南喬治亞島海域浮游植物季節性旺發特征與POC輸出通量:基于BGC-Argo和衛星遙感觀測

趙躍然,范高晶,吳嘉琪,3,孫維萍,潘建明,韓正兵*

(1.自然資源部海洋生態系統動力學重點實驗室,自然資源部第二海洋研究所,浙江 杭州 310012; 2.中國極地研究中心,上海 201209; 3.浙江大學 海洋學院,浙江 舟山 316000)

0 引言

南大洋是全球最大的高營養鹽低葉綠素(high-nutrient low-chlorophyll,HNLC)海區,由于其具有豐富且過剩的營養鹽,被認為是全球海洋中最具潛力的碳匯區,對全球碳循環有著舉足輕重的作用[1]。自“鐵假說”提出以來[2],已有許多“鐵加富”試驗表明在南大洋HNLC海域人工施加鐵肥可引起浮游植物初級生產力升高[3-5],鐵被認為是影響南大洋浮游植物初級生產力最為關鍵的限制因子。與HNLC區域形成鮮明對比,南大洋還存在著許多天然鐵施肥區域,主要是由天然鐵源的輸入而刺激浮游植物發生季節性旺發[6-8],如西南極半島[9]、南喬治亞島[10-11]、凱爾蓋朗群島[12-13]和克羅澤群島[14-15]等,這些高初級生產力海域為企鵝、海豹等高營養級生物提供了關鍵的棲息聚集地,對維持南極生態系統的穩定至關重要。

南喬治亞島附近海域是南大洋最大的浮游植物旺發海域之一,具有豐富的生態系統、群落組成以及巨大的碳匯潛力[16],高生產力區域主要集中在南喬治亞島西北側的喬治亞海盆區域。許多研究推測這種區域性特征可能主要受控于水文過程[17-21,11]。然而,該區域浮游植物初級生產力的年際變動較大[16],且存在高生產力低輸出效率(high productivity low export efficiency,HPLE)的特征[22],這些現象仍需要許多生物地球化學觀測資料來作進一步研究[23-25,18]。

生物地球化學剖面浮標(biogeochemical Argo float, BGC-Argo)是一種新型的原位觀測裝置,可提供較高時空分辨率、多參數的觀測數據資料,近年來被廣泛應用于海洋原位觀測研究[26],以彌補船基觀測和衛星遙感觀測的不足。本文基于南喬治亞島附近海域BGC-Argo的原位觀測資料,結合衛星遙感觀測數據,探究南喬治亞島附近海域浮游植物的旺發過程對上層海洋碳輸出通量的貢獻與影響。

1 材料與方法

1.1 研究海域

南喬治亞島(37°W,55°S)位于南大洋大西洋扇區的斯科舍海東北邊界[16],在極地鋒(polar front,PF)和南極繞極流南鋒(southern Antarctic circumpolar current front,SACCF)之間,島嶼大陸架離岸向外延伸50～150 km,并對周圍海流流向產生一定影響。南極繞極流(Antarctic circumpolar current,ACC)從南喬治亞島大陸架的西南方向到達南喬治亞島的南部,然后分別向西和向東北分叉成兩個分支,向西的分支繼續向西流動,而向東北的分支則繞過南喬治亞島的北部,轉向喬治亞海盆,沿著喬治亞海盆陡峭的輪廓線反向流動,最后恢復其向東的路線[27-28]。南喬治亞島周圍水團分布受SACCF以及島嶼徑流的共同影響[21,19],島嶼西南部海域水團具有威德爾海(Weddell Sea,WS)和ACC混合水團的性質[29],島嶼東北部海域水團與南極區水(Antarctic zone water,AZW)有相似的物理特性,島嶼西北部海域水團是主要來自島嶼徑流的南喬治亞大陸架水(South Georgia shelf water,SGSW)[20]。

1.2 數據來源

1.2.1 BGC-Argo浮標數據

在南大洋碳和氣候觀測與建模(the Southern Ocean carbon and climate observations and modeling,SOCCOM)項目中篩選出研究海區鄰近的BGC-Argo浮標(編號:12545)。該浮標搭載的傳感器可獲取溫度、鹽度、葉綠素(Chl-a)、硝酸鹽和顆粒有機碳(particulate organic carbon,POC)等數據,其中POC數據由光學反向散射率計算得到[30]。本研究選用高分辨率數據文件,時間范圍為2017年10月至2020年2月,共82個剖面數據,深度范圍選取200 m以淺,溫鹽深數據分辨率為 2 m,生化參數分辨率分別為5 m(100 m以淺)和10 m(100～200 m),垂直剖面的采樣時間間隔為10天。數據質量控制全部由SOCCOM完成(https://soccom.princeton.edu/)。

該浮標于2017年底進入研究海區,沿南設得蘭群島向東移動,至2018年5月繞經該群島東部陸架邊緣后北上,然后沿北部陸架向西運動,并于2019年1月正式進入喬治亞海盆,在海盆盤旋約6個月后離開海盆繼續向東部運動。浮標的漂流軌跡幾乎完全沿著南極繞極流的運動方向(圖1)。為便于后續討論,本文定義南極夏季為11月至次年3月,南極冬季為4月至10月。

圖1 研究海域及BGC-Argo的移動軌跡Fig.1 Study area and the movement trajectory of BGC-Argo floats(圖中等值線表示水深,單位:m;藍色點表示浮標剖面站點;黑粗線和紅粗線分別為南極繞極流南鋒(SACCF)和極鋒(PF);色標采用對數處理,顏色反映1997年至2017年南半球12月至次年2月氣候態Chl-a分布,數據來自歐洲航天局 GlobColour項目的多元數據融合產品,空間分辨率為25 km×25 km,時間分辨率為1個月。)(Contour lines represent water depth, unit: m. Blue dots represent the profiling float stations. The thick black line and red line indicate the southern Antarctic circumpolar current front (SACCF) and polar front (PF), respectively. Color bar uses log transformation, and the color represents the climatological distribution of Chl-a from December to February in the southern hemisphere from 1997 to 2017. The data are from the multi-sensor merged product of the European Space Agency’s GlobColour project with a spatial resolution of 25 km × 25 km and a temporal resolution of 1 month.)

1.2.2 衛星遙感數據

與BGC-Argo匹配的衛星遙感葉綠素數據來源于歐洲航天局(European Space Agency,ESA)GlobColour項目提供的多源數據融合產品(https://hermes.acri.fr/),由水色傳感器SeaWiFs、MERIS、MODIS和VIIRS融合處理得到,空間分辨率為25 km×25 km,時間分辨率為8天,時間范圍為2017年11月—2020年2月。

1.3 數據處理

1.3.1 硝酸鹽季節性消耗與POC輸出通量

根據BUESSELER[31]的定義,本研究選取100 m深度作為上層POC向下輸出的界面,并利用硝酸鹽的虧損法來估算碳輸出通量[32]。本研究將硝酸鹽標準化至鹽度35[33],以減少物理過程對硝酸鹽變化的影響。浮游植物光合作用所消耗的營養鹽被認為是上層100 m硝酸鹽的季節性消耗值,即硝酸鹽的冬季儲量與水體中剩余硝酸鹽的濃度之差:

(1)

式中:UN代表硝酸鹽的季節性消耗值,z表示深度,cN(z)表示深度為z處的硝酸鹽濃度,cN(100)代表100 m深度處冬季硝酸鹽的濃度。

表1 基于BGC-Argo的夏季平均混合層深度、POC儲量、NCP和POC輸出通量Tab.1 Summer mean values of MLD, POC storage, NCP, and POC export flux based on BGC-Argo

南喬治亞島所處的南大西洋浮游植物中C/N的摩爾比取7.5[34-35],據此可計算100 m以上浮游植物的凈群落生產力(net community productivity,NCP):

NCP=7.5×UN

(2)

因為溶解有機碳(dissolved organic carbon,DOC)在該海域對POC輸出通量貢獻較低(1%～10%)[22],本研究未考慮DOC向下輸出對NCP的影響。

因此,夏季POC輸出量可由夏季凈NCP與POC儲量之差估算得到,輸出通量則由POC輸出量的時間變率估算得到:

(3)

1.3.2 衛星遙感數據與BGC-Argo數據匹配

基于BGC-Argo各站點所對應日期,篩選出時間尺度上最接近的衛星遙感Chl-a數據,再對BGA-Argo站點實際距離最近像素點進行匹配。

1.3.3 混合層深度計算

混合層深度(mixed layer depth,MLD)基于BGC-Argo中的剖面觀測數據,通過取距離海表10 m處的密度變化閾值0.03 kg/m3計算得到[36]。

2 結果

2.1 生化參數的時空分布

南喬治亞島附近上層海水溫度總體呈現夏高冬低的分布趨勢(圖2a)。2018年5月至10月期間,浮標位于南喬治亞島南部,海表溫度低于0 ℃;2018年12月,浮標進入南喬治亞島東南部海域,海水溫度開始升高,約為4 ℃左右;隨著季節演替,海水溫度在2019年9月最終降低至1 ℃左右。上層海水密度和鹽度隨季節的分布變化趨勢則與溫度相反(圖2b,2c)。整體上,在南極夏季,南喬治亞島附近海域的海水層化現象顯著。

圖2 BGC-Argo浮標獲取的各生化參數剖面變化Fig.2 Profiles of biogeochemical parameters of BGC-Argo floats(圖中白色虛線表示混合層深度。)(The white dashed line represents the depth of the mixed layer.)

南喬治亞島附近海域上層Chl-a質量濃度和POC濃度呈現出顯著的季節性差異,即夏季高冬季低,其高值和驟變區域與地理位置有密切聯系。2017年12月浮標位于南喬治亞島與南設得蘭群島之間的南極半島東北部海域,此時Chl-a質量濃度開始升高,到2018年2月達到全年最大值,于3月之后迅速衰減。2018年12月浮標進入南喬治亞島東南海域,此時Chl-a質量濃度開始升高,2019年1月浮標進入喬治亞海盆,隨后Chl-a質量濃度在2月達到最大值。當浮標位于喬治亞海盆內時,Chl-a質量濃度一直維持著相對較高的水平,直到2019年3月混合層深至 75 m,Chl-a呈現出向下擴散的趨勢,盡管Chl-a質量濃度有所降低,整個混合層的Chl-a儲量卻似乎有所增加(圖2d)。

南喬治亞島附近海域上層POC濃度的時空變化及分布趨勢與Chl-a幾乎完全相同,略有所不同的是,2018/2019年夏季POC的濃度低于2017/2018年同期(圖2e)。上層硝酸鹽的時空分布特征與Chl-a和POC相反,呈夏季低冬季高的特征。與南極半島東北部海域相比,在喬治亞海盆觀測到的夏季硝酸鹽濃度整體更低,且低值持續時間更長(圖2f)。

2.2 衛星遙感與BGC-Argo觀測的Chl-a差異

如圖3所示,衛星遙感與BGC-Argo觀測的Chl-a變化趨勢基本一致,BGC-Argo觀測的Chl-a基本無缺失值,但衛星遙感獲取的Chl-a則存在大量的缺失,且主要集中在冬季。2017/2018年夏季,浮標未進入南喬治亞島海域,混合層深度較淺,衛星遙感獲取的表層Chl-a均高于BGC-Argo的觀測結果。而在2018/2019年夏季,浮標開始進入南喬治亞島海域,混合層比2017/2018年夏季時南極半島東北部海域的略深,當衛星遙感和BGC-Argo觀測的Chl-a均達到峰值時,BGC-Argo觀測的表層Chl-a高于衛星遙感觀測結果(圖3)。比較BGC-Argo觀測到的表層葉綠素(Chl-a5 m)和次表層葉綠素(Chl-a50 m)發現,當夏季混合層較淺時,表層Chl-a要明顯高于次表層;而在冬季,混合層加深,表層和次表層的Chl-a水平相當,甚至部分站點次表層Chl-a要高于表層(圖4)。

圖3 衛星遙感和BGC-Argo獲取的表層Chl-a質量濃度時間序列對比Fig.3 Comparison of time series of Chl-a mass concentration observed by remote sensing and BGC-Argo

圖4 BGC-Argo觀測到5 m和50 m處Chl-a質量濃度差異的浮動柱狀圖Fig.4 Floating bar chart of the difference in Chl-a mass concentration between 5 m and 50 m observed by BGC-Argo(柱形頂部和底部分別表示Chl-a5 m和Chl-a50 m,綠色柱形表示Chl-a5 m大于Chl-a50 m,橙色反之,柱長表示二者的差異。)(The top and bottom of the bars represent Chl-a5 m or Chl-a50 m respectively. Green bars indicate that Chl-a5 m is higher than Chl-a50 m, while orange bars indicate the opposite, and the length of the bars represents the difference.)

2.3 NCP與POC輸出通量

2017/2018年夏季,浮標位于南極半島東北部海域,混合層平均深度為38.49±18.93 m,上層100 m的POC儲量和NCP都較高,平均值分別為610.32±124.83 mmol·m-2和3 976.14±124.53 mmol·m-2(表1)。NCP一直保持高值至5月驟降,而POC儲量從夏季初期達到峰值后迅速下降,后逐漸升高,至3月達到最大值,再緩慢下降(圖5)。

圖5 南喬治亞島附近海域上層100 m的NCP與POC儲量時間序列變化Fig.5 Time series of NCP and POC storage in the upper 100 m of the waters surrounding South Georgia Island

2018/2019年夏季,浮標開始進入喬治亞海盆,混合層平均深度加深,達到62.40±24.55 m。與上一年度相似,POC儲量和NCP隨季節變化開始逐漸升高,NCP在2019年1月下旬達到第一個峰值,而POC儲量則在2018年12月后出現多個峰值,二者的季節性均值分別為691.62±158.92 mmol·m-2和4 591.86±316.12 mmol·m-2。

與NCP和POC儲量明顯不同,2018/2019年浮標位于喬治亞海盆時測得的季節性POC輸出量明顯高于上一年,并在5月份達到峰值。通過對POC輸出量時間變率的估算,2018/2019年夏季的POC輸出通量達到45.29±5.40 mmol·m-2·d-1(r=0.92,p<0.05),而2017/2018年夏季僅為7.12±3.90 mmol·m-2·d-1(r=0.45,p<0.05)(圖6)。盡管兩個海域的Chl-a、POC儲量和NCP的季節性均值相差不多,但喬治亞海盆較高的POC輸出通量反映出該海域更強的碳泵效率,可能有諸多因素驅動上層POC快速且穩定地向下輸出。

圖6 南喬治亞島附近海域POC輸出量時間序列變化Fig.6 Time series of POC export in the waters near South Georgia Island(陰影部分表示2017/2018年和2018/2019年夏季;趨勢線分別為兩個夏季POC輸出量相對時間的變化趨勢。)(The shaded area represents the summer seasons of 2017/2018 and 2018/2019; the trend line shows the temporal variation of POC export)

3 討論

3.1 衛星遙感與BGC-Argo觀測的Chl-a差異分析

由于南大洋高緯度海域易受太陽高度角和云層覆蓋等影響,導致大部分衛星遙感觀測數據缺失,但前人研究表明,在Chl-a質量濃度較低的南大洋開闊海域,走航與衛星遙感觀測所分別獲取的Chl-a質量濃度數據之間具有很好的相關性[37-38]。為探究衛星遙感觀測的Chl-a和BGC-Argo觀測結果之間的差異,將兩種手段獲取的表層Chl-a結果進行對比,剔除空白值后的衛星遙感觀測值與BGC-Argo觀測值的相關性顯著(r=0.72,p<0.05)。當混合層深度較淺時(如在南極半島東北部海域),衛星遙感觀測到的Chl-a要略高于BGC-Argo觀測到的數據;而當混合層深度較深時(如喬治亞海盆),二者基本一致或衛星遙感觀測的Chl-a略低(圖3)。斯科舍海[39]和南喬治亞島附近海域[40]的走航調查中均發現相似的結果,衛星遙感觀測結果略微低估了高生產力時的Chl-a,而略微高估了低生產力時的Chl-a。

導致“低估”的原因很可能是在于觀測手段的時空尺度差異。衛星遙感僅能探測海洋上層幾十米的Chl-a,并且易受云層等影響,而BGC-Argo卻能獲取整個水柱中高分辨率的Chl-a水平,這種差異是導致觀測結果不一致的主要原因。盡管KORB 等[40]發現南喬治亞島附近表層海水Chl-a質量濃度與混合層Chl-a平均質量濃度有良好的相關性,由于喬治亞海盆處混合層深度通常為50～150 m,基于BGC-Argo的數據能更為準確地反映該海域Chl-a的時空分布特征,進一步反映該地區的初級生產力水平。

3.2 喬治亞海盆區夏季浮游植物的旺發機制

前人針對喬治亞海盆區浮游植物季節性旺發現象已開展了大量的調查與研究[16-21,11,25],本文通過衛星遙感和BGC-Argo兩種觀測手段均發現喬治亞海盆在夏季出現大量水華,說明該海域存在生物可利用鐵的維持或補給機制[41]。有研究表明,南喬治亞島以北的浮游植物水華現象,主要是源于島嶼附近大陸架的沉積鐵的補充。大陸架表層水體中溶解態鐵的濃度范圍為1.5～6 nmol·L-1,并由向北的羽狀流水平輸送至海盆區域[42-43]。喬治亞海盆表層水體中溶解態鐵的濃度范圍為0.5～2 nmol·L-1,基本不存在鐵限制的影響,此外,島嶼下游特有的表面環流模式也與浮游植物爆發的分布特征相近[19]。

最近的研究發現2017年11月—12月期間喬治亞海盆區的溶解態鐵濃度低于0.2 nmol·L-1,已處于鐵限制的狀態,而顆粒態鐵和有機碳在水柱中存在著解耦現象,浮游植物持續水華所需的鐵可能主要來自于水柱中顆粒態鐵的再循環[25]?；旌蠈由疃容^深可能有助于真光層底部溶解態鐵重新補給到上層,這可能是喬治亞海盆出現多個Chl-a峰值的原因。南大洋的Chl-a出現雙峰或多峰的現象并非喬治亞海盆獨有,在南大洋的其他海域也有許多報道,如澳大利亞南部亞南極帶區域的雙峰現象[44]和凱爾蓋朗群島附近海域的雙峰現象[45]。本研究中喬治亞海盆的Chl-a呈現出多個峰值,主要集中在12月、1月和2月,甚至在3月和4月還出現了峰值(圖3),這種情況則可能是由鐵的供應方式轉變造成。此外,硅藻的大量繁殖造成硅酸鹽的耗盡,也可能是造成這種多峰現象的原因[16]之一。

3.3 喬治亞海盆區的高POC輸出通量

通過比較上、下游的夏季POC儲量和NCP,發現二者均未表現出顯著差異(單因素ANOVA檢驗,p>0.05),而混合層深度則差異顯著(單因素ANOVA檢驗,p=0.006)。近年來,已有許多研究發現季節性混合層碳泵對海洋生物泵貢獻巨大[46-47],也有研究發現喬治亞海盆區的反氣旋渦與該處的高生產力有關系[48]。由于喬治亞海盆區夏季混合層平均深度明顯深于南極半島東北部海域(表1),且POC輸出量的增長趨勢隨著時間變化相對穩定(r=0.92,圖6),反映了喬治亞海盆上層POC具有持續向下層輸出的機制,可能與混合層碳泵有著密切關系。海盆區水柱中顆粒態鐵比有機碳具有更快的再循環效率[25],進一步表明了上層水體的混合有利于鐵的循環補充和碳的向下輸出。MOIGNE 等[22]通過234Th∶238U不平衡法估算了喬治亞海盆2013年1月下旬100 m水深處的輸出碳通量約為22 mmol·m-2·d-1[22],略低于本文估算的結果,但該研究通過對比南喬治亞島上、下游的輸出通量和輸出效率,認為喬治亞海盆具有HPLE的特征,表層高細菌活性和低糞便輸出是該區域發生HPLE的主要原因,這種解釋似乎又與其他人的研究結果相悖[49-50]。

喬治亞海盆高生產力主要來自于小型浮游植物(硅藻等)的貢獻[48],硅藻休眠孢子被認為是上層POC向深海的高沉降通量的主要因素[24],與南大洋克羅澤群島天然鐵施肥區域的研究結果[51]相一致。最近的沉積物捕獲器觀測結果也顯示,該海域11月和12月的水柱中碳通量主要來自于浮游動物糞便的貢獻,而在1月則主要來自于硅藻休眠孢子的沉降[50]。通過沉積物捕獲器的觀測對比了南喬治亞島上游(威德爾海北部)和下游(喬治亞海盆)深海的有機碳通量,也發現了喬治亞海盆區的碳通量(40.6 mmol·m-2·a-1,水深2 000 m)要高于威德爾海北部(26.4 mmol·m-2·a-1,水深1 500 m)[24]。BELCHER 等[52]在喬治亞海盆區通過沉積物捕獲器獲知2018年12月400 m和2 000 m水深的POC輸出通量分別為3.81 mmol·m-2·d-1和3.62 mmol·m-2·d-1,據此可估算出Martin衰減系數b為0.82,低于全球均值0.86[53],表明POC向下輸送具有更高的效率。這些研究均顯示喬治亞海盆的生物泵運轉效率較高。

GIERING 等[54]基于沉降微粒的POC含量和沉降速率,估算了2017年春末夏初時南喬治亞島周圍海域的POC輸出通量為0.2～135.2 mmol·m-2·d-1,其變化范圍高達4個量級,表明有機碳通量的觀測存在一定偶然性。本文結果反映了整個夏季的POC輸出通量受短時間尺度的物理-生物-化學過程影響較小,可以更準確地反映區域性和季節性POC輸出通量。南大洋存在HPLE現象似乎是有一定的時間局限性,不足以反映整個生物泵的真實狀況,尤其是在季節性更強的極地海域。因此,覆蓋時間尺度更長的BGC-Argo數據,可以更為準確地評估海洋生物固碳的能力。

4 結論

本文利用南極南喬治亞島附近海域的BGC-Argo所獲取的數據資料對該海域浮游植物旺發特征進行了分析,并估算了POC輸出通量,得到以下結論:1)南喬治亞島上游(南極半島東北部)和下游(喬治亞海盆)海域Chl-a均呈現出很強的季節性特征,可能是由于島嶼陸架沉積物鐵源的持續供應和補給;2)在南極半島東北部和喬治亞海盆的POC儲量和NCP差異不大的條件下,兩個海域的夏季POC輸出通量分別為7.12±3.90 mmol·m-2·d-1和45.29±5.40 mmol·m-2·d-1,喬治亞海盆區域更高的季節輸出通量可能是由于混合層加深而造成的;3)結合同期的沉積物捕獲器觀測結果,估算喬治亞海盆的Martin衰減系數b為0.82,表明該區域具有更高的生物泵效率,與前人認為研究海域存在HPLE現象的結論有所不同,表明覆蓋了整個浮游植物生長季節的BGC-Argo可更準確地量化與評估海洋生物地球化學過程和固碳能力。

致謝衷心感謝兩位匿名審稿專家和期刊編輯對本文提出的寶貴意見。本文所使用的BGC-Argo數據是由南大洋碳和氣候觀測與建模(SOCCOM)項目收集并免費提供的,該項目由美國國家科學基金會極地計劃(NSF PLR-1425989和OPP-1936222)資助,并得到NASA、國際Argo計劃和NOAA的支持。其中,Argo計劃是全球海洋觀測系統的一部分(http://www.argo.ucsd.edu,http://argo.jcommops.org)。