西北太平洋楚科奇海沉积物-水界面营养盐输送通量估算

张海舟，庄燕培，朱庆梅，李宏亮*，刘小涯，陈法锦，卢勇，陈建芳

(1.国家海洋局 第二海洋研究所 海洋生态系统与生物地球化学重点实验室，浙江 杭州 310012；2.广东海洋大学 广东省近海海洋变化与灾害预警技术重点实验室，广东 湛江 524088)

西北太平洋楚科奇海沉积物-水界面营养盐输送通量估算

张海舟1，庄燕培1，朱庆梅2，李宏亮1*，刘小涯1，陈法锦2，卢勇1，陈建芳1

(1.国家海洋局 第二海洋研究所 海洋生态系统与生物地球化学重点实验室，浙江 杭州 310012；2.广东海洋大学 广东省近海海洋变化与灾害预警技术重点实验室，广东 湛江 524088)

生物硅；沉积物-水界面；输送通量；楚科奇海

1 引言

2 研究海区和实验方法

2.1 研究海区概况

楚科奇海位处于楚科奇半岛、阿拉斯加半岛和弗兰格尔岛之间，形似倒三角，纬度跨越65～75N，是北冰洋的陆架边缘海，陆架区水深较浅，平均水深约80 m，面积约620×103km2，约占北冰洋陆架面积的22%，同时也是北冰洋和太平洋之间物质和能量交换的重要纽带。穿过白令海峡的太平洋水分成3股流经楚科奇海(图1)，东侧是高温低盐的阿拉斯加近岸流(ACW)，西侧是低温高盐的阿纳德尔流(AW)，中间是水体介于两者之间的白令海陆架流(BS)。此外还有通过De Long Strait进入楚科奇海的东西伯利亚流，它对楚科奇海水体的营养盐也有一定的影响。楚科奇海陆架每年有8～9个月被冰封覆盖着，冬季冰封期间生产力相对较低，而夏季融冰时期则表现出很高的生物生产力。

本文研究中采用的4个多管短柱沉积物来源于中国第4次北极科学考察中的4个考察站CC1、R06、C07和S23(图1)，水深分别为45 m、49 m、47 m和363 m。样品采用多管取样器(DSC-2)进行采集，为沉积物短柱样。先收集沉积物上覆水并用0.45 μmol/L滤膜过滤后测定其营养盐，短柱样在现场分割，0～10 cm以1 cm为间隔而10 cm到底端以2 cm为间隔进行分割并离心(3 000 r/min，15 min)，取上清液测定其营养盐。同时还采集了多管样站位的上层水样，用于分析水柱营养盐。

2.2 实验方法

三部分营养盐样品(水柱中营养盐、上覆水和沉积物间隙水中的营养盐)的硝酸盐、磷酸盐和硅酸盐，均由Skalar营养盐自动分析仪分析测定。分析方法参考依据Grasshoff等[14]《Methods of seawater analy-sis》和《Skalar SAN++营养盐自动分析仪操作手册》，硝酸盐、硅酸盐标准偏差小于3%，磷酸盐标准偏差小于2%。

图1 楚科奇海多管短柱采集及区域海流分布图Fig.1 Sampling sites of multi-core sediment and regional currents in the Chukchi Sea

其中，海水样品采集后立即经0.45 μmol/L醋酸纤维膜过滤之后，滤液低温(低于0.5℃)冷藏保存，在48 h内完成测定分析。上覆水样品经过滤后可直接采用Skalar营养盐自动分析仪进行测定，而沉积物间隙水中营养盐浓度均非常高，需在实验室中经超纯水(MilliQ water)稀释处理后，再采用Skalar营养盐自动分析仪进行测定，操作过程和标准曲线与水柱中营养盐一致。

3 结果

3.1 水柱营养盐的垂直分布特征

4个调查站位水体盐度及营养盐(硝酸盐、磷酸盐和硅酸盐)的垂直分布情况如图2所示。总体来看，上层水营养盐浓度低，深层水营养盐浓度高。营养盐在20～30 m层以浅水体中几乎处于耗尽状态，30 m以深水层随深度增加浓度逐渐增加。营养盐在底层均出现高值，且其浓度和上覆水中基本一致。楚科奇海南部的CC1站位跃层明显而且较浅，在水深20 m左右；位于楚科奇海中部的R06站位跃层在水深30 m左右，而其磷酸盐跃层并不明显；靠北端的C07站位硝酸盐跃层在水深20 m左右，而磷酸盐和硅酸盐跃层不明显；位于陆坡区的S23站位营养盐分布与其他站位有所不同，跃层相对较深，在水深50 m左右，这可能与其处于陆坡区且水深较深有关。

调查站位硝酸盐分布基本一致，表层耗尽，在约20～50 m层出现硝酸盐的跃层，而底层硝酸盐浓度基本在9～13 μmol/L之间，R06站位底层硝酸盐浓度相对较低，约5 μmol/L，底层硝酸盐值浓度也为其水柱最大值；靠近楚科奇海南部的CC1站位存在明显的磷酸盐跃层，其他3个站位变化不明显，表层均在0.1～0.6 μmol/L之间，CC1和C07站位底层磷酸盐浓度约1.8 μmol/L，R06和S23站位底层磷酸盐浓度约1.0 μmol/L，S23站位在150 m存在磷酸盐浓度极大值，其他站位底层为最大值；硅酸盐表层均基本耗尽，在0～1.5 μmol/L之间，底层C07和S23相对较高，在20～35 μmol/L之间，CC1和R06相对较低在7～8 μmol/L之间，S23站位在75 m层存在较弱的硅酸盐极大值(13.4 μmol/L)，可能为冬季白令海陆架水的贡献[15]。

3.2 沉积物间隙水中营养盐的垂直分布特征

调查站位沉积物间隙水中溶解态硅酸盐分布：陆架区站位(CC1、R06和C07)总体分布相似，且符合沉积物-水界面处于较弱的物理和生物扰动状态下的典型分布特征，均呈现表层含量最低，沿间隙深度快速增加的规律，硅酸盐含量在4 cm左右的层位达到最大值(400～600 μmol/L)(图4a、b、c)。而后硅酸盐浓度随深度增加缓慢降低；S23位于陆坡区，其沉积物间隙水中硅酸盐分布表现不同，随深度增加递增，含量变化幅度相对较小，没有稳定阶段的存在。陆架区沉积物间隙水中溶解态硅酸盐总含量呈现由南向北递减的趋势，即从高到低分布依次为CC1站、R06站、C07站，其中CC1站和R06站含量接近。

沉积物间隙水中的营养盐均表现出由表层向下逐渐增加的现象，越接近沉积物表层营养盐含量越低；而水体中由上向下越接近沉积物表层营养盐含量越高，说明沉积物表层中的营养盐再生，向上层水体贡献了一定量的营养盐。

图2 楚科奇海4个站位(CC1、R06、C07、S23)水柱营养盐浓度垂直分布Fig.2 Vertical profiles of salinity and nutrients concentration in water column at CC1，R06，C07 and S23 in the Chukchi Sea

图3 楚科奇海陆架区R06水柱(a,b)和沉积物间隙水中(c，d)硝酸盐及磷酸盐浓度垂直分布(上覆水和水柱营养盐共x轴)Fig.3 Vertical distribution of nitrate and phosphate in water column(a，b)and sediment pore-water(c，d)at R06 on the Chukchi Sea shelf(overlying water share the x axis with water column nutrients)

图4 楚科奇海陆架区水柱(a～d)和沉积物间隙水(e～h)中硅酸盐浓度垂直分布Fig.4 Vertical distribution of DSi in water column(a～d)and sediment pore-water(e～h)at CC1，R06，C07 and S23 on the Chukchi Sea shelf

4 讨论

4.1 沉积物-水界面营养盐输送通量估算方法

沉积物-水界面的生物地球化学过程是指新近沉降的沉积物(15 cm左右)与水界面及其附近发生的在生物参与下的物理和化学反应，包括氧化和还原、溶解和沉淀、吸附和解吸、迁移和转化、扩散和埋藏、细菌生化反应及生物扰动等作用[12]。在微生物作用、有机质矿化降解和沉积物中各种早期成岩作用下，沉积物间隙水中营养盐与上层水体进行交换。沉积物-水界面的营养盐扩散通量是据沉积物-水界面双层模型理论计算得出的，双层包括界面之上受到生物扰动的区域和界面下方未受到扰动的区域。

沉积物-水界面的营养盐扩散通量计算依据Fick第一定律[17]：

(1)

DS=D·Φm-1，

(2)

式中，D代表任意溶剂的分子扩散系数[22]；m是经验常数，Φ≥0.7时，m值在2.5～3之间，Φ≤0.7时，m=2。

海水中硅酸盐的分析扩散系数D为10×10-6cm2/s[23]，而海水中磷酸盐和硝酸盐的分子扩散系数D是与温度有关的函数[19]：

(3)

(4)

式中，t为近海底温度，单位为℃。

4.2 估算楚科奇海陆架区沉积物-水界面硝酸盐及磷酸盐的输送通量

本文采用Fick第一定律结合沉积物-水界面双

层模型理论，同样以R06站为例，计算出了R06站位磷酸盐和硝酸盐的沉积物-水界面扩散通量(表1)。硝酸盐的扩散通量与Chang和Devol[19]在楚科奇海陆架区测得的数据[0.03～0.425 mmol/(m2·d)(以N计算)]基本吻合，略高于Souza等[11]在楚科奇海东陆架区测得的数据[0.007～0.100 mmol/(m2·d)(以N计算)]，而磷酸盐扩散通量略低于Souza等[11]在楚科奇海东陆架区测得的数据[0.014～0.345 mmol/(m2·d)(以P计算)]。

表1 楚科奇海陆架区(R06站)沉积物-水界面磷酸盐与硝酸盐扩散通量Tab.1 Fluxes of nitrate and phosphate at sediment-water interface on the Chukchi Sea shelf

注：J0为正值表示营养盐由沉积物向水体中输送。

从通量计算结果可以看出，沉积物中硝酸盐与磷酸盐扩散通量的原子比值为DIN∶P=15∶1，低于Liu等[24]在渤海海域测定的沉积物中硝酸盐与磷酸盐扩散通量的原子比值51∶1，即楚科奇海沉积物为上覆水体提供的硝酸盐低于渤海海域。

4.3 N*指示沉积物中反硝化作用

楚科奇海陆架区水柱和沉积物间隙水中N*剖面分布如图5所示，水柱中和沉积物间隙水中N*均为负数(陆坡区S23站位200 m和360 m层为正值，间隙水中N*的绝对值远大于水柱中N*的绝对值，即间隙水中N*比水柱中负得多(小1～2个数量级)，说明间隙水中反硝化作用强于水柱中。水柱中N*基本在-1～-16之间，陆架区N*随深度增加，陆坡区出现极大值，两者有所差异。水体中N*偏负可能是源于融冰的影响。间隙水中N*负值均表现为随深度先增后减，陆架区极值层浅于陆坡区。4个站位沉积物间隙水中N*的平均值分别为-49.13(CC1站)、-320.30(R06站)、-119.04(C07站)和-188.83(S23站)，差异显著，R06站位反硝化作用最强，CC1站位最弱，而C07和S23站位基本接近，但都表示出强的反硝化作用。Devol等[13]、Rysgarrd和Glud[26]的调查研究结果显示，陆架沉积物和海冰包裹的卤水是西北冰洋脱氮作用的主要区域。

图5 楚科奇海陆架区水柱(a～d)和沉积物间隙水(e～h)中N*值的垂直分布Fig.5 Vertical distribution of N* in water column (a～d)and sediment pore-water(e～h)at CC1，R06，C07 and S23 on the Chukchi Sea shelf

4.4 估算楚科奇海陆架区沉积物-水界面硅酸盐的输送通量

楚科奇海区调查站位沉积物-水界面硅酸盐扩散通量如表2所示，4个站位沉积物中生物硅均表现出强的源特征，即由沉积物中向上覆水中大量输送硅酸盐。此外，各站位之间硅酸盐的输送通量存在明显的区域差异，其中CC1站位最高，S23站位最低，整体表现为随纬度增高而降低的趋势。

与其他海域(表3)相比，楚科奇海陆架区沉积物-水界面中硅酸盐的扩散通量与Link等[32]在Beaufort海陆架采集的沉积物的培养实验结果[0.43～2.5 mmol/(m2·d)]基本吻合，略高于近海海域和南大洋以及北大西洋沉积物中硅酸盐的扩散通量，这与楚科奇海生物生产力中硅藻等硅质生物的绝对优势是分不开的[33]；明显高于北冰洋陆架沉积物中硅酸盐的扩散通量，这与北冰洋高纬度的海冰覆盖以及硅质生物数量减少有关；远低于东太平洋陆架区沉积物中硅酸盐的扩散通量，这也可能与两者海域的硅质生产力不同有关。此外，楚科奇海陆架区沉积物中硅酸盐的扩散通量表现出较大的变化范围。

表2 楚科奇海陆架区沉积物-水界面硅酸盐的扩散通量Tab.2 Silicate flux at sediment-water interface on the Chukchi Sea shelf

注：海水中硅酸盐的分析扩散系数D为10×10-6cm2/s。

表3 楚科奇海陆架区及其他海域沉积物-水界面硅酸盐扩散通量比较Tab.3 Comparison of silicate flux at sediment-water interface on the Chukchi Sea shelf with other sea areas

从通量计算结果可以看出，楚科奇海陆架区沉积物硅酸盐、磷酸盐和硝酸盐的扩散通量均为正值，说明在该区域沉积物中营养盐再矿化后，基本都是由沉积物向水体输送的，即楚科奇海陆架区沉积物是水体营养盐的源。并且，根据沉积物中各营养盐扩散通量的原子比值Si∶DIN∶P=2 075∶15∶1(以R06站为例)，硅酸盐的扩散通量远远高于硝酸盐的扩散通量，而硝酸盐的扩散通量又是磷酸盐的15倍。相对硝酸盐和磷酸盐，硅酸盐表现出非常高的再生率。

5 结论

(2)沉积物间隙水N*的分布表明，楚科奇海沉积环境具有很强的反硝化过程，沉积物脱氮作用是硝酸盐一个重要的汇。

(3)楚科奇海硅酸盐、磷酸盐和硝酸盐的沉积物-水界面扩散通量分别为1.660 mmol/(m2·d)，0.008 mmol/(m2·d)，0.117 mmol/(m2·d)(以R06站为例)。楚科奇海沉积物是营养盐的源，原子比值为Si∶DIN∶P=2 075∶15∶1显示沉积物中生物硅再矿化产生的硅酸盐对楚科奇海硅酸盐含量的贡献非常高。4个调查站位沉积物中硅酸盐的扩散通量分别为3.101 mmol/(m2·d)(CC1站)、1.660 mmol/(m2·d)(R06站)、1.307 mmol/(m2·d)(C07站)、0.243 mmol/(m2·d)(S23站)，含量呈现明显的纬度分布特征。

致谢：感谢2010年中国第四次北极科学考察期间全体“雪龙”号船员和科考队员的无私帮助。

[1] Grebmeler J M，Cooper L W，Ferderh M，et al. Ecosystem dynamics of the Pacific influenced northern Bering and Chukchi Sea in the Amerasian arctic[J]. Progress in Oceanography，2006，71：331-361．

[2] Holmes R M，Peterson B J，Gorceev V V. Flux of nutrients from Russian rivers to the Arctic Ocean：Can we establish a baseline against which to judge future changes？[J]. Water Resources Research，2000，36(8): 2309-2320．

[3] Peterson B J，Holmes R M，McClelland J W，et al. Increasing river discharge to the Arctic Ocean[J]. Science，2002，298(5601): 2171-2173．

[4] Guo L D，Zhang J Z，Guéguen C. Speciation and fluxes of nutrients (N，P，Si) from the upper Yukon River[J]. Global Biogeochemical Cycles，2004，18：GB1038．

[5] Mundy C J，Gosselin M，Ehn J，et al. Contribution of under-ice primary production to an ice-edge upwelling phytoplankton bloom in the Canadian Beaufort Sea[J]. Geophysical Research Letters，2009，36(17)：GL038837．

[6] Hannah C G，Dupont F，Dunphy M. Polynyas and tidal currents in the Canadian Arctic Archipelago[J]. Arctic，2009，62(1): 83-95．

[7] Tovar A S，Duarte C M，Alonso J C，et al. Impacts of metals and nutrients released from melting multiyear Arctic sea ice[J].Journal of Geophysical Research，2010，115：C07003．

[8] Yanpei Z，Haiyan J，Jianfang C，et al. Response of nutrients and the surface phytoplankton community to ice melting in the central Arctic Ocean[J]. Advances in Polar Science，2011，22(4): 266-272．

[9] 吴丰昌，万国江，蔡玉蓉. 沉积物-水界面的生物地球化学研究[J]. 地球科学进展，1996，11(2): 191-197．

Wu Fengchang，Wan Guojiang，Cai Yurong. Biogeochemical progress at the sediment-water interface[J]. Advance in Earth Sciences，1996，11(2): 191-197．

[10] van Luijn F，Boers P C M，Lijklema L，et al. Nitrogen fluxes and processes in sandy and muddy sediments from a shallow eutrophic lake[J]. Water Research，1999，33(1): 33-42．

[11] Souza A C，Kim I N，Gardner W S，et al. Dinitrogen，oxygen，and nutrient fluxes at the sediment-water interface and bottom water physical mixing on the Eastern Chukchi Sea shelf[J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography，2014，102: 77-83．

[12] Christensen J P. Sedimentary carbon oxidation and denitrification on the shelf break of the Alaskan Beaufort and Chukchi Seas[J]. Open Oceanography Journal，2008，2: 6-17．

[13] Devol A H，Codispoti L A，Christensen J P. Summer and winter denitrification rates in western Arctic shelf sediments[J]. Continental Shelf Research，1997，17(9): 1029-1050．

[14] Grasshoff K，Kremling K，Ehrhardt M. Methods of seawater analysis[M]. Weinheim: Wiley-VCH，1999: 177-197．

[15] 金明明，陈建芳，赵进平，等. 加拿大海盆的营养盐极大[J]. 极地研究，2004，16(3): 240-252．

Jin Mingming，Chen Jianfang，Zhao Jinping，et al. Nutrient maximum in the Canada Basin[J]. Polar Research，2004，16(3): 240-252．

[16] 扈传昱，潘建明，刘小涯，等. 南大洋沉积物间隙水中营养盐分布及扩散通量研究[J]. 海洋学报，2006，28(4): 102-107．

Hu Chuanyi，Pan Jianming，Liu Xiaoya，et al. Study on distribution and benthic fluxes of nutrients in sediment interstitial water of the Southern Ocean[J]. Haiyang Xuebao，2006，28(4): 102-107．

[17] Berner R A. Early diagenesis: A theoretical approach[M]. New Jersey: Princeton University Press，1980．

[18] Baskaran M，Naidu A S.210Pb-derived chronology and the fluxes of210Pb and137Cs isotopes into continental shelf sediments，East Chukchi Sea，Alaskan Arctic[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta，1995，59(21): 4435-4448．

[19] Chang B X，Devol A H. Seasonal and spatial patterns of sedimentary denitrification rates in the Chukchi Sea[J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography，2009，56(17): 1339-1350．

[20] 叶曦雯，刘素美，张经. 黄海、渤海沉积物中生物硅的测定及存在问题的讨论[J]. 海洋学报，2002，24(1):129-134．

Ye Xinwen，Liu Sumei，Zhang Jing. Diterm ination of biogenic opal in sedim ent of the Huanghai and Bohai Sea and questions in the method[J]. Haiyang Xuebao，2002，24(1):129-134．

[21] Ullman W J，Aller R C. Diffusion coefficients in nearshore marine sediments[J]. Limnology and Oceanography，1982，27(3): 552-556．

[22] Yuanhui L，Gregory S. Diffusion of ions in sea water and in deep-sea sediments[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta，1974，38(5): 703-714．

[23] Wollast R，Garrels R M. Diffusion coefficient of silica in seawater[J]. Nature，1971，229(3): 94-94．

[24] Liu S M，Zhang J，Jiang W S. Pore water nutrient regeneration in shallow coastal Bohai Sea，China[J]. Journal of Oceanography，2003，59(3): 377-385．

[25] Gruber N，Sarmiento J L. Global patterns of marine nitrogen fixation and denitrification[J]. Global Biogeochemical Cycles，1997，11(2): 235-266．

[26] Rysgaard S，Glud R N. Anaerobic N2production in Arctic sea ice[J]. Limnology and Oceanography，2004，49(1): 86-94．

[27] 戚晓红，刘素美，张经. 东、黄海沉积物-水界面营养盐交换速率的研究[J]. 海洋科学，2006，30(3): 9-15．

Qi Xiaohong，Liu Sumei，Zhang Jing. Sediment water fluxes of nutrients in the Yellow Sea and the East China Sea[J]. Marine Sciences，2006，30(3): 9-15．

[28] Treguer P J. The southern ocean silica cycle[J]. Geoscience，2014，346(11): 279-286．

[29] Ziebis W，McManus J，Ferdelman T，et al. Interstitial fluid chemistry of sediments underlying the North Atlantic gyre and the influence of subsurface fluid flow[J]. Earth and Planetary Science Letters，2012，323-324: 79-91．

[30] Gomoiu M T. Marine eutrophication syndrome in the north-western part of the Black Sea[M]//Marine Coastal Eutrophicaiton. Elsevier，Amsterdam，1992: 683-692．

[31] Marz C，Meinhardt A K，Schnetger B，et al. Silica diagenesis and benthic fluxes in the Arctic Ocean[J]. Marine Chemistry，2015，171: 1-9．

[32] Link H，Chaillou G，Forest A，et al. Multivariate benthic ecosystem functioning in the Arctic-benthic fluxes explained by environmental parameters in the southeastern Beaufort Sea[J]. Biogeosciences，2013，10: 5911-5929．

[33] 冉莉华，陈建芳，金海燕，等. 白令海和楚科奇海表层沉积硅藻分布特征[J]. 极地研究，2012，24(1): 15-23．

Ran Lihua，Chen Jianfang，Jin Haiyan，et al. The distribution of surface sediment diatoms in the Bering Sea and Chukchi Sea[J]. Chinese Journal of Polar Research，2012，24(1): 15-23．

Estimation of nutrients flux of water-sediment interface in the Chukchi Sea，the western Arctic Ocean

Zhang Haizhou1，Zhuang Yanpei1，Zhu Qingmei2，Li Hongliang1，Liu Xiaoya1，Chen Fajin2，Lu Yong1，Chen Jianfang1

(1.LaboratoryofMarineEcosystemandBiogeochemistry，SecondInstituteofOceanography，StateOceanologicaAdministion，Hangzhou310012，China; 2.GuangdongProvinceKeyLaboratoryofCoastalOceanVariationDisasterPredictionTechnologies，GuangdongOceanUniversity，Zhanjiang524088，China)

biogenic silica; water-sediment interface; transport flux; Chukchi Sea

2015-04-09；

2015-06-09。

国家自然科学基金(41003036,41076135)；南北极环境综合考察与评估专项(CHINARE20130403, 20130304)；极地科学战略研究基金(20120104)。

张海舟(1992—)，男，山东省烟台市人，主要从事海洋生物地球化学研究。E-mail:zhz07062011@sina.com

*通信作者：李宏亮(1981—)，男，副研究员。E-mail:lihongliang@sio.org.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.11.015

P721；P734.4+4

A

0253-4193(2015)11-0155-10

张海舟，庄燕培，朱庆梅，等. 西北太平洋楚科奇海沉积物-水界面营养盐输送通量估算[J]. 海洋学报，2015，37(11): 155-164，

Zhang Haizhou，Zhuang Yanpei，Zhu Qingmei，et al. Estimation of nutrients flux of water-sediment interface in the Chukchi Sea，the western Arctic Ocean[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(11): 155-164，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.11.015