東海陸架海水和沉積物中藻類生物標志物的分布特征與比較

王婷男，賀娟，賈佳源，賈國東，陳嶺娣，李麗

同濟大學海洋與地球科學學院，海洋地質國家重點實驗室，上海 200092

海洋浮游植物個體雖小，但分布廣泛，數量眾多，生長周期快，是全球重要的初級生產力貢獻者。它們對環境變化敏感，是良好的環境氣候變化研究材料[1]。邊緣海雖然占全球海域面積較小，但卻是重要的海洋和陸地來源有機碳的埋藏中心，對海洋生物泵、全球海洋儲碳、海洋在地球系統氣候調節中的作用都有重要影響[2-3]。

東海是北太平洋西部最大的邊緣海之一，陸架寬闊，是有大河淡水輸入的典型河?；旌蠀^域。水文和物理條件多樣，浮游藻類分布廣泛，海洋初級生產力高[4-6]。受陸架和開闊海洋相互作用的影響，東海區域浮游植物生物量和群落結構在季節和空間上都有很大的變化，為定性定量研究不同浮游植物類群與環境因子的關聯和響應提供了理想環境[4-5,7-12]。東海陸架區域受河流和上升流輸入的高營養物質影響，浮游植物生產力高且季節性變化明顯，夏季生產力較高[5,8,11-13]。如1997—1998 年夏季平均初級生產力約為其他季節的3 倍[8]，夏季表層葉綠素a 濃度最高[13]。大陸架外受臺灣暖流和黑潮的影響大，營養鹽濃度雖然隨季節變化，但初級生產力較低，且季節變化相對不顯著[8,14]。浮游植物分布整體呈現以水團為主，在陸架和海洋水域分別有高豐度的硅藻、甲藻和定鞭藻[15-17]。高生物量和高初級生產力主要分布在遠離河口的沖淡水和外海海流交匯的水域[4-5,8,11,14-15]。在長江口及其鄰近海域，已應用多種手段定性定量地探討浮游植物群落的組成和分布，顯示其變化的復雜性，包括拖網和顯微鏡鏡下鑒定[4,18-21]、葉綠素a[5,8,11,22]、遙感[5,10-12]、色素[7,9]、分子微生物分析[23-25]和模擬[14,21,26]。

脂質生物標志物由于其來源特異性、分布廣泛性和保存穩定性，為研究過去和現在地球生態系統提供了強有力的方法[27-28]?，F代海洋環境中的生物標志物研究不僅為古環境重建應用提供數據支持，而且為闡明海源有機質在邊緣海的生成、空間分布、埋藏過程及驅動機制提供不同視角的見解。東海區域已開展多項水體懸浮顆粒物（后簡稱顆粒物）和表層沉積物中的生物標志物研究[15,29-36]，證明將脂質生物標志物作為半定量方法反映浮游植物的生產力(或生物量)和群落組成的適用性[15,35-36]。區域內表層沉積物和顆粒物中的藻類生物標志物（后簡稱藻類生標）主要為菜籽甾醇、甲藻甾醇和烯酮，且藻類生標含量也具有明顯的時空變化[30-32,34,36]。與烯酮相比，菜籽甾醇和甲藻甾醇在近岸的含量優勢明顯。陸架區域整體由近岸向海方向含量增加[30,32,34,36]，且夏季生物標志物含量高。與色素、遙感等其他觀測資料相符[15]。還有研究應用藻類生標重建地質歷史上東海浮游植物生產力和群落結構變化[37-38]。

但顆粒物和表層沉積物中脂質生物標志物的對比研究較少，已有研究顯示它們的生物標志物相對含量有較大變化[29,32]。如Jeng 和Huh[29]在東海中陸架的工作顯示顆粒物中菜籽甾醇含量最高，其次是膽甾醇，而沉積物中則相反。姜一晴等[32]對長江口及陸架區的樣品分析顯示，顆粒物中菜籽甾醇含量高，而沉積物中甲藻甾醇更有優勢。沉積物中生物標志物的含量和相對比例變化是重建海洋古生產力和群落結構的基礎，因此現代水柱和表層沉積物中生物標志物的組成變化對分析沉積物數據以重建古海洋的研究有重要意義。在前人研究基礎上，本文選取杭州灣外東海內陸架（28.5°～32.5°N、122°～125°E）的季節性表層水體顆粒物和表層沉積物中的主要藻類生標進行分析，對比顆粒物及沉積物中生物標志物的分布特點，進一步了解東海浮游植物的時空變化規律和控制機制，探討顆粒物和沉積物中生物標志物含量差異的原因。

1 區域概況

東海是亞熱帶邊緣海，面積約為7.7×105km2。陸架寬廣，占東?？偯娣e的2/3，水深大部分在200 m以內，在沖繩海槽水深可達2 719 m。東海水文條件復雜，具有高度的多樣性和季節性變化。主要有三大流系—沿岸流、黑潮以及位于兩者之間的陸架混合流（圖1a）。東海沿岸流主要包括長江口北部的 黃 海 沿 岸 流（ the Yellow Sea Coastal Current,YSCC）、長江沖淡水（Changjiang Diluted Water, CDW）和長江口南的浙閩沿岸流（Zhejiang-Fujian Coastal Current, ZFCC）。黑潮從源地流經臺灣以東，一部分進入臺灣海峽成為臺灣暖流（Taiwan Warm Current,TWC）的一部分，其余的沿臺灣東海岸進入東海，沿東海大陸架外緣向東北方向流動[39]。

圖1 研究區域(a)和取樣站位圖(b)黑點為取樣站位，棕色輪廓區域為報道的長江口外缺氧區（據Zhang 等[40]）。實心藍色箭頭指示區域海流，包括黃海沿岸流（the Yellow Sea Coastal Current, YSCC）、長江沖淡水（Changjiang Diluted Water, CDW）、浙閩沿岸流（Zhe-Min Coastal Current, ZFCC）、黑潮（Kuroshio Current,KC）、臺灣暖流（Taiwan Warm Current, TWC）和近岸黑潮支流（Nearshore Kuroshio Branch Current, NKBC）。Fig.1 Study area (a) and sampling station (b)The black spots are sampling stations, and the brown line confines the reported bottom hypoxia area near the Changjiang River estuary (according to Zhang et al [40]).Solid blue arrows indicate regional currents, including: the Yellow Sea Coastal Current (YSCC), Changjiang Diluted Water (CDW), Zhe-Min Coastal Current (ZFCC), Kuroshio Current (KC), Taiwan Warm Current (TWC), and the Nearshore Kuroshio Branch Current (NKBC).

由于河流徑流、季風、海流和地形的相互作用，東海的沉積系統非常復雜。按照表層沉積物粒度劃分，長江口及其鄰近海域表層沉積物組成以黏土質粉砂、粉砂質砂和砂為主。長江口附近及南北沿岸，粒徑組成呈現明顯的“南細、北粗，近岸細、離岸粗”的分布特征，長江口以北出現大片的粗顆粒沉積，長江口以南浙江近岸泥質區的表層沉積物粒度細。長江沖淡水攜帶的大部分陸源顆粒被季節性沿海海流輸送到東海內陸架。復雜的水文動力學限制了跨陸架泥沙的輸送，河流沉積物主要沉積在包括長江口泥區、浙閩沿海泥區和濟州島西南泥區[41-42]。

2 樣品與分析

2.1 樣品采集

選取杭州灣外東海內陸架泥質區（28.5°～32.5°N、122°～125°E）之間的海域作為研究區域，搭載國家基金委共享航次“潤江1 號”或“浙漁科2 號”科考船，于2019 年3 月、7 月、10 月、2020 年7 月 和10 月，在浙閩沿岸泥質帶區域采集季節性表層顆粒物和表層沉積物樣品。站位水深范圍為16～53 m，由北到南包括A9、A11、A12、A13 四條梯度采樣斷面，5 個航次采樣點位置基本保持一致（圖1b，表1）。避開長江河口和高濁度區，減少可能的陸源和再懸浮顆粒物的影響。表層沉積物使用箱式或抓斗采樣器采集。取上層0～5 cm 沉積物，將樣品裝入干凈的自封袋中保存在-20℃冰箱中。表層顆粒物與表層沉積物采集的位置相對應，使用有機玻璃過濾器從大體積水中過濾富集顆粒物。利用蠕動泵采集表層（0～5 m）約200 L 水體，用預先灼燒（450℃，4 h）過 和 稱 重 的 玻 璃 纖 維 濾 膜（Whatman GF/F，0.7 μm 孔徑，142 mm 直徑）收集顆粒物。過濾后的濾膜用鋁箔紙包好放入冰箱冷凍保存（-20℃）。所有采集樣品帶回實驗室進行處理和相關指標的分析測定。共采集表層沉積物樣品84 個，顆粒物樣品81 個。

表1 采樣站位信息Table 1 Information of the sampling stations

2.2 分析測試

樣品前處理以及有機化合物的分析均在同濟大學海洋地質國家重點實驗室進行。簡述如下：將采集到的表層沉積物樣品以及濾膜樣品冷凍干燥。沉積物樣品經研磨成粉末狀，海水濾膜樣品剪碎后，取適量置于聚四氟乙烯塑料（Teflon）瓶中，加入適量甲醇/二氯甲烷（1∶1，v/v）溶液和內標，加蓋旋緊之后渦旋震蕩、超聲，取上清液倒入梨型瓶，重復萃取將總抽提液蒸發濃縮得到總有機脂類。加入6%的氫氧化鉀甲醇溶液進行堿水解，70℃水浴2 h 后，用正己烷萃取中性組分，過硅膠柱。分別用正己烷、二氯甲烷/甲醇（95∶5，v/v）溶液洗脫，得到含烷烴類非極性組分和包含醇、酮等極性組分。醇類組分BSTFA 衍生化后上機測試分析。

檢測使用Thermo TSQ 8000 Evo 三重四級桿氣質聯用儀。色譜條件：配備有TG-5MS 毛細色譜柱（60 m×0.32 mm×0.25 μm），采用無分流方式進樣，載氣為氦氣，流速為1.2 mL/min。進樣口溫度為270℃，檢測器溫度為300℃。升溫程序為初始溫度50℃并保持2 min，先以20℃/min 升溫至200℃，再以3℃/min 升溫至235℃并保持5 min，再以3℃/min升溫至260℃保持3 min，以2℃/min 升溫至280℃保持3 min，以2℃/min 升溫至290℃保持3 min，最后以2℃/min 升溫至315℃并保持5 min。通過將目標化合物與內標的出峰面積對比，對全部樣品進行定量分析。質譜條件：掃描模式為全掃描（Full Scan），離子源為EI 源，離子源溫度為300℃，掃描范圍：m/z 50～600 amu。

3 結果

研究區域內，表層沉積物和顆粒物中檢測出的醇類包括植醇、直鏈醇和甾醇。檢測到的甾醇包括膽甾醇、膽甾烷醇、菜籽甾醇、菜籽甾烷醇、菜油甾醇、谷甾醇和甲藻甾醇等（圖2）。本次研究結合生物標志物含量和研究目的以樣品中相對含量較高，且來源相對單一的菜籽甾醇、甲藻甾醇和長鏈烯酮作為主要研究的生物標志物，分別作為硅藻、甲藻和定鞭藻的替代性指標，膽甾醇作為浮游動物的總指標[36,38,43]。

圖2 樣品中甾醇（a）和烯酮（b）的色譜圖Fig.2 Chromatogram of sterols (a) and alkenones (b) in the samples

3.1 表層沉積物中藻類生標甾醇的含量及分布

3.1.1 季節性變化

樣品中三類海洋藻類生標的含量變化范圍大且有明顯的季節變化。其中長鏈烯酮雖然在多數站位的表層沉積物中檢測出來，但含量較低，總含量的平均值范圍為12.7～22.2 ng/g。2019 年沉積物樣品中長鏈烯酮在春季含量最高（22.2 ng/g），其次是秋季（14.1 ng/g）、夏季（13.0 ng/g）；2020 年秋季含量為18.7 ng/g，夏季12.7 ng/g。而菜籽甾醇和甲藻甾醇都是夏季含量最高（表2）。2019 年樣品中，菜籽甾醇夏、春和秋季樣品含量依次降低，均值分別為575、429 和278 ng/g；甲藻甾醇依次為828、708和322 ng/g。2020 年樣品中菜籽甾醇夏、秋季含量均值分別為488 和420 ng/g，甲藻 甾 醇 為1 016 和980 ng/g。浮游動物整體指標的膽甾醇也是夏季含量最高，2019 年夏、春和秋季分別為942、581 和363 ng/g；2020 年夏、秋分別為819 和704 ng/g。

表2 表層沉積物和懸浮顆粒物中不同季節主要生物標志化合物的含量變化范圍及平均值Table 2 Range and average abundances of biomarkers in surface sediments and suspended particles of different seasons

3.1.2 空間分布變化

表層沉積物中的藻類生標含量在區域空間尺度上分布較一致，總體上呈現西低東高，杭州灣附近的近岸低，向外海方向高。以長鏈烯酮最為顯著，含量最高值出現在A12 和A13 斷面的東南端（圖3）。菜籽甾醇和甲藻甾醇的含量在A9 斷面上最低，A11、A12 和A13 斷面上含量相對較高，且由岸向海隨海水深度增加，藻類生標含量增加。

圖3 表層沉積物中生物標志物的平面分布分別為2019 年3 月、7 月和10 月，2020 年7 月和10 月5 個時間的4 種生物標志物含量。A-E：菜籽甾醇，F-J：甲藻甾醇，K-O：烯酮，P-T：膽甾醇。Fig.3 Distribution of biomarkers in the surface sediments Abundances of four biomarkers in March, July, and October in 2019, and July and October in 2020, separately.A-E:brassicasterol, F-J:dinosterol, K-O:alkenone, and P-T:cholesterol.

3.2 水體顆粒物中藻類生標甾醇的含量及分布

3.2.1 季節性變化

顆粒物樣品中大部分沒有檢測出長鏈烯酮，菜籽甾醇和甲藻甾醇含量較高且變化范圍大。藻類生標含量季節變化明顯，夏季含量最高，秋季次之，春季最低（表2）。2019 年菜籽甾醇在夏、秋和春季樣品中的含量均值分別為134、47 和12 ng/L；甲藻甾醇為41、9 和1 ng/L。2020 年樣品中菜籽甾醇夏、秋季含量分別為247 和228 ng/L；甲藻甾醇為10 和7 ng/L。膽甾醇2019 年夏、秋和春季含量均值分別為156、64 和24 ng/L；2020 年夏、秋分別為181 和180 ng/L。

3.2.2 空間分布變化

顆粒物中藻類生標的空間分布特征不明顯。不同藻類生標的空間分布不同，同一藻類生標在不同季節的空間分布也有差異。但夏季樣品中菜籽甾醇和甲藻甾醇含量有明顯的由岸向海，隨海水深度變深而增加的特征，且A12、A13 斷面含量高。但秋季和春季顆粒物樣品的規律性降低。相對于沉積物，出現不規律的含量高值站點。如2019 年秋季樣品中，菜籽甾醇在A11-3、A13-3 站點含量高，甲藻甾醇在A11-3 站點含量高。春季樣品中，菜籽甾醇在A9-3、A11-4 和A12-3 站點含量高，甲藻甾醇在A12-3 站點含量高。2020 年秋季樣品中，甲藻甾醇在A9-1 站點含量高，菜籽甾醇在A11-3 站點含量高（圖4）。

圖4 表層顆粒物中生物標志物的平面分布分別為2019 年3 月、7 月和10 月，2020 年7 月和10 月5 個時間的3 種生物標志物含量。A-E：菜籽甾醇，F-J：甲藻甾醇，K-O：膽甾醇。Fig.4 Distribution of biomarkers in surface particles Abundances of three biomarkers in March, July and October in 2019, and July and October in 2020, separately.A-E: brassicasterol, F-J: dinosterol, and K-O:cholesterol.

4 討論

生物標志物在長江口和東海陸架已有較深入的研究和應用[15,29-32,34-36,38]，認識相對成熟。之前的研究已證明生物標志物的含量可以反映其對應浮游植物生物量的變化，它們的相對百分含量也可以衡量各浮游植物對總生產力貢獻的大小，從而反映浮游植物及其群落結構的變化[15,35-36]。多項研究表明東海浮游植物生物量和群落結構在季節和空間上都有很大的變化[5,7-8,10,15,20]。我們的分析結果基本與前人結果一致，同時也有新的認識，以下展開討論。

4.1 生物標志物指示的海洋藻類分布的時、空變化

2019 和2020 年樣品的分析結果都顯示，顆粒物和沉積物樣品中菜籽甾醇和甲藻甾醇的含量占優勢。烯酮與兩種甾醇的差異明顯，含量最低。烯酮在很多站位的顆粒物中甚至檢測不到，在表層沉積物中三類藻類生標之和的占比＜3%。整體來看，表層沉積物中藻類生標含量的空間分布特征明顯，A9 斷面上含量低，A11、A12 和A13 斷面上含量相對較高，且由岸向海隨海水深度增加，藻類生標含量增加。沉積物中菜籽甾醇和甲藻甾醇含量的空間分布特征更為相似，烯酮在外海更占優勢。顆粒物中藻類生標含量的季節變化明顯，菜籽甾醇和甲藻甾醇的含量都是夏季最高（表2，圖3、4）。

研究區域內表層沉積物和顆粒物中藻類生標含量的時空變化與前人的結果一致，如菜籽甾醇和甲藻甾醇的含量優勢與區域內已有的顆粒物和表層沉積物中的分析結果一致[15,29-32,34-36,44]。與硅藻、甲藻相比，定鞭藻在高鹽度、低營養鹽的環境下有競爭優勢，對應呈現由海岸到陸架，烯酮含量隨鹽度增大而增加[36]。在低鹽度、高營養鹽的長江口附近海域硅藻和甲藻生長占優勢，這與現代浮游植物的種屬鑒定分析、水體色素、衛星資料和測量數據資料均相符[4-5,9,16-21]。如細胞計數顯示硅藻和甲藻分別占總浮游植物種屬的59.1%和35.0%[18]，多年平均數據顯示硅藻約占表層總葉綠素a 的52%（25°～32°N、122°～123.5°E）[5]，而且我們的研究區域離岸較近，產烯酮的定鞭藻種屬（Emiliania huxleyi和Gephyrocapsa oceanica） 很 低 ，Phaeocystis和Chrysochromulina等定鞭藻種屬占比高[23]，因此研究區域內烯酮含量很低。

藻類分布與海水溫度、鹽度、濁度、水動力和營養鹽等密切相關，其中營養鹽濃度和結構對東海表層水體中浮游植物生物量的時空變化起著重要的調節作用[4-6,14-15,21-22,26]。研究區域不僅可能受長江沖淡水輸入影響，而且沿岸上升流還會將由南向北流動的黑潮次表層水和臺灣暖流營養鹽帶到表層補給，充足的營養鹽有利于浮游植物生長，且泥沙相對少，透光性較好，因而顆粒懸浮物中生物標志物含量高[15,21,36,45-47]。較高的原位海洋有機質生成、淺水和高沉積速率，再加上內陸架沉積物粒徑較小，比表面積大，沉降過程中易吸附較多的有機物，且細粒泥質更有利于有機質的存儲，這些因素的共同作用，使得長江口上升流區和浙閩沿海細粒沉積帶表層沉積物中脂質生物標志物含量較高[15,32,34,36,42,47-50]，形成整體上沉積物中生物標志物含量由近岸向海，隨海水深度而增加的空間分布模式。

多項研究都表明東海浮游植物生產力在夏季高[4-5,8-9,15]，如3 種脂類生物標志物在夏季的平均濃度是春季的3～61 倍[15]。夏季的高生產力通常用長江沖淡水輸入大量的營養鹽來解釋。夏季長江流量增大，長江沖淡水的影響甚至延伸到中大陸架和外大陸架[10,20-21,51]。相較于黑潮水，長江水體相對更富集NO3-，具有較高的N/P 值[4,21,26]。夏季顆粒物樣品中菜籽甾醇的比例比春、秋季低（表3），也可能說明雖然總營養鹽的增加刺激了初級生產，但區域內長江沖淡水的影響大，較高的N/P 使硅藻的優勢相對受到抑制。

表3 表層沉積物和顆粒物中生物標志物的相對含量和比值Table 3 Percentages and ratios of biomarker abundances in surface sediments and particles

4.2 顆粒物和沉積物中生物標志物相對含量的差異

表層沉積物中的甾醇空間分布模式總體一致，近岸含量低，含量高值區主要在研究區東南部。顆粒物中除夏季樣品外甾醇含量高值區分布不規律，部分高值站點與沉積物中的高值區并不完全重合。如顆粒物2019 年秋季甲藻甾醇在A11-3 站點和2020 年秋季菜籽甾醇在A9-1 站點的含量高值，并未反映在沉積物中（圖3、4）。已有研究顯示東海顆粒物與沉積物中藻類生標分布特征并不完全一致[29,32,36,44,52]。如顆粒物中河口區的海洋脂類生物標志物含量較高，表層沉積物中泥質區的海洋脂類生物標志物含量較高[36]。杭州灣以南，菜籽甾醇和甲藻甾醇在顆粒物和沉積物中的高值區均位于閩浙近岸，只是高值區中心不重合。在杭州灣以北，兩種甾醇的分布趨勢幾乎無法對應[32]。藻類生標從表層產生到埋藏在沉積物這一過程中受到側向搬運、有機質降解等諸如因素影響（見下文4.2.2 中討論）[29,32,36]。這里我們特別關注顆粒物和沉積物中藻類生標的相對含量，即單類藻類生標含量的百分比，或生物標志物的相對比例差異。為消除生物標志物的細胞產量、側向搬運、降解和早期成巖作用等因素的復雜作用，生物標志物重建海洋藻類生產力和群落結構方面的應用時通?；谝粋€假設：生物標志物的生產比率（如生物標志物/生物細胞比值）保持相對恒定，即忽略不同溫度、養分、光照等環境條件對生物標志物生產率的影響；其次，生產和沉積后的降解成巖等作用對各類生物標志物的影響基本相同，不會顯著改變生物標志物之間的比值。但顆粒物和表層沉積物中生物標志物含量的相對差異無疑將會影響這一重建假設（表3，圖5）。以下主要通過藻類生標相對比值菜籽甾醇/甲藻甾醇進行分析討論。

圖5 表層沉積物和懸浮顆粒物中菜籽甾醇和甲藻甾醇的含量Fig.5 Abundances of brassicasterol and dinosterol in surface sediments and suspended particles

4.2.1 菜籽甾醇和甲藻甾醇在顆粒物和沉積物中的變化

本次研究顆粒物樣品中菜籽甾醇豐度占絕對優勢，相對含量大于75%，菜籽甾醇/甲藻甾醇比值為0.65～79.88，各季節均值為4.02～34.64。只有個別站點比值＜1，如春季A11-2 站點菜籽甾醇/甲藻甾醇的值為0.65。而表層沉積物中甲藻甾醇含量顯著高于菜籽甾醇，甲藻甾醇相對比例超過50%。菜籽甾醇/甲藻甾醇比值雖然相對穩定，但與顆粒物中的比值有較大差異。除少數站位外，如2019 年秋A11-1菜籽甾醇/甲藻甾醇為1.09，A11-3 為1.05，2020 年夏A11-1 為1.05，其余站位均＜1（表3，圖5）。

菜籽甾醇和甲藻甾醇分別被廣泛用作硅藻和甲藻的生物標志物，雖然一些甲藻和定鞭藻也可以產生菜籽甾醇，一些硅藻也可以合成甲藻甾醇[43]，但大量工作已證實東海海域內菜籽甾醇、甲藻甾醇與硅藻和甲藻生產力存在很好的線性關系，可以有效地指示藻類生產力的變化，較成功地半定量重建了硅藻和甲藻的生產[15,30-31,44]。在顆粒物樣品中，菜籽甾醇和甲藻甾醇的相關性并不高（R2=0.03），因此認為它們主要來源于不同藻類，排除了生物源的干擾。

本次結果顯示的顆粒物中菜籽甾醇相較甲藻甾醇的含量優勢與前人工作一致[15,29,32,34-36,44]。如Jeng 和Hub[29]發現東海陸架區顆粒物中的菜籽甾醇/甲藻甾醇值為2～13.7。丁玲等[44]發現陸架區顆粒物菜籽甾醇/甲藻甾醇比例為1.1～36，大部分樣品為1.1～5.2。姜一晴等[32]指出長江口及東海陸架區（27.5°～32°N、122°～125°E）夏季顆粒物中，菜籽甾醇/甲藻甾醇都＞2，高值集中在東海北部31°N 斷面上，外海比值最高達到62。Wu 等[15]發現長江口附近夏季顆粒物中菜籽甾醇/甲藻甾醇值可高達51。我們的顆粒物樣品中菜籽甾醇/甲藻甾醇變化范圍為4.0～34.6，與Jeng 和Hub[29]及姜一晴等[32]的研究結果類似，高比值的地理位置也相近。

顆粒物中菜籽甾醇的相對優勢和東海浮游植物資料一致，顯示東海浮游植物群落主要由硅藻和甲藻組成，硅藻常年占主導地位，甲藻只偶爾在春夏季占主導地位[5-6,18]。但菜籽甾醇含量優勢在表層沉積物中消失，表層沉積物中菜籽甾醇/甲藻甾醇為0.4～0.9（表3）。表層沉積物中菜籽甾醇/甲藻甾醇最高值在長江口近岸處，長江口南外海沉積物中菜籽甾醇/甲藻甾醇大部分都小于1（平均為0.8），且有沿離岸方向菜籽甾醇/甲藻甾醇逐漸升高的趨勢[30,32]。

4.2.2 顆粒物和沉積物中菜籽甾醇/甲藻甾醇差異的可能受控因素

表層沉積物中的甾醇分布受生物來源輸入和上覆水柱中、沉積物-水界面的微生物或化學反應控制，懸浮顆粒中大多數的甾醇在沉降過程中沉積物-水界面被異養消耗從水中去除。關于表層沉積物與顆粒物中海洋藻類生標的不同分布模式，學者們提出的解釋主要有：① 顆粒物和表層沉積物所對應的時間尺度不同。顆粒物僅代表很短的一個時間，而表層沉積物為幾年、十幾年甚至幾十年的平均；② 顆粒物和表層沉積物中所對應的有機質來源的空間尺度不同。顆粒物僅代表局部情況，表層沉積物則范圍更廣，至少對應整個水柱的輸出，往往還有水流水平輸運的物質；③ 表層海洋藻類生標從產生輸出直至保存到沉積物的復雜過程。除垂直運移過程中的降解和礦化作用外，還受到水平運移的海流、潮汐等影響。沉積在海底的海洋有機碳也會經歷再懸浮、降解和變質轉化等過程[53-54]。因此，通常將顆粒物和表層沉積物之間脂質生物標志物的不同分布模式籠統地歸因于不同的時空信息，以及海洋有機質從生成到埋藏的復雜過程，如有機質在水柱中的橫向運輸和降解，不同粒徑沉積物的保存[29,32,36]。

東海陸架區域受長江沖淡水、潮汐與各種外來流系影響，表層懸浮物質不能立即沉積，混有非“即時”生物標志物。但與懸浮顆粒相比，東海表層沉積物中的脂質生物標志物反映了幾十年時間尺度上的浮游植物生產力和群落結構[36]。因此經歷一年四季或幾年的平均以后，脂類生物標志物在表層沉積物中的分布就可能與季節的顆粒物的分布趨勢不同，特別是東海浮游藻類有顯著的時空變化。雖然東海內陸架表層沉積物的總有機質混有較老（pre-aged）有機質（Δ14C=-305‰±102‰），但“老”有機質主要來自陸源，而海洋藻類生標主要為原位產生[36,55-56]。本文研究區域內表層沉積物中的有機質不僅以海洋有機質為主，而且由于較高的海洋生產力和高沉積速率（0.05～4.2 cm/a），區域有機碳的埋藏效率較高，海源生物標志物的埋藏效率可達16%～19%[36,42,48]，即海洋藻類生標可以在相對較短的時間內從表層到達海底。如前所述，在研究區域及其周邊，硅藻都是浮游植物群落的主要貢獻者。即使受側向搬運影響，沉積物接受相對更大范圍區域的生物標志物沉降，沉積物中菜籽甾醇的優勢消失難以解釋。因此，顆粒物和沉積物中生物標志物含量的時空信息差異并不能很好地解釋藻類生標菜籽甾醇/甲藻甾醇比值發生如此大的變化。

沉降過程中，海洋顆粒有機質不僅總量降解很大（＞98%），不同有機化合物由于不同的生物地球化學特性，在水柱中或在沉積物-水界面分解速率不同，有機質組成在沉降過程中也發生改變[53-54,57-58]。有研究顯示東海不同水層菜籽甾醇/甲藻甾醇的比值變化不大，說明水柱中的氧化降解對其比例的影響不明顯[44]。而沉積物-水界面是一個活躍的成巖帶（diagenetic zone），有豐富的微生物群落降解、轉化有機物[57]。因此我們推測在沉積物-水界面上，可能發生有機質降解或轉化作用，導致沉積物中菜籽甾醇/甲藻甾醇比值相較顆粒物有很大差異。

4.3 沉積物-水界面中可能發生的甾醇轉化

顆粒物和表層沉積物中除了主要優勢藻類生標發生改變外，我們還注意到，在顆粒物中僅少量出現的菜籽甾烷醇，在沉積物樣品中的含量大量增加。顆粒物樣品中菜籽甾烷醇/菜籽甾醇（brassicastanol/brassicasterol）比值一般＜0.1，而沉積物中菜籽甾烷醇/菜籽甾醇比值一般＞0.5（表4，圖6）。

表4 表層沉積物與顆粒物中主要的甾烷醇、甾醇含量及它們的比值變化Table 4 Ranges and average of stanol and stenol, and their ratios in surface sediments and particles

圖6 表層沉積物和懸浮顆粒物中菜籽甾醇和菜籽甾烷醇的含量Fig.6 Abundances of brassicasterol and brassicastanol in surface sediments and suspended particles

早期在英格蘭Rostherne 湖、黑海和非洲西南Walvis 灣等地觀察到懸浮物質中的甾烷醇/甾醇（stanol/stenol）比值比沉積物中低[59-60]，在海洋水柱顆粒物[61-65]和沉積物-水界面[66-69]也有類似的stanol/stenol 比例發生變化。一些學者如Gagosian 等[60]指出可能的原因有：① 在顆粒從表層到海底的過程中，發生stenol 到stanol 的轉換。雖然浮游生物可以產生stanols，但它們在生物體中的比重非常低，stanols 含量通常不超過stenols 的10%。捕食、形成糞便顆粒的過程中可能增加了由腸道細菌活動形成的stanols；②在沉積物-水界面上發生stenols 的選擇性降解，stanols 相對于stenols 更具有降解抵抗性，使得stanol/stenol 的比例發生改變；③ 在沉積物-水界面發生stenol 到stanol 的轉化，碳骨架C5 位上有雙鍵的甾醇（Δ5-stenol）被還原轉化為甾烷醇（5α(H)-stanol），如缺氧環境中微生物作用下的加氫還原作用[62,66]。5α(H)-stanol/Δ5-stenol 比值也因此被用作氧化還原條件的示蹤劑[62,70]。

在厭氧沉積物中控制Δ5-stenol 向5α(H)-stanol轉化的主要因素可能是適合微生物代謝的原生有機質（即可代謝有機質）對沉積物的相對貢獻[71]。還原環境和充足的海洋生物標志物可能是這一轉換的關鍵因素。杭州灣外東海內陸架海域，水淺、營養鹽充足，初級生產力高，大量有機物質較快沉降，并且處于東海季節性低氧區域[25,72]。沉積物的缺氧條件，既限制了可能發生的有機降解，加強了有機質的保存，又有利于缺氧還原環境中甾醇向甾烷醇轉化的發生[57,62,73]。研究區域細小顆粒沉積物也有利于甾醇向甾烷醇轉化的增強[52,62]。雖然菜籽甾醇和甲藻甾醇因分子結構相似，通常認為它們發生類似的氧化降解，且降解速率接近[30]，但菜籽甾醇可能還發生了氫化還原作用，而甲藻甾醇由于分子結構中C4 位連接甲基，較菜籽甾醇有高的保存效率[29,61]。不同水層菜籽甾醇/甲藻甾醇的比值變化不大[44]，可能由于水柱中含氧量較高不夠還原條件。東海陸架沉積物中的微生物含量豐富，多樣性高，但對鄰近海域微生物生態研究主要集中在細菌和古菌多樣性分析，部分針對反硝化微生物菌群結構和分布特征[24-25,74]，目前還未見對甾醇還原加氫作用的報道。

Jeng 和Huh[29]在長江口附近陸架的研究提出，東海懸浮物質中較低的stanol 含量與海洋浮游生物來源一致，而陸架沉積物中較高的stanol/stenol 比值可能是由于沉積物-水界面stenols 相對于stanols 的選擇性降解或stenols 的微生物加氫作用。還有研究顯示，長江口外海域（31°～32°N、121°～124°E）表層沉積物中膽甾烷醇/膽甾醇（cholestanol/cholesterol）比值為0.15～0.90，比顆粒物中高10 倍[52]。長江口沉積物中C27—C29甾烷醇/甾醇比值為1.55～10.41[75]。我們的研究結果顯示，表層沉積物中cholestanol/cholesterol 比值為0.37～0.80，顆粒物中為0.01～0.56（表4）。在長江口[75]、南海北部灣[76]、南海南沙海域大陸坡[77]、南海北部大陸架[78]的柱狀沉積物中，都發現stanol/stenol 比值隨著沉積深度的增加而增加。研究者解釋樣品中C27和C28甾烷醇/甾醇比值隨沉積深度的增加，指示甾醇向甾烷醇的轉化，反映區域沉積物中的有機質經歷了強烈的細菌加氫還原作用。

因此，結合前人工作基礎，我們推測研究區域內，在微生物活躍的缺氧沉積物中及沉積物-水界面，菜籽甾醇很可能經歷后期的氫化作用轉化為菜籽甾烷醇（圖7）。即相對于甲藻甾醇，菜籽甾醇經歷了額外的微生物加氫還原作用，從而導致沉積物與顆粒物中菜籽甾醇和甲藻甾醇的相對含量比值的巨大差異。但并不排除菜籽甾醇和甲藻甾醇可能存在的氧化降解差異，這里仍假設它們的降解速率類似。

圖7 海水和沉積物中甾醇及甾烷醇的變化示意圖根據Nishimura 和Koyama[70]改繪。Fig.7 Diagrammatic representation of the changes of stenols and stanols in seawater and sediment Modified from Nishimura and Koyama [70].

5 結論與啟示

（1）通過兩年5 個航次對杭州灣外東海內陸架4 個斷面的表層沉積物和顆粒物樣品分析，結果顯示菜籽甾醇和甲藻甾醇等藻類生標有明顯的時空變化。表層沉積物中生物標志物空間分布特征明顯，由近岸向海，隨水深增加含量增加。顆粒物中的季節變化顯著，夏季樣品的含量更高。與前人研究一致，生物標志物的時空變化主要受控于藻類生產力的變化。

（2）表層沉積物和顆粒物中菜籽甾醇和甲藻甾醇的相對含量明顯不同，表層沉積物中甲藻甾醇占優勢，顆粒物中菜籽甾醇占優勢。除了通常解釋的表層沉積物和顆粒物中生物標志物包含的時空信息差異，由樣品中甾烷醇/甾醇比的顯著變化推測沉積物-水界面上發生了額外的改造作用。我們認為沉積物中菜籽甾醇發生后期氫化還原作用，部分轉化為菜籽甾烷醇，從而導致沉積物中菜籽甾醇相對甲藻甾醇含量大幅降低。

（3）表層海洋藻類生標從產生輸出直至保存到沉積物的過程十分復雜，如水柱中的橫向運輸和降解，不同粒徑沉積物的保存等。目前的工作無法排除平流、再搬運等作用對沉積物中有機質的影響，也不能排除甾醇氧化降解差異。沉積物-水界面這一活躍的成巖帶有豐富的微生物群落降解、轉化有機物。有機質在表層（0～2.5 cm）發生較快的降解和轉化，更深層的沉積物有機質組成基本上相對穩定（圖7）。因此，對于應用藻類生標重建古環境，無論從代表的時空信息，還是考慮到生物標志物的穩定性，表層沉積物相較顆粒物的數據應該更具有參考意義。但表層沉積物中可能發生的這一甾醇的加氫還原轉化需要受到重視，它不僅為表層沉積物中生物標志物相對含量和現代水體藻類豐度的差異提供有益見解，而且會影響對沉積記錄里藻類生標生產力和群落結構變化的解讀。這一推測還需要進一步的研究和更多的證據，如對不同水深顆粒物中甾烷醇/甾醇的變化的檢測，生物標志物的單體氫同位素測試等。

致謝：本研究的樣品采集得到國家自然科學基金委員會共享航次計劃項目（41849903）的資助。該航次（航次編號：NORC2019-03，NORC2021-03）由“浙漁科2”號/“潤江1”號科考船實施，在此一并致謝。