南大洋普里兹湾生物硅的生产、溶解、沉降及其保存机制研究

【摘要】南大洋海冰区在全球变化中占有极为重要的地位,在碳等生源要素在全球生物地球化学循环中扮演着举足轻重的角色。在南大洋,硅藻是生态系统中主要的生产者,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的。因此进行南大洋硅循环中关键的生物地球化学过程研究,有助于我们更好地理解南大洋碳循环的时空变化。普里兹湾是除威德尔海、罗斯海之外,南大洋印度洋扇形区中最大海湾,是典型的边缘海冰区。然而相对于研究人员在威德尔海、罗斯海海域所开展的相关研究,有关普里兹湾生物硅关键过程的认知还是非常匮乏、非常缺乏系统性。针对普里兹湾生物硅研究的现状,本论文以普里兹湾水体以及沉积物中生物硅为重点研究对象,以2002-2013年间获取的中国南极科学考察相关现场数据以及实验模拟数据为基础,系统研究南大洋普里兹湾生物硅循环的关键过程,进而验证并量化生物硅的生产、输出以及再循环效率,探讨普里兹湾生物硅的保存机制。本论文主要研究内容和主要研究结果如下：1.普里兹湾表层水体中生物硅的生产及其在表层水体中的输出过程。(1)在2013年夏季,普里兹湾海域表层PBSi的含量在0.38-8.62μmol/dm3之间变化,分布趋势呈现67°S以南湾内含量明显高于67°S以北的湾外海域,与表层Chla的分布基本吻合。垂向分布上PBSi同样与Chla的分布非常相近,呈现明显的50m层以内含量高于50m以下水体含量的趋势。与以往航次的数据相比,PBSi的含量存在一定的年际变化,但是在普里兹湾的分布情况基本相似。(2)在普里兹湾生物因子是PBSi含量分布的主控因子。根据不同年份PBSi的平均含量与Chla平均含量数据显示,普里兹湾湾内湾外海域表层PBSi平均含量与Chla的平均含量的年际变化非常一致。气候变化会对普里兹湾的海冰变化产生一定的影响,而相应的普里兹湾浮游植物在数量种群结构上也会随海冰变化产生一定的改变,这一结果对PBSi的含量与分布也产生相应的影响。(3)普里兹湾湾内表层水体中Si/C平均比值为0.21与报道中的南大洋的平均比值非常相近。随着水层深度的增加湾外以及湾内水体中Si/C比值都发生了降低,表明在普里兹湾上层水体生物硅和有机碳输出过程存在退耦关系,有机碳的降解转化过程不及生物硅的溶出过程,从而使得50m水体PBSi的输出低于POC,因此最终导致Si/C比值降低。(4)利用硅酸盐的季节性消耗量估算出普里兹湾上表层水体中硅酸盐的消耗速率,即生物硅的生产速率,获取的结果为：14.54mmol/m2/d；利用Si/C比值以及现场实测初级生产力数据估算出的生物硅生产速率则为20.20mmol/m2/d。与南大洋其他海域相比属于较高的生物硅生产水平。利用现场硅稳定同位素培养实验数据结合水体中累积的生物硅含量变化获得的结果表明,在普里兹湾湾内表层水体中生产的生物硅89%由表层输出,而在50m水体向下输送至200m水体中的生物硅为36%,表明生物硅在表层生产后仅有少部分发生溶出,而在随后的向更深层的200m水体输送过程中已经发生了大量的溶出,占表层生产的64%。2.普里兹湾中深层水体中生物硅的垂直输送过程。(1)普里兹湾湾内冰间湖区域沉降颗粒物主要以硅藻聚合体为主,其间也夹杂着一些未聚合的硅藻单体。而普里兹湾湾外沉降颗粒物除了硅藻聚合体之外,在通量峰值的夏季住囊类聚集体也不容忽视。普里兹湾湾内与湾外区域沉降颗粒类型存在一定的差异,反映了普里兹湾不同区域上层水体颗粒物来源以及相关生物地球化学过程的差异。(2)根据我们获取的三个调查年份的颗粒物组成数据显示,生源组分是颗粒物的主要组成。在颗粒物生源组分中,做出主要贡献的是生物硅通量。生物硅有机碳等生源物质的通量主要受上层水体浮游植物生长的影响,呈现明显的季节性变化。通量的峰值均出现在夏季浮游植物旺发的1-2月份之间,最低值出现在冬季的5-7月份。在夏季相同时期,湾内冰间湖区域生物硅通量值明显高于湾外深海海域生物硅通量值。(3)气候变化对普里兹湾表层水体浮游植物生长的影响,在深层水体中的生源物质通量也有相应的响应。在2009/2010年由于受到厄尔尼诺影响,在12月份普里兹湾的浮游植物旺发已经达到最大并持续到一月份才开始减弱,而2010/2011年夏季则受到拉尼娜事件影响使得捕获器布放的冰间湖区域浮游植物生长明显低于2009/2010年的同期。由此导致2009/2010夏季以及2010/2011夏季生物硅的通量呈现明显的年际差异。(4)2009/2010年以及2010/2011年夏季普里兹湾深层水中颗粒物Si/C比值分别为2.5和1.8,明显大于200m水层中Si/C的比值,表明颗粒物由上层水体输出后在随后向深层水体输送的过程中,有机碳发生再矿化的程度远大于生物硅的溶出,这主要是由于浮游植物由表层的输出后逐渐老化直至死亡,大部分硅藻仅剩下空壳,此时有机碳发生快速的降解,从而导致深层水体中Si：C比值明显的提高。(5)根据普里兹湾湾内深层水体中(480m)生物硅的通量与表层生物硅的生产量比值估算出普里兹湾水体中生物硅的保存效率,2009/2010年夏季为26%,2010/2011年夏季为24%,二者平均为25%,表明表层生产的生物硅在沉降到沉积物之前已经有75%的生物硅发生溶出。由于普里兹湾湾内表层水体中生产的生物硅在50-200m以内的水体以及发生了大规模的溶出(64%溶出),在200m以下水体输送过程中虽然溶出继续,但是其程度明显小于上层水体。3.普里兹湾表层沉积物中生物硅再循环过程。(1)普里兹湾表层沉积物中生物硅的含量在4.89-75.32%之间变化,在纬向空间分布上,生物硅含量呈现明显的67°S以南湾内陆架区>湾内冰缘区>67°S以北的湾外深海区的分布形式。普里兹湾不同纬度柱状沉积物中生物硅的分布结果表明在67°S以北的湾外柱状沉积物中生物硅的分布趋势与湾内有一定的差别。在湾外66.50S沉积物中总体上讲生物硅含量随深度的增加逐渐升高,且含量波动不大,而在湾内67.5°S柱状沉积物中,生物硅含量波动明显,总体上是随深度增加是降低的趋势。(2)表层沉积物中生物硅和有机碳呈现较为相似的空间分布,Si/C元素摩尔比值Si/C元素摩尔比值在4.60-18.48之间变化,远远大于深层水体以及200m水体颗粒物中Si/C比值。有机碳的垂向分布与生物硅有一定的差异,表明二者在沉积埋葬过程中所经历的物理、化学及生物反应的差异。(3)普里兹湾沉积物间隙水中DSi的含量变化范围较大,其中表层间隙水中DSi的含量在118.15-552.00μmol/dm3之间变化,平均为352.43μmol/dm3,最高值出现在湾内陆架区,最低值出现在湾外陆坡与陆架交界处站位。大部分站位沉积物间隙水中DSi均呈现类似的垂向分布,即在靠近沉积物-水界面DSi有明显的浓度梯度,由上覆水中的平均含量75.19μmol/dm3,升高到表层间隙水中的352.43μmol/dm3,而在福拉姆浅滩区的站位上覆水硅酸盐含量与表层间隙水含量相差不大。(4)在普里兹湾沉积物海水界面之下,随深度增加DSi含量分布呈指数增加,随后逐渐达到一个趋于稳定的渐进浓度Cd,与沉积物中生物硅的垂向分布呈现相反变化趋势,表明在普里兹湾生物硅逐渐埋葬的过程中快速溶出是主要过程,使得间隙水中硅酸盐快速富集。普里兹湾间隙水中硅酸盐Cd的高值出现在湾内陆架区的67.5°S和68°S的站位,分别为644.01、65126μmol/dm3,而湾内冰缘区附近站位的Cd明显低于陆架区。最低值出现在湾口福拉姆浅滩区66.86°S站位的Cd值为47284μmol/dm3,。(5)利用一维模型法估算得到在普里兹湾沉积物中硅酸盐的释放通量,结果表明在普里兹湾湾内,沉积物中硅酸的释放通量分布呈现由湾口陆坡区向湾内降低的趋势,通量最高值115mmol/m2/d出现在靠近福拉姆浅滩的湾口区站位,最低值出现在湾内陆架区67.5°S站位释放通量为0.30mmol/m2/d。现场实验法获取的陆架区站位硅酸盐释放速率最低为0.45mmol/m2/d,而在冰缘区和湾口区的培养实验获取的释放速率分别为063mmol/m2/d和0.60mmol/m2/d。总体上讲与模型法估算的相应站位通量值变化范围相近,DSi的扩散通量主要来源于沉积物上层5cm以内的生物硅的溶出。4.普里兹湾表层沉积物中生物硅的溶出与保存机制。(1)利用batch实验获取沉积物生物硅溶解性质的研究结果显示,实验室条件下陆架区和冰缘区表层沉积物中生物硅的溶解度分别为1936μmol/dm3,1540μmol/dm3。在冰缘区站位5cm下沉积物中生物硅的溶出平衡浓度明显低于5cm以上的沉积物。而在陆架区站位除在5cm内有较明显的降低外,在5-20cm之间生物硅的溶解度随深度的增加相对与上层变化较小。对比普里兹湾沉积物间隙水中DSi的垂向分布研究结果,间隙水Cd的平均值明显低于实验室获取的溶解度。(2)根据Batch实验数据计算普里兹湾陆架区和冰缘区表层沉积物中生物硅的实验室溶出速率分别为201μmol/h/g,1.09μmol/h/g。在不同区域0-5cm的沉积物范围内,生物硅溶出解速率随深度增加明显降低,5cm以下沉积物中则基本变化不大,总体上讲在实验室模拟实验中普里兹湾沉积物中表层沉积物生物硅的溶出速率要高于深层沉积物,表明在沉积物表层(0-4.5cm)生物硅的溶出要明显快于深层沉积物。(3)在普里兹湾沉积物中生物硅的埋葬通量在0.09-2.06mol/m2/a之间,最高埋葬量出现在湾内陆架区的67.5-680S的区域,最低值出现在湾口福拉姆浅滩区。在普里兹湾生物硅保存效率存在很明显的空间差异,在湾口浅滩区生物硅的保存效率仅为18%,远远低于湾内陆架区的94%以及冰缘区的83%。普里兹湾沉积物中生物硅的沉积通量平均值与南大洋其他海域相比略低,但是由于再循环通量最低,因此在普里兹湾沉降到海底的生物硅在沉积物的79%埋葬效率明显高于其他研究区域。这些数据也再次证明在南大洋沉积物中生物硅的保存具有明显的空间差异。(4)普里兹湾沉积物中生物硅的最终保存不仅与上层水体硅藻的初级生产有关,同时还受到沉降及埋葬过程中的保存机制控制。在普里兹湾沉积速率以及生物扰动对普里兹湾生物硅的早期成岩过程以及最终保存会有实质性及潜在性的影响,此外陆架区沉积物中A1与硅藻壳体的作用可能已经不仅仅是在表面的吸附,而是嵌入到了硅藻骨架中,从而使得生物硅的溶解动力学性质和热力学性质均发生了改变。在普里兹湾沉积物中生物硅的保存是以上三种因素综合作用的结果。5.普里兹湾生物硅收支平衡估算。(1)在普里兹湾上层水体生物硅年生产速率为3.64mol/m2/a,与Treguer等人的报道中南大洋平均的年生产力235mol/m2/a较为相近。真光层生产的生物硅向更深层水体输送的过程中,有64%发生溶解再循环回到水体中,因此表层生产出的生物硅以1.31mol/m2/a的输出通量继续向深海输送,同样与整个南大洋的平均输出通量148mol/m2/a相比较为接近。(2)在普里兹湾到达沉积物海水界面的生物硅通量为1.09mol/m2/a,经过沉积物-海水界面的早期成岩转化过程后,埋葬的生物硅为0.86mol/m2/a,相对于在上层水体中生物硅的输出通量值,埋葬在沉积物中的生物硅占了66%,明显高于南大洋平均保存效率26%。
【作者】扈传昱；
【导师】张海生；
【作者基本信息】中国地质大学，海洋地质，2014，博士
【关键词】生物硅；生物地球化学；保存过程；普里兹湾；

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