2015, Vol. 34
2. 国家海洋局 第二海洋研究所, 卫星海洋环境动力学国家重点实验室, 杭州 310012;
3. 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
, ZHU Qing-mei1,3, ZHUANG Yan-pei1, JIN Hai-yan1,2, LI Hong-liang1, ZHANG Yang1, CHEN Jian-fang1
2. State Key Lab of Satellite Ocean Environment Dynamics, Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou Zhejiang 310012, China;
3. Key Laboratory for Coastal Ocean Variation and Disaster Prediction Technologies, Guangdong Ocean University, Zhanjiang Guangdong 524088, China
北极地区是全球大气CO2的重要汇区，贡献了全球大气CO2吸收的5％～14%(Cai et al., 2010；Bates et al., 2011)，楚科奇海对大气CO2吸收速率为11～523 Tg C y-1(Bates et al., 2009；Bates et al., 2011)。在弱光低温的高纬度海区，这一过程主要依赖于硅藻等具有较大的粒径和输出通量的浮游植物的生物泵作用来实现(Buesseler et al., 2001)。这些来自于海洋上层的生源有机颗粒物质，在海洋内部进行转化、降解、沉降，并输出深海最终埋藏进入海洋沉积物(Buesseler et al., 2001；Honjo et al., 2010)。楚科奇海的年平均生产力为350～500 g Cm-2 yr-1，最高达800 g Cm-2 yr-1(Cota et al., 1996；Hill and Cota， 2005；Mathis et al., 2009)，是北冰洋陆架区年平均生产力最高的海域。硅藻的生产力在楚科奇海可占总初级生产力的70%以上，其沉降进入底层沉积物的输出效率可达20％～32%(Moran et al., 2005；Lepore et al., 2007；Yu et al., 2012)，高于大部分中低纬度陆架边缘生源颗粒物的输出效率(<1%)(Buesseler et al., 2001)。且与赤道太平洋以放射虫骨骼为主要生物硅沉积不同，在高纬度海域的生物硅沉积以硅藻细胞为主(冉莉华等，2012)。硅藻的骨骼进入海洋沉积物后以生物硅，又称蛋白石(opal)的形式存在，与有机碳(TOC)和碳酸钙(CaCO3)等共同组成海源主要生源沉积物。海洋生源硅的分布，可以指示海洋上层浮游植物生产力的分布及其时空变化，反映海洋硅质泵的效率(Dugdale et al., 1995)，揭示现代海洋的沉积过程，是古生产力和气候学研究的一个重要指标，也为研究现代气候环境变化下的生物地球化学机制提供支撑。
由于季节性的大气升温引起海冰融化，高温低盐高营养盐的太平洋水入流(Jones et al., 1998；Woodgate et al., 2005)，以及阿拉斯加沿岸流的淡水输入等，北极地区的初级生产力(Cota et al., 1996；Hill and Cota， 2005；Walsh et al., 2005；Mathis et al., 2009；Nishino et al., 2009；Nishino et al., 2011；Coupel et al., 2015)，浮游植物群落结构(Ragueneau et al., 2002；Gradinger，2009；Questel et al., 2013)，营养级结构(Walsh et al., 2011)，CO2的吸收效率(Kaltin and Anderson， 2005；Chen and Gao， 2007；Bates et al., 2011；Gao et al., 2012；Mathis and Questel， 2013)，生源颗粒物的输出效率(Bates et al., 2005；Honjo et al., 2010；Yu et al., 2012)，水体-底栖生物的耦合作用(Hunt Jr et al., 2002；Blanchard et al., 2013)等均在发生变化，这些过程在海洋表层生源沉积物中也会有所响应。已有的研究表明，楚科奇海表层沉积物的来源以陆源高等植物和海源自生为主(张海生等，2007；李宏亮等，2008；王奎等，2008；季仲强等，2015)，且硅藻和海绵骨针等其他硅质微体化石含量较高(陈荣华等，2001；王汝建和陈荣华，2004；王汝建等，2007)，生物硅对楚科奇海的生源沉积贡献较大，且与上层水体的硅质泵过程，以及颗粒输出埋藏等过程密切相关。但由于北极区域和气候环境的特殊性，关于沉积生源硅的研究仍然较少，尤其在楚科奇海区域则更为有限。
本文通过依托第3、第4和第5次中国北极科学考察在楚科奇海采集的表层沉积物样品进行生物硅的分析，对生物硅在楚科奇海的分布进行讨论，并结合楚科奇海的区域环境变化对硅质泵和有机碳泵效率进行讨论，为揭示该区域的现代海洋沉积作用过程提供新的依据，加深对北极地区生物地球化学过程的认知。
1 材料和方法 1.1 研究区域楚科奇海是位于北冰洋的陆架边缘海，纬度跨越65°～75°N，水深较浅(<60 m)，面积约620×103 km2，位于白令海峡以北，通过白令海峡(约85 km 宽，30～50 m 深)与太平洋的白令海相连，北面以76°N 的北冰洋陆坡为界，西部通过得朗海峡与东西伯利亚海相连，在东北部巴罗角附近与波弗特海相接，东岸是阿拉斯加，北部为楚科奇海陆坡，陆坡以北为水深超过4000 m的加拿大深海平原。
楚科奇海是北冰洋和太平洋之间物质和能量交换的重要纽带，其环流体系受太平洋入流水(年流量为0.8 Sv)(Roach et al., 1995；Weingartner et al., 1998；Woodgate and Aagaard， 2005)所控制，太平洋水流入楚科奇海后分成3支，东面的1支具有低盐、低营养盐的特征，沿着阿拉斯加沿岸向东北流，经过巴罗海谷(Barrow Canyon)后转向东，形成阿拉斯加沿岸流(ACW)；另外2支盐度和营养盐较高，它们分别从Herald 浅滩的东西两侧流向北，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)，这3支流构成了楚科奇海环流的主要部分(Zhang et al., 2010；Grebmeier et al., 2006)(图 1)。为了进一步讨论，根据环流的格局，将站位分为3个区域：区域Ⅰ位于楚科奇海南部，阿纳德尔流和西伯利亚沿岸流的交界处；区域Ⅱ：楚科奇海东部阿拉斯加沿岸流影响区域；区域Ⅲ：楚科奇海北部陆坡周围(图 1)。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。楚科奇海主要的地貌特征是楚科奇洼地、楚科奇海槽和Herald 海滩，来自太平洋的具有丰富大陆物源和生物物质的暖盐水及东西伯利亚海岸流水的注入控制了现代陆架沉积。
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图 1 楚科奇海表层沉积采样站位和区域海流分布图(Grebmeier et al., 2006) Fig. 1 Sampling site in Chukchi Sea and water currents in Chukchi Sea 根据采样站位置和环流的差异，将采样站位分为3个区域：Ⅰ：楚科奇海南部 Ⅱ：楚科奇海东部 Ⅲ：楚科奇海北部 |
依托雪龙号极地考察船，分别在2008年、2010年、2012年夏季进行的中国第3次北极科学考察(CHINARE 3)、中国第4次北极科学考察(CHINARE 3)和中国第5次北极科学考察(CHINARE 5)3个航次，共采集47个表层沉积物样品，站位分布如图 1所示。第3次北极的站位包含了楚科奇海的170°W断面和阿拉斯加沿岸以北；第4次北极的采集站位包括170°W断面和楚科奇海东北部近加拿大海盆区；第5次北极的站位则主要集中在170°W断面。表层沉积物样品采集采用箱式取样器，收取最上层1～5 cm沉积物样品，置于-20℃冷冻保存直至带回实验室进行分析。
1.3 样品分析表层沉积物样品从-20℃取出后称取 15 g左右置于样品袋中，沉积物样品放入冷冻干燥器(-50℃)冷冻干燥；样品冻干后，使用研钵将样品轻轻磨细(200目左右)，然后再烘干(60℃)，室温下在干燥器中平衡1～2 h后备用。采用连续提取法(Demaster，1981；Mortlock and Froelich， 1989)来测定楚科奇海沉积物中的生物硅，固液比采用1.25 g/L，采用外推法校正非生物硅的干扰。称取50 mg左右已冷冻干燥磨细后的沉积物样品于50 mL离心管中，分别经过5 mL的10%双氧水超声30 min和5 mL的1 mol/L的稀盐酸超声30 min后用MilliQ水清洗，去除有机质和碳酸盐。之后向装有烘干样品的离心管中加入40 mL的Na2CO3溶液(2 mol/L)，置入85℃水浴锅振荡提取，分别在3h、4h、5h取出离心管，冰水浴10 min，离心(4000 r/min，6 min)，在同一位置移取0.5 mL上清液，加入24.5 mL MilliQ 水中(稀释倍数为50)，用硅钼蓝法测定溶解态的硅浓度，使用仪器为Skalar San++营养盐自动分析仪，测定方法依据Grasshoff(2007)的《海水分析方法》(Hansen and Koroleff， 2007)。
生物硅含水率一般为8％～17%，最高可达20%。对于年龄小于30 Ma的硅藻生物硅平均含水率为10%(Mortlock and Froelich， 1989)，以opal%计而对生物硅进行计算时，生物硅中含水率以10% 计算，即生物硅分子式可表示为SiO2·0.4H2O。采用opal%表示生物硅含量。
2 结果和讨论 2.1 楚科奇海表层沉积物中生物硅的分布中国第3次、第4次和第5次北极科学考察3个航次在楚科奇海区域采集了47个表层沉积物样品，楚科奇海陆架区域较广，大部分沉积物站位位于水深小于60 m的海区，个别站位在水深100～360 m之间的陆坡区域。第3次北极科学考察采集表层沉积物样品中的生物硅含量(以opal%计)为1.23％～8.78%，平均值为4.83%(图 2a、2b)，高值区分别位于区域Ⅰ和区域Ⅲ，即R断面的72°N附近和68°N附近。最高浓度站位在R03站，浓度为8.78%；第4次北极科学考察期间表层沉积物样品中测定得到的生物硅含量为1.74％～10.60%，平均值为6.48%(图 2c、2d)，两个高值区也分别位于区域Ⅰ和区域Ⅲ，即R断面的72°N～74°N和68°N附近，北部高值区的分布面积较3次北极的调查结果更大；最高值出现在SR10站位，最高含量为10.60%，与3次北极的最高值站位较为一致，但含量更高；最低值在区域Ⅱ，靠近霍普角南部的CC4站位，含量为1.74%，最低值的含量与第3次北极的样品的最低值较为一致。第5次北极科学考察采集的表层沉积物中分析得到的生物硅含量为1.67％～9.91%，平均值为4.75%(图 2e，2f)，与第3次北极采集到的样品的含量更为接近。两个高值区也分别在区域Ⅰ和区域Ⅲ，R断面的72°N附近和68°N附近；生物硅含量最高值也出现在SR10站位(9.91%)，最低值在霍普角北部附近的C03站位(1.67%)。
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图 2 楚科奇海表层沉积物生物硅采样站位及含量分布，分别为2008年的CHINARE3(a和b)， 2010年的CHINARE 4(c和d)和2012年的CHINARE 5(e和f) Fig. 2 Biogenic silica distribution in surface sediments collected in Chukchi Sea in three years. CHINARE-3 in 2008(a) and(b)，CHINARE-4 in 2010(c)and(d)， CHINARE-5 in 2012(e)and(f) |
总体来说，3次采样中生物硅含量的空间分布上基本一致，两个高值区分别均位于楚科奇海北部陆坡处的72°N(区域Ⅲ)和楚科奇海南部白令海峡北部阿纳德尔流和西伯利亚沿岸流的交界的68°N(区域Ⅰ)，低值区位于阿拉斯加沿岸流影响的阿拉斯加北部(区域Ⅱ)，其生物硅含量大部分都在3%以下。且生物硅含量的分布与水深呈现一定的关系，高值区对应其水深较浅的区域，而低值区则对应于水深较深的海域，这可能与楚科奇海的地形对颗粒物质的沉降输送有关。虽然由于3次采样站位不尽相同，导致其空间分布也略有差异，但同时也可以看出，2010年采集的沉积物样品中生物硅含量要略高于2008年和2012年，尤其在 R断面的72°N～74°N范围内，其大面积的高生物硅的分布较为显著，且在73°N以北的站位也出现了生物硅的高值，这可能与当年的海冰变化，环流差异，以及春夏季融冰季节的浮游植物生产等过程有关。
2.2 楚科奇海表层沉积生物硅分布的控制因素表层沉积物中生物硅的含量反映的是上层海洋的初级生产力及其输出沉降至底层并埋藏在沉积物中的效率过程。较高的初级生产力也支持了水体中的高颗粒有机碳含量(Bates et al., 2005；Moran et al., 2005)和陆架、陆坡和海盆区向沉积物中相对高的输出效率(Moran et al., 2005)。楚科奇海浮游植物群落受大粒径的浮游植物所主导(Cota et al., 1996；Grebmeier et al., 2006)，其输出效率快，且由于浮游动物的出现存在滞后性，75%的浮游植物初级生产会从混合层中输出(Hunt Jr et al., 2002；Mathis et al., 2007)。
此外，影响上层浮游植物初级生产的两个重要过程包括：太平洋入流带来的海洋生物泵过程的输入和海冰生物的直接输入(Stein and Fahl， 2000)。在楚科奇海，由于季节性的大气升温和高温低盐的太平洋水的入流，以及从西阿拉斯加沿岸流的输入，在相对宽广而浅的陆架区在夏季存在无冰区； 由于高营养盐的水体流经白令海峡，且海冰消退，使得光限制消失，支持了楚科奇海夏季的高浮游植物生产(Cota et al., 1996；Hill and Cota， 2005)，尤其是硅藻的勃发。与此同时，海冰融化也向水体提供大量冰生硅藻，使得硅藻生产力达到峰值期。因而，楚科奇海的环流格局和海冰的变化影响着上层水体的硅质生产力，并进一步调控生物硅从水体的输出沉降和在表层沉积物的埋藏。
2.2.1 楚科奇海环流格局沉积生物硅的低值区位于阿拉斯加沿岸，高值区位于楚科奇海陆坡处(72°N)和楚科奇海南部白令海峡北部阿纳德尔流和西伯利亚沿岸流的交界处(68°N)，这一分布则与楚科奇海的环流体系密切相关。在170°W的R断面，主要受来源于北太平洋水的低温、高盐、高营养的阿纳德尔流(AW)的影响，而东部则主要受高温、低盐、低营养盐的阿拉斯加沿岸流(ACW)的影响(Walsh et al., 1989)，这两个流本身所携带的营养盐的差异导致了他们各自所流经区域的生产力的差异(李宏亮等，2011)。北纬71°以北断面的高值来源于阿纳德尔流，高硅酸盐的阿纳德尔流经哈罗德峡谷之后折向西流，引起硅质生物的生长，生产力高，促进了生物硅的沉积；而由白令海峡进入楚科奇海的阿拉斯加近岸流是一股高温低盐的水团，营养盐匮乏，其流经的阿拉斯加近岸一带海域为低生产力区域，沉积作用弱。
在楚科奇海的170°W断面，表层的营养盐浓度明显低于跃层以下水体的营养盐浓度，存在由于浮游植物吸收利用和融冰水稀释的作用(李宏亮等，2011)。而在跃层以下位置，溶解无机氮、磷酸盐和硅酸盐在68°N和72°N 存在两个高值区中心，且硅酸盐的高值中心在72°N的位置更加明显(李宏亮等，2011)，其营养盐在水柱中的格局指示着上层水体的浮游植物旺发和底层有机质降解引起的营养盐矿化再生。
楚科奇海的叶绿素和初级生产力的结果表明，二次北极科学考察时，楚科奇海陆架区的叶绿素a浓度在0.039～30.390 μg/L，以小粒径(net，>20 μm)的小型浮游植物对叶绿素和生产力的贡献占优势(刘子琳等，2007)；2012年的第五次北极科学考察的结果显示(乐凤凤等，2014)，叶绿素a浓度的变化范围为0.32～15.66 μg/L，初级生产力的范围在50.11～943.28 mgC m2 d-1，也是以小粒径(net，>20 μm)的小型浮游植物的贡献最大，因而小粒径(net)级的浮游植物(如硅藻等)在楚科奇海上层海洋中的生产占绝对优势。楚科奇海的叶绿素的高值区出现在南部邻近白令海峡海域和冰缘区，且最高值出现在冰缘水华区(乐凤凤等，2014)。这两个浮游植物叶绿素和生产力的高值区的位置与我们所测得到的表层沉积物中的生物硅的含量高值区基本一致，因而表明，楚科奇海的表层沉积硅的高值区的分布受上层浮游植物初级生产的影响非常显著。
受营养盐输入、海冰的变化、环流等差异的影响，海洋上层的初级生产力水平会有所差异，而表层浮游植物的群落结构和生物量，也会进一步影响到生源颗粒物质的沉降和输出效率。浮游植物光合色素的分析结果(庄燕培，未发表数据)显示，在受阿纳德尔流影响的区域，主要以硅藻占优势，而在受阿拉斯加沿岸流影响的区域，则主要以微型和微微型的浮游植物占优势。由于楚科奇海环流的变化，伴随着营养盐的差异，以及浮游植物群落结构的差异，进而影响到上层颗粒物质的输送和埋藏，也可以解释阿拉斯加沿岸的站位出现沉积生物硅含量的低值区。
2.2.2 海冰变化海冰的卤水通道中富含营养盐，初级生产力丰富(Søreide et al., 2006)，分布着冰藻、极地冰藻等生产者。海冰对初级生产力的影响机制主要包括两个方面：一是冰融使光辐射程度显著增加，温度升高，促进浮游植物的光合作用；二是海冰中普遍存在藻类(如硅藻类的聚生角毛藻等)的休眠孢子进入水中萌发(刘子琳等，2007)。夏季融冰期，海冰中富含营养盐的卤水释放到海水中，补充海水的营养物质，同时海冰中的生源颗粒通量和藻类“种子”伴随海冰融化过程直接提供给水体(Riebesell et al., 1991；刘子琳等，2007)，致使北冰洋部分陆架区成为全球生产力最高的海区之一(Feder，1994)。因此海冰对极地初级生产力极为重要。研究表明，在冰边缘区海冰消融贡献的初级生产力占总初级生产力的60%以上(Legendre et al., 1992)，海冰覆盖面积90%以上的海域高达64%(Gosselin et al., 1997)。北极硅藻对海冰变化响应显著，在最大冰缘线以北海域，由于常年被冰雪覆盖，表层沉积物中的硅藻种类极少甚至缺失，但在最小冰缘线以南海域，由于季节性海冰的影响，海冰硅藻含量甚为丰富(冉莉华等，2012)。
近20年来楚科奇海平均最小冰边缘在70°N左右(http://www.nodc.noaa.gov/)，楚科奇海夏季生物量高值区在70°N～74°N之间。根据图 2的显示，2010年的第4次北极科学考察采集的样品的沉积生物硅的最高值位于72°N～74°N，较2008年和2012年的样品的高值要更偏北，其含量也更高。而这3年最显著的差异即为海冰的变化，2010年航次的海冰融化最为显著(http://www.nodc.noaa.gov/)。海冰消退一方面光辐射程度的显著增强，光限制消失，另一方面是海冰中普遍存在藻类(如硅藻类的聚生角毛藻等)的休眠孢子，进水中即可萌发(杨清良等，2002)。另一方面，生长在海冰底部的冰藻的释放也会大大贡献水柱中的生源颗粒物的向下输送和埋藏(Zhang et al., 2010；Zhang et al., 2015)。模式的研究显示，楚科奇海的冰藻旺发一般发生在6月中旬或者7月中旬，且冰藻在海冰中的生长面积约为8%，且以2% yr-1的速度在增加。冰藻对初级生产力的贡献可以超过50％，在北冰洋陆架区水体中，冰藻对初级生产力的贡献也在4％～25％之间(何剑锋，2005)。因而由于海冰融化、光照增强、营养盐增加以及海洋环流的增强，冰藻在上层海洋初级生产的贡献不容小觑。在2010年的第4次北极科学考察采集的样品的沉积生物硅的最高值位于72°N～74°N，该区域位于冰边缘的区域，这一最高值的形成可能与高营养盐的阿纳德尔流的输入提供的高浮游植物生产、较浅的海底地形(哈罗德浅滩)、以及冰藻的贡献相关。
2.2.3 生物泵碳和硅的沉积除了上层水体的初级生产力的贡献差异外，硅在海底沉积物中的再循环受控于沉积物的埋藏与混合，生物硅溶出，溶出的硅酸盐的输送以及自生硅酸盐矿物的沉淀。除了与上层海洋的初级生产有关外，表层沉积物中生物硅的含量分布还与沉积物粒度、水动力因素和水体溶解氧含量等保存条件有关(李宏亮等，2008)。沉积生物硅的另一个相对高值区位于楚科奇海南部白令海峡北部阿纳德尔流和东西伯利亚沿岸流的锋面处(68°N)，营养盐丰富，生产力高，使得沉积到表层沉积物中的硅质生产力也较高，与之前的结果较为一致(王汝建等，2007)。而白令海峡由于水流较强(20 cm/s)(Woodgate and Aagaard， 2005)，生源颗粒物质侧向运动明显(李宏亮等，2008)，从而使得白令海峡附近高值的水体颗粒生物硅随环流向北输送，到达68°N附近的哈罗德浅滩周围，贡献了部分高值的沉积生物硅。
总体而言，楚科奇海表层沉积物中生物硅的分布主要受控于其上层水体的初级生产力的大小，而影响该海区上层初级生产力的两个重要因素分别为以太平洋入流影响为主的环流格局的差异和海冰的影响。而生物硅的埋藏则与其保存环境和该区域底层的水动力条件密切相关。
2.3 硅质泵及对生物泵结构的指示意义海洋生物泵，是对海洋去除大气CO2的能力的描述，其主要包括生源颗粒的产生、转化、输送和埋藏。从海洋对大气CO2的调节出发，主要关注两个问题：一是海洋生物泵的效率，通常用海洋上层颗粒有机碳的输出通量来衡量(Buesseler et al., 2001;Honjo et al., 2010)；二是生物泵的结构，主要包括浮游生物的组成和粒度分布(陈建芳，2005)。一般包括碳酸盐泵和硅质泵，碳酸盐泵输出通量不高，但2000 m以下通量与真光层输出通量比例高。碳酸盐泵主导时，沉降颗粒以碳酸钙为主，一般Sibio/Corg值较低，Cinorg/Corg值较高；而当硅质泵占主导时，沉降颗粒以蛋白石为主，相应的比例特征是Sibio/Corg值高，而Cinorg/Corg值较低。因而Sibio/Corg值较高时，海洋对大气CO2的吸收能力会增加，当Sibio/Corg值较低时，会降低海洋对大气的吸收能力。且由于硅藻的硅质外壳抗溶解能力强，易于在沉积物和地层中保存，其保存效率较有机碳高(Ragueneau et al., 2000)。沉积物中的生物硅无论是从来源还是保存都和有机质存在着密切的关系。通过有关生物地球化学参数的比值，如蛋白石/有机碳(Sibio/Corg)、无机碳/有机碳(Cinor/Corg)等在世界海洋中的分布差异，可以反映生源颗粒物质的组成特征，也可以较好的表征生物泵的组成结构(Pichevin et al., 2014)。
硅质泵在输向深海过程中在海洋上层的矿化作用比较强烈，生源硅的埋藏受诸多因素的影响(Ragueneau et al., 2000)。根据沉积物捕获器的资料，随着大洋传送带的输送，Sibio/Corg值逐渐增加，表明在水体中对Si的富集比对氮和磷要更多(Ragueneau et al., 2000)。且在陆架边缘海等上升流区域，生物硅的埋藏与铁限制相关，当存在铁限制时，生物硅的埋藏会增加(Pichevin et al., 2014)。总体而言，根据全球海洋沉积物捕获器的分析结果基本表明有机碳的输出通量和蛋白石的输出通量有很好的相关性。Higginson等(2003)指出在楚科奇海，硅质浮游植物是生物泵沉降有机碳的主要贡献者。根据我们获得的表层沉积物中生物硅和有机碳(张扬，未发表)的数据显示，楚科奇海表层沉积物中的生物硅和有机碳之间也存在很好的相关关系(图 3)，且第3次、第4次、第5次在北极考察采集的沉积物的结果基本一致，反映了楚科奇海的表层沉积物中硅质泵对生物泵的重要贡献。
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图 3 表层沉积物中蛋白石/有机碳(Sibio/Corg)的值 Fig. 3 Opal and organic carbon ratio in surface sediments collected in Chukchi Sea in CHINARE 3，CHINARE 4，CHINARE 5 |
在全球海域的生源颗粒中，北太平洋和南大洋是较为显著的硅质泵的作用较为重要，蛋白石/有机碳(Sibio/Corg)的值较高(表 1)。在太平洋为1.75～3.31，平均值为2.18；在南大洋中这一比例可达4.41，均显示出较为显著的硅质泵主导的特征。这一结果与Pichevin等(2014)对全球大洋的硅的输出通量和Sibio/Corg值结果较为一致，北大西洋和南大洋是硅的埋藏通量最大的两个海区，其通量可达600～1000 mmol m-2 yr-1。在赤道太平洋、印度洋和大西洋区域，蛋白石/有机碳(Sibio/Corg)的比值相对较低。虽然大部分的数据来源于沉积物捕获器的结果，我们根据对表层沉积物中生物硅和有机碳平均后的结果显示，在楚科奇海，蛋白石/有机碳(Sibio/Corg)的值与北太平洋相当，低于南大洋的蛋白石/有机碳(Sibio/Corg)的值。表明该海区与南大洋、西北太平洋相似，生物泵效率极高，且主要是硅质泵的输出效率的贡献，使得楚科奇海成为全球海洋吸收大气CO2重要的汇之一。
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表 1 世界海域生源颗粒的组成与生物泵结构汇总 Table 1 Summary of biogenic particles composition and biological pump structure in world oceans |
从空间区域上看，楚科奇海北部和南部的蛋白石/有机碳(Sibio/Corg)的比值略高于楚科奇海东部，且同为生产力的高值区，楚科奇海北部冰边缘区的蛋白石/有机碳(Sibio/Corg)也略高于南部。一方面表明，在楚科奇海初级生产力的高低控制着生源颗粒沉积的输出和埋藏；另一方面，在楚科奇海海冰边缘附近的生物泵效率略高于无冰区海域的生物泵效率，海冰的变化以及伴随的效应对楚科奇海生物泵格局的影响值得进一步的研究。
3 结论(1)楚科奇海的表层沉积物的生物硅的含量在1.23％～10.60%，其中三次北极样品的生物硅含量在1.23％～8.75%，平均值为4.83%；四次北极样品的生物硅含量在1.74％～10.60%，平均值为6.48%；五次北极样品的生物硅含量在1.67％～9.91%，平均值为4.75%。三次采样中生物硅含量的空间分布上基本一致，两个高值区分别均位于楚科奇海陆坡处(72°N)和楚科奇海南部白令海峡北部阿纳德尔流和西伯利亚沿岸流的交界处(68°N)，低值区位于阿拉斯加沿岸流影响的阿拉斯加北部，其生物硅含量大部分都在3%以下。
(2)楚科奇海表层沉积物中生物硅的分布与上层水体的初级生产力、楚科奇海的环流格局、海冰融化以及其自身的保存等因素有关。高初级生产力支持了水体中的高的生源颗粒及其在沉积物中的较高的埋藏效率；来源于北太平洋水的低温、高盐、高营养的阿纳德尔流(AW)和楚科奇海东部高温、低盐、低营养盐的阿拉斯加沿岸流(ACW)的相互影响，引起了他们各自所流经区域的生产力的差异，从而影响了底层的沉积生源颗粒的埋藏；沉积生物硅的最高值位于72°N～74°N的海冰边缘区，除了与该区域高营养盐的阿纳德尔流的输入所提供的高浮游植物生产、较浅的海底地形(哈罗德浅滩)外，可能也与冰藻的贡献相关。
(3)楚科奇海表层沉积物中的生物硅和有机碳之间也存在很好的相关关系，蛋白石/有机碳(Sibio/Corg)值为1.6～2.02，与北太平洋相当，略低于南大洋。表明楚科奇海较高的生物泵效率，尤其是硅质泵对生物泵的贡献和较高的输出效率，使得楚科奇海成为全球海洋吸收大气CO2重要的汇之一。
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