2012年春季南海南部不同水团上层海水中悬浮体分布特征及其物源分析

张凯南, 王珍岩 王保铎

(1. 中国科学院 海洋研究所, 山东 青岛 266071; 2. 中国科学院 海洋地质与环境重点实验室, 山东 青岛 266071; 3. 中国科学院大学, 北京 100049)

2012年春季南海南部不同水团上层海水中悬浮体分布特征及其物源分析

张凯南1,2,3, 王珍岩1,2, 王保铎1,2,3

(1. 中国科学院 海洋研究所, 山东 青岛 266071; 2. 中国科学院 海洋地质与环境重点实验室, 山东 青岛 266071; 3. 中国科学院大学, 北京 100049)

为了解南海南部海域不同水团对悬浮体分布特征的影响, 于 2012年 4～5月在南海南部海域的80个测站分层采集了悬浮体水样, 并现场测量各站位200 m以浅水体剖面上的悬浮体浓度、粒径、水体浊度、叶绿素a浓度以及温度、盐度等数据。分别选取受中南半岛沿岸混合水、南部陆架水、苏禄海与本地海水的混合水、南沙中央表层水等 4个水团影响的多个典型站位数据, 分析各水团悬浮体组分和分布特征。结果表明, 南海南部海域悬浮体含量很少, 浓度较小, 均值为2.96 μL/L; 悬浮体主要组分为生源大颗粒, 其粒径多在100 μm以上, 另有少量无机矿物碎屑, 其粒径大部分小于32 μm。巽他陆架北缘浅水区受南部陆架水控制, 并且受到局地上升流的影响, 陆源物质和生源物质含量均较多,导致其悬浮体浓度在4个水团中最高。苏禄海与本地海水混合水中悬浮体分布主要受浮游植物的影响。中南半岛沿岸混合水中悬浮体含较多陆源物质。南沙中央表层水受陆源物质影响很小, 悬浮体主要由生源物质组成, 且其浓度较小。

悬浮体; 分布特征; 物源; 水团; 南海南部

悬浮体是指以悬浮态存在于水体中的颗粒物的统称。海水中的悬浮体可分为有机组分和无机组分两大类。有机组分主要由生物残骸、粪球、有机膜以及有机物与无机物的絮凝体等组成; 无机组分主要由矿物颗粒组成, 也有少量硅质生物骨骼[1-2]。大洋上层水中的悬浮体组分主要是以海水透光层中的浮游生物为主的生源物质[3-4]。开展大洋悬浮体物质组成和分布特征研究对于查明大洋海区的现代沉积过程、深海沉积物的物质来源以及深入理解大洋海域生物地球化学循环过程等都有重要的科学意义。

大洋水体中悬浮体含量总体很小[5], 通过过滤海水获得悬浮体浓度数据受实验过程中随机误差的影响较大, 且数据的连续性较差。Sequoia公司生产的现场激光粒度仪(LISST)可以对悬浮体含量极低的水体进行现场观测, 获得水体剖面上悬浮体浓度和粒度分布数据, 成为在大洋海区开展悬浮体调查的重要工具。目前, 关于南海悬浮体的研究主要集中在南海北部[6-8]。由于现场调查资料缺乏, 有关南海南部海域悬浮体分布的研究仍为空白。本文利用 2012年 4～5月在南海南部海域开展科学考察所获得的资料, 对春季该海域不同水团中悬浮体分布特征和物质组分差异进行分析, 探讨不同水团对该海域悬浮体分布的影响。

1 研究区概况

南海南部海域是连结西太平洋和印度洋的重要海区, 位于巴拉望岛、加里曼丹岛以及中南半岛之间,地理环境复杂。研究区主体覆于巽他陆架向南海海盆过渡的陆坡上, 东南部通过巴拉巴克海峡与苏禄海相通, 西南部为巽他陆架北缘。研究区在气候上属于热带季风区, 在4～5月处于冬季风开始消退、夏季风尚未形成的季风转换期[9], 海区表层环流仍受冬季风的影响。

中国科学院南沙综合科学考察队(1989年)的调查资料显示, 本区的上层海水在水平方向上可归纳为两大水体, 即外海水和沿岸水。外海水主要是指南沙海域的中央表层水(南沙中央表层水), 其面积远远大于其他水团, 性质介于陆架水和沿岸混合水之间, 垂向混合较均匀, 伴随季风的交替呈现出夏半年偏北、冬半年偏南的分布特征。沿岸水又可分为3个不同性质的水团: (1)南部陆架水, 源于爪哇海,受到沿岸冲淡水的影响, 以低盐为其主要特征; 该水团在西南季风期向北侵入南沙群岛南部海域, 东北季风期则被限制在巽他陆架北缘浅水区。(2)巴拉巴克海峡西侧混合水, 为苏禄海与本地海水混合而成的高盐度混合水。(3)中南半岛沿岸混合水, 其盐度较低, 在东北季风期间随南沙西部沿岸流南下影响南沙海域西南部[10-13]。

2 材料与方法

本文使用的数据由中国科学院“科学一号”考察船在2012年4～5月对南海南部海域进行科学考察时所获取, 包括在 200 m以浅水体中分层采集的悬浮体样品以及使用仪器现场剖面观测获得的悬浮体粒度、浓度以及海水温度、盐度、叶绿素 a浓度和浊度等数据。本次调查共设置了80个采样和观测站位,站位分布如图1所示。

图1 研究区域水深及站位分布图Fig. 1 The water depth and station distribution in the study area

悬浮体浓度(μL/L)、粒径(μm)数据由 LISST 100-X(C)型现场激光粒度仪(量程2.5～500 μm)测量。同时, 由SBE9/17plus CTD携带Seapoint叶绿素a传感器、浊度计等组成探测系统, 现场观测各站位水体的温度(℃)、盐度、叶绿素a浓度(μg/L)、浊度(FTU)等连续剖面数据。选取下降过程的有效测量数据进行处理, 得到分辨率为1 m的悬浮体浓度、平均粒径、温度、盐度、浊度、叶绿素a浓度数据。其中, 平均粒径采用的McManus矩法计算公式为:Mz=

利用CTD采水器在表层, 10, 20, 30, 50, 100, 200 m (站位水深不足200 m则以海底以浅2～3 m作为底层)采取海水样品。水样经孔径为0.45 µm、直径为47 mm的混合纤维素酯滤膜过滤后得到悬浮体样品, 在Leica.MZ16型体式显微镜下观察滤膜上的颗粒物样品, 目视判读悬浮体的物质组分。

为了分析调查区不同水团影响下悬浮体分布及其粒度特征, 我们避开各水团在水平方向上的混合区, 分别选取在不同水团控制下的巽他陆架北缘浅水区(A区, 陆架水)、巴拉巴克海峡西侧(B区, 苏禄海与本地海水混合水)、111°E以西(C区, 中南半岛沿岸混合水)以及南沙群岛中部(D区, 南沙中央表层水)四个典型区域内站位(所选站位如图 1所示)的调查数据来分析不同水团对悬浮体组分及分布特征的影响。

3 结果与讨论

3.1 各典型区水团的温盐特征

图2为A～D四个区域温度-盐度(T-S)点聚图, 根据温盐变化特征可将其分为如图所示的 4个区域。对各区数据点的深度数据进行统计分析, 结果显示,Ⅰ区 82.26%的数据点在 0～20 m 水层内, Ⅱ区80.39%的数据点在20～60 m水层, Ⅲ区92.4%的数据点在深度为60～120 m的水层内, Ⅳ区的数据点则有90.87%分布在120 m以深的水层。因此, 我们将20, 60, 120 m作为垂直方向上温盐性质差别较大的水层之间的分界线, 在此基础上观察分析T-S点聚图发现, 4个水团在20～60 m层明显表现出不同的温盐特征: A区的南部陆架水和 C区的中南半岛沿岸混合水盐度较低。D区为远离陆地的南沙中央表层水, 其盐度较高。B区为盐度最高的苏禄海水与本地海水混合水。在60～120 m层内, 除C区的中南半岛沿岸混合水呈明显的低盐特征, 另外3个水团的T-S点聚图在本层差异不大。4个区域的T-S点聚图在120 m以深的水层内基本重合。

图2 典型研究区域水体T-S点聚图Fig. 2 T-S diagram of selected sea regions

3.2 各水团水文参数以及悬浮体浓度和粒度参数的统计特征

调查区悬浮体浓度整体较小, 均值为2.96 μL/L,平均粒径多在100 μm以上。鉴于20, 60, 120 m为调查海域垂直方向上温盐性质差别较大的水层分界线,本文分别对A区、B区、C区和D区在0～20, 20～60, 60～120及120 m以深水层的悬浮体浓度、平均粒径、浊度以及叶绿素 a浓度数据进行统计, 数据结果见表1。

如表1所示, A区的悬浮体平均浓度为3.04 μL/L,在4个典型区域中最高; B区和C区的悬浮体平均浓度稍小于陆架浅水区, 分别为2.93, 2.86 μL/L; 平均浓度最小的区域是D区, 为2.45 μL/L。各水团平均浊度的分布与悬浮体平均浓度一致: A区最大(0.078), D区最小(0.051)。平均粒径的分布则与浓度和浊度相反: A区最小, 其均值为158.32 μm; D区最大, 均值为 195.73 μm。B区的叶绿素 a平均浓度最高, 为0.248 μg/L, 其他3个区域的叶绿素a平均浓度则较小且相差不大, 都在0.17～0.18 μg/L。从垂向分布来看, 悬浮体浓度和平均粒径总体呈近表层高, 随深度增加逐渐降低的分布趋势, 浊度与浓度的分布趋势除在A区的分布趋势差异较大以外基本一致。A区120 m以深水层的悬浮体平均浓度在各水层中最小, 而该水层平均浊度却最大, 这可能是由底部颗粒较细的沉积物再悬浮造成的。此外, B区的悬浮体浓度、浊度的垂向变化与叶绿素a浓度密切相关, 均在20～60 m层达到最大值, 之后随深度增加而减小。

大洋上层水体中的悬浮体主要组分为生源颗粒物以及大气飘尘[15]。因此, 浮游植物对悬浮体的分布具有重要影响。图3分别为A, B, C, D四个区0～200 m水体以及各区叶绿素a浓度大于0.2 μg/L水层的浊度与叶绿素a浓度的相关性分析图。如图所示, 二者在叶绿素a浓度高值区(＞0.2 μg/L)有一定的相关性, 在低值区则相关性较差。叶绿素 a浓度与浊度的相关性说明在研究区域的叶绿素 a浓度高值区, 生源物质是悬浮体的主要组成部分; 而在叶绿素 a浓度的低值区, 悬浮体含量还受到其他非生物因素的影响。在受陆源物质影响较大的A区和C区的叶绿素a浓度低值区, 仍有较多的高浊度值出现, 这些高值可能是由陆源物质造成的。此外, B区浊度与叶绿素a浓度的相关性在 4个典型区域中最好(R2=0.72), 且其相关性在叶绿素 a浓度低值区也较好, 这说明 B区悬浮体的主要来源为生源物质, 受其他因素影响较小。

对各区域不同水层中 32个粒级的悬浮体浓度做平均处理, 绘制各水团0～20, 20～60, 60～12, ＞120 m水层中悬浮体的粒径分布曲线(图 4)。各曲线都在16～32, 300～400 μm处出现峰值。16～32 μm的峰值在A区的陆架水中最大, 达到0.15 μL/L, 在其他3个水团中差别不大, 均在0.1 μL/L左右; 300～400 μm的峰值在各水团均较大, 且在垂向上基本呈由近表层向下逐渐减小的趋势, 峰值粒径也随之减小。但在A区和C区120 m以深水层的峰值粒径比上层增大, 其中陆架浅水区120 m以深水层的粒径分布曲线在粗颗粒端出现上升尾, 这是由粒径超出 LISST最大量程(500 μm)的大颗粒造成的[16]。据显微镜观察结果显示, 造成 A、C两个区近底层悬浮体在300～400 μm 峰值粒径较大的原因可能是底部沉积物的再悬浮。

表1 各典型区域悬浮体及水文参数统计Tab. 1 Statistical results of the measuring parameters of suspended particulate matter (SPM) and environmental hydrology in the selected sea regions

3.3 水团差异对悬浮体分布特征的影响

分别从每个典型区域选取 1个代表性的站位,绘制各站位200 m以浅的温度、盐度、叶绿素、浊度以及粒径范围2.5～8, 16～32, 100～200, 300～500 μm的悬浮体浓度的连续剖面(数据分辨率为1 m), 并利用显微镜观察特定层位的悬浮体样品, 辅助分析不同水团对悬浮体分布的影响。使用显微镜观察滤膜上的悬浮颗粒物样品, 发现其主要组分为生源物质,包括浮游生物、有机包膜以及絮凝团等, 粒径多在100 μm 以上; 悬浮体中还包含少量陆源无机碎屑,其粒径多在32 μm以下。反映出不同组分特征影响着悬浮体的平均粒径。浮游生物受到温盐、光照等条件的限制, 主要分布在真光层内, 对悬浮体的分布特征产生影响。絮凝团则常伴随温、盐跃层的出现而产生, 反映了悬浮颗粒物在沉降过程中通过生源组分的胶结作用结合成大颗粒的絮凝体[17], 并因跃层的屏障作用聚集在跃层部位[18]。

A区位于巽他陆架北缘, 受到随中南半岛沿岸流南下的沿岸混合水的影响。该区局地上升流为上层海水带来营养物质, 使该地区的生物量较大[19]。中南半岛沿岸流和加里曼丹岛西岸的沿岸流也在这里汇聚[11], 带来了较多的陆源物质。因此, 与其他3个水团影响区相比, A区的悬浮体平均浓度最大(表1), A区水体浊度和叶绿素 a浓度的相关性较差(图3),且粒径在2.5～32 μm之间的悬浮颗粒物浓度明显高于其他3个区(图4), 反映了A区受陆源物质影响相对较大, 大量粒径较小的陆源碎屑使得 A区悬浮体的平均粒径最小。统计分析(表1)显示, A区悬浮体浓度在垂向上由浅至深逐水层降低, 浊度却在120 m以深水层最大。位于A区的76号站位(水深133.6 m)的剖面图(图5)也显示了这一现象, 即浊度在近底层(109 m)出现峰值(0.447), 且其变化趋势与粒径小于32 μm 的悬浮体浓度的变化密切相关, 说明近底层浊度主要是由颗粒较细的无机碎屑造成的。粒径大于100 μm的悬浮体浓度也在本层出现峰值, 该峰位于近底层温盐跃层内(86～111 m), 另外, 粒径大于100 μm的悬浮体浓度的另一峰值位于近表层温盐跃层(15～25 m)附近, 这可能是悬浮体在沉降过程中通过生源组分的胶结作用结合成大颗粒的絮凝体[17], 并在跃层的屏障作用下累积[18]造成的。由此推断近表层跃层内悬浮体主要由生物大颗粒构成, 而近底层跃层内悬浮体是由上层沉降的生源颗粒物和底部再悬浮物质共同造成的, 显微镜观察结果也证实了这一点。 图6(20 m)为位于近表层跃层内的20 m层的悬浮体显微照片, 该层以生源颗粒为主, 主要包括浮游生物、生物絮凝团等大颗粒。浮游生物粒径变化范围较大, 从50 μm到500 μm不等, 絮凝团粒径多在100 μm以上。图6(100 m)为100 m水层的悬浮体显微照片, 位于近底层跃层内。本层无机碎屑较上层明显增多, 但仍以生源颗粒为主, 有底栖生物的幼体出现, 据此可推断近底层悬浮体部分来源于底部沉积物的再悬浮。

图3 各典型区域浊度与叶绿素a浓度的相关分析图Fig. 3 Turbidity versus chlorophyll concentration in selected sea regions

图4 各水团不同水层的粒径分布曲线Fig. 4 Particle size spectras of different Layers in the water masses

图5 76号站位各项水文参数及悬浮体浓度剖面变化图Fig. 5 Profiles of hydrological parameters and volume concentrations in station 76

图6 76号站位悬浮体显微照片Fig. 6 SPM photomicrograph of station 76

图7 49号站位各项水文参数及悬浮体浓度剖面变化图Fig. 7 Profiles of hydrological parameters and volume concentrations in station 49

以往研究表明, 巴拉巴克海峡西侧海域受到盐度最高的苏禄海与本地海水混合水的影响, 浮游植物量大, 叶绿素a浓度较高[20-21]。本文的调查结果与该结论相一致, 表现为 B区的叶绿素 a浓度值最高(表1)。悬浮体浓度和浊度随叶绿素 a浓度变化, 在20～60 m层最高, 之后随深度增加而降低, 并且该水层的浊度与叶绿素a浓度的相关性在4个水团中表现最好(图 3), 据此可推断浮游植物是该区悬浮体的主要组分。B区的典型站位(49号站)相关参数在剖面上的变化也证明了这一点, 如图7所示, 浊度及粒径在200 μm以下的悬浮体浓度在整个剖面上的分布与叶绿素a浓度有很好的相关性, 粒径在300 μm以上的大颗粒物质除在叶绿素 a浓度高值区出现峰值外,还分别在10～30 m的温盐跃层以及60～80 m水层的温盐跃层出现峰值。利用显微镜观察悬浮体样品, 发现在叶绿素a浓度高值区(图8(20 m))的悬浮体以生源颗粒为主, 滤膜几乎被浮游植物细胞覆盖, 另有部分含浮游植物的絮凝体, 其粒径变化范围较大,从几微米到几百微米不等。100 m水层的悬浮体(图8(100 m))含量较少, 只有少量细颗粒物质和偶尔出现的粒径较小的絮凝体。由此可见, 浮游植物是该站位悬浮体的主要来源, 跃层附近的悬浮体主要为粒径300 μm以上的生源大颗粒, 同样反映了跃层屏障作用导致悬浮体在跃层处积累絮凝的现象。

C区受中南半岛沿岸混合水的影响, 水体盐度较低。统计分析(图3)表明, 该区浊度与叶绿素a浓度相关性较差, 这可能是由于陆源物质的影响造成的。C区的典型站位(59号站)的各项参数剖面变化如图9所示, 受中南半岛沿岸混合水的影响, 100 m以浅水体盐度较低, 98～113 m出现温盐跃层, 盐度迅速升高。另外, 在10～33 m还出现了两个强度较弱的盐度跃层, 大颗粒物质在跃层附近累积, 粒径在300～500 μm之间悬浮体浓度出现峰值。粒径16～32 μm的悬浮体浓度保持在 0.6 μL/L左右, 整体明显高于受陆源物质影响较小的49号站位和02号站位。图10(10 m)为59号站位10 m水层(位于近表层盐度跃层内)的悬浮体显微照片, 悬浮体中大颗粒组分主要为浮游生物和生物絮凝体, 细颗粒的无机碎屑较少。图10(200 m)为200 m水层悬浮体的显微照片, 悬浮体中含有较多的细颗粒无机碎屑, 生物絮凝体较少。这可能是陆架坡折区的上升流[22]带来的底层再悬浮的陆源物质, 也可能来源于上层流经59号站位的沿岸流带来的陆源碎屑物的沉降。

图8 49号站位悬浮体显微照片Fig. 8 SPM photomicrograph of station 49

图9 59号站位各项水文参数及悬浮体浓度剖面变化图Fig. 9 Profiles of hydrological parameters and volume concentrations in station 59

图10 59号站位悬浮体显微照片Fig. 10 SPM photomicrograph of station 59

图11 02号站位各项水文参数及悬浮体浓度剖面变化图Fig. 11 Profiles of hydrological parameters and volume concentrations in station 02

图12 02号站位悬浮体显微照片Fig. 12 SPM photomicrograph of station 02

D区受南沙中央表层水控制, 受陆源物质影响很小, 贫营养, 浮游生物量较小[21], 上层水体中的悬浮体主要来自于真光层中的浮游生物。统计分析显示, D区悬浮体的浓度最小, 平均粒径却最大, 据此推断该区悬浮体含量低, 且以大颗粒生源物质为主。D区典型站位(02站)各参数剖面变化如图11所示, 粒径小于32 μm的悬浮体浓度比其他水团小, 陆源物质较其他水团少, 因此 D区的平均粒径均值最大。粒径在100～200 μm以及300～500 μm的悬浮体浓度均在40～80 m叶绿素a浓度高值区所在水层内较大, 并且在 20 m的盐度跃层附近出现峰值, 在100 m以深则很小。图12(50 m)为02号站位50 m层的悬浮体显微照片, 位于叶绿素a浓度高值区内, 主要由浮游植物、生物絮凝体组成, 但数量较其他水团少。图12(200 m)为200 m层显微照片, 悬浮体也较少, 仅有少量无机碎屑和细颗粒的生物絮凝体。

4 结论

1) 巽他陆架北缘的上升流使该区生物量较大,且在底部使表层沉积物再悬浮。悬浮体浓度在各水团中最高, 平均粒径最小。悬浮体浓度在跃层附近及近底层出现高值区。近表层跃层附近的悬浮体多为粒径＞100 μm的浮游生物、生物絮凝体等大颗粒。近底层悬浮体来源于上层沉降的悬浮体在跃层处絮凝累积以及在上升流的作用下再悬浮的沉积物, 其主要组分为生物絮凝体和无机碎屑颗粒物, 另有少量底栖生物幼体出现。

2) 巴拉巴克海峡西侧苏禄海与本地海水的混合水, 水体盐度最高, 叶绿素 a浓度在 4个水团中最高。悬浮体浓度的高值区出现在叶绿素 a浓度的高值区和盐度跃层附近。悬浮体组分主要为浮游植物和含叶绿素的大颗粒絮凝体。

3) 111°E以西海域随西部沿岸流南下的中南半岛沿岸混合水的盐度较低, 生源大颗粒在跃层附近累积, 100 m以深悬浮体总浓度较低, 粒径较小的无机碎屑较多。

4) 南沙群岛中部的南沙中央表层水中的悬浮体浓度在4个水团中最小, 但平均粒径最大, 悬浮体浓度在叶绿素 a浓度高值区及温盐跃层附近较高, 生源物质为悬浮体的主要组分。

致谢: 感谢“科学一号”2012年南海航次全体人员对本研究海上调查工作的支持和协助。

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(本文编辑: 刘珊珊 李晓燕)

Distribution characteristics and provenance of suspended matter in upper water of the southern South China Sea during the spring of 2012

ZHANG Kai-nan1,2,3, WANG Zhen-yan1,2, WANG Bao-duo1,2,3

(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 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)

Apr., 23, 2013

suspended particulate matter (SPM); distribution characteristics; provenance analysis; water mass; the Southern South China Sea

In order to study the impact of different water masses from the southern South China Sea (SCS) on distribution characteristics of suspended matter, we collected the water samples of the southern SCS in April and May, 2012, and measured the volume concentration of the suspended particulate matters (SPM), Chlorophyll concentration, turbidity, temperature and salinity. Typical stations under the influence of different water masses (including the shelf water in the north rim of the Sunda Shelf, the mixed water in the west side on the Balabac Strait of the local seawater and the water from the Sulu Sea, the Nansha central surface water and the mixed water from the coast of the Indo-China Peninsula) have been selected to analyze the composition and the distribution characteristics of the SPM in different water masses. The results showed that the volume concentration in the survey area was low (mean 2.96 μL/L) and the SPM in the ocean were mainly composed of biogenic particles with a particle size of more than 100 μm. In addition, a small amount of inorganic mineral debris. Most of the particle size was less than 32 μm. The SPM of shallow water in the north edge of the Sunda Shelf has the highest volume concentration and contained more terrigeneous matter and biogenicmaterial due to the influence of shelf water and the upwelling. The SPM of the mixed water from the Sulu Sea and the southern SCS is mainly influenced by phytoplanktons. The SPM from the area affected by the mixed water from the coast of the Indo-China Peninsula contains more terrigenous matters, whereas terrigenous matters have less impact on the SPM of the Nansha central surface water which are mainly composed of biogenicmateria.

P736.21

A

1000-3096(2014)03-0026-11

10.11759/hykx20130423003

2013-04-23;

2014-01-23

中国科学院战略性先导科技专项(A类, XDA11030103)

张凯南(1987-), 女, 河北石家庄人, 硕士, 主要从事海洋沉积学研究, E-mail: zhangkainan.815@163.com; 王珍岩(1972-), 男,副研究员, 通信作者, E-mail: zywang@qdio.ac.cn