阐明淡水和共生输入对加拿大北极群岛生物地球化学循环的影响

《Polar Science》：Elucidating the influence of freshwater and sympagic inputs on biogeochemical cycling in the Canadian Arctic Archipelago

本研究分析了2019年夏季加拿大北极群岛（CAA）的水文与同位素组成，发现淡水输入（河流、冰川融化和海冰）导致水体分层，但δ13C和δ1?N同位素显示海洋来源主导。营养限制显著（N:P<16），淡水主要作为物理屏障而非营养源，为评估北极变暖影响提供基准数据。

　　
加拿大北极群岛弧区（CAA）作为北极海洋与陆地相互作用的关键区域，其水文和生物地球化学过程的研究对理解气候变化影响具有重要意义。该研究通过2019年夏季的系统性采样和同位素分析，揭示了淡水输入、海冰融化与海洋生物地球化学循环的复杂关联，为北极生态系统的长期监测提供了重要基准数据。

### 一、研究背景与科学问题
北极地区正经历快速气候变化，导致冰川消融、河流径流量增加和海冰覆盖减少，这些变化显著改变了海洋的水文结构、营养盐分布及初级生产力模式。CAA区域作为连接北大西洋和北太平洋的关键通道，其独特的淡水输入（来自河流、冰川和海冰融化）与海洋环流相互作用，形成了复杂的生物地球化学环境。当前研究主要聚焦三个问题：（1）淡水输入对营养盐分布和初级生产力的限制效应；（2）稳定同位素（δ13C、δ1?N、δ1?O）如何反映淡水来源与海洋内源物质的贡献；（3）低温、低光照等环境条件如何影响有机碳的稳定同位素组成。

### 二、研究方法与数据采集
科研团队于2019年7-8月通过 RVIB Oden科考船，在Lancaster Sound、Prince Regent Sound等五个关键区域开展多维度观测：
1. **水文与生物地球化学参数**：同步测量温度、盐度、叶绿素a荧光强度及硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐等营养盐浓度。
2. **稳定同位素分析**：
- **δ1?O（水体氧同位素）**：通过Picarro CRDS分析仪检测，结合水盐关系解析淡水来源。
- **δ13C、δ1?N（颗粒有机碳/氮同位素）**：利用元素分析仪-同位素比值质谱联用技术，分析POM的碳氮来源及生物地球化学过程。
3. **空间覆盖**：共完成35次CTD剖面测量，重点分析表层（0-10米）与叶绿素最大浓度深度（10-45米）的垂直梯度，涵盖冰缘海域、陆架斜坡等典型生境。

### 三、核心发现与机制解析
#### （一）水文特征与淡水输入
1. **盐度分布**：表层盐度范围为25-31 psu，呈现西低东高的空间格局。Peel Sound（25-29 psu）和Lancaster Sound（29-31 psu）分别代表西向陆源淡水输入（如Devin冰盖融水）和东向北大西洋水的影响。
2. **温度分层**：Lancaster Sound出现显著温度分层（ΔT=1.8℃），而Prince Regent Sound因太平洋水（PCW）上涌形成低温内核（-1.6℃）。 Wellington Channel的浅层混合作用导致温度垂直梯度较小（ΔT=0.5℃）。
3. **淡水来源解析**：通过δ1?O-盐度关系模型（D’Angelo等2024），发现：
- **西部区域（Barrow Strait East）**：δ1?O=-2.6‰（接近海冰融水特征值），盐度24-28 psu，表明西伯利亚冰川融水和当地海冰融水的混合主导。
- **东部区域（Lancaster Sound）**：δ1?O=-3.1‰（接近降水与河流输入），盐度29-31 psu，显示北大西洋水（AW）与气象淡水（FMW）的贡献。
- **中部过渡带（Prince Regent Sound）**：δ1?O=-1.6‰，盐度28-33 psu，反映太平洋水（PW）与本地混合水的作用。

#### （二）营养盐与初级生产力
1. **氮磷限制特征**：所有站位表层N:P比值均低于Redfield比值（1.9:1 vs 16:1），显示氮限制效应。最高硝酸盐浓度（15 μM）出现在Lancaster Sound的CTD12站位，与表层叶绿素a浓度（0.19 μg/L）呈正相关。
2. **硅酸盐-磷酸盐耦合**：Wellington Channel的硅酸盐浓度（24 μM）与磷酸盐浓度（1.4 μM）显示高硅/磷比值（17:1），暗示深层水混合可能增强磷的有效性。
3. **叶绿素a分布**：Chl-a最大浓度出现在Prince Regent Sound（1.8 μg/L，25米深度），而Lancaster Sound（0.19 μg/L，20米）和Barrow Strait East（0.46 μg/L，33米）的荧光强度显著低于西部区域（Peel Sound，0.33 μg/L，30米）。

#### （三）稳定同位素指示的碳氮循环
1. **δ13C-POC与碳生物量关系**：
- 表层水体δ13C-POC介于-34‰到-23‰，与碳生物量（66-548 μg/L）呈显著正相关（R2=0.45）。
- 深层（Chl-a最大深度）δ13C-POC进一步富集（-24‰至-34‰），显示低生产力条件下碳同位素分馏增强。
2. **δ1?N-PON与氮生物量关系**：
- 表层δ1?N-PON介于1.5‰到8.3‰，与氮生物量（3.7-38 μg/L）呈弱正相关（R2=0.18）。
- 深层（2.4‰-7.1‰）受微生物再矿化影响更大，Barrow Strait East的7.1‰值与高N:P（15:1）和低δ1?N-PON特征一致。
3. **δ1?O与淡水来源的耦合分析**：
- 低δ1?O值（-9.8‰至-1.6‰）与低盐度区域（<25 psu）对应，指示西伯利亚冰川融水和海冰融水的混合。
- 高δ1?O值（-1.6‰）出现在Prince Regent Sound的深层水，与太平洋水（δ1?O=-0.8‰）同位素特征吻合。

#### （四）关键机制与过程
1. **淡水阻隔效应**：
- 2019年夏季融化海冰形成稳定表层混合层（厚度>50米），抑制垂直营养盐输运。例如，Peel Sound表层硝酸盐仅0.06 μM，但底层（150米）浓度达15 μM，显示强烈分层。
- 例外出现在Wellington Channel，其浅层混合（深度<20米）导致营养盐垂直梯度较小，Chl-a最大浓度出现在表层（10米）。

2. **有机碳源解析**：
- δ13C-POC最低值（-34‰）出现在Prince Regent Sound和Barrow Strait East，与低碳生物量（48-66 μg/L）和弱光合作用相关。
- 高δ13C-POC值（-23‰）出现在Wellington Channel，结合高叶绿素a（0.69 μg/L）和冷海水（-1.4℃），指示深水碳（δ13C=-20‰至-25‰）与表层光合产物的混合。

3. **氮循环的微生物驱动假说**：
- D’Angelo等（2024）在相同航次中发现表层NH??浓度（1.2 μM）与δ1?N-PON负相关，暗示氨氧化细菌（AOB）和反硝化作用可能影响氮同位素分馏。
- 微生物甲烷氧化（MEO）假说得到支持：当δ13C-POC<-30‰时，可能存在>5%的甲烷源贡献（Whiticar et al., 1999），这需要进一步通过稳定碳氢化合物分析验证。

### 四、生态学意义与气候变化关联
1. **营养盐限制与生产力模式**：
- 全区N:P<2，表明氮限制是初级生产力的主要制约因素，与Lehmann等（2022）在Baffin Bay的结论一致。
- 例外出现在Barrow Strait East，其深层水（150米）硝酸盐浓度达15 μM，可能通过底边界流输入支持少量浮游植物群落。

2. **海冰-海洋耦合效应**：
- 海冰融化释放的有机碳（δ13C=-18.9‰）与表层POM（δ13C=-34‰至-23‰）存在显著差异，显示海冰-海水界面（ sympagic zone）可能成为特殊碳汇。
- 深层δ13C-POC（-24‰至-34‰）与表层差异超过10‰，暗示存在底营养盐释放（DNRA）过程，但需结合碳同位素分馏模型进一步验证。

3. **气候变化响应路径**：
- 未来海冰消融可能增强陆源淡水输入，但该研究显示即使盐度降低至25 psu（如Peel Sound），表层硝酸盐仍低于1 μM，表明淡水输入对营养盐的直接影响有限，主要通过物理阻隔（分层）限制生产力。
- 气候变暖可能打破当前低温（-1.5℃至1.8℃）与低光照的负反馈，但需关注海洋酸化（pCO?=380 μM）对δ13C-POC的潜在影响（Bucha et al., 2021）。

### 五、研究局限与未来方向
1. **时空分辨率局限**：
- 仅覆盖2019年单次夏季采样，未能捕捉海冰动态与营养盐季节变化的耦合效应。
- 深层水（>50米）同位素数据不足，可能遗漏陆源沉积物再悬浮的贡献。

2. **同位素解析挑战**：
- δ1?N-PON的混合来源难以区分（如硝酸盐再生与大气沉降的δ1?N贡献）。
- 需要引入前体物质（如氨基酸δ1?N）和碳氢化合物（如烷烃δ13C）进行端元混合分析。

3. **未来研究建议**：
- 增加采样频率（如冬季海冰覆盖期与夏季开放水域对比）。
- 开发δ13C-POC分馏校正模型，结合pCO?和温度参数。
- 开展原位微生物代谢组学研究，明确氮循环的关键过程。

### 六、结论
该研究系统揭示了加拿大北极群岛弧区淡水输入与海洋生物地球化学过程的非线性关系：（1）夏季淡水输入主要作为物理阻隔层，而非营养源；（2）稳定同位素证据显示海洋内源过程（如深水碳上涌、微生物再矿化）主导POM组成；（3）氮限制与低温环境共同制约初级生产力，但局部混合（如Wellington Channel）可突破限制。这些发现为北极海洋碳汇评估和气候变化情景模拟提供了关键数据支撑，特别对预测陆架区初级生产力对淡水输入的响应具有重要参考价值。