论文部分内容阅读
硅藻是一种单细胞浮游植物,主导海洋中硅的循环。其生长速率快,对营养盐的利用和需求高,在进行光合作用的同时吸收利用海水中的硅酸盐形成坚硬的硅质外壳。该外壳具有沉降速率快、降解速率慢的特征,对于生物泵的效率和碳从海表输入至海洋深层的封存、埋藏等过程至关重要。原绿球藻(Prochorococcus)和聚球藻(Synechococcus)等微微型浮游植物对寡营养海盆区的自养生物量和初级生产具有重要作用,而硅藻则是陆架河口区等富营养海区的主要初级生产者。然而,随着人们对“海洋荒漠”(Ocean desert)生态系统的关注不断提高,在寡营养海区硅藻驱动有效的颗粒物输出的潜力和作用还有待进一步研究和发掘。实际上,寡营养海洋系统中真光层内的碳、硅输出的耦合过程远比我们之前想象的复杂。在层化较强的寡营养海区,真光层通常被划分为上下两个不同系统,即上部营养匮乏层(Nutrient Depleted Layer,简称NDL)和下部营养物充足层(Nutrient Replete Layer,简称NRL)。这种双层结构的特征在于NDL和NRL具有不同的营养盐输入来源。多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)测定硅稳定同位素方法的不断发展为研究真光层内部的硅循环过程提供了一种有效手段。本文以南海北部次海盆时间序列站SEATS站和南部次海盆SS1站为主要特征研究站位,以真光层分层结构为主要框架,通过对这两个站位溶解态和颗粒态硅的浓度和硅同位素组成的高空间分辨率的采样和分析,探讨其时空变化和调控机制;另外结合234Th/238U不平衡法和沉积物捕获器对SEATS站和SS1站硅的分层输出通量进行估算,揭示上层海洋硅的输出机制。2017年夏、冬季SEATS站和SS1站真光层分层结构具有显著季节变化特征差异。SS1站混合层深度和营养盐跃层深度均比SEATS站更深。SEATS站和SS1站冬季叶绿素极大值(DCM)和生源硅极大值(DBSiM)出现的层位均较夏季有所向上抬升。虽然SEATS站和SS1站冬季和夏季的叶绿素浓度差别不大,但生源硅(BSi)的季节差异显著。SS1站冬季BSi浓度远高于夏季,冬季极大值(0.095μmol/L)出现在60 m深度附近;而2017年夏季SEATS站的BSi浓度突然升高(高于冬季)是造成SEATS站与SS1之间季节变化特征相反的主要原因,造成该现象的机理尚不明确。不同于SS1站,SEATS站BSi的垂向剖面分布呈“S”状,在DCM附近和表层均出现了极值。DCM层附近的极值是由于营养盐浓度升高引起硅藻生物量的增加,而表层的BSi高值则可能是由于表层中硅质化较强的硅藻的存在,可能与SEATS站表层水中较强的固氮作用有关,仍需真光层中硅藻种群的相关证据来证实。南海SEATS站和SS1站溶解态硅同位素(δ30SiSi(OH)4)全剖面垂向分布呈明显的表层高、深层低的特征,整体上与Si(OH)4浓度成镜像分布。SS1站和SEATS站深层水δ30SiSi(OH)4分布较稳定差别不大,但不同的真光层结构使得δ30SiSi(OH)4在表层水中分布差别较大,季节性变化明显;冬季和夏季SEATS站表层极大值(+3.09‰和+3.12‰)均高于 SS1 站(+2.63‰和+2.69‰),指示 SEATS 站具有更强的硅藻生产和生物分馏。海盆区上层水体颗粒态硅同位素(δ30SiBSi)变化范围较小,夏季δ30SiBSi组成变化小于冬季,其中硅藻生产最弱的夏季SS1站δ30SiBSi基本不随深度变化;而冬季NDL层δ30SiBSi要明显比NRL层重,NRL层中较轻的δ30SiBSi组成指示冬季混合加强导致较轻的δ30SiSi(OH)4输入和生物利用。NDL中Si的表观分馏系数(△30Si)较负,主要是由于NDL层水体中硅藻对硅酸盐的吸收利用。结合瑞利分馏模型分析,NDL层所生产的BSi并没有累积而是向下层水体输出。△30Si在NRL层中的变化表明了 NRL区内复杂的硅循环过程,Si(OH4的输入和BSi的生产、矿化和输出都会影响△30Si。δ30SiSi(OH)4在冬季SS1站50～60 m层位和夏季SEATS站85 m～95 m层位突然升高,结合两端元混合模型和Si(OH)4、BSi和δ30SiSi(OH)4在NRL中的分布,进一步推测其可能受到外源水团输入的影响。本论文还证实了 BSi/234Th比值是影响基于234Th/238U不平衡法估算硅的通量的主因之一。采用2017年夏季SEATS站50 m和100 m沉降颗粒物中BSi/234Th比,估算得到在50 m和100 m深度处的BSi输出通量分别为1.45±0.10mmOl/m2/d和1.00±0.07 mmol/m2/d,远高于采用悬浮颗粒物中的BSi/234Th比得到的BSi输出通量。2017年和2018年SEATS站夏季50 m、100 m和200 m处的沉积物捕获器直接测定估算得到的BSi输出通量范围分别为0.191～0.424 mmol/m2/d和0.034～0.083 mmol/m2/d,且2017年各层位均远高于2018年。BSi输出通量在50 m以浅最大,随深度增加而降低。与往年夏季相比,2017年夏季生源硅含量增高、输出增强,与ALOHA站频繁发生的夏季藻华(“summer bloom”)类似,而这种夏季生源硅高值被认为可能与夏季真光层上层由固氮增强促进的硅藻-固氮菌共生体(DDAs)的产生有关(Doreetal.,2008)。两种方法估算结果都表明NDL层的BSi输出比NRL层占更大比重。由于DCM和生源硅极大值通常出现在NRL层,据此判断该层可能发生了较强的BSi矿化。本论文初步探讨了南海海盆寡营养区真光层内的硅循环过程、框架和机理,但主导NDL层较强的生源硅输出的机制仍待进一步深入研究。