云状层（Nepheloid layers）会影响超贫营养海域中沉降有机颗粒的碳氮（C:N）比例

《Marine Chemistry》：Nepheloid layers impact on C:N ratio of settling organic particles in an ultraoligotrophic sea

C:N比率与海陆架颗粒输运及沉降有机物的碳氮比值变化密切相关，研究显示冬季陆架颗粒经中间 nepheloid 层输运贡献约40%，且低运输期（LTP）因陆源颗粒更稳定导致C:N比值增加更显著，影响碳泵效率。

　　

Ronen Alkalay|Yishai Weinstein|Barak Herut|Ilana Berman-Frank|Timor Katz

以色列巴伊兰大学环境、规划与可持续发展系，拉马特甘52900

摘要

海洋中沉降的颗粒有机物质（POM）的碳氮（C:N）比值直接与初级生产所需的溶解氮的可用性以及碳泵的效率相关。目前对于大陆河流/大陆架/斜坡上的有机和岩石生成颗粒通过中间层（即尼菲洛伊德层）的侧向传输如何影响深海沉降POM的C:N比值知之甚少。在这项研究中，我们分析了在以色列海法以东50公里的DeepLev观测站使用沉积物捕集器收集的沉降POM的C:N时间序列数据，以及超寡营养东南地中海水柱中悬浮颗粒的数据。在冬季高传输期（HTP），光合层的POC:PN比值为7.2，而在低传输期（LTP）则为5.8。根据已报道的大陆架悬浮沉积物中的POC:PN比值，我们计算出高传输期开放海域沉积物捕集器中较高的POC:PN比值是由于大约40%的POM通过侧向传输从大陆架而来。此外，虽然POC:PN比值随深度增加而增加，但在LTP期间这一趋势比HTP期间更为明显。这归因于侧向传输的POM更难分解，并且在与大量岩石生成颗粒结合时可能阻碍了POM的分解，从而提高了其沉降速度。假设全球其他边缘海域也存在类似机制，这将对边缘海域和盆地的C:N比值产生影响。

引言

在开阔海域条件下，沉降有机物质中的颗粒有机碳（POC）和颗粒氮（PN）通量及其比值主要由光合区新产生的有机物质的组成决定，通常接近Redfield比值（C:N:P 106:16:1；Redfield, 1958；Martiny et al., 2013），以及随后的不同分解过程（Boyd and Trull, 2007；Buesseler et al., 2007；Hopkinson and Vallino, 2005；Schneider et al., 2004）。通常，表层附近的较低有机C:N比值表明初级生产者可利用的氮更多（Boyd and Trull, 2007；Geider and La Roche, 2002；Mills and Arrigo, 2010）。Martiny等人（2013）发现，特定浮游植物群及其产生的POM在元素比例上存在区域差异。C:N比值大多在4到8之间变化（偶尔有更低或更高的值），在寡营养环流区高于Redfield比值，在上升流区域（如东赤道太平洋）接近Redfield比值，在较冷、营养丰富的高纬度环境则较低（Martiny et al., 2013；Weber and Deutsch, 2010）。K?rtzinger等人（2001）的研究也支持了这一发现，他们在富营养区域测得的C:N比值为约5，而在氮缺乏区域为约7。水柱中的异养生物将部分沉降的POM分解为溶解有机碳和无机碳、氨以及氮氧化物，导致POC和PN通量随深度减小（Landry et al., 1992；Sarmiento and Gruber, 2006）。值得注意的是，PN相对于POC更易分解（Toth and Lerman, 1977；Verity et al., 2000），这使得沉降POM中的POC:PN比值随深度增加（Landry et al., 1992；Lohrenz et al., 1992；Schneider et al., 2004）。这种POC和PN向溶解形式的转化及其速率影响碳的封存和停留时间，以及维持初级生产所需的营养物质（Dinauer et al., 2022；Jiao and Zheng, 2011；Li et al., 2024）。因此，海洋POM的C:N比值与其空间和时间动态以及调节大气CO?的碳泵效率之间存在直接联系（Ittekkot, 1993；Kwon et al., 2009）。

在远离海岸的地方，影响沉降POM C:N比值的产生和分解过程主要由局部因素如温度和营养物质可用性决定。然而，在靠近大陆边缘的区域，这些比值也可能受到来自海岸和大陆架的有机和无机颗粒通过尼菲洛伊德层的侧向传输的强烈影响。陆地有机物质和从大陆架重新悬浮的老化有机物质通常含有较高的C:N比值（Hedges et al., 1997；Hung et al., 1999；Le Guitton et al., 2015；Tesi et al., 2007）。此外，传输的岩石生成颗粒可以与有机物质聚集，起到压载作用，从而提高有机颗粒的沉降速率。这反过来可以减缓水柱中有机颗粒的分解并改善其保存状态（Armstrong et al., 2002；Klaas and Archer, 2002；Rixen et al., 2019）。值得注意的是，与开阔海域中常见的生物来源压载物（如蛋白石和CaCO?）不同，尼菲洛伊德层主要提供与初级生产力无关的岩石生成压载物（Li et al., 2024；Rixen et al., 2019；Sarma, 2024）。

海洋大面积区域的侧向传输通过环绕大陆的尼菲洛伊德层进行。因此，了解表层和中间尼菲洛伊德层（SNL和INL）的动态及其对POM C:N比值的影响对于评估边缘海洋生态系统中的碳和氮循环至关重要。迄今为止，关于尼菲洛伊德层传输的POM和岩石生成压载物对相邻开阔海域水柱中C:N比值的影响的数据非常有限，从而存在相当大的知识空白。

为此，我们分析了通过时间序列沉积物捕集器收集的POC、PN和总沉积物通量，以及水柱中悬浮沉积物中的POC和PN含量。样本采集于地中海东部超寡营养的黎凡特盆地（Azov, 1991；Krom et al., 2020；Reich et al., 2022），距离海岸50公里处，持续时间为2-3年。该地区的先前研究表明，在冬季，特别是由于风暴和沿岸流的峰值作用，沉积物和POC通过中间尼菲洛伊德层发生了显著的侧向传输（Alkalay et al., 2020, Alkalay et al., 2024；Katz et al., 2020）。

采样

采样

DeepLev浮标站（32°.9995 N；34°.4997 E）位于地中海东部黎凡特盆地（ELB），距离以色列海岸约50公里，水深1500米。其仪器设备和设置已在Katz et al.（2020）和Alkalay et al.（2020）中详细描述。与本研究相关的组件是三个圆锥形McLane沉积物捕集器，分别部署在180米、280米和1300米深度。

浅层捕集器部署在180米深度

沉降颗粒

图2显示了DeepLev沉积物捕集器中的总质量通量（TMF）、颗粒有机碳（POC）和颗粒氮（PN）（部分数据发表于Alkalay et al., 2024）。通量数据采集时间为2.5年（2017年5月至2019年12月，n = 169个样本），分别在180米、280米和1300米深度测量。全年大部分时间TMF较低，尤其是在夏季和秋季，而在冬季/降雨期间（通常为1月至3月）则出现高峰。

后者归因于

讨论

先前的研究记录了由冬季风暴在大陆架上引发的尼菲洛伊德层（INL）的扩展，以及短暂沿海河流的洪水（Alkalay et al., 2020, Alkalay et al., 2024；Katz et al., 2020）。受洋流模式变化的影响，这些尼菲洛伊德层在100至500米深度之间（以及在更深的区域，程度较小）以10-20天的延迟到达位于50公里外的DeepLev站点（Alkalay et al., 2024）。这一过程导致冬季的质量通量显著高于其他时期。

结论

来自大陆架的侧向传输通过INL强烈影响了深海东部黎凡特盆地（ELB）沉降POM的质量、组成和分解过程，该地区距离海岸约50公里。我们提出，在低传输期（LTPs），光合层中异常低的C:N比值（5.8）是由于浮游植物群中低C:N蓝细菌的优势以及本土POM的占主导地位。这些时期的POC和PN通量极低

CRediT作者贡献声明

Ronen Alkalay：撰写——初稿，研究。Yishai Weinstein：撰写——审阅与编辑，监督，研究，资金获取，概念化。Barak Herut：撰写——审阅与编辑，监督，研究，概念化。Ilana Berman-Frank：撰写——审阅与编辑，资源获取，方法论，概念化。Timor Katz：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，研究，概念化。

未引用的参考文献

Hazan et al., 2018

Kim and Nagata, 2010

Santinelli et al., 2010

Schneider et al., 2003

致谢

我们希望感谢R/V Bat-Galim和R/V Med-Explorer号的船长和船员，以及所有在研究航行和浮标部署过程中提供帮助的同事们，他们的奉献精神和团队合作对野外工作做出了重要贡献。本研究得到了以色列高等教育委员会通过以色列地中海研究中心（MERCI）、Wolfson基金会和以色列科学基金会（ISF 25/2014项目）的支持。