白令海及西北冰洋有機質(zhì)來源與新鮮程度的脂肪酸指示

李科，金海燕,2，趙香愛，莊燕培，季仲強，張揚，陳建芳,2

( 1. 自然資源部第二海洋研究所 自然資源部海洋生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)重點實驗室，浙江 杭州 310012；2. 衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室，浙江 杭州 310012)

1 引言

過去幾十年，北冰洋是全球變化最顯著的海區(qū)之一，大氣及海表升溫、海冰消融是其主要特征[1–4]。伴隨著升溫與海冰消融，北冰洋的物理化學(xué)生物性質(zhì)正發(fā)生一系列強烈且持續(xù)的變化；預(yù)計在將來幾十年，北冰洋還將以同樣、甚至更強烈的速率發(fā)生變化[5–9]。

“生物泵”是指海洋中的初級生產(chǎn)者通過光合作用將大氣CO2固定為顆粒有機碳，沉降至海底，埋藏在沉積物中的過程，具有降低大氣CO2的能力。北冰洋的“生物泵”如何響應(yīng)北極快速變化，是全球碳循環(huán)研究中的一個關(guān)鍵問題[10–12]。

北冰洋具有全球最為寬廣的大陸架，在大陸架埋藏的有機質(zhì)占全北冰洋的70%以上[13]。其中，西北冰洋的楚科奇海陸架由于生產(chǎn)力高，生物粒徑大，水溫低等特點，“生物泵”效率遠(yuǎn)高于其他區(qū)域[14–15]。未來，開闊水域增加[16]與太平洋入流增強[17]導(dǎo)致的生產(chǎn)力升高可能會促進(jìn)“生物泵”的運轉(zhuǎn)；但浮游植物小型化[18]、水溫升高[19]、浮游食物鏈增強[20]等又能影響“生物泵”結(jié)構(gòu)，降低其效率。為了更好預(yù)測未來“生物泵”的變化，需加深對現(xiàn)代“生物泵”的理解。

沉積物中生源指標(biāo)為理解有機質(zhì)的生產(chǎn)、沉降與保存提供了重要信息[21–22]。白令海與西北冰洋已開展大量生源指標(biāo)工作，包括有機碳（Corg）[23]、生物硅（BSi）[24–25]、綠 素（chlorin）[26]、類 脂 生 物 標(biāo) 志 物[27–28]等。前人工作表明，西北冰洋陸架是非常高效的有機碳匯區(qū)，而且沉降有機碳以海洋自生來源為主，主要由較大粒徑的硅藻（＞20 μm）貢獻(xiàn)[29–30]，其他藻類有機質(zhì)所占的比例較小。這些海源自生有機質(zhì)通過硅藻殼體的“壓艙”效應(yīng)，快速地沉降到海底，不僅形成了高效的“生物泵”，還支撐了大量底棲生物[31]。但是，前人工作主要運用了化學(xué)性質(zhì)較為保守的生源指標(biāo)，雖然指示了有機質(zhì)的來源，但未反映有機質(zhì)新鮮程度。沉降有機質(zhì)新鮮程度也是“生物泵”結(jié)構(gòu)的重要特征：新鮮有機質(zhì)能夠支撐起更大生物量，同時對于環(huán)境的變化也更加敏感。

脂肪酸作為沉積物中含量最豐富的脂類生物標(biāo)志物之一，廣泛應(yīng)用于有機質(zhì)的來源與保存研究中[32–34]。一方面，沉積物中脂肪酸的組成，可為有機質(zhì)的來源提供線索[32]。不同來源的脂肪酸，其碳鏈長度及構(gòu)型、雙鍵的數(shù)目及位置存在差異。特定物種還有合成特征脂肪酸的能力[32,35]：海洋浮游植物的脂肪酸以短鏈偶碳數(shù)脂肪酸（12:n～20:n）為主，硅藻的特征脂肪酸為16:1ω9，綠藻主要以18:1、18:2為特征脂肪酸；陸地高等植物主要為長鏈偶碳飽和脂肪酸（22:0～30:0）；而細(xì)菌則以支鏈及奇數(shù)碳鏈脂肪酸為主。另一方面，脂肪酸，特別是短鏈飽和脂肪酸及不飽和脂肪酸，也是十分易于降解的有機質(zhì)，脂肪酸含量的多少，可以在一定程度上代表沉積物中有機質(zhì)的新鮮程度，從而為“生物泵”結(jié)構(gòu)提供指示意義[10,33]。

西北冰洋陸架區(qū)表層沉積物的脂肪酸研究較為有限，僅在十幾年前有加拿大的研究者對楚科奇海的兩個站位的沉積物柱樣進(jìn)行過脂肪酸分析[33,36]。結(jié)果表明，西北冰洋陸架區(qū)表層沉積物脂肪酸含量豐富，高于北冰洋其他海區(qū)。但以上工作的樣本量過小，在缺乏代表性的同時，也難以反映脂肪酸的空間分布差異與影響因素。

本文依據(jù)白令海與西北冰洋表層沉積物中脂肪酸的分布與組成，結(jié)合主成分分析（Principal Components Analysis，PCA）的統(tǒng)計手段，對楚科奇海以及白令海有機質(zhì)的來源與新鮮程度進(jìn)行了分析，并嘗試探討北極快速變化對以上區(qū)域“生物泵”可能造成的影響。

2 采樣站位及研究方法

2.1 采樣站位及方法

本研究所分析的表層沉積物樣品依托第五次、第六次中國北極科學(xué)考察航次采集，共33個站位，分布于白令海盆、楚科奇海盆、加拿大海盆（圖1），采樣時間分別為2012年夏季與2014年夏季。表層沉積物用箱式采樣器獲取，取表面0～1 cm。沉積物在采集后保存于–20°C冷庫，直至進(jìn)一步處理。

圖1 采樣站位Fig. 1 Sample Locations

2.2 脂肪酸化學(xué)處理及氣相色譜分析方法

樣品前處理及儀器分析測試工作于自然資源部海洋生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)重點實驗室進(jìn)行。沉積物在遮光、低溫（–45°C）環(huán)境下真空干燥，而后在1個月內(nèi)完成前處理及上機測試。

脂肪酸前處理方法運用Budge等[37]對Folch等[38]進(jìn)行改良后的方法：取2 g干燥、研磨后的沉積物，加入內(nèi)標(biāo)（十九烷酸（19∶0），NU-CHEK）后，先以5 mL甲醇（CH3OH）超聲萃取（200 W超聲功率，5 min；3000 r/min，10 min），再用5 mL二氯甲烷/甲醇（2∶1，V/V）超聲萃取兩遍。將萃出液在低溫水浴下氮吹濃縮，加銅粒去硫后，加入4 mL KOH / CH3OH（0.5 mol/L）溶液，在90°C下皂化2 h。用正己烷萃取出中性組分后，在剩余液體中加入10%鹽酸至pH ＜ 1，繼續(xù)用正己烷萃取出酸性組分（主要為脂肪酸）。將酸性組分在低溫下氮吹至1 mL，加入3 mL BF3/ CH3OH（15%）溶液，80°C下甲酯化1 h。冷卻至室溫后用5 mL正己烷萃出，低溫氮吹，定容至0.5 mL，使用氣相色譜儀器進(jìn)行分析。溶劑皆為液相色譜純，超純水及鹽酸亦皆以二氯甲烷萃取兩遍后使用。

使用氣相色譜?質(zhì)譜檢測儀（GC-MS，Agilent 7890A/5970C）鑒定化合物組成。色譜柱為HP-5毛細(xì)管柱（Agilent，30 m×0.32 mm×0.25 μm），升溫程序為：初 始50°C，以5°C/min升 溫 至270°C后 保 持5 min。以不分流模式進(jìn)樣，進(jìn)樣口溫度250°C，載氣為氦氣，流速1 mL/min。質(zhì)譜儀使用電子轟擊源（70 eV）作為離子源，采用全掃描/選擇離子檢測采集模式。與標(biāo)準(zhǔn)樣品（40種脂肪酸甲酯混標(biāo)，安譜，N1070012）的出峰時間與特征離子譜圖進(jìn)行比對，確定物質(zhì)種類。

定量分析使用氣相色譜?火焰離子檢測器（GCFID，Agilent 7890A），色譜柱為脂肪酸甲酯專用毛細(xì)管柱（Agilent，100 m×0.25 mm×0.25 μm），升溫程序為：初始50°C，保持15 min后以5°C/min升溫至120°C，保持10 min后再以5°C/min升溫至200°C，保持20 min后再以5°C/min升溫至230°C，最后保持20 min，總運行時間101 min。以不分流模式進(jìn)樣，進(jìn)樣口溫度250°C，載氣為高純氮氣，流量1.4 mL/min。FID溫度為280°C，氫氣與空氣流速分別為35與400 mL/min。最后使用內(nèi)標(biāo)?標(biāo)準(zhǔn)曲線法確定脂肪酸含量。

脂肪酸命名常用格式為（a/i）X∶YωZ（c/t）。其中，X為總碳數(shù)，后面跟一個冒號；Y表示雙鍵數(shù)；ω表示從甲基末端開始排序；Z是雙鍵距離甲基端的距離；c 表示順式異構(gòu)，t 表示反式異構(gòu)；a 和i 分別表示支鏈的反異構(gòu)和異構(gòu)。

2.3 主成分分析

由于脂肪酸種類眾多，為尋求控制脂肪酸分布的主要因素，使用SPSS軟件對33個站位中的26個脂肪酸指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，具體分析方法詳見文獻(xiàn)[33–34, 39]。

3 結(jié)果

如表1與圖2所示，總脂肪酸（Total Fatty Acid，TFA；以沉積物干重計）在33個站位的含量范圍在13.70 μg/g至213.96 μg/g之間；南部楚科奇海陸架表層沉積物中的TFA非常高，平均值可達(dá)123.61 μg/g。所有站位中，對各類脂肪酸進(jìn)行排序，短鏈飽和脂肪酸最高（Short Chain Saturated Fatty Acids，SCSFA，（42.3 ±25.43） μg/g），單不飽和脂肪酸次之（Mono-Unsaturated Fatty Acids，MUFA，（23.27±24.31） μg/g），長鏈飽和脂肪酸（Long Chain Saturated Fatty Acids，LCSFA）、奇碳數(shù)脂肪酸（Odd FA）、多不飽和脂肪酸（Poly-Unsaturated Fatty Acids，PUFA）較少，分別為（4.79±3.89） μg/g、（3.49±2.78） μg/g與（1.80±2.47） μg/g。

如表2所示，檢出的26種脂肪酸中，16:0普遍含量最高；楚科奇海陸架區(qū)，16:1ω9與16:0含量相近，但在其他部分區(qū)域，14:0與18:0、18:1ω9取代16:1ω9成為除16:0外含量最高的脂肪酸。

4 討論

4.1 白令海及西北冰洋表層沉積物中脂肪酸來源分析

海洋中脂肪酸的來源可分為海源、陸源以及細(xì)菌來源3個大類，大量研究表明，海源脂肪酸主要包括SCSFA、MUFA與PUFA，陸源脂肪酸主要為高等植物產(chǎn)生的LCSFA，Odd FA以及支鏈脂肪酸為細(xì)菌來源[32–34, 36]。

對33個站位的26種脂肪酸指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果如表3所示：PC1至PC5的貢獻(xiàn)率分別為45.00%、19.00%、9.19%、5.61%和4.54%，累計貢獻(xiàn)率83.34%。將各脂肪酸與PC1、PC2的相關(guān)性作圖（圖3），脂肪酸主要分布在兩個聚類，右下角的聚類主要包括海源、較易降解的SCSFA、MUFA與PUFA；另一個聚類以陸源、不易降解的LCSFA為主。該結(jié)果表明，LCSFA與SCSFA、MUFA、PUFA的分布由兩組不同因素控制，與前人結(jié)論一致[33–34]。據(jù)此，將（SCSFA + MUFA + PUFA）定為海源脂肪酸，LCSFA定為陸源脂肪酸，Odd FA定為細(xì)菌脂肪酸（表4）。

對以上3種來源的貢獻(xiàn)比例排序，所有站位均為海源 ＞ 陸源 ＞ 細(xì)菌（圖4）。海源脂肪酸在TFA中占70%以上，特別是加拿大海盆，海源脂肪酸的比例達(dá)95%左右（圖5a）。陸源脂肪酸比例較低，除BL07（25.53%）及CC6（26.00%）兩站位以外，均不超過15%（圖5b）。細(xì)菌脂肪酸占比最低，除BL14站（13.08%），均未高于8%；陸架區(qū)略高于陸坡及海盆區(qū)（圖5c）。白令海陸架及西北冰洋陸架表層沉積物的細(xì)菌脂肪酸比例顯著低于溫暖海區(qū)，如東海、南海陸架細(xì)菌脂肪酸比例可達(dá)20%以上[41–42]；這顯示在白令海陸架及西北冰洋陸架，低水溫抑制了細(xì)菌活動[43]。

此外，脂肪酸硅藻指數(shù)（以下簡稱硅藻指數(shù)，16:1ω9 / 16:0）可用來表征硅藻對有機質(zhì)的貢獻(xiàn)（表4，圖5d）。16:1ω9是硅藻的特征脂肪酸，在大多數(shù)硅藻體內(nèi)，16:1ω9常占TFA的40%以上；在沉積物或懸浮顆粒物中，較高的硅藻指數(shù)（16:1ω9 / 16:0 ＞1）指示硅藻在浮游植物群落中的主導(dǎo)地位[32]。硅藻指數(shù)分布范圍為0～1.76，陸架區(qū)的硅藻指數(shù)普遍大于陸坡及海盆區(qū)，特別是楚科奇海陸架與白令海陸架邊緣，硅藻指數(shù)大于1，指示硅藻占主要優(yōu)勢。

表1 白令海及楚科奇海表層沉積物站位信息及樣品脂肪酸含量Table 1 FA, TOC and station properties of the Bering Sea and western Arctic Ocean surface sediments

表2 白令海及楚科奇海各站位沉積物脂肪酸組成（單位：μg/g）Table 2 Individual FA compounds of the Bering Sea and the western Arctic Ocean surface sediments (unit: μg·g?1)

與本文其他海區(qū)相比，白令海盆區(qū)TFA最低（（15.00 ± 1.30） μg/g），海源脂肪酸比例最低（75.33% ±7.13%），陸源脂肪酸最高（19.98% ± 5.56%），細(xì)菌脂肪酸較低（4.69% ± 1.57%），硅藻指數(shù)幾乎為0。指示白令海盆區(qū)，海源有機質(zhì)貢獻(xiàn)較其他海域略少，可能與生產(chǎn)力較低[44]、水深較深有關(guān)；陸源有機質(zhì)貢獻(xiàn)較其他海域略高，與海源有機質(zhì)比例低、且陸源脂肪酸不易降解有關(guān)[34]；細(xì)菌脂肪酸含量低，指示細(xì)菌活動較弱，可能與低溫以及新鮮有機質(zhì)的缺乏有關(guān)[43]。

續(xù)表2

表3 主成分分析結(jié)果Table 3 PCA results

圖2 白令海及西北冰洋表層沉積物中總脂肪酸及各類脂肪酸含量Fig. 2 TFA, SCSFA, LCSFA, Odd FA, MUFA and PUFA contents of the Bering Sea and the western Arctic Ocean surface sediments

圖3 各脂肪酸與PC1、PC2的相關(guān)性Fig. 3 First two principal components score plot of FAs

表4 各站位不同來源脂肪酸百分比及硅藻指數(shù)Table 4 Percentage of FA sources and diatom index of the Bering Sea and the western Arctic Ocean surface sediments

白令海陸架區(qū)，TFA（（38.28 ± 14.89） μg/g）略高于白令海盆，海源脂肪酸含量較高（84.75% ± 2.45%），陸源脂肪酸含量低（9.66% ± 3.40%），細(xì)菌含量略高（5.26% ± 3.38%），硅藻指數(shù)在白令海陸架北緣與南緣較高（＞ 0.82），中部較低（＜ 0.65）。白令海陸架區(qū)陸源脂肪酸絕對含量與白令海海盆相當(dāng)，但陸源脂肪酸的百分比要顯著小于后者：這一方面是由于白令海陸架區(qū)生產(chǎn)力高于海盆區(qū)；另一方面，也因為白令海陸架區(qū)水深遠(yuǎn)小于海盆區(qū)，使得海盆區(qū)原本就貧瘠的海源脂肪酸在更長的沉降時間中進(jìn)一步被分解，而陸源脂肪酸的化學(xué)性質(zhì)則相對較穩(wěn)定；兩種因素疊加，陸架區(qū)的陸源脂肪酸比海盆區(qū)受到更多海源的稀釋，從而比例更低。脂肪酸結(jié)果指示白令海陸架區(qū)有機質(zhì)以海源自生為主，陸源貢獻(xiàn)小；硅藻在陸架邊緣區(qū)占主要優(yōu)勢；細(xì)菌脂肪酸與海源有機質(zhì)的同步增加，可能指示細(xì)菌活動隨新鮮有機質(zhì)的增加而略為增強[43]。

圖4 脂肪酸來源三端元圖Fig. 4 Ternary figure of FA sources

楚科奇海陸架，TFA非常高（（97.15 ± 55.31） μg/g），特別是南部陸架，最高可達(dá)213.96 μg/g，與前人調(diào)查結(jié)果相同[33]，比東海長江口區(qū)域高一個量級[41]；海源脂肪酸占其中絕大部分（87.15% ± 6.97%），陸源脂肪酸與細(xì)菌脂肪酸比例均很低（8.37% ± 6.20%與4.45% ±1.79%），硅藻指數(shù)非常高。而且硅藻指數(shù)高值區(qū)與TFA高值區(qū)域重合，表明楚科奇海陸架的高脂肪酸含量主要與硅藻有關(guān)：一方面，充足的營養(yǎng)鹽支撐了極高的硅藻生物量，且硅藻在浮游植物群落中占絕對優(yōu)勢，與現(xiàn)場水柱生產(chǎn)力、浮游植物群落調(diào)查結(jié)果具有相似性[29,45]，也與沉積物中的其他生源指標(biāo)重建結(jié)果相同[24–26]；另一方面，硅藻在高營養(yǎng)鹽環(huán)境下通常形成較大的個體（＞ 20 μm）[29]，為有機質(zhì)的快速沉降提供了“壓艙物”，減少有機質(zhì)在水柱中的分解，使表層生產(chǎn)的新鮮有機質(zhì)快速地沉降到沉積物表面。但值得注意的一點是，在空間分布上，沉積物中脂肪酸與綠素[26]、生物硅[25]的高值區(qū)吻合得較好，但與表層生產(chǎn)力高值區(qū)[29,45]存在一定的錯位，這很可能由于表層顆粒物在垂直沉降過程中同時也在發(fā)生著側(cè)向輸運，強勁的太平洋入流將顆粒物沉降的區(qū)域帶離了生產(chǎn)區(qū)域。偏低的細(xì)菌脂肪酸比例亦表明，細(xì)菌活動在低溫下受到抑制，有利于新鮮有機質(zhì)的保存。

圖5 各來源脂肪酸百分比及硅藻指數(shù)分布圖Fig. 5 Percentage of FA sources and diatom index of the Bering Sea and the western Arctic Ocean

楚科奇陸坡、加拿大海盆與深度相似的白令海盆存在明顯差異：TFA非常高（（70.35 ± 11.32） μg/g與（88.65 ± 3.52） μg/g），海源脂肪酸幾乎占全部（95.37% ±1.54%與94.95% ± 0.20%），陸源脂肪酸非常少（1.06% ±0.52%與0.25% ± 0.25%），細(xì)菌脂肪酸也較低（3.57% ±1.02%與4.80% ± 0.45%），硅藻指標(biāo)幾乎為0，18:0、18:1ω9明顯高于其他海區(qū)。根據(jù)這些特點進(jìn)行推論，首先，可以得到與Honjo等[46]相似的結(jié)論，即楚科奇陸坡、加拿大海盆由于海冰的存在，有機質(zhì)沉降機制與白令海盆不同：持續(xù)的海冰覆蓋、稀少的“壓艙物”阻止了大部分陸源有機質(zhì)在海盆與陸坡的沉積；其次，偏低的硅藻指數(shù)與較高的18:0、18:1ω9脂肪酸（表2）指示，硅藻在該海區(qū)不占主導(dǎo)，綠藻與金藻占浮游植物群落的主要部分[32,35]，與該區(qū)域葉綠素極大層色素分析[47]以及沉積物碳酸鈣含量[48]的證據(jù)一致。然而，Honjo等[46]認(rèn)為海盆區(qū)的有機質(zhì)來源可能主要由側(cè)向輸運貢獻(xiàn)，垂向沉積較弱；冰藻在融冰期的快速沉降可能也貢獻(xiàn)了較多的新鮮有機質(zhì)。但以上觀點在脂肪酸結(jié)果中無法反映，還需要更多證據(jù)。

脂肪酸結(jié)果顯示白令海及西北冰洋表層沉積物中的有機質(zhì)主要由海源自生來源產(chǎn)生，陸源貢獻(xiàn)不顯著，與表層沉積物中甘油二烷基甘油四醚（GDGT）對有機質(zhì)來源的結(jié)果相似[49]。細(xì)菌脂肪酸比例偏低，表明細(xì)菌活動在低溫下受到抑制[43]。楚科奇海陸架區(qū)TFA與硅藻指數(shù)均非常高，與其他生源指標(biāo)類似，均指示海源有機質(zhì)的大量沉積主要由高生物量的硅藻構(gòu)成[4,25–26]；硅藻殼體的“壓艙物”效應(yīng)、受抑制的細(xì)菌活動，也是新鮮有機質(zhì)快速沉降、高效保存的原因。楚科奇陸坡、加拿大海盆的浮游植物群落由綠藻與金藻主導(dǎo)，硅藻不占主要優(yōu)勢。

4.2 脂肪酸所指示白令海及西北冰洋表層沉積物中有機質(zhì)的新鮮程度

脂肪酸分析結(jié)果顯示，楚科奇海陸架由于生產(chǎn)力高，硅藻殼體“壓艙物”豐富、細(xì)菌活動受低溫抑制等原因，是新鮮有機質(zhì)的高效沉降區(qū)；而白令海陸架新鮮有機質(zhì)沉降效率明顯較低。為了比較新鮮有機物沉降的差異，圖6總結(jié)了北冰洋幾個特征陸架區(qū)表層沉積物中TFA與總有機碳（Total Organic Carbon，TOC）的關(guān)系[33,50]。需要說明的是，前人工作[33–34]將SCSFA、MUFA、PUFA定義為新鮮有機質(zhì)的指標(biāo)，但西伯利亞海陸架區(qū)的文獻(xiàn)資料[50]只提供了TFA，未細(xì)分脂肪酸種類。需要先分析易降解脂肪酸（SCSFA +MUFA + PUFA，表征有機質(zhì)新鮮程度）與TFA之間的相關(guān)關(guān)系。分析結(jié)果顯示，本研究中33個表層沉積物中易降解脂肪酸與TFA呈顯著正相關(guān)（圖7），因而TFA在本研究區(qū)域可作為新鮮有機質(zhì)的指標(biāo)。

圖6 北冰洋部分陸架海區(qū)表層沉積物中TFA與TOC的關(guān)系[33, 50]Fig. 6 Relationship between TFA and TOC among the Bering,Chukchi, Beaufort and Siberian shelves[33, 50]

圖7 本研究表層沉積物中易降解脂肪酸（SCSFA +MUFA + PUFA）與TFA的相關(guān)關(guān)系Fig. 7 Corrlation between labile FA (SCSFA + MUFA +PUFA) and TFA among all surface sediments in this study

由圖6可見，楚科奇海陸架表層沉積物中的新鮮有機質(zhì)占總有機質(zhì)的比例明顯高于白令海陸架與西伯利亞海陸架，3條擬合線的斜率分別是82.99，21.46與14.33，表示在相同的TOC含量下，楚科奇海陸架區(qū)新鮮有機質(zhì)含量是白令海陸架的近4倍，是西伯利亞海陸架的近6倍。這是由于楚科奇海陸架區(qū)的生產(chǎn)力高，又有大粒徑的硅藻殼體作為“壓艙物”，因而有大量的新鮮有機質(zhì)沉降到沉積物表面；同時，楚科奇海陸架區(qū)缺少陸源輸入，對新鮮有機質(zhì)的稀釋效應(yīng)弱，而西伯利亞海生產(chǎn)力較低，又有大量的陸源有機質(zhì)通過河流輸入，本就有限的海源新鮮有機質(zhì)在陸源有機質(zhì)的稀釋作用下，占TOC的含量更低[50]；白令海陸架雖然沒有大量陸源物質(zhì)輸入，但生產(chǎn)力略低，且硅藻“壓艙物”不如楚科奇海陸架充足[44]，因而新鮮有機碳沉降速率不如后者。

楚科奇陸坡、加拿大海盆的有機質(zhì)新鮮程度亦非常高，推測主要與有機質(zhì)在融冰期快速沉降[51]與楚科奇陸架有機質(zhì)的側(cè)向輸運[46]有關(guān)。但可惜脂肪酸解釋能力有限且海盆區(qū)站位較少，無法深入討論海冰與側(cè)向輸運對有機質(zhì)沉降的影響。由于此區(qū)域是主要的海冰消退區(qū)，未來工作需更加注重對該區(qū)域的有機質(zhì)沉降機制的研究。

4.3 陸架區(qū)有機質(zhì)在北極快速變化下的敏感性

硅藻生物量大、細(xì)菌活動弱、新鮮有機質(zhì)高效沉降的特點，使得楚科奇海陸架區(qū)“生物泵”在未來的北極快速變化下比北冰洋其他海區(qū)更為敏感。

由于太陽輻射量[7]與溫暖太平洋水入流[17]的增加，楚科奇海陸架水將會升溫[19]，增強細(xì)菌活動，從而加快新鮮有機質(zhì)的降解[43]，將更多的二氧化碳釋放回水柱中，降低“生物泵”的效率。目前，楚科奇海陸架區(qū)的高效碳沉降，除了生產(chǎn)力高、沉降快速等原因外，很大程度上依靠低溫抑制的細(xì)菌活動，使得新鮮有機質(zhì)在沉降過程中較少地受到降解。未來陸架水的升溫，細(xì)菌活動的增強，很可能會影響有機碳的保存，降低“生物泵”的效率。

浮游植物的群落變化，也會影響有機質(zhì)的沉降速率，從而影響“生物泵”的效率。目前楚科奇海的大量新鮮有機質(zhì)沉降很大程度上得益于硅藻殼體的“壓艙物”效應(yīng)[24,44]，若是由于溫度、光照、營養(yǎng)鹽等條件的變化，使硅藻在浮游植物群落中占比減小，硅藻殼體“壓艙物”減少，在生產(chǎn)力不變的情況下，由于沉降速率的降低，造成有機質(zhì)在水柱中停留、分解的時間增加，也會大大降低有機碳向沉積物輸出的效率。

當(dāng)然，最近國際上已有共識，北冰洋的浮游植物生物量在最近十幾年來一直是增加的，預(yù)期未來的相當(dāng)一段時間內(nèi)也都會上升[16]。生產(chǎn)力的增加，是否能與“生物泵”效率的降低相抵消？楚科奇海，以及整個北冰洋的“生物泵”究竟如何變化？脂肪酸能夠指征沉降顆粒物及沉積物中有機質(zhì)的來源與新鮮程度，結(jié)合其他一系列指標(biāo)，有望監(jiān)測與研究未來北冰洋的“生物泵”變化。

5 結(jié)論

在白令海、西北冰洋各個海區(qū)中，楚科奇海陸架區(qū)表層沉積物中脂肪酸的含量非常高，特別是中部、南部陸架區(qū)，達(dá)到213.96 μg/g，是全球沉積物中脂肪酸含量最高的海區(qū)之一；白令海陸架的脂肪酸含量稍低于楚科奇海陸架；楚科奇海陸坡、加拿大海盆的浮游植物群落由綠藻與金藻主導(dǎo)。白令海陸架及西北冰洋表層沉積物中的脂肪酸指示了有機質(zhì)主要由海源貢獻(xiàn)，陸源、細(xì)菌來源都較低。楚科奇海陸架中南部、白令海陸架邊緣硅藻指數(shù)高，有機質(zhì)主要由硅藻貢獻(xiàn)，其他海區(qū)硅藻不占主要優(yōu)勢。

楚科奇海陸架區(qū)由于生產(chǎn)力高、硅藻“壓艙”效應(yīng)明顯、低溫抑制細(xì)菌活動等原因，是新鮮有機質(zhì)高效沉降的一個海區(qū)。這些新鮮有機質(zhì)，在構(gòu)成高效的“生物泵”，供養(yǎng)豐富的底棲生物的同時，也使得楚科奇海陸架區(qū)的有機質(zhì)沉降對未來的北極快速變化較其他海區(qū)更為敏感：浮游植物群落變化、水溫升高很可能會減少新鮮有機質(zhì)的沉降量，降低“生物泵”的效率。未來楚科奇海陸架區(qū)乃至北冰洋的“生物泵”究竟會如何變化，還需進(jìn)行長期、連續(xù)、全方位的監(jiān)測與研究。脂肪酸作為有機質(zhì)來源與新鮮程度的指標(biāo)，有望應(yīng)用于未來北冰洋“生物泵”變化研究中。

致謝：感謝中國第五次、第六次北極科學(xué)考察隊為樣品采集所付出的艱辛勞動；感謝自然資源部第二海洋研究所、自然資源部海洋生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)重點實驗室各位老師的幫助；感謝中國極地研究中心及“雪龍”號給予的支持。