应用木质素示踪楚科奇海表层沉积物中有机碳的来源和降解程度

埋藏在海洋沉积物中的有机碳是大气二氧化碳的净汇,而埋藏过程主要发生在陆架区。北冰洋拥有全球最大的陆架,接收大量来自河流和沿岸侵蚀输运的陆源有机碳,楚科奇海作为北冰洋的边缘海,是有机碳埋藏的重要海区之一。本研究选用楚科奇海和海台的表层沉积物（陆架区33~82.69 m,陆坡区164.63~3 763 m）,通过木质素,结合粒度、比表面积、有机碳百分含量（OC%）、有机碳稳定同位素（δ13C）等指标来示踪楚科奇海沉积物有机碳的来源和降解程度。结果表明,有机碳载荷从陆架到陆坡有明显的降低趋势;δ13C的范围指示有机碳可能来自苔藓、草本裸子植被、浮游植物和冰藻等;木质素丁香基酚（S）与香草基酚（V）的比值（S/V）和肉桂基酚（C）与香草基酚（V）的比值（C/V）表明裸子植物的草本组织贡献了更多的陆源有机碳;此外,较高含量的C9DA二酸（干酪根氧化产物）表明干酪根也可能是楚科奇海表层沉积物中有机质来源的重要组成。指示降解的参数[（Ad/Al） s、（Ad/Al） v、（Ad/Al） p、3,5-Bd/V]在陆架和陆坡沉积物中的差异表明陆坡沉积物中有机质的降解过程受到水动力分选以及原位降解等因素的影响更为明显。     

铁细菌在北极特定海区沉积物中的分布

用平板法对取自北极加拿大海盆和楚科奇海10个沉积物岩芯中184个样品进行铁细菌检出率和含量分析.结果表明,4 ℃培养时铁细菌的检出率为10.33%,含量范围均为未检出～ 8.40×106 个/g(湿样,下同),平均含量为7.76×104 个/g.25 ℃培养时铁细菌的检出率为40.22%,含量范围均为未检出～1.00×108 个/g,平均含量为1.40×106 个/g.研究区沉积物中铁细菌含量高于太平洋深海沉积物中铁细菌含量;与前人在淡水沉积物中所作的调查相比,研究区的铁细菌含量落在前人调查结果范围内,但比细菌簇中铁细菌含量要低,这表明研究区海底沉积物的微生境较适合铁细菌的繁衍.对铁细菌在不同水深、经纬度以及沉积物深度中的分布进行了讨论,结果表明铁细菌检出率随沉积物深度增加而增大,含量变化呈现出浅层少、下层多之势.铁细菌的纬度分布范围较大,并显出有扩大的趋势.铁细菌含量与检出率随水深加大也呈跳跃式变化,水较深时铁细菌有较高的检出率和数量,但离陆距离的增加又会在物质供应上对其生长产生制约.培养温度对铁细菌分布有一定影响,温度提高不仅提高了铁细菌检出率,也增加了铁细菌的含量.这也许与部分铁细菌的最适宜生长温度较高有关,温度升高有利于某些铁细菌的生长发育.     

楚科奇海及其邻近海域表层沉积物的元素地球化学特征

北极地区不仅具有丰富的矿产资源,而且在全球变化研究中具有极为重要的地位[1],同时由于其极端环境下的物理、化学作用与中低纬度有较大的差别,导致了这里的海洋地球化学过程的特殊性,因此在基础理论研究中也扮演着十分重要的角色.1999年中国首次北极科学考察对位于北冰洋的楚科奇海及其邻近海域进行了沉积物取样,开展了地球化学研究,并已取得了部分成果[2～4].     

北冰洋楚科奇海陆架到陆坡表层沉积物有机碳载荷的变化

沉积物单位表面积上吸附的有机碳被广泛用于示踪有机碳载荷的变化。本文研究了北冰洋典型边缘海——楚科奇海表层沉积物的有机碳载荷。研究发现陆架区沉积物的有机碳载荷高于陆坡区。相比于已报道的东西伯利亚海和马更些河,楚科奇海陆坡区沉积物的有机碳载荷也较低。这种有机碳载荷的变化可能和陆坡区的初级生产力较低,以及沉积物在传输过程中经历的氧化降解有关。沉积物的有机碳含量和比表面积呈线性相关,在有机碳轴上有正截距,表明一部分有机碳来自于岩石的贡献。此外,陆架区低有机碳载荷的沉积物含有的岩石有机碳更高。本研究的数据有助于深刻理解楚科奇海区域的碳循环问题。     

北极楚科奇海及其附近海域海底底栖贝类遗壳分布

对采自北极的23个站的底栖贝类遗壳进行鉴定,结果表明这些贝类遗壳计有17个种,其中双壳纲13种,腹足纲4种.根据鉴定到种的13个种可将所鉴定的软体动物分为两个区系:北极和环北极寒温带种,它们是Astarte montagui,Liocyma fluctusa,Macoma calcarea,M.moesta alas-kana,Mya pseudoarenaria,Nuculana pernula,N.radiata,Nucula bellotii,Serripes groenlan-dicus和Turritella polaris,共计10种,它们是北极水域软体动物区系组成中的主要成分;北极北太平洋寒温带种,它们是Argobuccinum oregonense,Cyclocardia crebricostata和Trichotropis cor-onata有3种.根据食性又可将它们分成滤食性、肉食性和碎食性三种,其中摄食沉积物中有机碎屑的碎食性种类占优势,包括双壳类中的Macoma calcarea,M.moesta alaskana,Macoma sp.,Nuculana pernula,N.radiata,Nucula bellotii,和腹足类的Trichotropis coronata,共计7种,它们不仅种类多,丰度高,而且在调查区的分布同细颗粒的沉积物有密切关系.     

楚科奇海附近表层沉积物中类脂生物标志物的分布特征和意义

多参数生物标记物法已被广泛用于重建浮游植物生产力和种群结构,研究了2003年夏季我国二次北极考察时采集的楚科奇海表层沉积物样品中浮游植物生物标志物的比例变化及其作为浮游植物种群结构替代指标的潜力。观测海区表层沉积物中菜子甾醇、甲藻甾醇、长链烯酮的总含量为20~3149 ng/g,平均值为1 010 ng/g,生物标志物总量分布表明南部的楚科奇陆架海域生产力明显高于北部海台区,不同站位的菜子甾醇和甲藻甾醇相对比例有明显变化,但都显示菜子甾醇占优势,楚科奇海陆架的站位中都是硅藻为主,菜子甾醇占生物标志物总量的比例为42%~74%,甲藻甾醇占生物标志物总量的比例为17%~37%,在海台区仍然是硅藻占优势,但是甲藻和颗石藻的比例有了很大的提高,加拿大海盆的4个站位中以甲藻和颗石藻为主,硅藻并非加拿大海盆的优势种群。这与用显微镜下鉴定得到的硅藻和甲藻分布趋势相似。研究结果为生物标志物作为浮游植物种群结果替代指标并为利用柱状样中的生物标志物研究古生态提供现代依据。     

北极楚科奇海海底表层沉积物有机碳的生物地球化学特征

1999年7月和2003年7月在北极科学考察中获取的楚科奇海海底表层沉积物有机碳质量分数的分析结果表明,楚科奇海海底表层沉积物有机碳平均质量分数约为1.41%,远高于我国东海和世界部分大陆架沉积物;有机碳/氮比值为8.69,反映了有机物以海洋自生为主的混合性来源;有机碳与有机氮之间显著相关(R=0.93);有机碳质量分数与粒度明显相关(R=0.71),细粒粘土质沉积物中的有机碳质量分数高于砂质沉积物的;在水深200m以内,有机碳质量分数随水深加大有一定的增加;有机碳质量分数与生源硅质量分数明显相关;有机碳质量分数随纬度变化较小。结合2次北极考察的实测结果,对楚科奇海海底表层沉积物中的有机碳来源进行了初步讨论,认为沉积有机碳埋葬可能主要取决于生物泵。     

加拿大海盆与楚科奇海表层沉积物中硫酸盐还原菌丰度分布状况

对中国第2次北极科学考察海洋表层沉积物(0～1 cm)中硫酸盐还原菌进行4℃、25℃的培养实验,结合首次北极科学考察海洋沉积物硫酸盐还原菌研究成果,研究了研究区硫酸盐还原菌丰度的分布。结果表明,4℃培养得出硫酸盐还原菌丰度为0～2.4×104个/g(湿样),平均3 433个/g(湿样),并呈现有规律的分布趋势:低纬区的高于高纬区的,浅水区的高于深水区的。本区硫酸盐还原菌丰度高于中国东海、南海和黄海部分海区沉积物中的,低于胶州湾以及西北冰洋某些海区中的。25℃培养时硫酸盐还原菌丰度为0～2.4×104个/g(湿样),平均4 062个/g(湿样),在1 880 m以浅水域其丰度与4℃培养时的一致,而在1 880 m以深水域其丰度高于4℃培养时丰度。     

北极楚科奇海海冰面积多年变化的研究

北极气候系统正在发生显著变化,其中,海冰面积和厚度的减小是其最主要的特征.楚科奇海是海冰面积变化最有代表性的区域.文章利用积累了9a的高分辨率海冰分布数据研究海冰面积的多年变化特征.结果表明,各年的冰情有显著的季节内变化,海冰面积距平曲线体现了不同时期海冰面积变化的动态过程.在1997~2005年间,楚科奇海海冰面积经历了轻(1997年)-重(2000~2001年)-轻(2002~2005年)的变化过程.9a的数据总体上体现了海冰面积减小的趋势,2005年的冰情呈现了历史新低.每年融冰期的长短与冰情轻重有密切的关系,冰轻年份融冰开始时间早,冻结结束时间晚.各年海冰面积最小值发生在9月下旬至10月初,各个年份海冰最小面积差别很大.有的年份只有4%,而重冰年可以大于50%.文章采用4个重要参数表达海冰多年变化.其中海冰面积指数反映了当年总体平均的海冰面积距平;海冰最小面积反映了融冰期海冰的极限情况;上一个冬季的气温积温也与翌年海冰面积有良好的关联;分析了风场对海冰的影响,表明风场在融冰期能够在短时间内改变海冰的覆盖面积.     

白令海和楚科奇海表层沉积物的声速特性

白令海和楚科奇海大陆架蕴藏着丰富的油气资源,地震勘探方法是主要的油气勘探方法,而沉积物声速是解释地震勘探资料的主要参数之一。第十次北极科学考察中,利用箱式取样器在白令海和楚科奇海采集了16个站位的表层沉积物样品,并通过插管取得柱状样品,在实验室环境下测量了25、50、100和200 kHz等频率的沉积物声速以及密度、孔隙度等物理性质参数。测量结果表明,沉积物类型主要包括粉砂质砂、砂质粉砂、黏土质粉砂和粉砂质黏土,沉积物声速范围为1 485.19～1 619.29 m/s。声速比与物理性质的相关分析表明,声速比与孔隙度、湿密度、平均粒径和砂粒含量等之间相关性较好。与经验关系模型比较发现,实测数据与Richardson和Briggs经验模型具有较好的一致性。此外,研究还表明声速随着测量频率呈现缓慢增加的变化,不同类型沉积物的声速频散特征存在较大差异。     

Abundance and distribution of meiofauna in the Chukchi Sea

The metazoan meiofauna in the Chukchi Sea were collected from seven shallow water stations(depths ranging 46 to 52 m) and five deep sea stations(depths ranging between 393 and 2 300 m) during the 4th Chinese National Arctic Research Expedition in 2010. The results showed that abundance of meiofauna was higher in shallow water sediments(average of 2 445 ind./(10 cm2)) than in deep sea sediments(407.06 ind./(10 cm2)). A UNIANOVA test for difference between the two different regions was highly significant(F=101.15, p0.01). Nematodes were numerically dominant, representing(96.6±4.6)% of the total meiofaunal abundance at the shallow water stations and(98.90±1.42)% at deep sea stations. The number of higher taxonomic groups and abundance of meiofauna were higher at Stas CC1, CC4, and R06 near the Bering Strait and the continent, than at the rest of the shallow water and deep sea stations. The primary factors causing the differences were concentrations of nutrients P and Si of bottom seawater(R=0.831, p0.003), followed by depth(R=-0.655, p0.05) and sand fractions of sediments(R=0.632, p 0.05). The numbers of meiofauna on the 65 μm and 32 μm sieves were significantly higher than those on the rest of the screens. Differences in numbers of meiofauna retained on screens with different mesh openings were highly significant among all sampling stations(F=31.60, p0.01). The highest numbers of individuals on screens with 32 μm mesh openings were found at deep sea stations. The number of meiofauna in the top 0–1, 1–2, and 2–4 cm segments constituted 84.4% of the total and was significantly higher than those in the bottom 4–6 and 6–10 cm segments(F=15, p0.01).     

白令海和楚科奇海表层沉积物中多环芳烃降解微生物多样性

为了研究白令海(海盆及陆架)至楚科奇海陆架表层沉积物中多环芳烃(PAHs)降解菌的多样性,并获得新的PAHs降解菌资源。在GC-MS分析沉积物中PAHs种类和含量的基础上,以萘、菲和芘的混合物为唯一碳源和能源对表层沉积物样品进行富集,通过平板分离鉴定可培养菌株,并验证其降解能力;同时利用变性梯度凝胶电泳(DGGE)和Illumina高通量测序技术分析降解菌群结构。GC-MS测定结果表明,14个表层沉积物中PAHs总干质量介于32.99~276.97ng/g。富集菌群中共分离获得51株可培养细菌,平板纯培养、PCR-DGGE及Illumina测序结果均表明,菌群中优势的降解菌是γ-proteobacteria的Marinobacter,Pseudoalteromonas,Pseudomonas和Actinobacteria门的Dietzia菌。此外,Illumina测序结果还表明14个降解菌群在菌群结构组成上,可分为海盆区和陆架区两种类群;同时检测到一些低丰度的海洋专属PAHs降解菌,如Cycloclasticus,Alteromonas和Neptunomonas等。本文结果将加深对白令海及楚科奇海表层沉积物中PAHs降解菌资源与生物多样性的认识。     

北冰洋楚科奇海浮游细菌丰度和生产力及其分布特征

2012年夏季中国第5次北极科学考察期间,对北冰洋楚科奇海及其北部边缘海浮游细菌丰度和生产力进行了测定,并将其与环境因子进行了相关性分析。结果显示,楚科奇海浮游细菌丰度的变化范围为0.56×108~6.41×108 cells/dm3,平均为2.25×108 cells/dm3;细菌生产力介于0.042~1.92mg/(m3·d)(以碳计)之间,平均为0.54mg/(m3·d)(以碳计),与已有研究结果基本相当。陆架区细菌丰度和生产力要明显高于北部边缘区,但前者的单位细菌生产力则较低。与环境因子的相关性分析显示,细菌丰度与温度和叶绿素a浓度存在显著正相关(p0.01),表明北极变暖导致的海水升温及浮游植物生物量的增加均会促进细菌的生长,从而进一步提高细菌在海洋生态系统和碳循环中的作用。但陆架区的细菌生产力与环境参数均没有显著相关性,表明其影响因素较为复杂;生产力在北部边缘区则仅与叶绿素a存在显著正相关(p0.01),表明浮游植物生长过程产生的溶解有机碳(DOC)是细菌生长最为主要的碳源,碳源的单一可能制约细菌的生产从而导致该海域无冰状态下细菌丰度的增加不如预期,但融冰过程带来的大量DOC将促进细菌活性的增加。     

Sound velocity and related properties of seafloor sediments in the Bering Sea and Chukchi Sea

The Bering Sea shelf and Chukchi Sea shelf are believed to hold enormous oil and gas reserves which have attracted a lot of geophysical surveys. For the interpretation of acoustic geophysical survey results, sediment sound velocity is one of the main parameters. On seven sediment cores collected from the Bering Sea and Chukchi Sea during the 5th Chinese National Arctic Research Expedition, sound velocity measurements were made at 35, 50, 100, 135, 150, 174, 200, and 250 k Hz using eight separate pairs of ultrasonic transducers. The measured sound velocities range from 1 425.1 m/s to 1 606.4 m/s and are dispersive with the degrees of dispersion from 2.2% to 4.0% over a frequency range of 35–250 k Hz. After the sound velocity measurements, the measurements of selected geotechnical properties and the Scanning Electron Microscopic observation of microstructure were also made on the sediment cores. The results show that the seafloor sediments are composed of silty sand, sandy silt, coarse silt, clayey silt, sand-silt-clay and silty clay. Aggregate and diatom debris is found in the seafloor sediments. Through comparative analysis of microphotographs and geotechnical properties, it is assumed that the large pore spaces between aggregates and the intraparticulate porosity of diatom debris increase the porosity of the seafloor sediments, and affect other geotechnical properties. The correlation analysis of sound velocity and geotechnical properties shows that the correlation of sound velocity with porosity and wet bulk density is extreme significant, while the correlation of sound velocity with clay content, mean grain size and organic content is not significant. The regression equations between porosity, wet bulk density and sound velocity based on best-fit polynomial are given.     

Biodiversity and community structural characteristics of macrobenthos in the Chukchi Sea

Field sampling of the macrobenthos from 23 stations in the Chukchi Sea was conducted during the 4th CHINARE(Chinese National Arctic Research Expeditions, July–August, 2010). We identified a total of 140 species of macrozoobenthos belonging to nine phyla, which were dominated by polychaetes(66), crustaceans(30), and mollusks(25), followed by echinoderms(9) and others(ten others, including four cnidarians, one oligochaete, one sipuncula, one priapulida, two bryozoans, and one urochordata). The dominant species were Aphelochaeta pacifica, Heteromastus filiformis, Nephtys ciliata, Nephtys caeca, Scoletoma fragilis, Golfingia margaritacea, Nuculana pernula, Macoma calcarea, Ennucula tenuis, Macoma inquinata, Musculus discors, Echinarachnius parma, and Ophiura sarsii, so there were more cold-eurythermal boreal immigrants than truly Arctic species(endemics). The average density and biomass(mean ± SD across all stations) of the total macrozoobenthos were(916 ± 907) ind/m2 and(902.9 ± 1 227.7) g/m2(wet weight), respectively. Relatively high density and biomass were observed in the samples from the northeastern and southern Chukchi Sea. The spatial variation of benthic communities in the study sea area was relatively large; this spatial heterogeneity has led to high diversity and a patchy distribution pattern in the community structure. Compared to the 1st CHINARE( July–August, 1999), this investigation revealed different degrees of decreases in the average taxa numbers and the average density, abundance, and biodiversity in the area over the recent decade, which might be associated with global warming, human activities, and sea ice variations.