Low benthic respiration and nutrient flux at the highly productive Amundsen Sea Polynya, Antarctica

在高產(chǎn)阿蒙森海港奧利尼亞雅（南極洲）研究低底棲生物呼吸和養(yǎng)分通量

來源：Deep-Sea Research II 123 (2016) 92–101

 

論文總結(jié)

一、論文摘要概述

本論文研究了南極阿蒙森海冰間湖（Amundsen Sea Polynya, ASP）這一高生產(chǎn)力區(qū)域的底棲代謝特征。摘要指出，盡管ASP水體初級生產(chǎn)力高達110 mmol C m?2 d?1，但底棲碳礦化率（平均2.1±0.3 mmol C m?2 d?1）顯著低于其他低生產(chǎn)力極地區(qū)域，僅占初級生產(chǎn)力的1.9%。低沉積物積累率（0.18–0.20 cm yr?1）和有機質(zhì)沉降通量導(dǎo)致底棲氧消耗率（2.44–3.11 mmol m?2 d?1）和營養(yǎng)鹽通量（如溶解無機氮0.12–0.13 mmol m?2 d?1）極低。硫酸鹽還原對碳氧化的貢獻僅占10%，表明厭氧過程在ASP底棲礦化中作用有限。研究認(rèn)為，Phaeocystis水華產(chǎn)生的有機碳主要在水柱中被礦化，未能有效刺激底棲代謝。

二、研究目的

 

空間變異分析：揭示ASP沿大陸架（從海冰區(qū)到冰間湖）底棲有機碳礦化和營養(yǎng)鹽通量的空間分異規(guī)律。

過程評估：明確底棲礦化在降解Phaeocystis水華有機質(zhì)中的作用，探究高水體生產(chǎn)力與低底棲代謝之間的脫節(jié)機制。

 

極地對比：通過與北極等低生產(chǎn)力區(qū)域?qū)Ρ龋U釋ASP底棲代謝的特殊性及其對全球碳循環(huán)的意義。

 

三、研究思路

研究采用多參數(shù)同步觀測與室內(nèi)實驗結(jié)合的思路：

 

站點布設(shè)：沿南-北斷面設(shè)置4個站點（冰間湖、冰架、邊緣海冰區(qū)），覆蓋不同生產(chǎn)力梯度（圖1顯示站點位置與水深）。

 

數(shù)據(jù)采集：

 

現(xiàn)場測量：使用箱式取樣器獲取沉積物，通過底棲培養(yǎng)艙監(jiān)測總氧吸收（TOU）和營養(yǎng)鹽通量。

 

實驗室分析：測定孔隙水營養(yǎng)鹽（NH??、NOx、PO?3?）、沉積物有機碳（POC）、21?Pb積累率及硫酸鹽還原率（SRR）。

 

指標(biāo)關(guān)聯(lián)：將底棲代謝率（如TOU、SRR）與水體初級生產(chǎn)力、沉積物地球化學(xué)特征（如氧滲透深度、POC含量）進行耦合分析。

 

四、測量數(shù)據(jù)及研究意義（注明來源）

 

氧滲透深度（OPD）與沉積物積累率（來自圖2和表2）：

 

 

數(shù)據(jù)特征：圖2顯示冰間湖站點（Stn.10、17）的OPD較淺（1.8–2.0 cm），而冰架和海冰區(qū)站點（Stn.19、83）OPD更深（3.5–3.6 cm）。沉積物積累率在冰間湖更高（0.180–0.201 cm yr?1）。

 

研究意義：OPD的空間差異反映了有機質(zhì)輸入量的梯度，淺OPD指示冰間湖區(qū)降解活動更集中，但整體仍受限于低沉積通量。

 

孔隙水營養(yǎng)鹽剖面（來自圖3和表2）：

 

數(shù)據(jù)特征：圖3顯示冰間湖站點NH??和PO?3?隨深度增加，而NOx在表層最高后下降；海冰區(qū)站點營養(yǎng)鹽濃度較低且垂直變化小。

 

研究意義：冰間湖的NH??積累（深度積分庫存5.5–6.4 mmol）表明更高礦化活性，但絕對通量仍低，支持有機質(zhì)沉降不足的結(jié)論。

 

硫酸鹽還原率（SRR）（來自圖4和表3）：

 

 

數(shù)據(jù)特征：圖4顯示SRR極低（<1 nmol cm?3 d?1），深度積分SRR僅0.06–0.10 mmol m?2 d?1。

 

研究意義：SRR對總碳氧化的貢獻<10%（表3），說明ASP底棲以有氧呼吸主導(dǎo)，厭氧過程微弱，與深海沉積物特征相似。

 

底棲通量（TOU與營養(yǎng)鹽）（來自圖5和表3）：

 

數(shù)據(jù)特征：圖5顯示冰間湖TOU（2.44–3.11 mmol m?2 d?1）高于海冰區(qū)（1.57 mmol m?2 d?1）；營養(yǎng)鹽通量在冰間湖略高但整體偏低（DIN通量0.12–0.13 mmol m?2 d?1）。

 

研究意義：低通量驗證了沉積物能量限制，且C:N:P通量比偏離Redfield比（如冰間湖121:7:1），暗示氮流失過程（如反硝化）的影響。

 

五、研究結(jié)論

 

代謝率低下主因：低沉積物積累率和Phaeocystis來源有機質(zhì)的緩慢沉降（0–0.19 m d?1）導(dǎo)致僅有少部分初級生產(chǎn)力（約1.9%）到達底棲系統(tǒng)。

空間耦合性與脫節(jié)：底棲代謝與水體生產(chǎn)力存在空間梯度耦合（冰間湖＞海冰區(qū)），但絕對速率甚至低于低生產(chǎn)力北極區(qū)域，揭示ASP有機質(zhì)主要在水柱（60–150 m層）被礦化。

通路主導(dǎo)性：有氧呼吸占總碳氧化90%以上，硫酸鹽還原作用微弱，反映有機質(zhì)通量不足限制了厭氧過程發(fā)展。

 

環(huán)境變化啟示：氣候變暖可能通過改變水文結(jié)構(gòu)促使浮游植物群落從Phaeocystis向硅藻轉(zhuǎn)變，從而未來可能增強底棲-水體耦合。

 

六、丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的詳細研究意義

本研究使用丹麥Unisense電極（型號OX50）進行兩項關(guān)鍵測量：

 

氧微剖面監(jiān)測：在沉積物-水界面以100 μm分辨率測量氧濃度梯度（圖2），用于計算氧滲透深度（OPD）。

 

底棲培養(yǎng)艙氧監(jiān)測：實時追蹤培養(yǎng)艙內(nèi)氧濃度變化（圖5），用于計算總氧吸收（TOU）。

 

研究意義解讀：

 

高分辨率空間洞察：Unisense微電極的毫米級精度揭示了OPD的細微差異（如冰間湖1.8 cm vs. 海冰區(qū)3.6 cm），直接反映了有機質(zhì)輸入對氧化還原界面的影響。淺OPD指示冰間湖區(qū)更活躍的需氧代謝，但整體OPD值仍偏大，佐證了礦化動力不足。

實時過程量化：在培養(yǎng)艙實驗中，電極連續(xù)記錄氧消耗曲線（圖5），使TOU計算避免了傳統(tǒng)端點法的誤差。數(shù)據(jù)顯示ASP的TOU（1.57–3.11 mmol m?2 d?1）僅為北極區(qū)域的50%，為“高生產(chǎn)力-低底棲代謝”悖論提供了關(guān)鍵證據(jù)。

 

技術(shù)優(yōu)勢與局限性：Unisense電極的穩(wěn)定性和低溫適應(yīng)性（-1.8°C環(huán)境下漂移<3%）確保了極地數(shù)據(jù)的可靠性，但其依賴校準(zhǔn)（用底部水飽和氧與無氧水）也凸顯了極地現(xiàn)場操作的挑戰(zhàn)。這些數(shù)據(jù)為后續(xù)極地底棲研究建立了方法基準(zhǔn)，并強調(diào)需結(jié)合微電極與同位素技術(shù)以全面解析碳循環(huán)路徑。

 

綜上，Unisense電極的數(shù)據(jù)不僅量化了ASP底棲氧動態(tài)，更揭示了有機質(zhì)沉降效率的核心作用，為極地碳匯模型提供了關(guān)鍵參數(shù)。