讲座3 同位素在海洋学研究中的应用

同位素在海洋学研究中

的应用陈敏厦门大学海洋与环境学院《海洋化学进展》讲座3海洋水团组成与水体运动路径的示踪:

保守性稳定同位素：2H、18O

保守性放射性核素：226Ra、228Ra、224Ra、222Rn

海洋生物地球化学过程的示踪：

稳定同位素：13C、15N

颗粒活性放射性核素：234Th、228Th、210Pb、

210Po、32P、33P

海洋沉积动力学的示踪:

对象：沉积物、锰结核、多金属结壳、贝壳

核素：230Th、231Pa、238U、235U、210Pb、228Th厦门大学同位素海洋学研究方向

航次北冰洋：4南大洋：10太平洋：5南海：15东海：4厦门湾等：>1632种核素研究海域与应用的核素西北冰洋的水团组成与水体运动西北冰洋生物泵的运转效率北太平洋固氮作用西向强化的同位素证据济州岛西南泥质区近250年物源变化及其影响因素介绍提纲北冰洋水团组成与水体运动的

2H、18O、226Ra、228Ra、224Ra示踪成果一北冰洋水文学过程对全球变化的响应与反馈过去十年，模型研究显示，北冰洋是全球变化的灵敏指示区域。在全球变暖的背景下，温度的增加在北极区域将得到放大（Manabeetal,1991;ManabeandStouffer,1994），而且北冰洋对全球变化有着强的反馈作用（IPCC，2001）。最近的观测表明，北冰洋正在进行着明显的环境变化：快速变化中的北冰洋变化中的北冰洋变化中的北冰洋降雨的增加，河水输入的增加，表层海水的淡化1979-1996年间，上跃层水温度升高，变薄；下跃层水温度降低，大西洋暖水核心变厚自1989年，海冰融化增加4~6m，表层海水变淡大西洋/太平洋水团边界的东移暖水核心（>１oC）向东入侵(增暖现象)：NB-1990;AB/MB-1993;MR-1998,1999淡水输出增加可能的反馈作用

北冰洋表层海水的淡化降低北大西洋深层水（NADW）的形成，减缓大洋热盐环流（THC）（ManabeandStouffer，1994；Rahmstorf，1995；Broecker，1997）北半球气候更加恶劣1970s北大西洋表层水大的盐度异常（GreatSalinityAnomaly）1968年FramStrait大量的海冰输出上跃层水存在的证据

（1）北冰洋上跃层水如何维持？（2）太平洋水如何进入北冰洋？（3）北冰洋水团组成（太平洋水、大西洋水、海冰融化水、河水）如何？其空间变化怎样？（4）北大西洋与北冰洋如何响应？

科学问题楚科奇海北冰洋样品采集1999年首次北极考察2003年第2次北极考察加拿大海盆上跃层水形成机制首次北极考察结果S-18O-PO*质量平衡计算加拿大海盆水团构成的垂向变化加拿大海盆CNIS7站镭同位素垂直分布二次北极考察结果楚科奇海陆架区首次北极考察结果陆架区镭同位素垂直分布二次北极考察太平洋水的空间分布首次北极考察结果海冰融化水的空间分布首次北极考察结果河水组分的空间分布首次北极考察结果启示北冰洋深海盆地“上跃层水”的形成缘于太平洋水的输入。太平洋水主要通过白令海峡两侧，即阿拉德湾和阿拉斯加沿岸流进入，并于陆架底部运移至深海盆地。加拿大海盆是河水组分的重要储存区。北冰洋淡水循环的重要性北冰洋对全球变化的影响途径：（1）通过太阳辐射反照率变化影响热收支平衡；（2）通过影响北大西洋深层水的形成影响全球深海热盐环流。北冰洋淡水循环：淡水输入有助于上层水体层化作用与水体稳定性的加强，促进海冰形成而增加反照率；北冰洋淡水组分往北大西洋输送量的变化将导致深层水形成区域的位移和深层水形成速率的变化。最新研究表明，目前北大西洋深层水的形成难度在增加，流速在降低，这被归因于北冰洋淡水输送量的增加。

了解北冰洋淡水循环对于深入探索北冰洋对全球变化的响应与反馈具有重要意义。北冰洋淡水循环的重要性加拿大海盆河水组分停留时间的计算西北冰洋228Ra/226Ra)A.R.与河水组分份额的关系站号层次/m停留时间/aC3401.520.460.049.90.8251.780.500.0310.50.5501.350.530.037.80.41000.960.490.025.60.31500.640.330.025.50.52000.510.280.015.00.35000.230.080.028.82.3C3901.860.580.059.70.7251.860.640.068.90.8501.670.670.077.60.91001.360.360.0411.01.02000.780.240.019.80.33000.440.120.0310.82.45000.510.260.025.60.7加拿大海盆河水组分的停留时间北冰洋河水组分的平均停留时间：10a，意味着北冰洋河水组分在输送至北大西洋前在北冰洋平均停留了10a左右的时间。北大西洋挪威海2000m以浅水体盐度的时间变化Dicksonetal.PhilTransRSocLondA,2003,361:1917-1934北冰洋入海径流量的历史变化Shiklomanovetal.2000,281-296北大西洋盐度低值与北冰洋河流径流高值的时间差北大西洋盐度低值1958-195919671977-19811984-19851994-1999北冰洋河流径流量高值1947-194919581966-19681974-19781986-1988时间差（a）1091299与北冰洋河水组分的平均停留时间非常吻合小结北大西洋水体淡化与北冰洋入海径流变化有关;北冰洋入海径流量的增加与北大西洋上层水体的淡化之间存在约10a的时间间隔，其取决于北冰洋河水组分的平均停留时间。

北冰洋生物泵运转的14C、3H、234Th、210Pbex示踪成果二北冰洋：生物生产力的“沙漠”？

不活跃的碳循环？科学问题初级生产力：14C吸收法积分生产力：3.8~89.5mmolC/(m2·d)之间，与Cota等(1996)、Wheeler等(1996)的结果相一致,高于以往的报道值（English,1961;Harrison,1978）14C流动表层海水水样细菌生产力水平:3H-TdR吸收法站位C8C34细菌生产力（mmolC/(m2d）5.72.0BP:PP0.630.52区域楚科奇陆架加拿大海盆颗粒物清除、迁出作用的指标：234Th/238U不平衡234Th/238U不平衡的存在表明该海域存在一定强度的颗粒清除、迁出作用，与以往认为北冰洋颗粒动力学作用很微弱（即234Th/238U达到久期平衡）（Baconetal,1989）形成鲜明对比。POC输出通量的计算POC输出通量=234Th输出通量POC/PTh234Th清除通量=234（238U-D234Th）234Th输出通量=234Th清除通量-234P234Th100m层POC输出通量楚科奇陆架沉积物有机碳埋藏通量：210Pbex法沉积物有机碳埋藏通量：

25~33mmolC/m2/d占初级生产力：62~82%启示尽管北冰洋的初级生产力、POC输出通量比白令海等中、低纬度海域来得低，但北冰洋并非是生物生产力极其贫瘠的海洋“沙漠”，它具有相对活跃的海洋碳循环过程及较高的生物泵效率，因此北冰洋在全球碳循环中的作用可能较以往认识的来得重要。热带和亚热带北太平洋固氮作用

西向强化的同位素证据成果三纬向依赖性，但经向如何?海洋固氮作用空间分布特征采样站位Surfacewaterwerecollectedalongalongitudinaltransectonceevery1-5degreeduringOct-Dec,2003大气N2

15N≈0深海水15N≈5~7POM-15N证据Theeastwardincreaseof15Nsignalsuggestedthatmarinenitrogenfixationincreasedwestward-0.1‰3.8‰Seaareaobject15N（‰）ReferenceWithnitrogenfixerwesternPacificSurfacePON-1~+2SainoandHattori,1987EastSeaofChinaTrichodesmiumPhytoplankton(net)Zooplankton-2.1~+1.0+0.7~+2.9+2.1~+3.7MinagawaandWada,1986NorthPacificsubtropicalgyreCopepod+1.9~+3.8Mullin等，1984SagassoSeaZooplankton+2.5~+5.0FryandQuinones,1994SouthernFloridaSeaPOMZooplankton-0.19+5.9Macko等，1984SagassoSeaPON-3~+2Altabet等，1991SubtropicalnorthAtlanticPOMZooplankton+1.0~+5.2+4.3~+6.4Montoya等，2002CaribbeanSeaTrichodesmium-3.6~-0.2Carpenter等，1997EasternMediterraneanSurfacePON-0.3±0.5Pantoja等，2002TropicalAtlanticZooplankton+0.2~+3.1McClelland等，2003NonitrogenfixerEasternPacificSurfacePON+5~+10SainoandHattori,1987CaliforniaGulfPON+8.1~+11Mullin等，1984NorthwesternMexicoBayPONZooplankton+7.5+8.9Macko等，1984GeogioBayPOMZooplankton+5.1+5.5~+9FryandQuinones,1994AlaskaBayphytoplanktonzooplankton+3.3+7.2Goering等，1990固氮与非固氮海域15N的对比溶解态、颗粒态

210Po证据

PoismoreefficientuptakebybacteriathanbyphytoplanktonTheeastwarddecreaseofPPo/DPoalsodemonstratedthatnitrogenfixationincreasewestward.全球海洋Fe沉降通量及表层水溶解态Fe的分布Increasedwestward全球海洋表层水磷酸盐的分布Increaseeastward15N和210Po的证据表明，热带与亚热带太平洋表层水的固氮作用存在西向强化特征，该分布特征可能受控于海水Fe含量。小结POM13C的经向变化POM-13Cincreaseeastward人类来源CO2对13C的影响ThislongitudinalgradientcanbeascribedtotheeffectsfromanthropogenicCO2invasioninoceansurfacewaterSuess效应：人类来源CO2

，13Caq

,13Cp

同位素分馏效应：人类来源CO2

，p

，13Cp

太平洋人类来源CO2

浓度的分布Sabineetal.,2002,GBCThelongitudinalgradientof13CcanbeascribedtotheeffectsfromanthropogenicCO2invasioninoceansurfacewater海洋固氮作用与人类来源CO2的可能关系N2fixationandverticalNO3-fluxfromdepthhavedifferentpotentialsforsupportingprimaryproductionandaffectingnetremovalofCO2fromatmosphere固氮与NO3-通量的不同效应碳的净埋藏假说大气Fe沉降减弱固氮作用的减弱人类来源CO2浓度的降低济州岛西南泥质区

近250年物源变化及其影响因素成果四采样站位及沉积速率黄河改道对物源的影响陆源物质：高C/N比，低13C和15N图片来源：姚汉源著：《中国水利发展史》，上海，上海人民出版社，2005年8月版，第479页。黄河改道历史郑景云等，2005，中国科学（D辑），35（8）：765-774Qianetal.,2003,ClimateDynamics,21:77-891855年以前黄河径流量与陆源输入之间的关系PP(gC/m2/a)1855年后POC、CaCO3含量与SST、PP的关系张秀芝等，气候与环境研究，2005，10：799-807。Hadley中心数据Before1855？东海物源变化同位素海洋学的未来RoleofseaiceraftedsedimentsontheelementredistributionintheArcticOcean成果五C12C15S32S21C26C24C22C34C31R04AR07AR11AR15AP11B11B13S25S11S14B80B79B78P24P22M03M07CanadianBasin

ChukchiSea

687072747678808284180170160150Samplinglocations234ThevidenceDistributionoftotal234Thactivity(Bq/m3)Distributionof234Th/238Uactivity234Th238UlUNUlThNThRemoval(Scavenging)ProductionDecay234U234ThpropertiesinseawaterHalflife:24.1daysParticlereactiveProducedby238UdecayRemovalbyparticlescavengingExamplesof234Th/238UdisequilibriumintheupperoceanQuestionAbnormalhigh234Thactivityand234Th/238Uactivityratio(>1.0)intheupperwatercolumnalongthesloperegionaround160W,

Why?Samplinglocationsfor226Ra,228Ra,224RameasurementsinthewesternArcticOceanRadiumevidence226RaactivitydistributioninsurfacewatersinthewesternArcticOcean226Raactivitydistributionat10mdepthinthewesternArcticOcean228RaactivitydistributioninsurfacewatersinthewesternArcticOcean224RaactivitydistributioninsurfacewatersinthewesternArcticOceanRadiumpropertiesinseawaterDifferenthalf-life:226Ra1602a,228Ra5.75a,224Ra3.64dSolubleinseawaterInput：(1)Runoff(2)Desorptionfromparticlesinestuarinezone(3)DiffusionfromlocalsedimentDesorptionfromparticlesinestuarinezoneQuestionAbnormalhigh226Ra,228Ra,224Raactivityinsurfacewateralongthesloperegionaround160W,

Why?MostpossiblemechanismforhighthoriumandradiumcontentSteeleetal.,JGR,2004Dethleff,JGR,2005Duringthemovementofseaice,234Thwaspickedupbyice-raftedsediments,whichinducedthehigh234Th/238Uactivityratio(>1.0).Whencontactingwithhightemperatureseawater,seaiceraftedsedimentwillbereleasedRadiumwillbedesorptedfromthesedimentsDistributionofpotentialtemperatureduringthesecondChineseArcticExpeditionShietal.,AOS,2005ImplicationThesedimentsinseaicecouldpickupadditionalparticle-reactivecontaminantsduringcontactwithsurfacewaters,justlikeabus.Driftingsediment-ladenseaicemayplayakeyroleinthelong-rangeredistributionofcontaminantsintheArctic,aswellasaffecttheparticlefluxtothedeepsea.近40年北太平洋亚热带环流区上层水体生态系变化的226Ra证据李艳平等,2004,台湾海峡；Yangetal.,2006,ChineseSciBullet研究成果六北太平洋亚热带环流区图1采样站位图(+代表2003年航次采样站位；○代表1999年航次采样站位)表层水226Ra含量的时间变化DY95-10航次DY105-12,14航次近40年来表层水226Ra含量逐渐降低我们的数据是否可靠？a大西洋:0.10,Broecker等,1976北冰洋:0.10,MooreandSmith,1986赤道太平洋:0.14,ChungandCraig,1980北大西洋:0.17,Key等,1992DY105-12,14航次结果北太平洋亚热带环流区上层水柱

硅酸盐、活性磷酸盐含量的时间变化Karletal,2001,Deep-SeaResIIHistorydataSi=0.6mmol/m3SiO32-浓度平均降低速率

由SiO32-浓度时间变化:Vdecrease=0.018mmol/m3/a

根据Si-226Ra关系及226Ra含量时间变化：Si=8.3RaRa=42dpm/m3Si=0.35mmol/m3

Vdecrease=0.010mmol/m3/a226Ra含量变化的原因及启示全球变暖浮游生物组成变化生物生产力升高生物吸收、迁出Ra增加水体Ra降低与此同时，水体层化作用加强，垂直交换减弱，由深层补充至上层的营养盐减少。为维持升高的生物生产力，所需的氮营养盐可能来自加强的海洋固氮作用。结语

北太平洋亚热带环流区表层水226Ra含量在过去40年中呈现降低趋势，反映了该海域生态系对全球变化的响应，其主要体现在水体层化作用的加强以及生物生产力的升高。未来有必要了解这种变化