弗拉姆海峡北极锋面系统中的碳输出

碳输出机制研究在Fram海峡边缘冰区进行，通过直接观测和物理海洋学方法，发现深色聚集物形成、硅藻球体悬浮及冰水体矿物球体增强下沉速率是主要机制，其中北大西洋水下沉显著提升碳汇效率，揭示了海冰变化对北极碳循环的影响。

　　

莉莉·胡夫纳格尔（Lili Hufnagel）、西蒙·拉蒙登克（Simon Ramondenc）、克里斯蒂安·康拉德（Christian Konrad）、威尔肯-乔恩·冯·阿彭（Wilken-Jon von Appen）、泽琳娜·霍夫曼（Zerlina Hofmann）、辛韦·托雷斯·瓦尔德斯（Sinhué Torres Valdés）、杰奎琳·斯特菲尔斯（Jacqueline Stefels）、纳斯罗拉·莫拉迪（Nasrollah Moradi）、阿斯特丽德·布拉彻（Astrid Bracher）、莫滕·H·伊弗森（Morten H. Iversen）

德国不来梅大学，MARUM海洋环境科学中心及地球科学学院

摘要

近期研究表明，与无冰区域相比，北极地区在季节性海冰存在的情况下具有更高的碳输出效率，但这种增强输出背后的机制仍不清楚。在边缘冰区（MIZ），即浮冰与开阔海洋交汇的地方，经常形成涡旋和细丝状结构。为了研究这类锋面系统中的碳输出机制，我们在2020年7月的弗拉姆海峡考察期间，结合了直接的原位观测数据（包括使用自由漂浮的沉积物捕集器、海洋雪捕集器以及原位光学仪器）与物理海洋学方法。研究发现，密度较大的大西洋水（AW）会下沉到较轻的表层融水和极地水（PW）之下，从而影响生物地球化学和生物过程，如叶绿素分布、初级生产力、浮游动物丰度、微生物呼吸作用以及颗粒物的形成。我们发现了三种主要的碳输出机制：（i）富含叶绿素的AW下沉导致的深层颗粒物形成；（ii）硅藻对颗粒物的加重作用，特别是缓慢下沉的Phaeocystis群体；（iii）极地水中的低温矿物对颗粒物的加重作用，这使颗粒物的下沉速度提高了十倍。在大西洋水区域及锋面附近，碳通量较高，而在极地水区域碳输出较低，这突显了水体特性和加重作用在调节碳输出效率中的重要作用。研究结果表明，随着海冰的消退，大西洋化的持续进程和边缘冰区的扩大可能会增强整个北极地区的碳输出。

引言

北极地区受到强烈的人为气候变化影响，其变暖速度比地球上任何其他地方都快（例如Serreze和Francis 2006；England等人2021；Rantanen等人2022），这影响了北极的生态系统、生物地球化学过程、碳输出和碳封存。气候变化导致海冰范围减少（Parkinson和DiGirolamo 2021），进而影响了所有相关的生物过程。研究表明，距离海冰越近，碳通量越大，这意味着在具有季节性海冰覆盖的北极地区，碳输出量高于无冰区域（Fadeev等人2021a）。在海冰覆盖的区域，碳输出效率非常高，尤其是在冰藻释放和沉积等事件发生时（Arrigo等人2012；Boetius等人2013）。海冰变薄和光照增加被认为可以促进初级生产力及冰藻碳的输出（Arrigo等人2012；Boetius等人2013），至少在短期内如此，直到北极海冰完全消失。然而，由于海冰融化导致的海洋层化加剧以及融水的输入，似乎会延迟并减少通过生物碳泵的碳输出（von Appen等人2021）。

另一方面，气候变暖加剧以及大西洋水向北极地区的入侵可能导致浮游动物分布的季节性变化，以及向大西洋物种的群落转变（Neukermans等人2018；Ramondenc等人2023），这已经通过大西洋颗石藻Phaeocystis的出现频率增加得到证实（N?thig等人2015）。在以Phaeocystis为主的区域，碳输出量较少，且颗粒物较小（Fadeev等人2021a）。未加重的Phaeocystis颗粒物下沉速度较慢，为微生物降解和再矿化提供了更多时间，而以硅藻为主的颗粒物则下沉较快，从而减弱了浮游生物与底栖生物之间的联系以及碳输出效率（Fadeev等人2021a；Reigstad和Wassmann 2007）。因此，了解未来的海冰状况将如何影响北极生态系统和碳封存至关重要。

边缘冰区（MIZ），即海冰与开阔海洋交汇的区域，在寒冷季节会变窄，而在温暖季节则会变宽（Strong和Rigor 2013）。在过去几十年中，MIZ在夏季宽度增加了39%（Strong和Rigor 2013）。在弗拉姆海峡的MIZ，尤其是在冰浓度低于20%的区域，经常出现亚中尺度或中尺度的涡旋（Kozlov和Atadzhanova 2021）。在这里，密度较大且温度较高的大西洋水会下沉到较轻且较新鲜的极地水（PW）之下，这可能与涡旋过程有关（Hattermann等人2016）。这些下沉过程可以将有机物质（包括缓慢下沉的悬浮颗粒）输送到深层，从而增强碳输出和输出效率（Boyd等人2019；Omand等人2015，Rogge等人2023）。此外，弗拉姆海峡的垂直混合还可以补充营养物质，促进初级生产力（Mahadevan 2016；Tippenhauer等人2021）。

亚中尺度或中尺度的涡旋可以形成锋面细丝状结构。2017年夏季首次对这样的北极锋面细丝结构进行了研究（Fadeev等人2021b；von Appen等人2018）。该细丝的特征是在400米深度范围内存在密度异常，表明锋面对生物过程可能有深远影响（von Appen等人2018）。亚中尺度的混合过程导致了高初级生产力和碳输出（Fadeev等人2021b）。在仅几公里的距离内，不同水体中的微生物群落和生物地球化学特征存在差异（Fadeev等人2021b）。由于在锋面细丝处停留时间有限，研究中未能完全确定负责碳输出的过程，也未量化融水和海冰覆盖的影响。

为了解决这些尚未得到充分研究的机制，我们选择了弗拉姆海峡的边缘冰区作为一个研究对象，旨在评估该区域的碳输出、输出机制及其与物理海洋过程（如平流和下沉）之间的关系。不同水体在生物特性上存在差异，例如浮游植物浓度、浮游动物丰度、微生物呼吸作用、碳输出、颗粒物丰度及其特性。通过使用自由漂浮的沉积物捕集器、海洋雪捕集器（MSCs）、原位光学仪器以及水体属性，我们确定了锋面区域的主要碳输出机制。

采样区域和物理海洋学条件

在弗拉姆海峡，西斯匹次卑尔根洋流（WSC）中的温暖咸水大西洋水（AW）向北流动（Aagaard等人1987；Beszczynska-M?ller等人2012），而东格陵兰洋流（EGC）中的寒冷淡水极地水（PW）则向南流动（H?vik等人2017）。这两种水体在弗拉姆海峡中部交汇，主要是由于大西洋水的循环作用（Hofmann等人2021）。这导致了边缘冰区（MIZ）内极地水（PW）与大西洋水（AW）之间的密度锋面的形成。

水体结构和生物学特征

在考察期间，我们在边缘冰区（MIZ）观察到多个亚中尺度（100米至1公里，持续数小时至数天）的锋面结构（Hofmann等人2024）。我们的观测分辨率足以区分更大尺度梯度中的个别（亚中尺度）特征（Hofmann等人2024）。我们根据表层融水、极地水（PW）、大西洋水（AW）以及锋面（即较冷较淡的水体与较暖较咸的水体）对这些特征进行了分类。

水体结构和生物学特征

在锋面系统中，三种不同类型的水体相互作用：由西斯匹次卑尔根洋流携带的大西洋水（AW）、由东格陵兰洋流携带的极地水（PW），以及来自边缘冰区（MIZ）海冰的融水。这些水体的结构和混合决定了MIZ锋面系统中的生物地球化学和生物过程。尽管在采样前该研究区域的海冰浓度较低，但剩余的海冰仍然对生态系统产生了影响。

CRediT作者贡献声明

克里斯蒂安·康拉德（Christian Konrad）：软件开发、方法论设计。威尔肯-乔恩·冯·阿彭（Wilken-Jon von Appen）：调查工作、数据分析、数据管理。西蒙·拉蒙登克（Simon Ramondenc）：调查工作、数据分析。阿斯特丽德·布拉彻（Astrid Bracher）：调查工作、数据分析。莫滕·伊弗森（Morten Iversen）：初稿撰写、监督工作、资源协调、方法论设计、调查工作、数据分析、概念框架构建。莉莉·胡夫纳格尔（Lili Hufnagel）：初稿撰写。泽琳娜·霍夫曼（Zerlina Hofmann）：调查工作、数据分析。辛韦·托雷斯·瓦尔德斯（Sinhué Torres Valdés）：调查工作、数据分析。

未引用参考文献

Iversen和Plouh，2010；Jackson和Checkley Jr，2011；Rogge等人，2022。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢研究船“Maria S. Merian”的船员和船长在考察期间的协助。对于植物光学和色素数据，我们感谢Julia Oelker在船上的工作，以及Christian Hohe使用HPLC分析浮游植物色素并处理后勤事务。同时感谢Sandra Murawski进行的生物地球化学测量。营养分析工作由AWI营养实验室完成。本研究得到了Helmholtz协会和Alfred Wegener研究所的支持。