阿德默勒尔蒂湾与布兰斯菲尔德海峡（南极半岛）悬浮颗粒有机物的来源与组成

《Marine Chemistry》：Sources and composition of suspended particulate organic matter in Admiralty Bay and the Bransfield Strait, Antarctic Peninsula

　　

多指标（multi-proxy）特征表明，悬浮有机质（OM）以海洋来源为主导；脂质生物标志物（lipid biomarkers）揭示出富含硅藻的浮游植物生产；悬浮有机质以近期新产生的有机质为主；表层与深叶绿素最大层（DCM）的颗粒物库呈现强烈的垂向耦合；颗粒物负荷随时间变化，但有机质组成保持均一。

**论文解读：南极半岛阿德默勒尔蒂湾与布兰斯菲尔德海峡悬浮颗粒有机物来源与组成研究**

**1. 研究背景与科学问题**

南大洋在全球气候调节中扮演核心角色，吸收了相当比例的人为二氧化碳，同时支撑着高产但季节性极强的生态系统。南极半岛北部是这一系统中尤为关键的区域，其海域支撑着周期性浮游植物水华，驱动碳输出并滋养从微型浮游动物到顶级捕食者的多个营养级。布兰斯菲尔德海峡作为物理-生物相互作用的 hotspot，其海冰变化、海洋动力过程与冰川排泄共同调控着有机碳的生产、组成和归宿。

悬浮颗粒物（suspended particulate matter, SPM）是远洋生态过程的关键载体，整合了浮游植物生产、浮游动物摄食、微生物活动以及陆源输入和冰筏碎屑等外部来源。其中，颗粒有机物（particulate organic matter, POM）既反映有机物来源，也记录影响其循环的过程。然而，有机物来源复杂且历经生产、转化、运输等多重过程，单一指标难以全面刻画其循环特征。因此，采用多指标联合分析十分必要。元素比值（C/N）与稳定同位素比值（δ¹³C、δ¹⁵N）能够提供海洋与陆源物质相对贡献的整合约束，但无法捕捉有机物循环的全部复杂性。脂质生物标志物因具有较高的来源特异性、抗早期成岩能力，并可保留有机物来源、降解状态和活性等分子信息，成为不可或缺的补充工具。

在极地系统中，海冰消退、水体层化与冰川融水输入强烈影响浮游植物生产，颗粒有机物中的脂质生物标志物为重建有机物来源、转化过程和群落结构提供了有力手段。然而，针对南极半岛近岸系统悬浮POM的综合多指标评估仍然较为有限，尤其是强物理强迫与冰川输入可能快速改变颗粒物组成和分布的区域。为此，研究人员在阿德默勒尔蒂湾与布兰斯菲尔德海峡之间区域开展了本研究，旨在识别悬浮POM的主要来源，评估其生化新鲜度和转化程度，并考察表层与次表层之间的垂向差异。论文发表于《Marine Chemistry》。

**2. 主要技术方法**

研究人员依托2019年11月OPERANTAR XXXVIII航次，在南极半岛北部阿德默勒尔蒂湾和布兰斯菲尔德海峡布设12个采样站位，于11月5日和11月22日分别采集表层（2–5 m）水样，并在其中6个站位采集深叶绿素最大层（DCM）水样。水样经GF/F玻璃纤维滤膜过滤后，使用元素分析仪-同位素比质谱仪（EA-IRMS）测定总有机碳（TOC）、总氮（TN）、δ¹³C和δ¹⁵N；采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析醇类和甾醇类化合物，采用气相色谱-火焰离子化检测器（GC-FID）分析脂肪酸甲酯（FAMEs）。使用主成分分析（PCA）和Spearman秩相关进行统计评估。

**3. 研究结果与主要发现**

**3.1 SPM组成与环境背景**

SPM浓度在各站位间变化明显，范围为5.4–21.9 mg L^?1，平均12.3 ± 5.2 mg L^?1。颗粒有机碳（POC）浓度为33.6–87.9 μg C L^?1，颗粒氮（PN）为5.9–14.6 μg N L^?1，摩尔C/N比均值7.7 ± 2.1。δ¹³C值介于?31.6‰至?25.7‰，δ¹⁵N值介于1.3‰至3.7‰。表层站位1–6（11月5日采样）的SPM浓度（均值14.5 ± 3.60 mg L^?1）高于站位7–12（11月22日采样，均值6.59 ± 0.874 mg L^?1），表明颗粒物负荷存在显著的时间或空间变异性。POC仅占SPM的0.59 ± 0.24%，说明SPM以无机颗粒为主，可能反映了冰川径流和沉积物再悬浮带来的大量矿物物质。

**3.2 自生与外源有机质**

元素组成和C/N比值（多为5.5–13.7）表明，大部分样品以海洋浮游植物来源的有机质为主。δ¹³C值强烈偏负（除12号站外均15N均值2.3 ± 0.7‰进一步支持海洋浮游植物来源的主导地位。脂质生物标志物方面，短链正构醇（≤C18）和短链脂肪酸（≤C18）占绝对优势，SCFA/LCFA比值高达20–87，指示原位生物生产是悬浮POM的主要贡献者。尽管有人为或冰筏碎屑来源的长链化合物存在，但丰度很低。值得注意的是，尽管β-谷甾醇（29Δ5）传统上被视为陆源标志物，但在南极地区维管植物稀少，且该化合物可由海藻和浮游植物合成，主成分分析也将其与海洋源标志物聚类，因此研究推断其主要为海洋生物来源。研究人员指出，常用的自生/外源甾醇指数可能低估本研究体系中的真实自生贡献。

**3.3 海洋生物来源**

脂肪酸组成以C14:0、C16:0和C18:0等饱和短链脂肪酸为主，这与硅藻富集的浮游植物群落相符。菜子甾醇（28Δ5,22）与胆固醇（27Δ5）的比值（Bra/Cho）均值为1.1 ± 0.4，指示浮游植物来源物质是悬浮POM的重要组成部分，其中硅藻贡献显著，尤其在阿德默勒尔蒂湾口附近站位。胆固醇在浮游动物和隐藻中也普遍存在，较低Bra/Cho比值站位可能反映浮游动物摄食的贡献。共变的主要甾醇（β-谷甾醇、菜子甾醇、胆甾-5,22-二烯-3β-醇和胆固醇）组合支持浮游植物生产是颗粒物主要来源的结论，且硅藻群落占优。此外，阿德默勒尔蒂湾岸边的大型海藻（如*Palmaria decipiens*和*Desmarestia antarctica*）可合成β-谷甾醇和24-甲基胆甾-5,24(28)-二烯-3β-醇，构成次要但持续的贡献。总体来看，脂质生物标志物分布与硅藻为主、混合隐藻-定鞭藻-大型海藻-浮游动物的群落组成一致，符合南极半岛沿岸晚春季海冰消退后的早期演替阶段特征。

**3.4 有机质新鲜度与转化**

悬浮POM中多不饱和脂肪酸（PUFA，如C18:2和C20:5）在所有样品中均有检出，尽管其易降解。MUFA/PUFA比值较高（2.7–7.4，均值5.9 ± 1.2），既与硅藻丰富的南极浮游生物组合固有的MUFA优势一致，也反映PUFA较快的周转速率。支链脂肪酸（iso/anteiso-C16:1和C17:1）的存在指示细菌贡献，而C18:1(n-9)反式/顺式比值（0.3–0.8）表明存在明显的细菌异构化过程。甾烷醇/甾烯醇比值（均值0.19 ± 0.10）低于沉积物中的典型范围（0.1–0.5），表明悬浮POM中的甾醇主要为新近产生，微生物转化程度有限。叶绿素-a侧链衍生的植醇占醇类总量的7.8 ± 1.2%，其高不稳定性进一步证实了新鲜有机质的持续输入。综合来看，新鲜浮游植物源化合物与微生物转化指示物共存，反映了新鲜有机物生产与微生物活动同时发生的状态，这与南极半岛上层水体中悬浮颗粒物停留时间短、季节性水华动态强烈影响有机质质量的认识一致。

**3.5 表层与DCM的深度差异**

在成对采样的6个站位中，表层与DCM之间的SPM、POC、PN、C/N、δ¹³C、δ¹⁵N以及各类脂质参数均无统计学显著差异（Wilcoxon符号秩检验，p > 0.05）。主成分分析显示表层与DCM样品在得分图中高度重叠，未沿PC1或PC2分离。这表明采样期间表层生产与DCM颗粒物库之间存在强烈的垂直耦合，新产生的有机物通过物理混合和快速的生物过程（聚集、摄食、颗粒物再包装）迅速向深层再分配，而未发展出明显的成岩梯度。

**4. 讨论与结论**

讨论部分综合多种证据指出，尽管SPM和POC浓度呈现明显的时空变化，特别是两个采样时段之间的差异，但悬浮POM的生化组成在整个研究区域保持高度一致，仅在个别脂质参数上存在局部变异。物理过程主要控制颗粒物浓度，而生物生产则更强烈地主导有机质质量，二者表现为解耦关系。这一发现凸显了原位浮游植物生产与快速的物理-生物耦合在塑造南极半岛悬浮有机质动态中的核心作用。

研究结论可概括为：阿德默勒尔蒂湾与布兰斯菲尔德海峡悬浮POM中的脂质生物标志物分布以短链、不稳定的化合物为主，反映了新近浮游植物生产的主导作用，硅藻贡献突出，定鞭藻、隐藻、大型海藻、浮游动物和细菌改造构成次要输入。长链陆源标志物含量较低，仅指示少量陆源或冰冻圈来源贡献。诊断性脂质比值表明悬浮POM相对新鲜，早期成岩改造有限，与上层水体中较短的颗粒物停留时间和快速生物处理过程一致。表层与DCM之间未发现统计上显著的差异，表明悬浮颗粒物库在垂直方向上紧密耦合，新产生的有机物得以有效再分配。这些结果突出了物理颗粒物负荷与生化组成之间的解耦关系，即在物理强迫主导颗粒物浓度的同时，生物生产对有机质质量具有更强控制。随着海冰持续消退和冰川融水输入增加，初级生产力与颗粒物负荷的变化可能改变该区域悬浮有机质组成，而浮游植物水华发生时间和强度的变化对碳循环具有重要意义。本研究建立的多指标框架为评估南极沿海系统有机质通路的未来变化提供了稳固的基线。