文章荐读
北极冰川的快速消融使颗粒有机碳成为峡湾系统碳收支变化的一个重要因素。因此，研究冰川形成的峡湾系统中颗粒有机碳的组成和循环可能是了解全球气候变化和碳循环的关键因素。为了研究冰川峡湾地区有机质的来源，Jong-KuGal等研究了4月份(早春季节)Kongsfjorden海洋颗粒物中正构烷烃(C17-C35)和甾醇的浓度，以追踪有机碳的来源，该研究于年发表在《EnvironmentalResearch》上，题为“SpatialdistributionandoriginoforganicmattersinanArcticfjordsystembasedonlipidbiomarkers(n-alkanesandsterols)”。
文章简介
本文研究了Kongsfjorden的海洋颗粒物中正构烷烃(C17-C35)和甾醇的浓度，判断早春季节(4月)的有机碳来源。研究得出峡湾内外环境因子(海水温度、盐度、密度、浊度、叶绿素a(chl.a)和颗粒有机碳(POC)浓度)和浮游植物细胞密度的空间分布不同。此外，硅藻生物标志物芸苔星醇在外峡湾中的浓度较高，并与水柱中的chl.a和POC浓度呈正相关。相比之下，一些源自陆地有机物的甾醇(如豆甾醇和樟脑甾醇)在内峡湾的浓度相对高于外峡湾。根据基于距离的冗余分析(dbRDA)结果，有机化合物的分布主要受海水密度、POC和chl.a浓度的控制，以此来划分内部和外部峡湾区域。然而，基于使用脂质生物标记物和环境因素的主成分分析(PCA)得出的主成分层次聚类(HCPC)结果表明，这些聚类通过表层(0m)和地下(4m)海水样本来区分。值得注意的是，在早春海水表层相对短链烷烃的浓度明显高于地下海水，而没有奇数碳偏好。这些化合物有可能作为潮水冰川产生的有机质和融雪进入峡湾系统的淡水输入的指标。综上，水体中脂质生物标记物的分布可能为全面了解北极峡湾中有机质的来源和运输提供重要信息。
研究背景
根据气候预测模型，气候变暖的影响可能通过北极永久冻土、雪和冰川的融化释放大量的水，特别是从冰川到海洋的峡湾系统更加容易受到气候变化的影响。潮水冰川退缩导致的融水流出量增加使海水温度、盐度和淡水径流产生变化，也使得海洋环境中的陆地有机物增加。
Kongsfjorden内峡湾中有五条潮水冰川，在北极早春季节，大量冰川融化，淡水输入，陆地有机物进入峡湾系统。而目前，较少有人利用高北极峡湾系统中的原位海水样本对陆地有机物的分布或其来源进行研究。
脂质生物标志物，如正构烷烃是为海洋环境中的陆地有机物的分布和起源提供证据的有用指标。特别是平均链长(ACL)和碳偏好指数(CPI)能够提供有关正烷烃来源的相关信息。甾醇也是鉴定有机物来源的有用分子生物标志物，可用于判断来自海洋和陆生植物的有机物。研究区域有机物中包括来自冰川、雪、陆地和海洋环境的有机物混合物，因此，烷烃和甾醇是北极环境中有机物的合适示踪剂。
研究区域
图1.研究区域Kongsfjorden,Svalbard群岛
在早春季节(年4月)，当潮水冰川在Svalbard群岛开始融化时，在R/VTeisten上的8个站点进行了样本采集。
研究结果与讨论
图2.Kongsfjorden峡湾从内到外的横截面相关指标：(A)密度、(B)POC、(C)叶绿素a、(D)芸苔甾醇、(E)β-谷甾醇、(F)樟脑甾醇、(G)烷烃总量(C27-C29、(H)烷烃总量C31-C33和(I)烷烃总量C19-C21(根据主成分分析中主成分的层次聚类选择正构烷烃组分)。
研究区域所有深度的POC浓度范围为0.22~0.31mg/L。在大多数地点中，POC浓度在表层海水中最高。研究区域所有深度的Chl.a浓度范围为0.01~0.09mg/m3。Chl.a的浓度在水深5m以内的上层显示出较高的值，并且随着水深的增加浓度越低。Chl.a的空间分布浓度与POC相似(R2=0.61)。
所有深度的芸苔甾醇浓度范围为2.71~19.94ng/L，内峡湾位置和外峡湾位置表层的芸苔甾醇浓度较高。内峡湾位置的β-谷甾醇和豆甾醇浓度较高，分别为2.17~28.95ng/L和0.00至9.54ng/L。豆甾醇和β-谷甾醇之间的相关系数值为0.98，表明这些化合物在研究区域具有相同的来源。
图3.(A)浮游植物和环境参数丰度分数的主成分分析(PCA)和主成分层次聚类(HCPC)结果图；(B)考虑PCA和HCPC结果的内部和外部峡湾站点组的NMDS图。POC:ParticulateOrganicCarbon,Chl.a:chlorophylla,Dino:Dinophyceae,Baci:Bacillariophyceae,Dict:Dictyochophyceae,Chlo:Chlorophyceae,Prym:Prymneosiophyceae.
PCA结果表明POC、chl.a和硅鞭藻(Dictyochophyceae)和海洋硅藻(Bacillariophyceae)(研究区的优势种)的细胞密度在PC1上正载荷，解释了41.41%的方差。白蜡虫科和浊度在PC2上负载荷，解释了16.19%的方差。此外，HCPC结果显示靠近冰壁的位置属于聚类1，这与相对较低的海水密度、高浊度和高白蜡虫科细胞密度有关。大多数远离冰壁的地点属于聚类2和聚类3，与芽孢杆菌科的相对密度、高POC和chl.a浓度以及细胞密度有关。
随着冰川和海冰在早春融化，Kongsfjorden内部的颗粒和溶解物质的流入增加。因此，由于水体中浊度增加导致初级生产力较低，该地区显示本地源对POC的贡献较低。总之，在冰川融化期间，由于光照条件和初级生产力的变化，聚类的依据是冰川融化期与冰壁的距离。
图4.(A)烷烃(黑线)、甾醇(蓝线)和环境参数(红线)的丰度分数的主成分分析(PCA)，(B)主成分分层聚类(HCPC)的结果。Chl.a:Chlorophylla,POC:ParticulateOrganicCarbon,Temp:Temperature,Sal:Salinity,Dens:Density,Turb:Turbidity,Bras:brassicasterol,Copr:Coprostanol,Chole:Cholesterol,Stan:Cholestanol,Camp:Campesterol,Sito:β-sitosterol,Stig:Stigmasterol.
POC、chl.a和芸苔甾醇浓度的PCA图中相似的分布和负载表明，这些成分可能具有相同的因素来控制它们在水体中的分布，其空间分布的控制因素可能是海洋硅藻的丰度。
外峡湾中观察到的相对较高的POC浓度由来自硅藻的本土有机质组成。此外，根据浮游植物分布和环境因素得出的区域差异(内峡湾和外峡湾之间)意味着研究区本土源的分布取决于采样地点与冰川的距离。
图5.正构烷烃、甾醇和环境参数的丰度分数基于距离的冗余分析(db-RDA)的结果。红色和蓝色点分别表示从内部和外部站点收集的样本。红色和蓝色圆圈表示90%预测的内部和外部站点的范围。
在db-RDA结果中，决定脂质化合物空间分布的主要因素是水密度以及POC和chl.a浓度。陆地有机物连同增加浊度的颗粒物质，会因潮水冰川的崩塌和海冰的融化而汇入内峡湾。在测量到浮游植物和叶绿素浓度相对较高的外峡湾中，本土来源似乎是控制Kongsfjorden水体中有机化合物分布的主要因素。
图6.来自不同聚类中单个正烷烃的平均浓度(A)聚类1(n=5)、(B)聚类2(n=25)和(C)聚类3(n=3)，对应于HCPC结果。
短链烷烃在表层中由聚类1和聚类3中占主导地位，长链烷烃在地下层中由聚类2中占主导地位。通过与先前的研究对比分析，Kongsfjorden周围的土壤和海洋沉积物中的正构烷烃CPI与ACL特征与本研究不同，意味着本研究中表层海水的正构烷烃成分反映的是雪和冰川的影响，而不是土壤的陆源影响。因此，正构烷烃的成分可能有潜力作为潮水冰川和峡湾系统融雪导致淡水流入的特定指标。
根据Kongsfjorden的环境条件，通过考虑本研究的结果，可以提出以下假设。在融化季节，由于气候变化，高北极峡湾的潮水冰川退缩，可能导致有机碳和无机碳通量增加，有机碳内部循环增强，以及内峡湾沉积速率增加。即使覆盖海面的浮冰面积减少，光也会随着冰川融化和颗粒浓度增加而受阻。因此，峡湾的碳排放量将大幅减少，而这一比例将发生变化。特别是，海洋环境变化对浮游植物和浮游动物的强烈影响将使区域生态系统能够更清楚地区分峡湾内外区域。此外，这些变化可能会在极易受气候变化影响的峡湾系统中加速。
主要结论
在本研究中调查了Svalbard群岛高北极峡湾系统Kongsfjorden海水中有机化合物(甾醇和正构烷烃)的空间分布。内部和外部峡湾站点之间的浮游植物细胞密度在空间上是不同的。脂质生物标志物的分布表明，来自异地来源的微粒有机物在内峡湾中占主导地位，而本土来源在外峡湾中占主导地位。
db-RDA结果表明，有机化合物分布的主要控制因素是研究区的海水密度、POC和chl.a浓度。短链烷烃在表层中的浓度较高，表明这些化合物有可能可以用作潮水冰川和雪融化的指标。因此，脂质生物标志物方法可以为冰川中POC和北极峡湾系统融雪的行为和影响提供线索。
借鉴意义
本研究通过研究潮水冰川大量融化使POC输入到海洋环境中有机质，利用脂类生物标志物分布特征，以及主成分分析和冗余分析为全面了解北极峡湾中有机质的来源和运输提供重要信息。本文的研究思路和研究方法为判断有机质来源提供了更加细化的方法。
文章来源:GalJK,KimBK,JooHM,etal.SpatialdistributionandoriginoforganicmattersinanArcticfjordsystembasedonlipidbiomarkers(n-alkanesandsterols).EnvironmentalResearch,,.
文字丨田皓文
排版丨田皓文
审阅丨丁艳孙赫晨吴晨阳
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