楚科奇海悬浮体含量分布及其颗粒组分特征

汪卫国 方建勇 陈莉莉 吴日升 余兴光

0 引言

悬浮体是指悬浮在水体中的、粒径大于0.45μm的一切颗粒物，包括陆源碎屑颗粒、生物碎屑、各种絮凝体等［1］。海水中悬浮体含量由水动力条件、物理化学过程、生物过程等控制［2-4］。悬浮体中的细颗粒物是多种污染物和营养盐的主要携带者［5-7］，也是陆架和洋盆沉积的主要物质来源。进行海水中悬浮体分布、颗粒组成及其成因的研究，对深远海沉积过程、污染物输送、海底物质循环、输出生产力、生态系统等的研究具有重要科学意义［3-14］。

楚科奇海位于西北冰洋，太平洋不同性质的海水经白令海峡进入楚科奇海后，受地形的影响分成三支向北流［15-16］。其所携带的陆源碎屑颗粒、营养盐和浮游生物等随洋流迁移，对楚科奇海沉积、营养盐和生物分布等产生影响。已有的研究表明，楚科奇海表层沉积物中的生源和陆源组分存在地域差异［17-21］。了解楚科奇海悬浮体的分布及成因，有助于对楚科奇海沉积作用及古海洋的研究。有关楚科奇海悬浮体研究的报道，多见于在研究颗粒有机碳输出或利用放射性方法研究输出生产力时，对楚科奇海北部陆坡坡折带海域悬浮体浓度分布的研究，而对悬浮体颗粒物组成的研究鲜有报道［22-25］。本文以中国第四次北极科学考察期间所采集到的楚科奇海悬浮体样品为基础，对楚科奇海悬浮体浓度分布、颗粒组成及其控制因素进行研究。

1 材料与方法

2010年7月中国第四次北极科学考察期间，对楚科奇海23个站位进行了悬浮体调查（图1）。悬浮体调查的海水样品是由SBE 911 plus CTD／采水系统采集到甲板后，分装不同层位的海水进行悬浮体海水过滤。除10R02和10CC82个站位分表、中、底3层采集水样外，其余21个调查站位，均分为表、底、中间2层共4个层位采集水样（表1）。在采集水样的同时，SBE 911 plus CTD记录了各层位的温度和盐度［26］。悬浮体调查的海水样量用量筒量取，一般为2 000 mL，个别层位为1 300 mL。水样用事先已经称量至恒重的滤膜（Millipore醋酸纤维滤膜，孔径0.45μm，直径47mm）抽滤后，用蒸馏水洗盐3次，过滤后的滤膜在－20℃冰箱中冷冻保存。室内用冷冻真空干燥机将滤膜干燥后，用十万分之一的电子天平称至恒重。各层位海水悬浮体质量浓度SPM（mg·L－1）计算如下：

式中Mp为滤后膜重（mg）；Ms为滤前膜重（mg）；ΔM为空白膜校正值（mg）；V为过滤水样体积（L）。

悬浮体颗粒组分特征分析是使用干燥称重后的滤膜，用电子探针对滤膜上的颗粒物进行图像扫描。

图1 楚科奇海悬浮体调查站位及洋流分布Fig.1.Sampling locations for suspended particles and currents in the Chukchi Sea

2 研究结果

2.1 悬浮体含量平面分布

由滤膜称重结果计算的楚科奇海悬浮体浓度在0—6.73 mg·L－1之间（表1）。其中，表层海水中的悬浮体浓度低于底层海水，表层海水的悬浮体浓度变化范围为 0—2.74 mg·L－1，而底层海水的悬浮体浓度变化范围为0—6.73 mg·L－1。楚科奇海南部靠近白令海峡的海域、楚科奇海中北部和东北部海域，其表层海水中的悬浮体含量相对较高，而楚科奇海中部海域表层海水的悬浮体含量整体较低。楚科奇海南部靠近白令海峡的海域、阿拉斯加Icy Cape外侧、楚科奇海中部海域局部的底层海水悬浮体含量相对较高。

表1 楚科奇海各站位悬浮体含量、温度和盐度Table 1.The contentions of suspended particles，temperature and salnity

2.2 悬浮体含量断面分布

断面可反映不同层位悬浮体含量的分布。根据悬浮体调查站位的分布，本文选择3条断面对楚科奇海悬浮体含量变化进行分析。断面1为沿经度169°W南北向展布，自南向北由 10BS11、10R01、10R02、10R04—10R09共9个站位组成，其中，最南端的10BS11站位位于白令海峡。断面2位于楚科奇海东北部，近北西向展布，自西北向东南由10C07、10C08、10C09、10Co-10、10Co-3和 10Co-1共6个站位组成。断面3位于楚科奇海中东部，自Icy Cape近北西向延伸，自西北向东南依次由10R08、10C04—10C06共4个站位组成。以下为这3条断面悬浮体含量、温度和盐度分布特征。

图2 楚科奇海中部南北向断面1悬浮体含量与温度、盐度的变化Fig.2.Variations of suspended particle contention，temperature and salnity along section 1 in Chukchi Sea

楚科奇海中部南北向展布的断面1悬浮体含量变化见图2。由图可知，白令海峡至楚科奇海南部和楚科奇海中北部，为2个悬浮体含量高值区，楚科奇海中部表、中、底层海水中的悬浮体含量均很低，将这两个悬浮体含量高值区隔断。断面1上南部白令海峡和楚科奇海南部的悬浮体高含量区，其40 m以深的底部悬浮体含量最高，含量＞2.5 mg·L－1，向上悬浮体含量逐渐降低。而楚科奇海中北部的悬浮体含量高值区，15—35 m的中层海水中悬浮体含量最高，而向表、底层悬浮体含量降低。海水温度在断面1上表现为表层高于底层，南部高于北部的变化趋势。盐度在断面1上的变化趋势和悬浮体的变化相似，呈南北高、中部低的特征，且底层海水盐度高于表层，尤其是在69.5°N以北，10 m以浅的浅表层海水盐度低于31 psu，这与海冰的融化有关。

图3 楚科奇海东北部断面2悬浮体含量、温度、盐度的变化Fig.3.Variations of suspended particle contention，temperature and salnity along section 2 in Chukchi Sea

断面2穿过哈纳浅滩（Hannal Shoal）和巴罗峡谷（Barrow Canyon）。该断面上悬浮体呈高、低相间的层状分布（图3）。在哈纳浅滩两侧25 m以深的中下层海水，有一高悬浮体层。该高悬浮体层在哈纳浅滩西侧的10C07站位26 m深处含量最高，与10C07站位较近的10R09、10R08站位相似，说明该高悬浮体含量层在楚科奇海中北部区域上存在。由位于巴罗峡谷内的10Co-1、10Co-3站位以及峡谷西侧的10Co-10站位悬浮体含量的分布可知，巴罗峡谷70 m以深的底层和20—40 m水深的中上层海水中悬浮体含量相对较高，20 m以浅的浅表层和40—70 m之间的中下层悬浮体含量极低。从悬浮体断面分布图上可以看出，巴罗峡谷底层的高悬浮体层不是哈纳浅滩中下层的高悬浮体层向东扩散形成的，因为10Co-10站位中下层悬浮体浓度极低，隔断了哈纳浅滩和巴罗峡谷底的高悬浮体层。阿拉斯加沿岸和巴罗峡谷20 m以浅的浅表层海水中的悬浮体含量极低，该低悬浮体层向西远离岸线方向下沉，使哈纳浅滩15—25 m的中层海水中的悬浮体含量降低。从温度剖面上也可以看出，哈纳浅滩中层的相对高温的海水与沿岸相对高温的浅表层水相连。盐度剖面也显示，10Co-10站底层海水盐度较巴罗峡谷和哈纳浅滩底层海水的盐度低，将这个底层高盐度海水分割；且巴罗峡谷底层海水盐度不超过32.5 psu，而哈纳浅滩底层海水的盐度高于32.5 psu。

断面3的悬浮体在靠近阿拉斯加沿岸一侧的25 m以深的中下层水体中含量较高，向上至表层和向西北远离岸线方向，悬浮体含量迅速降低，至10C05站，表、中、底层海水中的悬浮体含量均较低（图4）。再向西，中下层海水中的悬浮体含量又逐渐升高。断面3温度变化表现为表层高于底层，并自阿拉斯加沿岸向楚科奇海中部温度逐渐降低。断面3盐度变化呈底层高于表层，底层海水盐度以10C05站最低，向东和向西盐度逐渐增大。

图4 楚科奇海中东部断面3悬浮体含量、温度、盐度的变化Fig.4.Variations of suspended particle contention，temperature and salnity along section 3 in Chukchi Sea

2.3 悬浮体颗粒组分特征

通过对楚科奇海不同区域采集的悬浮体滤膜进行扫描电镜分析发现，楚科奇海不同海域悬浮体颗粒组分不同。楚科奇海南部和中北部中下层海水中的悬浮体含量高，其悬浮体以硅藻为主，碎屑颗粒物次之。扫描电镜照片还清楚地显示，楚科奇海南部和楚科奇海中北部这两个高悬浮体含量层中硅藻的组成有明显的不同。楚科奇海南部的硅藻，以中心纲的硅藻为主（图5a）；而楚科奇海中北部的硅藻，除中心纲的硅藻种属外，还有羽纹纲的种属（图5b）。巴罗峡谷和阿拉斯加沿岸悬浮颗粒物，主要以碎屑矿物为主，含少量浮游生物和生物碎屑（图5c）。楚科奇海中部低悬浮体含量区域，其悬浮颗粒物以生物碎屑为主，浮游生物含量极少（图5d）。

图5 楚科奇海典型悬浮体颗粒组分扫描电镜照片.（a）10R01，5 m；（b）10R09，30m；（c）10Co-10，15 m；（d）10R05，48 mFig.5.The SEM of typical suspended particles in Chukchi Sea

3 讨论

楚科奇海悬浮体含量空间分布显示楚科奇海南部靠近白令海峡海域、楚科奇海中北部海域中下层海水中悬浮体含量最高，并以浮游硅藻为主。这两处以浮游硅藻为主的高悬浮体含量海域，其海底表层沉积物中的蛋白石含量也较高［19］，说明楚科奇海沉积物中硅藻主要是由原地海水中浮游硅藻沉降而来的。楚科奇海南部和中北部这两处以硅藻为主的高悬浮体含量海域应常年夏季存在。中国第二次北极科学考察（2003年）调查结果显示，沿本文断面1南北向剖面上，海水中的颗粒硅含量和硅酸盐含量分布，自南向北呈高-低-高的分布模式，并在楚科奇海中部含量最低［18］。这与本文中的悬浮体含量分布趋势一致。

悬浮体颗粒组分分析显示，楚科奇海南部和中北部悬浮体中硅藻的组合存在差异，而且，这两个浮游硅藻繁盛区在空间上是分割的。同时，温度和盐度资料也显示，楚科奇海南部和中北部海域受不同的水团影响，因此，楚科奇海洋流和水团对楚科奇海南部和中北部以浮游硅藻为主的悬浮体起控制作用。

楚科奇海南部悬浮体以中心纲的浮游硅藻为主，断面1显示楚科奇海南部海水的温度和盐度自南向北逐渐降低。这与北太平洋海水经白令海峡流入楚科奇海南部后，继续向北扩散过程中热量散失有关。有两股海流经白令海峡流入楚科奇海，其中，西侧靠近俄罗斯一侧的阿纳德尔流（Anadyr Water）与东侧阿拉斯加沿岸流（Alaska Coastal Water）相比，呈相对低温、高盐、富营养盐［16，19，27］。阿纳德尔流水团中的硅藻属种和楚科奇海南部海域的相似，表明楚科奇海南部断面1上的浮游硅藻，有部分是随阿纳德尔流侵入楚科奇海南部的；此外，也不排除从白令海峡西侧流入的阿纳德尔流与白令海西北部海水的营养盐、温度和盐度相似，均适合中心纲浮游硅藻的生长。

楚科奇海中北部悬浮体中的硅藻，除中心纲的硅藻种属外，还含有大量羽纹纲的硅藻。断面1的悬浮体、盐度表明楚科奇海南部与中北部的硅藻受不同的水团控制。与楚科奇海南部的海水相比较，楚科奇海中北部中下层海水的温度更低，但盐度相对较高。北大西洋次表层水具有低温高盐的特征，并在楚科奇海北部自西向东流的过程中可沿陆坡爬升［28］；但是，北大西洋次表层水贫营养盐，而且多位于陆坡100 m水深以下（即上部温盐跃层之下）［29］，本文楚科奇海中北部硅藻含量高的海域，水深在50 m左右。因此，可以断定楚科奇海中北部的低温、高盐海水，非北大西洋来源。前人研究表明，富营养盐的阿纳德尔流进行楚科奇海后，受地形的影响，一支向西偏转，经楚科奇海西部的哈罗德水道（Herald Valley）向北流东，大约在71°N，该海流在哈罗德浅滩北侧向东偏转，进入楚科奇海中北部［27，30-31］。另一支经哈罗德浅滩东侧的中央水道（Central Channel）向北流，流经哈纳浅滩西侧后，沿哈纳浅滩北侧折向东流［15-16，30］。因此，楚科奇海中北部适宜硅藻生长的、富营养盐的高盐度海水，仍为经白令海峡输入的太平洋海水，但与楚科奇海南部富营养盐的太平洋输入海水相比，其温度更低、盐度更高。其原因是楚科奇海南部富营养盐的海水是夏季经白令海峡输入的，而楚科奇海中北部的高盐度海水是楚科奇海冬季残留水［29］。在冬季，白令海周边陆上淡水输入量减少，海水的盐度增大；而且，表层海水结冰也导致海冰下海水的盐度增大。Cooper等认为太平洋海水穿越楚科奇海陆架，至少需3—4月。高盐度的白令海冬季海水在海冰融化前就已经流至楚科奇海中北部，当楚科奇海中北部海冰消融后，表层形成密度较轻的低盐度海水，形成温盐跃层，限制海水的对流，使得楚科奇海中北部夏季中下层海水呈低温、高盐、富营养盐的特征［29］，同时也使楚科奇海中北部海水中的硅藻与楚科奇海南部海水中的硅藻在属种上存在差异。

阿拉斯加沿岸和巴罗峡谷近底层海水中的悬浮体含量较楚科奇海南部和中北部的悬浮体含量低，其悬浮体颗粒以陆源和生物碎屑颗粒为主。这一方面与经白令海峡东侧进入楚科奇海、并沿阿拉斯加沿岸经巴罗峡谷进入加拿大海盆的阿拉斯加沿岸流的营养盐含量较低有关，由此导致浮游生物较少；另一方面，与阿拉斯加一些小河流流入楚科奇海所携带的陆源悬浮颗粒物有关。由于悬浮体颗粒成分和来源的差异，使得阿拉斯加沿岸和巴罗峡谷中悬浮颗粒物的210Pb特征与楚科奇海中北部的不同［23-24］。

4 结论

通过对中国第四次北极科学考察获取的楚科奇海悬浮体含量及其颗粒组分特征的研究与分析，得出以下几点认识。

（1）楚科奇海悬浮体含量在其南部和中北部中下层海水中含量最高，阿拉斯加沿岸和巴罗峡谷中下层海水中含量次之。楚科奇海中部海水中悬浮体含量较低。

（2）楚科奇海南部和中北部的悬浮体颗粒以硅藻为主，但楚科奇海南部海水中几乎全部为中心纲的硅藻种属，而楚科奇海中北部海水中硅藻，既有中心纲的，也有羽纹纲的硅藻种属。阿拉斯加沿岸和巴罗峡谷海水中的悬浮体，为生物碎屑和陆源碎屑。

（3）楚科奇海南部以硅藻为主的悬浮体，受经白令海峡西侧流入的、富营养盐的阿纳德尔流的影响；而楚科奇海中北部以硅藻为主的悬浮体，受冬季流入楚科奇海的太平洋残留海水的影响。阿拉斯加沿岸和巴罗峡谷中的悬浮体，则受低营养的阿拉斯加沿岸流和阿拉斯加入海河流输入的陆源悬浮颗粒物的影响。

致谢 感谢中国第四次北极科学考察队的全体科考队员，尤其是物理海洋组的史久新、陈红霞、娇玉田等提供温度、盐度资料。感谢2位匿名评审人对本文的建设性意见。数据由中国极地研究中心和中国南北极数据中心建设的“极地科学数据共享平台（http：／／www.chinare.org.cn）”提供。

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