何映雪，林 峰，陳 敏，張 潤，楊偉鋒，鄭敏芳，邱雨生

(廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院，福建 廈門 361102)

碳、氮穩(wěn)定同位素常被用于海洋生態(tài)系統(tǒng)食物鏈營養(yǎng)等級的分析、有機物來源與歸宿的確定以及消費者食物來源組成等方面的研究中[1-2]，其應(yīng)用前提在于不同來源有機物的碳(13C/12C)、氮(15N/14N)同位素比值具有特異性．然而，有機物的同位素組成除受來源影響外，還受到海洋生物地球化學(xué)過程的影響[3-4]．準確掌握海洋生態(tài)系統(tǒng)中有機物碳、氮同位素組成的分布特征及其影響因素，是將其應(yīng)用于海洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)．海水中的顆粒有機物主要由陸源碎屑和生源顆粒構(gòu)成，是海洋生態(tài)系統(tǒng)中高營養(yǎng)級生物的營養(yǎng)來源之一，并可根據(jù)其組成反映自然和人類活動的影響[5]．開展海水顆粒有機碳(POC)、顆粒氮(PN)同位素的研究，將有助于更好地分辨海洋有機物的來源，揭示影響其同位素組成的因素，進而評判海域高營養(yǎng)級生物的食物來源．

北部灣位于我國南海西北部，三面陸地，一面鄰海，面積約為1.293 × 105km2，地理位置介于105.5°～110.0°E，16°～22°N之間，屬于熱帶、亞熱帶的半封閉淺海灣．北部灣東臨海南島、瓊州海峽和雷州半島，并通過瓊州海峽與廣州灣相通，北接廣西壯族自治區(qū)，西臨越南．北部灣海底地形平坦，平均水深38 m，灣內(nèi)最大水深100 m，北部等深線大致平行于海岸線．北部灣海域季風(fēng)盛行，每年11月至次年3月盛行東北風(fēng)，6至8月盛行西南風(fēng)．位于北部灣東部的瓊州海峽介于海南島和雷州半島之間，長約20 km，平均水深100 m[6-8]．此前已開展過北部灣水文學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等方面的研究，北部灣冬、夏季的環(huán)流結(jié)構(gòu)特征具體表現(xiàn)為：冬季海水在強而穩(wěn)定的東北季風(fēng)作用下垂向混合均勻，斜壓性很弱，主要表現(xiàn)為氣旋型正壓風(fēng)生流；灣中部107.5°E，18.5°N附近被一大范圍逆時針環(huán)流所控制，南部灣口也存在一個不閉合的逆時針環(huán)流，外海水由海南島南部和瓊州海峽進入，順越南沿岸流出．夏季的正壓風(fēng)生流結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，灣西北形成一個扁長的橢圓形反氣旋環(huán)流，內(nèi)含兩個小范圍反氣旋渦，灣頂和灣中均形成小氣旋型環(huán)流，灣口處則形成不閉合的反氣旋型環(huán)流[9]．黃以琛等[10]分析了北部灣夏、冬季海表溫度、葉綠素及濁度的分布特征，并引入葉綠素與濁度的比值探討濁度的控制因素，揭示徑流、環(huán)流、風(fēng)場和地形對北部灣上層水體環(huán)境要素的調(diào)控機制，結(jié)果表明，夏季北部灣海表溫度分布較為均勻，葉綠素濃度和濁度值沿岸較高，外海較低．沿岸流海域濁度的主要影響因素是陸源物質(zhì)輸入和沉積物再懸浮，上升流海域則是浮游植物影響為主．張潤[11]利用15N2示蹤法實測了北部灣海域的生物固氮速率，給出了固氮速率的時空分布，評估了生物固氮作用對研究海域生物生產(chǎn)力的貢獻．

本研究實測了春季北部灣北部海域水體懸浮POC、PN濃度及其同位素組成，目的在于揭示它們在研究海域水柱中的分布特征及其影響因素，為應(yīng)用碳、氮同位素開展北部灣食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的分析奠定基礎(chǔ)．

1 方 法

1.1 樣品采集

表1 春季北部灣北部海域的溫度、鹽度、POC、PN濃度及其同位素組成Tab.1 Temperature,salinity,concentrations of POC and PN and their isotopic composition in the northern Beibu Gulf in spring

研究樣品采集于2011年4月，由廣東海洋大學(xué)“天鷹號”科考船實施，采集了瓊州海峽西側(cè)海域和灣頂部沿岸海域共14個站位不同深度的海水樣品．在14個采樣站位中，欽州灣外圍海域(HB05、HB17、HB18和HB21站)和鐵山港外圍海域(HB19、HB29、HB30和HB32站)除HB21站水深超過30 m外，其他站位的水深均不超過20 m；瓊州海峽西側(cè)海域(HB01、HB12、HB23、HB24、HB35和HB40站)由于海底地形起伏，水深變化較大，HB24站水深僅16.5 m，而HB40站水深達50 m(圖1，表1)．

圖1 春季北部灣北部海域的采樣站位Fig.1 Sampling locations in the northern Beibu Gulf in spring

各研究站位均采集了由表及底4～5層的水樣(表1)，水樣由CTD-rossette采水器采集，溫度、鹽度數(shù)據(jù)來自CTD記錄．海水中的顆粒物于船上利用預(yù)先高溫灼燒過(450 ℃，4 h)的GF/F濾膜過濾收集，過濾體積為4 L．所收集顆粒物樣品于60 ℃下烘干，冷凍保存至陸地實驗室進行POC、PN濃度及其同位素組成的分析．

1.2 POC、PN濃度及其同位素組成的分析

顆粒物樣品帶回陸地實驗室后，置于裝有濃鹽酸的干燥器中酸熏48 h，去除其中的無機碳酸鹽成分，之后用Milli-Q水洗滌至中性，在60 ℃下烘干至恒質(zhì)量，進行碳、氮濃度及其同位素組成的測量．通過元素分析儀(Carlo Erba NC2500)和同位素比值質(zhì)譜儀(Finnigan MAT DeltaplusXP)聯(lián)機測定碳、氮濃度及其同位素組成[12-13]，POC、PN的測量精度好于6%．碳、氮同位素組成用δ值表示：

其中δsample代表樣品中顆粒有機物的δ13C或δ15N；Rsample代表實測的13C/12C或15N/14N比值；Rstandard代表標準物質(zhì)的13C/12C或15N/14N比值．以美國南卡羅萊州白堊系皮狄組擬箭石(PDB)和大氣氮分別作為碳、氮同位素分析的標準．在實際樣品測定過程中，為確保測量過程中儀器的穩(wěn)定性及所得同位素比值的準確，每間隔10份待測樣品穿插一份標準物質(zhì)進行測量，δ13C、δ15N測量的標準偏差均小于0.2×10-3．

圖2 北部灣北部海域水柱平均溫度(a， ℃)和鹽度(b)的分布Fig.2 Distribution of the averaged temperature (a, ℃) and salinity (b) in water column in the northern Beibu Gulf

1.3 數(shù)據(jù)處理

鑒于本研究的目的在于揭示水柱中顆粒有機物及其同位素組成的變化，以便后續(xù)與水柱垂直拖網(wǎng)(未分層)所采集浮游植物、浮游動物的碳、氮同位素組成進行對比，因此，文中給出的POC、PN濃度，C/N比(摩爾比，下同)，δ13C和δ15N均為各研究站位整個水柱的平均值，具體由各層位各要素的測值取算術(shù)平均計算獲得．盡管這樣的處理損失了各要素垂直分布的細結(jié)構(gòu)特征，但更有利于反映其空間變化規(guī)律，也利于未來與網(wǎng)拖生物測值的比較．

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度和鹽度的分布

春季研究海域水柱的平均溫度介于19.82～22.63 ℃之間，平均為(21.26±0.85) ℃(n= 14)(表1)．溫度的高值出現(xiàn)在灣頂部鐵山港和防城港的外圍海域，低值出現(xiàn)在瓊州海峽西側(cè)海域(圖2(a))．HB01、HB12、HB21和HB23站水柱的平均溫度較低，與該區(qū)域近底層存在冷水團有關(guān)．孫湘平[14]指出，北部灣北部冷水團是由北部灣中部冬季低溫混合水在春末、初夏溫躍層形成后殘留在深槽中形成，它出現(xiàn)在4月，6—7月最強，9月消失，持續(xù)時間約5個月．該冷水團與南部灣口的底層冷水并不相通，而是獨立存在的，是在北部灣有利地形條件下當?shù)匦纬傻模?/p>

研究海域水柱平均鹽度的變化范圍為32.10～32.87，平均為(32.48±0.24)(n=14)(表1)．鹽度高值出現(xiàn)的區(qū)域?qū)?yīng)于溫度低值區(qū)域，同樣反映出冷水團的影響．鹽度低值出現(xiàn)在灣頂部鐵山港和防城港的外圍海域，表明這些區(qū)域受淡水影響較為明顯(圖2(b))．

2.2 POC、PN濃度和C/N比的分布

水柱平均POC濃度的變化范圍為2.75～10.97 μmol/L，平均為(6.27±3.12) μmol/L(n=14)(表1)．POC高值出現(xiàn)在鐵山港外圍海域的HB29和HB30站，最低值出現(xiàn)在灣中部的HB01站(圖3(a))．

水柱平均PN濃度的變化范圍為0.56～1.76 μmol/L，平均為(1.10±0.47) μmol/L(n=14)(表1)．與POC分布類似，PN濃度的最高值也出現(xiàn)在鐵山港外圍海域的HB29站，最低值出現(xiàn)在灣中部的HB01站(圖3(b))．

POC和PN的水平分布總體上表現(xiàn)為灣頂部鐵山港外圍海域(HB19、HB29、HB30、HB32站)較高，其次是欽州灣外圍海域(HB05、HB17、HB18、HB21站)，低值區(qū)位于瓊州海峽西側(cè)海域(HB01、HB12、HB23、HB24、HB35、HB40站)(圖3(a)，(b))．

圖3 北部灣北部海域水柱平均POC(a，μmol/L)、PN(b，μmol/L)和C/N比(c)的分布Fig.3 Distribution of the averaged POC (a,μmol/L),PN (b,μmol/L) and C/N ratio (c) in water column in the northern Beibu Gulf

水柱顆粒有機物C/N比的變化范圍為4.69～6.45，平均為(5.52±0.60)(n=14)(表1)．最高值出現(xiàn)在欽州灣外圍海域的HB17站，最低值出現(xiàn)在瓊州海峽西側(cè)海域的HB23站．總體上看，灣北部沿岸海域顆粒有機物的C/N比(5.98±0.32)要高于瓊州海峽西側(cè)海域(4.91±0.18)(表1，圖3(c))．

2.3 POC、PN同位素的分布及其影響因素

水柱顆粒有機物的δ13C介于-23.5×10-3～-18.9×10-3之間，平均為(-21.3±1.3)×10-3(n=14)(表1)．δ13C最高值出現(xiàn)在HB32站，最低值位于HB01站，總體上表現(xiàn)為自東向西降低的趨勢(圖4(a))．

顆粒有機物δ15N介于3.8×10-3～8.7×10-3之間，平均為(6.1±1.5)×10-3(n= 14)(表1)．最高值出現(xiàn)在HB19站，最低值出現(xiàn)在HB35站．δ15N的空間分布具有如下特征：鐵山港外圍海域最高，欽州灣外圍海域次之，瓊州海峽西部海域最低(圖4(b))．

圖4 春季北部灣北部海域水柱顆粒有機物平均δ13C(a，10-3)和δ15N (b，10-3)的分布Fig.4 Distribution of the averaged δ13C (a,10-3) and δ15N(b,10-3) in water column in the northern Beibu Gulf in spring

根據(jù)POC、PN、C/N比、δ13C、δ15N的空間分布，研究海域可分為欽州灣外圍海域、鐵山港外圍海域和瓊州海峽西側(cè)海域3個區(qū)域，它們具有不同的POC、PN濃度及碳、氮同位素組成特征.

欽州灣外圍海域在3個區(qū)域中具有最低的δ13C((-22.3±0.8)×10-3)，以及居中的POC濃度((6.62±2.14) μmol/L)、PN濃度((1.12±0.38) μmol/L)、C/N比(5.95±0.35)和δ15N((6.2±0.3)×10-3)，較低的δ13C反映出欽州灣外圍海域的顆粒有機物受陸源輸入影響較大(圖5)．一般而言，陸源有機物的δ13C明顯低于海源有機物[15-16]．對于陸源輸入的PN，其同位素組成與來源有關(guān)，土壤氮的δ15N變化較大(-10×10-3～15×10-3)，大多在2×10-3～5×10-3之間，化學(xué)氮肥的δ15N一般為(0±3)×10-3，而人類生活污水顆粒有機物的δ15N一般為10×10-3～20×10-3[17]．欽州灣外圍海域顆粒有機物的δ15N平均值為6.2×10-3，反映出該區(qū)域的PN可能主要來自土壤氮的貢獻．

鐵山港外圍海域在3個區(qū)域中具有最高的δ15N((7.6±1.0)×10-3)，以及較高的δ13C((-20.6±1.3)×10-3)，且顆粒有機物C/N比(6.00±0.34)接近于Redfield比值，這些均表明，鐵山港外圍海域的顆粒有機物主要來自生源的貢獻(圖5)．該區(qū)域的POC((10.13±0.99) μmol/L)、PN濃度((1.68±0.08) μmol/L)明顯高于其他2個區(qū)域，說明其生物活動比較活躍．同航次初級生產(chǎn)力的研究表明，鐵山港外圍海域的初級生產(chǎn)力在3個區(qū)域中是最高的，其水柱平均生產(chǎn)力是其他2個區(qū)域的1.5～7.3倍[18]，可為以上論述提供佐證．該區(qū)域較高的初級生產(chǎn)力會通過生物吸收無機碳過程中的同位素分餾導(dǎo)致其顆粒有機物的δ13C較高[12,19-20]．

瓊州海峽西側(cè)海域的顆粒有機物表現(xiàn)出明顯不同的特征，其POC((3.46±0.65) μmol/L)、PN濃度((0.70±0.13) μmol/L)、C/N比(4.91±0.18)和δ15N((4.6±0.5)×10-3)是3個區(qū)域中最低的，而δ13C居中((-21.2±1.4)×10-3)(圖5)．這些結(jié)果說明，瓊州海峽西側(cè)海域水體受到了南海外海水的較明顯影響，從而呈現(xiàn)低POC、PN濃度的特征．張國榮等[21]對春季北部灣水體運輸特征的研究表明，春季南海外海水可從瓊州海峽東口向西流動進入北部灣，這與本研究在瓊州海峽西側(cè)海域觀察到低的POC、PN濃度相吻合．瓊州海峽西側(cè)海域的顆粒有機物呈現(xiàn)低δ15N和C/N比的特征，反映了生物固氮作用的影響．同航次利用15N2示蹤法開展的生物固氮作用研究表明，瓊州海峽西側(cè)海域的生物固氮速率比其他區(qū)域明顯高得多[22]．在生物固氮作用較為活躍的海域，因為固氮生物可直接利用大氣N2形成低15N豐度的營養(yǎng)鹽和有機物，由此導(dǎo)致在存在生物固氮作用的海洋生態(tài)系統(tǒng)中，顆粒有機物的δ15N和C/N比往往較低[23]．

圖5 春季北部灣北部海域δ13C、δ15N與 C/N比的關(guān)系Fig.5 The relationship among δ13C，δ15N and C/N ratios in the northern Beibu Gulf in spring

3 結(jié) 論

春季北部灣北部海域POC、PN濃度及其同位素組成的空間分布表明，研究海域顆粒有機物主要受陸源、生物初級生產(chǎn)過程和生物固氮作用的影響，其中欽州灣外圍海域的顆粒有機物受陸源輸入影響較大，呈現(xiàn)低δ13C的特征；鐵山港外圍海域的顆粒有機物主要受生物初級生產(chǎn)過程所調(diào)控，具有高POC、PN濃度、高δ15N的特征；瓊州海峽西側(cè)海域的POC、PN濃度較低，更接近于南海外海水的特征，與此同時，該海域顆粒有機物的δ15N和C/N比較低，說明其受生物固氮作用的影響較為明顯．

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