西北极海洋中异戊二烯分布的控制因素

《Marine Environmental Research》：Controls of marine isoprene distributions in the western Arctic Ocean

　　

摘要

海洋中的异戊二烯一旦释放到大气中就会迅速氧化，据推测它在远离大陆的海洋中二次有机气溶胶的形成过程中起着重要作用。北极海洋正在经历快速的气候变化，包括温度上升和初级生产力增加，这些因素也可能影响海洋中的异戊二烯产量。然而，对于北极海洋中，尤其是西部海域的异戊二烯生成因素及其分布情况，我们的了解仍然有限。在2024年8月韩国进行的北极海洋研究考察中，我们在多个站点对海洋中的异戊二烯进行了检测。上层100米海水中的异戊二烯浓度在11.3至45.5 pmol L^-1之间，平均值为20.9 ± 8.2 pmol L^-1（样本数n=84）。异戊二烯的空间分布存在显著差异，总体呈现向高纬度地区递减的趋势。尽管异戊二烯浓度与叶绿素a或海水温度之间没有很强的相关性（R²分别为0.236和0.313，p < 0.01；样本数n=84），但浮游植物生物量及种类组成似乎会影响海洋中异戊二烯的分布。在海冰覆盖区域，浮游植物生物量是决定异戊二烯浓度的主要因素。此外，北极西部海洋中浮游植物的异戊二烯生成能力相对较低，这意味着该地区不太可能出现极高浓度的异戊二烯。

引言

全球海洋每年会排放约0.1 – 1.9 Tg a^-1的异戊二烯（2-甲基-1,3-丁二烯，化学式C₅H₈），它是大气中最常见的非甲烷烃类物质（Arnold等人，2009；Booge等人，2016；Luo和Yu，2010；Palmer和Shaw，2005）。与陆地环境中以植物为主体的异戊二烯排放源不同，海洋中的异戊二烯主要来自浮游植物（Bonsang等人，1992；Shaw等人，2003）。异戊二烯一旦进入大气，由于会发生快速的化学反应（Newland等人，2015），其寿命很短，只有几分钟到几小时不等（Atkinson和Arey，2003；Medeiros等人，2018）。这些反应会促使海洋中二次有机气溶胶（SOA）（Arnold等人，2009；Claeys，2004；Fry等人，2018）和对流层臭氧（Poisson等人，2000）的形成，同时通过与大气氧化剂的相互作用，还可能影响云层形成和气候进程（Meskhidze和Nenes，2006）。

从全球范围来看，表层海洋中的异戊二烯含量存在显著的空间和时间差异，其浓度可从低至几pmol L^-1，到高达数百pmol L^-1不等。异戊二烯往往在生产力高的水域以及营养丰富的热带海域大量积累（Hackenberg等人，2017；Ooki等人，2015）。先前的研究表明，极地海洋中的异戊二烯浓度可能并不高，因为那里的浮游植物大多具有较高的胞内二甲基磺酰丙酸含量，比如南大洋水域中的浮游植物Phaeocystis，其异戊二烯合成能力远弱于那些二甲基磺酰丙酸含量较低的物种（Dani和Loreto，2017）。不过，在南大洋的岛屿附近和大陆沿岸，以及北极海洋（格陵兰岛沿岸的浓度可高达数百pmol L^-1），观测到了较高的表层海水异戊二烯含量（Rodríguez-Ros等人，2020a；Rodríguez-Ros等人，2020b；Tran等人，2013），这主要是因为这些地区的初级生产力较高。最近，对南大洋上空大气中异戊二烯的检测表明，海洋中异戊二烯的排放量被严重低估了，实际数值可能比之前认为的还要高（Ferracci等人，2024）。

多种复杂因素影响着海洋中异戊二烯的分布。其实际浓度与一系列同时存在的生物学变量有关，包括叶绿素a、综合初级生产力、光保护色素以及蓝藻数量（Hackenberg等人，2017）。此外，已有研究证明，海洋中异戊二烯的生成与光照、温度、盐度以及营养物质的可利用性相关，而异戊二烯的流失则可能源于海气交换、化学降解以及微生物的消耗（Booge等人，2018；Palmer和Shaw，2005）。在大西洋东部，营养物质的可利用性被认为是影响异戊二烯浓度变化的关键因素（Zindler等人，2014）。在西北太平洋，实验室培养实验表明，生物源异戊二烯的生成与叶绿素a、温度以及太阳辐射之间存在正相关关系，而溶解有机物的光降解则被视为异戊二烯形成的非生物途径（Wang等人，2023）。另外，在地中海、大西洋、热带太平洋以及南极周边和亚南极海域进行的培养实验也显示，表层海水中会有大量异戊二烯因化学和生物作用而被消耗掉（Simó等人，2022）。

迄今为止，我们对北极海洋中异戊二烯的了解仍然十分有限。目前仅有少量研究报道了北极海洋的海洋或大气中异戊二烯的相关数据（Hackenberg等人，2017；Hopkins等人，2002；Ooki等人，2015；Tran等人，2013）。北极西部表层海水中的异戊二烯浓度在1.3至31 pmol L^-1之间，楚科奇海沿岸地区的浓度较高，而海盆内部的浓度则相对较低（Ooki等人，2015）。在北极海洋的多个监测点进行的深度探测显示，上层水柱中的异戊二烯浓度通常与叶绿素a的分布一致，一般在10 – 30米的深度达到峰值（Hackenberg等人，2017；Tran等人，2013）。

北极海洋正在经历快速的气候变化，表现为海冰消退速度加快（Maslanik等人，2011）、表层海水温度上升（Steele等人，2008）、初级生产力增加（Arrigo等人，2008）、上层海水盐度降低（Giles等人，2012），以及来自北太平洋的水量增加（Woodgate等人，2012）。这些变化，再加上北极沿海水域中较高的浮游植物活性（Arrigo和van Dijken，2015）以及持续的日照时间（极昼现象），都可能促进海水中的异戊二烯生成（Shaw等人，2010）。然而，关于北极海洋中，尤其是西部海域的异戊二烯生成因素及其分布情况，我们仍缺乏深入的了解。因此，我们在2024年的韩国北极海洋研究考察中，对海洋中异戊二烯的垂直和空间分布进行了调查。同时，我们还分析了相关的环境变量，包括海冰覆盖情况、盐度、温度、叶绿素a浓度、浮游植物种类组成以及营养物质浓度，以便进一步明确影响北极西部海洋中异戊二烯分布的控制因素及其特征。

章节要点

考察信息

此次考察由韩国极地研究所于2024年8月1日至20日，在研究船“R/V Araon”号上开展。采样点从楚科奇海开始，一直延伸到海盆水域。如图1a所示，我们在14个站点采集了用于检测异戊二烯的海水样本。在每个采样点，我们同时测量了包括营养物质、叶绿素a、盐度以及温度在内的各类参数。在7个站点，我们还进行了额外的检测。

海冰分布与水团特征

2024年8月初，海冰边缘向北退缩，超出了楚科奇斜坡的范围（图1b，MOV S1）。有4个采样点位于海冰覆盖较厚的区域，编号为22、26、42和43；另有4个采样点位于海冰边缘附近，编号为13、18、39和41。

根据以往的研究（Corlett和Pickart，2017；Linders等人，2017），我们研究区域内的水团是通过温度和盐度来划分的（图1c）。在楚科奇海上（图2

结论

2024年8月，韩国极地研究所的“R/V Araon”号在北极西部海域对海洋中的异戊二烯分布进行了研究。表层海水中的异戊二烯浓度在11.3至45.5 pmol L^-1之间，平均值为20.9 ± 8.2 pmol L^-1（样本数n=84），其浓度存在显著差异，整体呈现向高纬度地区递减的趋势。虽然异戊二烯浓度与叶绿素a或温度之间没有明显的关联（R²分别为0.236和0.313，样本数n=84，p < 0.01），但从整体情况来看

作者贡献说明

Dennis Booge：文章撰写——审阅与编辑，概念构思。Keyhong Park：概念构思。Shibo Yan：数据整理。Jinyoung Jung：数据整理。Qian Shi：数据整理。Yanfang Wu：文章撰写——审阅与编辑。Chunyang Li：数据整理。Youngju Lee：数据整理。Ahra Mo：概念构思。Miming Zhang：文章撰写——审阅与编辑，初稿撰写

未引用参考文献

Claeys等人，2004；Coupel等人，2015。

数据可用性声明

本文所使用的异戊二烯数据可在Figshare平台上获取（https://figshare.com，http://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.29211566）。该数据集包含盐度、温度以及异戊二烯相关数据，可从中免费下载。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（NSFC）（项目编号42476253）以及中国海洋第三研究所科学研究基金会资助的项目（项目编号2026008）、该研究所的创新团队培育计划的支持。

Miming Zhang|Dennis Booge|Keyhong Park|Shibo Yan|Jinyoung Jung|Youngju Lee|Ahra Mo|Qian Shi|Yanfang Wu|Chunyang Li