南海北部硅和鈣的生物地球化學(xué)循環(huán)及其在碳循環(huán)中的作用.pdf

1、海洋生物泵是海洋調(diào)節(jié)大氣二氧化碳(CO2)的主要途徑之一，可分為硅酸鹽泵和碳酸鹽泵兩大類型。硅藻吸收海水硅酸鹽(Si(OH)4)形成生源硅(BSi)殼體，同時(shí)將溶解無(wú)機(jī)碳(DIC)合成為有機(jī)碳并打包在BSi顆粒中輸送至深層海洋，構(gòu)成了硅酸鹽泵;而在碳酸鹽泵過(guò)程中，顆石藻等鈣化生物吸收海水鈣離子(Ca2+)和DIC形成碳酸鈣(CaCO3)沉淀，同時(shí)釋放CO2，生成的CaCO3顆粒也會(huì)沉降至深海并攜帶有機(jī)碳。此外，陸地巖石風(fēng)化吸收大氣CO2

2、并釋放Ca2+和Si(OH)4，經(jīng)河流輸送至海洋參與生物固碳后，形成的CaCO3和BSi顆粒協(xié)同有機(jī)碳向下沉降并最終埋藏至沉積物中。因此，硅和鈣的生物地球化學(xué)循環(huán)在海洋碳循環(huán)中扮演著相當(dāng)重要的角色;硅、鈣、碳三者間的聯(lián)系和作用最終影響大氣CO2含量及全球氣候。
　　 陸架邊緣海是海-陸-氣相互作用最強(qiáng)烈的區(qū)域，具有高度的時(shí)空變異性，各生源要素的循環(huán)過(guò)程極其復(fù)雜。本論文即以南海這一世界第二大陸架邊緣海為研究區(qū)域，通過(guò)測(cè)定硅穩(wěn)定同位

3、素組成和高精度Ca2+濃度，探討其間硅和鈣的生物地球化學(xué)行為及各自的控制機(jī)制，并評(píng)估和比較兩者在南海碳循環(huán)中的作用;結(jié)合碳酸鹽系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，本論文也首次涉及南海近岸酸化問(wèn)題，分析北部陸架區(qū)域文石飽和度（Ωarag）的分布特征，揭示其對(duì)河流沖淡水和沿岸上升流相關(guān)過(guò)程的響應(yīng)。
　　 隨著多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜(MC-ICP-MS)分析技術(shù)的發(fā)展和完善，近十年來(lái)硅穩(wěn)定同位素已逐步應(yīng)用至海洋硅元素生物地球化學(xué)循環(huán)的研究之中。本研究

4、即首次測(cè)定了南海北部海水和硅藻的硅穩(wěn)定同位素組成，以檢驗(yàn)邊緣海系統(tǒng)不同物理和生物、化學(xué)條件下Si(OH)4的來(lái)源和生物利用過(guò)程。在2009年7月至8月（夏季）和2010年1月（冬季）的兩個(gè)航次中采集南海北部陸架至海盆區(qū)域東南亞時(shí)間序列站（SEATS站）海水Si(OH)4和懸浮顆粒物BSi的硅穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)(分別表示為δ30SiSi(OH)4和δ30SiBSi）。結(jié)果表明，表層水δ30SiSi(OH)4值由內(nèi)陸架～+2.3‰逐漸遞增至深水

5、海盆～+2.8‰，指示了由富營(yíng)養(yǎng)至寡營(yíng)養(yǎng)區(qū)域的轉(zhuǎn)變過(guò)程中硅的生物分餾效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。南海北部陸架和陸坡區(qū)域真光層內(nèi)(＜100m)δ30SiBSi均顯著低于相應(yīng)δ30SiSi(OH)4，與硅藻吸收Si(OH)4時(shí)優(yōu)先吸收輕同位素的分餾機(jī)制一致;而深水海盆SEATS站兩個(gè)季節(jié)混合層內(nèi)(＜50m)的δ30SiBSi在誤差范圍內(nèi)均與δ30SiSi(OH)4一致，50m以深水體中δ30SiBSi卻顯著高于相應(yīng)δ30SiSi(OH)4。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和模式

6、計(jì)算（瑞利或穩(wěn)態(tài)分餾模式）的對(duì)比表明，南海北部不同區(qū)域的Si(OH)4來(lái)源不盡相同，從而硅穩(wěn)定同位素的組成各異。內(nèi)陸架低鹽表層水因珠江沖淡水持續(xù)輸入高濃度Si(OH)4造成生物利用率相對(duì)較低，較弱的生物分餾效應(yīng)使得δ30SiSi(OH)4偏低;外陸架和陸坡區(qū)域真光層內(nèi)Si(OH)4的主要來(lái)源是其下低δ30SiSi(OH)4深層水的涌升或垂直混合，在此基礎(chǔ)上的生物分餾造成δ30SiBSi低于相應(yīng)δ30SiSi(OH)4;而深水海盆混合層內(nèi)

7、的Si(OH)4可能源自本已高度分餾(低Si(OH)4、高δδ30SiSi(OH)4)水團(tuán)的水平輸入。其后，充分的生物利用將高δ30SiSi(OH)4信號(hào)完全轉(zhuǎn)化至δ30SiBSi，從而造成兩者相等。因此，南海北部硅穩(wěn)定同位素組成和變化主要由不同水團(tuán)的物理混合和不同程度的生物分餾共同控制，在諸如南海北部的復(fù)雜動(dòng)態(tài)的陸架邊緣海系統(tǒng)中區(qū)分兩者效應(yīng)尤為重要。
　　 Ca2+在海洋中的分布呈現(xiàn)微小但卻是系統(tǒng)的變化，往往與CaCO3沉淀和

8、溶解過(guò)程相關(guān)，從而可直接指示海洋CaCO3生產(chǎn)和溶解通量。本研究于2007年9月和2008年9月分別采集了南海和西菲律賓海（代表西北太平洋水體，并通過(guò)呂宋海峽進(jìn)入南海）的高精度海水Ca2+數(shù)據(jù)。雖然南海Ca2+分布主要受控于物理混合過(guò)程，其次表層水(200-800m)相對(duì)于西菲律賓海存在13±5μmolkg-1的超額Ca2+，指示了過(guò)飽和水體中的原位CaCO3溶解，其溶解速率約為0.5mmolm-2d-1。這一溶解通量超出南海海盆整個(gè)水

9、柱CaCO3溶解通量的一半，因同時(shí)釋放總堿度(TAlk)而能促進(jìn)淺層水體吸收CO2。該部分超額Ca2+應(yīng)能通過(guò)南海次表層水向西菲律賓海輸出，其通量約為(0.8±0.3)×1012molyr-1，可能是西北太平洋Ca2+的一個(gè)重要來(lái)源。該研究結(jié)果首次表明，除底棲過(guò)程外，發(fā)生在陸架邊緣海深水海盆的淺層CaCO3溶解亦可增加開(kāi)闊大洋上層水體中的Ca2+和TAlk累積，從而能最終提升海洋對(duì)日益增長(zhǎng)的人為CO2的緩沖能力。另一方面，相對(duì)于南大洋的

10、來(lái)源水團(tuán)，南海1000m以深水體中源于CaCO3溶解添加的Ca2+為51±8μmolkg-1;這一過(guò)程同時(shí)貢獻(xiàn)了南海深層水中～22％的DIC增加，其余～78％則由有機(jī)碳分解所貢獻(xiàn)。需要指出的是，南海過(guò)飽和水體中的CaCO3溶解可能受微生物氧化有機(jī)碳過(guò)程的調(diào)控，但這一海洋無(wú)機(jī)碳代謝與有機(jī)碳代謝間潛在的耦合效應(yīng)仍有待深入研究。
　　 夏季西南季風(fēng)盛行期間，南海北部陸架由于復(fù)雜的地形而在近岸區(qū)域布有上升流;同時(shí)，源于珠江的強(qiáng)烈淡水羽流

11、也能延伸至中陸架區(qū)域。本研究于2008年6月至7月采集了高空間分辨率的碳酸鹽系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以分析夏季珠江沖淡水和沿岸上升流對(duì)南海北部陸架DIC和TAlk分布、變化的控制，同時(shí)首次報(bào)道南海北部陸架CaCO3飽和度現(xiàn)狀。結(jié)果表明，自珠江口流至南海北部中陸架的珠江沖淡水呈現(xiàn)低DIC、低TAlk和高Ωarag;與之相反，沿岸上升流水體占據(jù)的南海北部陸架近岸區(qū)域則呈現(xiàn)高DIC、高TAlk和低Ωarag。雖然碳酸鹽系統(tǒng)的分布和變化主要受控于珠江沖淡水、

12、遠(yuǎn)岸表層水和遠(yuǎn)岸次表層水之間的物理混合，珠江沖淡水和沿岸上升流提供的營(yíng)養(yǎng)鹽也促使生物消耗DIC并在兩者運(yùn)動(dòng)過(guò)程中逐步提高Ωarag。檢驗(yàn)TAlk和DIC之間的化學(xué)劑量關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)南海北部陸架的DIC去除完全緣于有機(jī)碳生產(chǎn)而非生物鈣化作用;再結(jié)合三端元混合模型可有效定量物理混合主控下生物活動(dòng)改變的DIC，從而估算出珠江沖淡水和沿岸上升流的凈群落生產(chǎn)力分別為36±19mmolCm-2d-1和23±26mmolCm-2d-1。而南海北部陸架整

13、個(gè)水柱的Ωarag值均大于1.0，且同時(shí)響應(yīng)兩個(gè)過(guò)程中生物調(diào)控的DIC變化，暗示了該區(qū)域碳酸鹽系統(tǒng)的分布和變化仍主要受控于自然因素如河流沖淡水和沿岸上升流中的相關(guān)過(guò)程，人為活動(dòng)的影響如海洋酸化效應(yīng)在目前尚未顯現(xiàn)。
　　 綜上所述，南海北部硅和鈣的生物地球化學(xué)行為均呈現(xiàn)強(qiáng)烈的空間變異性，指示了其間不同區(qū)域硅酸鹽泵和碳酸鹽泵的運(yùn)作效率不盡相同。近岸淺海區(qū)域δ30SiBSi和δ30SiSi(OH)4之間存在顯著分餾而Ca2+和TAlk

14、呈現(xiàn)保守性，應(yīng)主要由硅酸鹽泵實(shí)施固碳，且夏季珠江沖淡水和沿岸上升流均可提供豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽供給硅藻生長(zhǎng)從而進(jìn)一步提高生物生產(chǎn)力;深海海盆區(qū)域兩種碳泵過(guò)程可能均未高效運(yùn)作，SEATS站δ30SiSi(OH)4分布和變化幾乎完全由物理過(guò)程控制而生物利用Si(OH)4極其有限，且該站位淺層水體中即發(fā)生顯著的CaCO3溶解（簡(jiǎn)稱為淺層CaCO3溶解），減少無(wú)機(jī)形式碳輸出的同時(shí)也抑制了其對(duì)有機(jī)碳的壓載效應(yīng)。而后續(xù)研究表明，南海北部海盆的碳源匯格局應(yīng)最