热带北大西洋低溶氧区和西南太平洋真光层海水铁的生物地球化学

摘要

作为生命体的必需元素,铁参与到了许多重要的生命过程中,如光合作用、呼吸作用和固氮作用等。在当代海洋的氧化条件下,由于三价铁的低溶解性以及与颗粒物质强烈的吸附性,铁在海水中的浓度很低。铁作为限制因子限制了约占海洋面积三分之一的“高营养盐低叶绿素”海区的海洋初级生产力。铁也可以通过限制海洋固氮微生物对氮的固定而限制一些贫营养海域的初级生产力。海水中铁生物地球化学的研究也成为了当今海洋学的研究热点和重点之一。
　　 本文建立了一种新的利用次氮基三乙酸洁净树脂对海水中铁进行预分离富集,配合54Fe同位素稀释和MIT GV IsoProbe多接收杯电感耦合等离子质谱仪对海水中痕量铁含量的分析方法。使用约1.4 ml的海水样品,取得了较低的实验程序空白0.07-0.19±0.03 nmol/kg,经验证本方法可以应用于分析海水中亚纳摩尔级别的铁的含量。应用这种新建立的方法,本文分析了热带北大西洋表层和低溶氧区海水溶解铁的含量,以及西南太平洋海域真光层海水溶解铁和总可溶铁的含量,为人们了解大洋中铁的生物地球化学提供了新的基础数据。本文主要研究结果如下:
　　 1.热带北大西洋海域表层海水有较高的溶解铁含量,平均为0.67±0.30nmol/kg(1SD,n=27)。而西南太平洋海域表层海水溶解铁的含量较低,平均为0.274±0.11 nmol/kg(1SD,n=16)。由于热带北大西洋海域接收了来自北非的高大气沉降输入,而西南太平洋接收的大气沉降则相对较少,大气沉降影响了不同海域表层海水铁的含量。有机颗粒的吸附与浮游植物的摄取使得铁在表层海水的停留时间很短,本文计算出铁热带北大西洋表层海水的停留时间为210±160天(1SD)。
　　 2.对溶解铁在西南太平洋真光层大多数站点的海水剖面以及热带北大西洋的一个海水剖面的研究发现,溶解铁在表层海水的含量相对较高,而下表层出现了海水溶解铁含量的最低值。这个溶解铁含量的最低值往往伴随着叶绿素荧光含量的最高值。通过与西南太平洋真光层溶解铁与N、P和Si等营养元素剖面的比较发现,铁在表层海水表现出了对浮游植物生长的低铁胁迫,80 m以上的海水N仍是浮游植物生长的主要限制因子,铁则在70-100 m的水域逐渐取代N,表现出了对浮游植物生长的限制作用。
　　 3.溶解铁在热带北大西洋低溶氧区(500 m)的中层海水中具有较高的含量1.04±0.27 nmol/kg(1SD,n=25),并且有着自东向西的递减趋势。通过溶解铁对表观耗氧量的线性关系求导发现,溶解铁含量与表观耗氧量有着很好的线性关系,r2=0.7364。由溶解铁和表观耗氧量的斜率(6.3μmol Fe/mol AOU)求得在低溶氧区有机颗粒再生的Fe/C比值为10.1±3.3μmol Fe/mol C,这明显高于其他海域的Fe/C比值。推测热带北大西洋低溶氧区的高铁浓度很可能是由于该水域接收了来自于北非高强度的大气沉降输入,溶解铁在表层海水中富集而引发了浮游植物的过度摄取,产生并向下输出了具有高Fe/C比值的有机颗粒,由于异养微生物的分解,高浓度的铁被释放到在中层水的低溶氧区。
　　 4.西南太平洋的几个发生固氮藻藻华的站点伴随着表层海水较高的溶解铁含量。总可溶铁的分析发现,在这些固氮蓝藻大量生长的站点海水中“生物可利用铁库存”(总可溶铁减去可溶铁的部分)也比较高。高的溶解铁含量可能引发了固氮藻的大量生长,虽然这是一个可以预期的结论,但这是首次现场观测到的固氮藻藻华爆发与海水中高铁含量的关联。