增加。根据海冰密集海域的海水后向散射强度弱的特点,对北极下放式声学多普勒测流仪(LADCP)观测的设置提出建议。

白令海、楚科奇海、加拿大海盆沉积物重金属潜在生态风险评价

利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS仪)测定北极亚北极海区的白令海、楚科奇海、加拿大海盆海区沉积物中8种重金属元素的浓度,并对8种重金属元素的地球化学特征、空间分布特征、可能来源进行了研究。研究发现,Cr、Zn、Co、Ni、Cu、Pb、Bi有很强的相关性,说明其具有相似的来源,且空间分布的特征相似,均为沉积物底质中的浓度在研究区内呈现出在白令海和楚科奇海较低,在加拿大海较高的特征;而Cd与其他重金属空间分布差异明显。应用Hakanson潜在生态危害指数法与内梅罗综合污染指数法对各重金属的潜在风险进行了评价,其中,用Hakanson潜在生态危害指数法求得北极整体生态风险性指数值达到43.01,处于轻微生态风险状态,Co重金属元素风险最大。研究结果表明,两种评价结果得出类似规律,白令海生态安全性最高,楚科奇海大部分地区生态安全性较高,加拿大海盆的生态安全性最差。在研究区内整体上呈现出由高纬度向低纬度生态安全逐渐增高,西部生态风险性大于东部的趋势。

2008年加拿大海盆次表层暖水的精细结构的研究

自2004年以来,在加拿大海盆频繁发生的次表层暖水(near surface temperature maximum,NSTM)现象是北极快速变化响应的事实之一。采用2008年中国第3次北极科学考察的CTD数据和西北冰洋联合研究计划与美国波弗特环流观测系统计划2008年航次的CTD数据以及冰浮标ITP18数据,对加拿大海盆的NSTM现象进行了精细结构的分析。结果表明,NSTM的温度垂直结构与海冰关系密切,在海冰密集度较大的区域,发展成熟的NSTM的盐跃层稳定,温度极大值均小于-1.0℃,而且垂向温度结构差异不大,多为典型的单峰结构;在海冰边缘区和开阔水域,由于受气象条件的影响较大,盐跃层不十分稳定,温度极大值和温度的垂向分布差异较大,常出现双峰甚至多峰结构。NSTM温度极大值出现的深度不仅与NSTM发生、发展的时间有关,而且与纬度有关,纬度越高,深度越深。NSTM的发生、发展和消衰的时间尺度为1 a,夏季发生,秋季和冬季不断向表层和下层传递热量,温度峰值变小,第二年的春季消失。

加拿大海盆氟氯烃的分布及其示踪研究

中国第二次北极科学考察期间(2003年7—9月)于加拿大海盆采集了9个站位的水样,用于氟氯烃(CFCs)的分析。结果表明加拿大海盆表层水中的CFC-11浓度最高为6.70pmol/kg,CCl4浓度最高为9.62pmol/kg,但均未达到饱和状态。二者在表层水中的饱和度分别在70.54%—84.70%和76.54%—91.53%之间,这可能与海冰覆盖和低CFCs浓度的太平洋水的入侵有关。在2000m深度仍存在相当浓度的氟氯烃,这表明加拿大海盆深层水与外界水体存在交换更新。氟氯烃的垂直分布进一步证实了加拿大海盆水团呈层状的垂直分布结构。同时采用pCFC-11、pCCl4测年法对各水团年龄进行了估算。

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。

楚科奇海和加拿大海盆表层沉积物中好气异养细菌的地理分布

本文用MPN法测定楚科奇海和加拿大海盆表层沉积物中好气异养细菌(GAB)的含量,并对其地理学分布进行分析。结果表明,研究区GAB的检出率高达100%。4℃时GAB的含量范围、平均含量为4.00×102—2.40×106个.g-1、1.71×106个.g-1。25℃时GAB的含量范围、平均含量为2.40×105—2.40×107个.g-1、1.10×107个.g-1。无论是含量范围,还是平均含量,均是25℃时的培养结果大于4℃时的培养结果。GAB含量的地理分布趋势是随纬度增高,含量呈降低趋势。在经度变化上则为由东向西,含量呈降低趋势。对沉积物所处水深的分析,表明其在4℃培养得出来的GAB含量随水深增加有下降的趋势,25℃培养出来的GAB含量受环境影响较小,与水深变化关系不明显。

锰细菌在加拿大海盆、楚科奇海沉积物中的分布

用平板法分别在4℃和25℃时对北极加拿大海盆和楚科奇海10个沉积物岩芯中的锰细菌进行培养,并测定了检出率和含量.分析结果表明,4℃与25℃温度下培养的锰细菌含量范围均为(-)～3.3×108个.g-1,锰细菌平均检出率分别为77.78%、86.03%,平均含量分别为5.60×106、7.91×106个.g-1;该结果高于太平洋深海沉积物中的锰细菌含量,比北极阿拉斯加淡水湖湖水中的锰细菌含量高1个数量级,比印度洋海岭CarlsbergRidge区热水区海水样品中的锰细菌含量高3个数量级,证实寒冷北极海同样广布锰细菌.对锰细菌在不同水深、经纬度以及沉积物深度中的分布进行了讨论;结果表明,锰细菌检出率随沉积物深度的增加而增大,含量变化呈现浅层少、下层多之势;纬度分布范围较大,并显出有扩大的趋势.水深对沉积物中锰细菌也有一定影响.尽管锰细菌对温度有较强的适应能力,环境温度的升降对本研究区锰细菌具有双重作用.

北极加拿大海盆2003年和2008年上层海洋热含量的差异分析

主要利用2003年和2008年两次夏季北极科学考察的CTD数据处理了加拿大海盆上层海洋(指200 m以浅)的热含量,定量分析了热含量随深度的变化,并比较分析了这两年在夏季海冰融化期间热含量的垂向差异变化,以及影响热含量变化的因素,给出了上层海洋热含量在加拿大海盆的空间分布。2008年与2003年相比最显著的变化是在加拿大海盆开阔水域的增加,导致了太阳辐射能进入海洋中的能量增加,同时海冰的大量融化带来了大量淡水,这些变化改变了上层海洋的温盐性质。海冰大量融化主要产生两个效应:一是上层海洋的普遍增暖,二是太平洋入流水体的下移。文中还分析了近年来在加拿大海盆中变化显著的次表层暖水现象,由于次表层暖水蕴含着不小的热含量,其在上层海洋热量平衡中的作用不容忽视。

加拿大海盆与楚科奇海沉积物岩芯中好气异养细菌的分布

本文用MPN法测定了两种培养温度下加拿大海盆与楚科奇海10根沉积物岩芯中182份样品的好气异养细菌(GAB)的检出率和含量。结果发现沉积物中GAB检出率高,GAB平均值为4.46×107个·g-1(4℃)和5.47×107个·g-1(25℃)。最高GAB含量出现于20—22cm层,GAB含量在沉积物各层位间波动,总体上呈现中下层沉积物GAB含量低于表层之势。25℃培养时能提高GAB检出率和含量。温度的提高将可能改变测区沉积物GAB的生存环境和生存状况。纬度区间的差异似显出测区中部GAB检出率和含量高于高、低纬度区间之状(4℃培养明显于25℃)。浅水区沉积物中的GAB含量较低,而水越深则GAB含量似越高,以25℃为明显。

北冰洋加拿大海盆南缘的管水母类及其分布

本文分析了 1 999年夏季我国首次北极科学考察楚科奇海及邻近的北冰洋加拿大海盆南缘海域管水母类的种类组成、丰度和垂直分布。仅在加拿大海盆南缘出现 2种管水母 ,而楚科奇海未发现管水母类。对柔弱五角水母和北极单板水母多营养体期 (无性 )和单营养体期 (有性 )的主要形态特征作了较完整的记述和作图 ,并讨论了它们的形态类型及生态习性。加拿大海盆南缘海域北极单板水母的丰度 (平均 42× 1 0 - 3 个 m3 )大于柔弱五角水母 (2 4× 1 0 - 3 个 m3 )。这 2种管水母均仅出现在水深 1 0 0～ 80 0m ,而且最大丰度也都在 3 0 0— 2 0 0m层 。

北极海冰快速减少期间加拿大海盆上层海洋夏季淡水含量变化

北极海冰近年来快速减少,北冰洋淡水含量也出现了急剧变化。加拿大海盆作为北冰洋淡水的主要存储区域,研究其淡水含量变化对于认识北冰洋淡水收支有重要意义。本文根据2003年、2008年中国北极考察以及2004年至2007年的加拿大考察数据进行计算,发现除2006年以外,夏季加拿大海盆淡水含量在此期间每年增加1 m以上厚度。增加主要发生在冬季白令海水以上的上层海水中,而在此之下,淡水含量维持在3 m左右,没有显著年际差异。在2006年,加拿大海盆西部上层淡水含量略微减少,但东部和北部海域淡水含量仍略有增加。与2003年相比,2008年加拿大海盆中心海区淡水含量增加量最高可达7 m。分析表明,近年来的海冰减退对加拿大海盆上层淡水含量的增加起着重要作用,北极涛动(AO)正负相位变化也是控制其淡水含量变化的一个重要因素,而降水、径流以及白令海峡入流水的变化对加拿大海盆淡水含量变化影响较小。

加拿大海盆冰下表层海水湍扩散系数估计

海洋的湍粘性系数和湍扩散系数是研究海洋动量传输、热扩散和物质扩散的物理基础,是海洋模式的重要参数。北冰洋是海冰覆盖的海洋,其湍粘性系数和湍扩散系数与其他大洋有显著不同。本文以Pacanowski&Philander的参数化方案为基础,采用二次北极科考的连续观测冰站和单次观测冰站的资料,定量计算了加拿大海盆74°N^78°N,144°W^164°W区域冰下60 m以浅的垂向湍粘性系数v和湍扩散系数kT,并分3个区域比较。结果表明:v和kT的垂向分布具有较好的一致性,表层和60 m处量值较大,中间较小;区域的不同主要体现在24 m以浅。

加拿大海盆东南部锚定观测双扩散阶梯的时间演化研究

加拿大海盆上层，分布着高温高盐的大西洋水和相对低温低盐的盐跃层下部水，两水团之间形成一系列的双扩散阶梯。通过分析2005年8月－2011年8月期间的锚定潜标数据，对双扩散阶梯和这两种水团之间的相互作用进行研究。基于固定盐度范围的方法，在盐度廓线中识别阶梯结构，在盐度34．45～34．83范围内，获取18个阶梯结构，并研究阶梯的参数。发现双扩散阶梯的位温主要受与其接近的水团的影响，同时也受其相邻的阶梯生成或消亡的影响，大西洋水对其上方的双扩散阶梯和盐跃层下部水起到加热作用；而盐跃层下部水的深度变化主导着大西洋水和双扩散阶梯的深度变化。两个相邻的阶梯具有一致的位温和深度变化趋势。通过经验公式，估计大西洋水通过双扩散阶梯向上传输的热通量为0．05～0．6 W／m2，且由下至上呈现逐渐增大的趋势。最后，估算由双扩散造成的垂向涡扩散系数为3×10－6～3．3×10－5 m2／s，且由下至上呈现逐渐减小的趋势。

太平洋夏季水对加拿大海盆海冰的影响

近年来,北极海冰发生了大面积减少,减少的原因仍存在着争议。基于2003-2011年的水文和遥感卫星数据,对北冰洋加拿大海盆的太平洋水和海冰进行研究。通过对比2006年和2007年太平洋水位温与海冰密集度的空间分布,发现太平洋水暖异常于2007年1-3月进入加拿大海盆的中部,并可能导致了2007年夏季海冰大面积的融化。2003-2011年,在加拿大海盆的中部,太平洋水位温与海冰密集度存在着时间上的负相关。选取2007年8月,发现两者在空间上也存在着负相关。这很可能说明太平洋水暖异常在流动的过程中,向上输送了热量,在一定程度上,融化了海冰,从而触发海冰-反照率正反馈,导致海冰的减少。因此,通过白令海峡进入北冰洋的太平洋夏季水,对北极海冰面积的减少有着重要影响。