2017, Vol. 48
中国海洋湖沼学会主办。
文章信息
- 王珍岩, 张洪格, 高微. 2017.
- WANG Zhen-Yan, ZHANG Hong-Ge, GAO Wei. 2017.
- 冬季西太平洋雅浦海山(Y3)区次表层叶绿素最大值层分布及其对悬浮体粒度的影响
- SUBSURFACE CHLOROPHYLL MAXIMUM LAYER IN YAP (Y3) SEAMOUNT AREA IN THE WESTERN PACIFIC DURING WINTER: DISTRIBUTION AND INFLUENCE ON PARTICLE SIZE DISTRIBUTION OF SUSPENDED PARTICULATE MATTER
- 海洋与湖沼, 48(6): 1404-1414
- Oceanologia et Limnologia Sinica, 48(6): 1404-1414.
- http://dx.doi.org/10.11693/hyhz20170300073
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文章历史
- 收稿日期：2017-03-26
- 收修改稿日期：2017-06-13
2. 中国科学院 海洋地质与环境重点实验室 青岛 266071;
3. 中国科学院大学 北京 100049;
4. 青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室 青岛 266071
2. Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4. Laboratroy for Marine Mineral Resources, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China
海洋悬浮体(suspended particulate matter, SPM)是指海水中以悬浮态存在的细小颗粒物的统称, 按其成分可分为无机颗粒和有机颗粒两大类; 其中无机颗粒主要由陆源矿物碎屑和部分生物骨骸构成, 有机颗粒则包括活体浮游生物以及与生物活动有关的絮凝集合体、生物残骸和粪球等(Bishop et al, 1980; 秦蕴珊等, 1989; 杨作升等, 1992; Eisma, 1993)。大洋海水中悬浮体浓度通常很低, 一般不超过0.30mg/dm3(杨作升等, 2007); 其中上层水体中的悬浮体浓度相对较大, 其成分主要由生活在海洋真光层中的浮游生物构成, 特别是其中数量上占绝对优势的浮游植物是大洋上层水体中悬浮体的主要组成部分(Bishop et al, 1980; Cho et al, 1990; Turner, 2015), 成为大洋海底沉积物的重要来源。
海洋浮游植物一般集中生活在上层海洋中水体环境相对稳定的近表层或真光层底部附近, 形成次表层叶绿素最大值层(subsurface chlorophyll maximum layer, SCML)(Yentsch, 1965; Hayward et al, 1983; Furuya et al, 1983; Furuya, 1990; 宫响等, 2012)。SCML对海洋初级生产力和新生产力的贡献很大, 对估算海洋初级生产力以及认识全球碳循环过程等具有重要意义(Takahashi et al, 1984; Hodges et al, 2004; 倪晓波等, 2006)。另外, 生源悬浮体及其分泌物能够将细小的矿物颗粒和浮游生物等絮集成较大颗粒, 促使一些原本难以沉降的细小颗粒物加速沉入海底, 对海洋生态系统参与全球碳循环过程产生重要影响(Shanks et al, 1980; David et al, 1988; Alldredge et al, 1991; Lampitt et al, 1993; Turner, 2015)。
本文利用“科学号”考察船在2014年冬季对西太平洋雅浦(Y3)海山区开展综合海洋环境调查所获得的资料, 对海山区上层水体中SCML的温度、盐度、荧光叶绿素a浓度以及悬浮体总体积浓度、粒度等分布特征进行分析, 探讨冬季该海域SCML的结构及其影响因素, 为进一步研究海山系统的物质循环、海山区在大洋生态系统和全球碳循环过程中的角色和贡献等提供依据。
1 研究区概况雅浦(Yap)海山区位于西太平洋菲律宾海东南部雅浦岛弧-西卡罗琳海山带; 其中的Y3海山位于8.7—9.0°N、137.6—138°E海域, 属于热带海区; 其东侧紧邻雅浦海沟(水深约8000m), 整体呈北东-南西走向(图 1)。海山顶部距离海面约300m, 海山底部最深处的水深约为4000m。
Y3海山位于西太平洋北赤道流(north equatorial current, NEC)的影响区域内。NEC是一支较稳定的由信风引起的西向风生浅层流, 大约位于7°—18°N之间的热带西太平洋海域(李丽娟等, 2005; 杨青莹等, 2013)。雅浦海山区上层水体存在明显的主温跃层, 且跃层位置较浅、厚度较薄, 终年维持在近表层至300m水深范围内(张旭等, 2009)。由于远离大陆以及四周存在深海沟, 该海区海底沉积物主要为半深海、深海和火山碎屑沉积物等(林美华等, 1998; 张斌等, 2014)。
前人在雅浦海山区开展的研究工作大多针对雅浦海沟及其附近海域的地质构造、海底地貌、水文环境以及地球物理特征等(Kimura et al, 1989; 林美华等, 1998; 李常珍等, 2000; Fujiwara et al, 2000; 张旭等, 2009; 张斌等, 2014)。近期, 张文静等(2016)在雅浦海山区调查发现:微微型浮游植物对Y3海山区水体的总叶绿素a贡献最大(贡献率＞50%), 微型浮游植物的贡献次之, 小型浮游植物的贡献最小; 王超锋等(2016)对该海域的浮游纤毛虫丰度进行调查, 发现其垂向分布的“双峰模式”, 认为叶绿素极大值层中初级生产力高是纤毛虫出现高丰度值的重要原因。
2 材料与方法2014年12月, 中国科学院海洋研究所“科学”号考察船在西太平洋雅浦(Y3)海山区开展水体和底质环境调查。本次调查沿Y3海山走向以及垂直山体走向的方向布设2个断面共14个站位; 其中NE断面包括Y3-1、Y3-2、Y3-3、Y3-0、Y3-4、Y3-5和Y3-6站; NW断面包括Y3-7、Y3-8、Y3-9、Y3-0、Y3-11、Y3-12、Y3-13和Y3-14站; Y3-0站位于Y3海山顶部, 是NE断面和NW断面的相交站位(图 1)。
海上调查使用SBE9/11型CTD及附带荧光叶绿素a传感器(WET Labs-AFL/FL)和深水型原位激光粒度仪(LISST-Deep)在各调查站位进行剖面水文观测和悬浮体原位粒度观测, 同时分层采集水样进行悬浮体样品过滤。对调查获得的水文数据进行处理, 得到各站位剖面按1m层平均的温度、盐度以及荧光叶绿素a浓度等数据。对LISST-Deep测得的悬浮体原位粒度数据进行处理, 获得2.5—500μm区间内32个粒级的悬浮体体积浓度(单位: μL/L)和总体积浓度数据。本次调查使用的LISST-Deep的32个观测粒级如图 2所示。
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| 图 2 LISST-Deep 32个观测粒级的粒径范围* Fig. 2 32 size ranges of LISST-Deep 注: *参考LISST-Deep Particle Size Analyzer: User’s Manual (Version5.0) |
受光合作用控制, 大洋海区的SCML通常发育在200m以浅的真光层水体中。由于雅浦Y3海山顶部距海面约300m, 考虑到海山地形可能对其上覆水体环境产生影响, 本文将重点讨论该海域350m以浅的上层水体的水文环境、SCML分布以及它们对悬浮体分布的影响。
3 结果与讨论 3.1 海山区上层水体的温度和盐度分布CTD观测数据显示, Y3海山区海表温度约为29℃, 并随水深增大而逐渐降低(图 3-a1、b1、c1), 到50m水深其温度开始迅速降低形成跃层(图 3-c1)。盐度和荧光叶绿素a浓度则在次表层(约50—150m)出现高值区, 表现出典型的次表层最大值现象, 但二者的水深分布范围并不完全重合。盐度最大值层从50m延伸到约200m水深(图 3-a2、b2、c2), 而荧光叶绿素a浓度的高值水层自50m水深处开始显现, 到160m水层则降低至低值水平(图 3-a3、b3、c3)。
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| 图 3 区NE断面(a1、a2、a3)和NW断面(b1、b2、b3)上层水体的温度、盐度及荧光叶绿素a浓度分布图, 以及Y3-0站温度、盐度和荧光叶绿素a浓度剖面图(c1、c2、c3) Fig. 3 Distribution of water temperature, salinity, and concentration of fluorescent chl a in Section NE (a1, a2, and a3), Section NW (b1, b2, and b3), and Y3-0 station (c1, c2, c3) 注:图上黑三角表示海山顶部位置(下同); 虚线(从上至下)表示温、盐跃层和次表层叶绿素最大值层所在水深; 图下灰色区表示Y3海山顶部山体; SW、NE、NW、SE分别表示西南、东北、西北、东南方向。 |
进一步分析NW和NE断面上跃层特征最为显著的60—120m水层的温度和盐度等值线分布, 可以发现两个断面的温、盐等值线均分布在海山顶部区, 且呈现出明显的上凸现象(图 3)。前人研究发现, 海山与流经海山区的洋流相互作用会引起其上覆海水的温、盐等值线发生弯曲(Genin et al, 1985; Odate et al, 1998; Genin, 2004), 因此在本次调查发现的雅浦Y3海山顶部区出现的温、盐等值线上凸现象反映的是洋流受海山阻挡作用的结果。另外, 在NW断面Y3-12站位附近的温、盐等值线呈现出明显的下凹特征(图 3-b1、b2)。Furuya等人(1995)在西太平洋九州-帕劳海岭Komahashi No.2海山顶部(山顶水深289m)发现因局地涡旋活动引起的浅层(＜300m)海水等温线下凹弯曲现象。涡旋是大洋中普遍存在的水文现象, 通常北半球反气旋涡活动区水体的温、盐等值线会表现为下凹特征(高微等, 2015)。因此, 在Y3海山Y3-12站附近出现的温、盐等值线下凹现象可能是海山与洋流相互作用在山体局部区形成反气旋涡的结果; 尽管该涡旋的空间尺度较小, 水平方向的影响范围大约有5km, 但其垂向的影响深度可达120m左右。
3.2 次表层叶绿素最大值层(SCML)分布SCML的形成与温跃层以及营养盐跃层密切相关:温跃层控制深层营养盐向海表输送的范围, 因而常常表现为在营养盐跃层附近的浮游植物生物量较高, 使得温跃层在水层中的位置决定了SCML分布的水深范围(倪晓波等, 2006)。总体上, Y3海山的SCML现象大约自50m水深处开始显现, 与温、盐跃层出现的位置相一致, 其分布范围主要集中在50m到160m水层(图 3-a3、b3、c3), 因此本文把该海域50—160m水层界定为次表层叶绿素最大值层(SCML), 并对其中叶绿素浓度较高的60—120m水层的SCML结构进行具体分析(图 4)。
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| 图 4 研究区NE(a)、NW(b)断面SCML荧光叶绿素a浓度以及温度(黑实线)、盐度(黑虚线)分布 Fig. 4 Distribution of the concentration of fluorescent chl a, water temperature (solid line) and salinity (dotted line) in SCML of Sections NE (a) and NW (b) |
探测数据表明, 研究区两条断面的荧光叶绿素a浓度总体小于1μg/L, 只有Y3-1、Y3-6站荧光叶绿素a浓度的最高值达到1.1μg/L左右。其中, NE断面的叶绿素a浓度分布同样呈现出在海山顶部区(Y3-0站)向上凸起的特征(图 4-a), 与温、盐等值线分布相一致。已有研究显示, 在西太平洋Komahashi No.2海山(29°52′N, 133°18′E; 山顶水深289m)和Minami-kasuga海山(21°36′N, 143°38′E; 山顶水深260m)区, 由于流经海山的洋流受其阻挡后发生沿山体爬升现象, 使得富含硝酸盐的水体向海山顶部输送, 促进海山区上层水体中出现SCML, 导致其分布位置与向上抬升的等温线相一致(Genin et al, 1985; Dower et al, 1992; Odate et al, 1998)。Furuya等人(1995)通过对Komahashi No.2海山进行多航次调查, 发现海山与洋流的相互作用能够把来自海底的营养盐向上输送到真光层, 促进海山顶部的浮游植物大量繁殖, 使水层中的叶绿素浓度显著增加, 在海山上部水体中形成明显的SCML。本研究区上层水体中SCML分布总体呈上凸特征, 其中NW断面的SCML分布同样在Y3-12站附近出现下凹现象, 与水层的温、盐等值线分布相一致, 反映了海山与洋流相互作用引起海山上覆水层的温、盐跃层发生上凸或下凹起伏, 导致由温、盐跃层控制的SCML分布同样出现起伏变化(图 4-b)。
3.3 SCML对悬浮体粒度分布的影响粒度观测结果显示, Y3海山上层水体中悬浮体总体积浓度约为0—120μL/L, 变化幅度较大; 其中浓度高的水层集中在SCML分布范围(50—160m)内, SCML以深水层的悬浮体总体积浓度则急剧降低至近0 (图 5)。
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| 图 5 Y3海山NE(a)、NW(b)断面350m以浅荧光叶绿素a浓度(chl a)和悬浮体总体积浓度(TVC)剖面分布 Fig. 5 Vertical profiles of the concentration of fluorescent chl a and the total volume concentration (TVC) of SPM at depths shallower than 350 m in Sections NE (a) and NW (b). |
浮游生物是大洋上层水体中悬浮体的主要组成部分, 在数量上占绝对优势(Cho et al, 1990; Turner, 2015)。对SCML所在水层(50—160m)的悬浮体粒度数据进行分析(图 6)。32个粒级(图 1)的悬浮体粒径谱显示: Y3海山所在海域的SCML中存在5个悬浮体峰值粒级, 分别为15.4、68.6、95.5、185以及304μm(图 6)。其中15.4μm粒级的悬浮体体积浓度最低, 表现为在除Y3-14站之外的13个站的分层平均浓度均小于0.1μL/L(Y3-14站为0.94μL/L)。其余4个峰值粒级(68.6、95.5、185和304μm)的悬浮体体积浓度随粒级增大而逐渐增高; 其中68.6和95.5μm粒级悬浮体的体积浓度小于1μL/L, 185μm粒级的体积浓度在10—100μL/L之间变化, 304μm粒级的体积浓度则超过100μL/L。上述调查结果表明, Y3海山区SCML中的悬浮体由至少5种具有不同粒级特征的浮游生物或者其絮凝集合体构成, 且不同粒级悬浮体的体积浓度相差巨大, 最大的峰值粒级为304μm悬浮体的体积浓度比最小的15.4μm粒级的高1000多倍。
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| 图 6 雅浦(Y3)海山区14个调查站位SCML中悬浮体分布的粒径谱 Fig. 6 Particle size distribution of SPM in SCML at the 14 survey stations in Yap (Y3) seamount area. |
海洋中叶绿素a浓度分布与浮游植物活动密切相关。将NE、NW断面SCML中5个峰值粒级悬浮体体积浓度与荧光叶绿素a浓度进行断面对比分析(图 7), 其中15.4μm粒级的悬浮体体积浓度分布与荧光叶绿素a浓度的分布格局较一致(Y3-14站除外), 均表现出在海山顶部Y3-0站凸起(图 7-a1)、在Y3-12站下凹的现象(图 7-b1); 表明15.4μm粒级的悬浮体浓度与荧光叶绿素a浓度有一定的相关性。其他4个峰值粒级悬浮体体积浓度分布与荧光叶绿素a浓度分布没有表现出明显的相关关系(图 7-a2、b2、a3、b3、a4、b4、a5、b5)。对Y3海山区14个站位SCML中荧光叶绿素a浓度与相应水层悬浮体总体积浓度(TVC)以及5个峰值粒级悬浮体体积浓度(VC)进行相关分析, 结果显示它们的相关系数总体较低(图 8-a、c、d、e、f), 其中15.4μm粒级的相关系数(R=0.5241)明显高于其他粒级(图 8-b)。峰值粒级为15.4μm的悬浮体在粒级范围上属于微型浮游生物。尽管该粒级悬浮体的体积浓度是5个峰值粒级中最低的(除Y3-14站之外均小于0.1μL/L), 但其与水体荧光叶绿素a浓度的相关性最高。其他4个较大峰值粒级(68.6、95.5、185和304μm)的悬浮体在粒级范围上分别属于小型或中型浮游生物, 虽然它们的体积浓度高, 但其浓度变化与水体中荧光叶绿素a浓度的相关性很低(图 7, 图 8)。上述结果表明, 在LISST-Deep可观测的粒级范围(2.5—500μm)内, 峰值粒级为15.4μm的悬浮体与调查区海域SCML荧光叶绿素a浓度的关系最为密切, 其他更大颗粒悬浮体浓度对荧光叶绿素a浓度的影响很小。
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| 图 7 Y3海山NE(a)、NW(b)断面SCML中峰值粒级为15.4、68.6、95.5、185和304μm的悬浮体体积浓度(VC)分布及其与水体荧光叶绿素a浓度分布的对应关系 Fig. 7 Relationship between the volume concentrations (VC) of five peak size fractions and the distribution of fluorescent chl a in SCML in Y3 seamount area. From top to bottom, these 5 plots show the distribution of 15.4, 68.6, 95.5, 185, and 304μm size fractions in Sections NE (a) and NW (b) respectively. 注:图a1、a2、a3、a4、a5和图b1、b2、b3、b4、b5分别表示NE断面和NW断面SCML中粒级为15.4、68.6、95.5、185和304μm的悬浮体体积浓度(VC)分布及其与水体荧光叶绿素a浓度分布的对应关系; 其中a、b分别代表NE和NW断面。 |
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| 图 8 雅浦(Y3)海山区SCML中悬浮体总体积浓度(TVC)、5个峰值粒级悬浮体体积浓度(VC)与水体荧光叶绿素a浓度的相关性分析 Fig. 8 Correlations between the total volume concentration (TVC) of SPM, the volume concentrations (VC) of the 5 peak SPM size fractions, and the concentration of fluorescent chl a in SCML in Yap (Y3) seamount area |
前人研究发现, 当叶绿素a浓度＜1μg/L时, SCML中微微型(＜2μm, 如蓝细菌)和微型(2—20μm, 如鞭毛藻、小型硅藻)浮游植物占绝对优势, 是SCML中荧光叶绿素a浓度的主要贡献者; 当荧光叶绿素a浓度＞1μg/L时, 小型(20—200μm)浮游植物成为光合作用生物量的主要贡献者(Marañón et al, 2012)。本文调查结果显示, 除了Y3-1和Y3-6站水体荧光叶绿素a浓度达到约1.1μg/L, 其他站位探测到水体荧光叶绿素a浓度均小于1μg/L。以此推断, 调查期间该海域SCML悬浮体中微微型和微型浮游植物应该是SCML荧光叶绿素a浓度的主要贡献者。由于本航次使用的原位激光粒度仪(LISST-Deep)的粒径观测范围为2.5—500μm, 不能探测水体中粒径小于2.5μm的悬浮体浓度; 而在其可探测的粒级范围内, 所获得的调查数据中只有峰值粒级为15.4μm(属于微型浮游生物粒级)的悬浮体对水体荧光叶绿素a浓度影响较大, 但其相关性仍然较低(R=0.5241)。因此, 推断该海域水体中还应存在对荧光叶绿素a浓度贡献更大的某些微微型浮游生物, 只是因为受限于调查仪器的观测范围而未在调查数据中得到体现。本航次也同步开展了浮游生态学调查研究, 采用现场分级叶绿素测定的方法获得微微型(0.7—2μm)、微型(2—20μm)和小型(20—200μm)浮游植物的叶绿素a浓度; 结果显示, 微微型浮游植物对Y3海山区水体的叶绿素a浓度贡献最大, 其次是微型浮游植物, 小型浮游植物的影响较小(张文静等, 2016)。该海洋生态学研究结果从另一角度验证了本文的上述推断。
粒度观测结果还显示, 位于Y3海山东侧较远处的Y3-14站悬浮体体积浓度远高于其他站位; 其中15.4μm粒级的悬浮体体积浓度是其他站位的30—1000倍, 而68.6和95.5μm粒级悬浮体体积浓度也比其他站位高约4—50倍(图 6)。但是, 在Y3-14站出现的悬浮体浓度异常高值现象并未对该站位水体荧光叶绿素a浓度产生明显影响(图 7-b1、b2、b3), 而且该站位的温度、盐度等水文调查数据也未表现出明显的异常现象(图 3-b1、b2)。上述调查结果表明, Y3-14站的悬浮体组成和分布不同于调查区其他站位, 似乎还存在其他因素严重影响该站位所在海域的悬浮体分布。进一步探讨导致Y3-14站出现异常情况的原因还需要结合同步开展的水文、生态和生物地球化学等调查资料进行深入研究。
4 结论本文利用2014年冬季在西太平洋雅浦(Y3)海山区开展多学科调查获得的资料进行分析, 获得如下结论:
(1) 雅浦(Y3)海山区位于热带西太平洋北赤道流(NEC)影响区。海山与自东向西流经该海区的浅层洋流相互作用, 改变了海山区上覆海水的温、盐跃层分布, 在海山顶部的上层水体中形成呈上凸形态的水层结构, 并在海山区的局部海域形成呈下凹形态的涡旋水文结构。
(2) 受温、盐跃层的影响和控制, Y3海山上层水体中次表层叶绿素最大值层(SCML)的分布水深与温、盐跃层的位置(约50—160m)基本一致; SCML中叶绿素a浓度的高值水层主要位于60—120m水深范围, 其荧光叶绿素a浓度总体小于1μg/L。
(3) Y3海山上层水体的悬浮体总体积浓度在0— 120μl/L之间, 其中高浓度水层集中在SCML分布范围内, 悬浮体分布存在5个峰值粒级, 分别为15.4、68.6、95.5、185和304μm; 其中15.4μm粒级的悬浮体浓度最低, 但其对水层中荧光叶绿素a浓度的贡献较大, 推断该粒级悬浮体主要由微型浮游植物构成; 其他4个较大峰值粒级的悬浮体对水体中叶绿素a浓度的影响很小, 可能由小型和中型浮游生物(及其絮凝集合体)等构成。
(4) 雅浦(Y3)海山区东侧的Y3-14站的悬浮体组成和分布不同于调查区其他站位, 可能另有其他因素影响该站位所在海域的悬浮体组成和分布。
致谢 中国科学院海洋研究所“科学”号考察船全体船员和雅浦海山航次科考队员对本研究海上调查工作提供了支持和帮助, 谨致谢忱。| 王超锋, 赵丽, 赵苑, 等, 2016. 热带西太平洋浮游纤毛虫的垂直分布. 海洋与湖沼, 47(2): 429–437 |
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