南极普里兹湾海域夏季表层水体颗粒有机碳及其同位素分布特征

基于中国第29次南极科学考察在普里兹湾海域采集的61个站位的表层悬浮体样品的颗粒有机碳(POC)及其稳定同位素(δ13CPOC)测试结果,结合卫星遥感解译的研究区海水表面温度(SST)、叶绿素a(Chl a)浓度和海冰覆盖率数据,研究了普里兹湾海域表层水体悬浮POC的分布特征,探讨了悬浮体中POC的来源及其形成过程。结果表明,2013年夏季普里兹湾表层悬浮POC浓度为0.28—0.84 mg·L-1,平均浓度为0.48 mg·L-1;δ13CPOC值的变化范围为-29.68‰—-26.30‰,平均值为-28.01‰。表层水体悬浮POC分布呈现近岸高于远岸,西部高于东部的特征。POC的高值区主要分布在冰架附近,与表层水体Chl a浓度和海冰覆盖率分布趋势基本一致,表明夏季普里兹湾表层水体悬浮POC主要由浮游植物现场生产,而浮游植物的生长受到了海冰的显著影响。在普里兹湾外部海域表层水体悬浮颗粒物δ13CPOC值从东向西逐渐偏负,而调查区东部从近岸向远海逐渐偏负,反映该海域δ13CPOC分布特征主要受到浮游植物吸收与固定CO2速率的影响。中山站附近海域δ13CPOC值显著偏负,可能是受到近岸海域陆源有机质输入和浮游生物种属改变的影响。     

1999/2000年夏季环南极表层海水叶绿素a和初级生产力

中国第 1 6次南极考察期间 ,作者随雪龙船于 1 999年 1 1月 2 2日至 2 0 0 0年 1月 1 8日从澳洲西南部到达东南极普里兹湾 ,后经南印度洋 -南大西洋 -德雷克海峡 -南大西洋 -南印度洋返回普里兹湾。航渡中定时采集表层海水 ,进行水温、盐度、营养盐、浮游生物现存量和光合作用速率的现场观测 ,研究环绕南极海域表层水叶绿素 a和初级生产力的分布特征。结果表明 ,南大洋表层水营养物质、浮游生物现存量和初级生产力分布具明显的区域性特征 ,南极辐合带以南的南极水营养盐浓度高于亚南极水和亚热带水。叶绿素 a浓度与营养物质的分布趋势一致 ,南极水、亚南极水和亚热带水的平均叶绿素 a浓度分别为 1 .77、1 .40和 0 .2 1 μg/dm3。在环绕南极的大洋中 ,南大西洋海域营养物质丰富 ,海水最为肥沃 ,叶绿素 a浓度和初级生产力高于南印度洋和德雷克海峡。在短期往返东南极 -西南极 -东南极的航渡观测中 ,由于南极夏季水温的升高 ,陆缘冰融化 ,冰藻释放 ,长城湾至普里兹湾的西 -东向航渡中观测的初级生产力、浮游植物细胞丰度、叶绿素 a浓度和光合作用同化数分别比普里兹湾至长城湾的东 -西向航渡中高 1 45%、1 1 3%、68%和 1 8%。与 1 0年前的观测结果比较 ,南大西洋仍为高生物量和高生产力海区 ;1 999/2 0 0 0     

南极普里兹湾真光层下水体中有机碳和无机碳的分解比例的估算

本文利用中国第25次南极科学考察数据,运用数学模型对南极普里兹湾有机碳与无机碳的分解比及上层水体POC的再矿化效率进行了估算。结果表明:普里兹湾及其邻近海域POC的浓度范围为24.38~446.40μg?dm-3,平均值为118.16μg?dm-3。在普里兹湾P2断面陆架区,上层水体中的有机碳和无机碳向下层水体输出埋藏过程中,两者分解速率比为1.27（摩尔比）,根据相关结果我们推测上层水体中的颗粒有机碳向底层输出埋藏的过程中有81%发生了转化重新参与海洋碳循环。     

南极普里兹湾海域夏季表层水与绕极深层水年际变化

利用中国第27、28、29和31次南极科学考察期间在普里兹湾海域获取的水文观测数据,分析了该海域的水团分布、夏季表层水年际变化及其原因和绕极深层水涌升的年际变化特征。研究发现:第27和31航次观测到的夏季表层水的温盐范围较大;第27航次观测到的夏季表层水温度相对较高,可达1.22℃;第29航次观测期间海冰较少,夏季表层水的厚度约为50 m(73.00°E、75.50°E和67.25°S断面),第31航次观测到的夏季表层水最深达到100 m;第28和29航次观测到较为明显的绕极深层水涌升,在73.00°E断面尤为突出;观测到的绕极深层水在第28航次向上涌升到90 m,在第29航次向南延伸较远,达到67.67°S;湾内气旋性环流对绕极深层水的涌升有明显的输运作用。     

夏季南极普里兹湾碳的生物地球化学循环Ⅱ:POC的分布特征

在中国第 1 5次南极考察期间对普里兹湾的颗粒有机碳 (POC)进行了研究。结果表明 :夏季普里兹湾 POC表层含量在 94.2 0 - 1 1 2 4 .0 0μg/L ,平均 2 79.1 1μg/L ,POC含量由湾内向湾外递减。湾内平均含量 5 2 7.1 4μg/L,湾外平均含量 1 71 .72 μg/L,湾内 POC含量远远大于湾外。断面分布表明水体上层 POC含量高于底层含量 ,在 1 0 0 m附近含量达到最低 ,且变化显著。 POC与叶绿素 a的高度相关性 (r=0 .889,n=91 )表明普里兹湾 POC主要由 POCB组成即主要来自于浮游植物的贡献。 POC/chl a值为 1 1 0 .3 3与 Ross海相近 ,但高于太平洋等海域。 POC与DIN、PO4 3 - 之间均呈现良好的负相关 ,相关系数分别为 - 0 .6 0 7、- 0 .486 (n=86 )。     

2003年夏季东南印度洋上层海洋的水文特征

本文利用 2 0 0 3年 2月我国第 1 9次南极考察队在南极普里兹湾到澳大利亚弗里曼特尔南印度洋断面上获得的XBT和XCTD数据 ,分析了该断面上层的水团分布和锋面的特征 ,并讨论了极锋以南表层的淡水输入和热量输入与海冰、降水及平流之间的关系。南极夏季表层水(AASSW)、亚南极表层水 (SASW)、亚热带表层水 (STSW)分布于温盐跃层之上的混合层中 ,由南向北依次分布。AASSW之下是向北延伸的温度最小值层 ,即冬季水 (WW) ,其下则是涌升的上层南极饶及深层水 (UCDW)。南侵的高温高盐的亚热带表层水 (STSW)之下是温度和盐度相对均匀的亚南极模式水 (SAMW)。本航次发现 ,在 63.5°S ,79.7°E的 60 0m以深有低盐水体 (相对其周围水体 )存在 ,核心盐度 34.5 8,位于 80 0- 90 0m水深之间。这是历次考察在该断面所不曾观测到的现象。断面上的锋面从南向北依次为南极陆坡锋 (ASF)、极锋 (PF)、亚南极锋 (SAF)和亚热带锋 (STF)。ASF位于 65°S以南的 1 0 0m以深 ,等温线和等盐线向南倾斜 ;PF位于 5 4°S ,90 .4°E ;SAF位于 45 .3°- 47.5°S ,1 0 2 .5°- 1 0 4 .4°E之间 ,深达整个测量深度 ,温度具有两个高梯度核心 ;首次在该断面观测到双STF结构 ,位于 41 .9°- 42 .6°S,1 0 6.7°- 1 0 7.3°E和 37.7°- 38     

2011年夏季南大洋普里兹湾颗粒态生物硅的分布与变化特征

利用中国第27次南极科学考察期间获得的颗粒物样品,对南大洋普里兹湾海域水体中颗粒态生物硅的含量及分布特征进行了初步研究,分析了该海域颗粒态生物硅与营养盐、浮游植物以及颗粒有机碳之间的关系,同时结合历史数据对比了颗粒态生物硅的年际变化情况。研究结果显示：在2011年夏季普里兹湾表层水体中颗粒态生物硅含量在0.76-19.72μmol/ dm3之间变化,平均为6.06±4.55μmol/ dm3。在表层水体中的分布趋势是67°S以南的湾内区域颗粒态生物硅含量明显高于67°S以北的湾外区域,最大值出现在普里兹湾陆架区。在垂向分布上,P3断面水体中颗粒态生物硅含量随深度增加而减少。根据不同年份即24,25,26,27次南极科学考察期间获取的数据对比分析显示,颗粒态生物硅含量虽存在一定的年际差异,但是在普里兹湾的分布趋势基本一致。颗粒态生物硅含量的变化特征与硅酸盐相反与叶绿素a、颗粒有机碳相似。     

南极夏季普里兹湾邻近海域浮游植物、粒度分级叶绿素a和初级生产力的分布

１９９１／１９９２年夏季，在南极普里兹湾邻近海域现场观测浮游植物细胞丰度、优势种类组成、颗粒有机碳浓度、粒度分级叶绿素ａ浓度和初级生产力的分布。调查海域现存生物量和初级生产力以及颗粒有机碳浓度分布均具有较明显的时间和空间区域性特征。在普里兹湾邻近北部陆架和测区东部海区现存生物量、初级生产力和颗粒有机碳浓度均较高，西部海区上述生物参数均较低。测区微型和微微型浮游生物代谢生理活性高，能量转换速率快，在现存生物量和生产力中均占较高比重。其对初级生产力的贡献要高于对生物量的贡献。     

普里兹湾海域的夏季上层水及其北向运动

本文利用中国第 1 5次南极科学考察普里兹湾及邻近水域观测的 CTD资料 ,研究并分析了普里兹湾及其邻近洋域上层的水团分布。确定了普里兹湾夏季近岸水 ,普里兹湾夏季表层水 ,普里兹湾陆架水和南极绕极深层水的范围、深度和温盐特性。在此基础上 ,进一步发现了普里兹湾陆架水的北向扩展。讨论了其北向扩展的热力学和动力学特征。这些特征涉及到逆温层的厚度、垂向温度和温度梯度最小值的存在 ,以及陆架水北向运动的斜压性和科氏力的作用     

南极海冰、冰穴和冰川冰及其对水团形成和变性的作用

本文利用前人的成果及笔者1992/1993年的南极海冰观测和收集的资料以及水文观测资料数据阐述了南极海冰的特性,特别是南极海冰过程、冰穴以及冰川冰对南极水团(南极表层水、南极底层水、南极陆架水、南极中层水以及南极冰架水)的形成和变性所起的特殊作用。 南极海冰覆盖面积的年际变化,夏季最大年份是最小年份的2倍多,冬季年间变化较小,最大仅为20％;但其季节变化非常大,冬季平均覆盖面积通常是夏季的5倍。南极海冰对大气-海洋间相互作用有重大影响,特别是深海洋区中冬季的结冰和发育造成的垂向对流、夏季的融化是形成南极表层水(含南极冬季水和南极夏季表层水),进而形成南极中层水的主要原因;南极陆架区的的海冰兴衰过程是形成南极陆架水的直接原因,它与变性南极绕极深层水混合并受到冰川冰的进一步冷却作用,成为形成南极底层水的主要水团;南极冰架底部的冷却、融化和冰架以下水体的结冰作用形成的高盐对流过程产生的南极冰架水,亦是形成南极底层水的贡献者。 冰穴是70年代以来卫星观测的重大发现。对其形成和对大气、海洋的影响作用尚不完全清楚,初步的研究成果表明,冰穴中产生的热盐对流对南极水团的形成、变性、大洋深层的翻转以及海洋-大气间的热量传输和气体交换起有非常重要的作用。     

南极半岛邻近海域夏季POC分布特征及其影响因素

海水中的颗粒有机碳(POC)与生物的生命过程、初级生产力关系密切,是海洋食物链中重要的物质基础和能量来源,因此POC的分布特征可以有效反映其生物地球化学环境。利用中国第33次南极考察期间(2016年12月至2017年1月)在南极半岛邻近海域采集的海水颗粒物样品,研究POC的空间分布特征及其影响因素。结果表明,斯科舍海0—200 m的POC浓度范围为7.44—193.52μg·L~(-1),平均浓度为(48.84±35.09)μg·L~(-1);南斯科舍海岭0—200 m的POC浓度范围为9.13—62.17μg·L~(-1),平均浓度为(29.76±14.12)μg·L~(-1);鲍威尔海盆0—200 m的POC浓度范围为5.87—270.72μg·L~(-1),平均浓度为(48.57±38.92)μg·L~(-1)。表层POC高值出现在斯科舍海区和鲍威尔海盆区,而低值出现在海岭区,与叶绿素a(Chla)的变化趋势一致,与营养盐的变化趋势相反。垂向分布上,各个区域POC平均浓度随深度的增加而减少,鲍威尔海盆和斯科舍海POC最高值都出现在25 m层。分析结果表明光合浮游植物是研究海域POC的主要来源, POC的主要影响因素为温度、水团混合以及海冰环境。斯科舍海与鲍威尔海盆整体非生命POC占比高,可能是由于高磷虾生物量、海冰碎屑以及陆源输入的干扰;南斯科舍海岭整体非生命POC占比低。     

夏季南极普里兹湾碳的生物地球化学循环Ⅰ:DOC的含量与分布

本文通过南极第 1 5次科学考察 ,对夏季普里兹湾的溶解有机碳 (DOC)进行研究。结果表明 :调查期间普里兹湾及邻近海域DOC平均含量较高 ,表层含量在 68.2 3- 1 2 5 .92 μM之间变化 ,平均值为 1 0 2 .32 μM ,大于典型的大洋表层DOC含量 ( 70- 80 μM )。垂直分布表明水体上层DOC含量高于底层 ,在 2 5- 5 0m附近含量出现最高值。在普里兹湾及邻近海域难降解有机物是DOC的主要部分 ,经估算湾内难降解DOC含量 92 .34μM占总DOC的 77% ,湾外难降解DOC含量为 76.89μM ,占总DOC的 82 %。     

南极普里兹湾表层海水中铜、镉、锌的分布

利用中国第24次南极考察获得的水样,研究了普里兹湾表层海水中痕量元素铜、镉、锌的含量及其分布。原子吸收分光光度法(AAS)测得普里兹湾铜、镉、锌的浓度范围分别为0·36-2.86、0.020-0.594、2.9-20.0μg·dm-3,平均值分别为1.15、0.143、11.2μg·dm-3。发现普里兹湾表层海水中铜、镉、锌的含量与南印度洋、南极海洋气溶胶及LarsemannHills湖泊群水体中的含量近似。研究表明,表层海水中铜、镉的含量及分布受悬浮颗粒物、初级生产力及盐度等的影响,锌可能受到了一定程度的人类活动的影响。     

夏季南极普里兹湾碳的生物地球化学循环Ⅳ:有机碳的垂直迁移与转化

根据CHINARE 1 5航次调查数据对普里兹湾DOC与POC相互转化以及垂直迁移过程进行了初步分析。研究表明 ,在上层水体中用于DOC、POC降解的氧分别占表现耗氧量的 6 .0 %和 6 .2 % ,1 0 0m以下水体中虽然DOC的降解与表层相比有所加强 ,但仍不是非常大的规模 ,这也证明普里兹湾难降解的DOC含量较高。在 2 5m以内DOC与POC的正相关性说明在表层生成的POC部分转化为DOC ,且对DOC的贡献不容忽视     

南极普里兹湾及邻近南大洋水体N_2O分布特征

利用中国第25、26次南极科学考察航次获得南极普里兹湾及邻近南大洋附近水样,采用顶空气相色谱法分析其中N_2O含量,结果表明普里兹湾陆架水体N_2O浓度较低,介于13.2―17.4 nmol·L~(-1),且呈现不饱和状态,饱和度异常值为-7%;而普里兹湾附近南大洋水体中N_2O浓度较高,介于15.5―23.3 nmol·L-1,除表面一层极薄的不饱和层外,中层至底层水体相对工业革命前大气浓度为高度过饱和状态。该区域N_2O的分布格局与复杂的水团特性和水文过程有密切关系。N_2O含量不饱和的普里兹湾陆架水(SW)和绕极深层流(CDW)混合下沉形成南极底层水(AABW),可能为温室气体N_2O提供向深层海洋输运的通路。这个过程为大气N_2O提供了一个汇的机制,使南极近岸水体成为大气N_2O的汇区。     

南极普里兹湾碳循环研究进展

普里兹湾是南大洋碳循环研究典型代表海区,也是中国历次南大洋考察的重点调查区域。从初级生产力、营养盐、叶绿素、海-气CO₂通量、真光层颗粒有机碳（POC）输出通量,净群落生产力（NCP）等方面综合阐述了其碳循环特征。生物泵运转效率和海冰过程是碳吸收的主要控制因素。普里兹湾总体上可以从陆坡划界,分为湾内和湾外两大部分。两者碳循环特征差异显著。湾内碳循环过程活跃,是南大洋夏季的高生产力区域。湾外则表现出高营养盐、低叶绿素（HNLC）特征,初步认为存在Fe限制。总体上,溶解有机碳（DOC）、POC、营养盐、叶绿素、二氧化碳分压（pCO₂）等存在从湾内向湾外随纬度递增或递减的规律。海冰消长对碳循环过程影响剧烈。夏季融冰造成的冰藻释放、水体垂直稳定性增加是提高生物生产力的首要原因。总体上普里兹湾的碳循环受各种生物、物理过程及其耦合作用控制,对南大洋碳循环机制研究有重要意义。