不同海域的海底雪：其成分和数量差异，背后反映了怎样的海洋环境特征

不同海域的“海底雪”（即海洋雪）在成分、数量和沉降速率上存在显著差异，这些差异就像海洋环境的“指纹”，忠实地反映了上层海洋的生产力、物理过程、化学条件和生物群落结构等关键特征。以下是这些差异及其反映的海洋环境特征：

一、 成分差异反映的环境特征

有机质与无机质的比例：

• 高比例有机质（如浮游植物残骸、粪便颗粒、凝胶状物质）： 通常反映高生产力的上层海洋环境。这些区域（如上升流区、高纬度春季水华区、陆架边缘）光照和营养盐充足，浮游植物大量繁殖，产生丰富的有机颗粒。这也意味着该海域是重要的碳输出区域。
• 高比例无机质（如粘土矿物、风尘、火山灰、碳酸钙/硅质壳体）：
  • 粘土矿物/风尘： 主要反映靠近陆源输入（河流、风沙）或风尘沉降强烈的区域（如靠近沙漠的下风向海域、大陆边缘）。
  • 碳酸钙壳体（颗石藻、有孔虫）： 优势存在于温暖、透光层较深、营养盐相对较低（寡营养）的亚热带/热带开阔大洋。这些区域钙质浮游生物（颗石藻、有孔虫）繁盛。碳酸钙的沉降也受海水碳酸盐饱和度（Ω）影响，在文石/方解石补偿深度以下会溶解，其含量会减少。
  • 硅质壳体（硅藻、放射虫）： 优势存在于高纬度、营养盐丰富（尤其是硅酸盐）、较冷的海域（如南极绕极流区、北太平洋亚极区、上升流区）。硅藻是这些高生产力系统的基石。硅质壳体的沉降也受海水硅酸饱和度和深度控制，在硅质补偿深度以下会溶解。

颗粒类型（粪便颗粒 vs 聚集体 vs 单体）：

• 大型粪便颗粒占主导： 反映存在大型浮游动物或鱼类（如磷虾、桡足类、灯笼鱼），它们摄食浮游植物或小型浮游动物后产生快速沉降的粪便颗粒。这表明较高营养级的生物活动活跃，是高效碳输出的重要途径。
• 复杂聚集体占主导： 反映丰富的溶解有机质和透明胞外聚合物颗粒的存在，以及活跃的物理聚集过程（湍流、剪切）和微生物活动（细菌附着、降解）。这在生产力中等或较高的海域常见。
• 单体浮游生物残骸占主导： 可能反映较低的生产力，或者浮游动物摄食压力低，或者物理聚集过程较弱，导致颗粒未能有效聚集成大颗粒。

生物标志物/特定物种壳体： 海底雪中特定的生物标志物（如色素、脂类）或保存完好的特定物种壳体，可以直接指示上层海洋中优势的浮游植物类群或浮游动物，从而反映该海域的生态系统结构和食物网基础。

二、 数量（通量）差异反映的环境特征

沉降通量：

• 高沉降通量： 最直接地反映上层海洋的高初级生产力（单位时间单位面积内浮游植物固定的碳量）。这通常出现在：
  • 上升流区： 深层营养盐被带到表层（如秘鲁海流、加利福尼亚海流、本格拉海流）。
  • 高纬度春季水华区： 季节性光照和层化导致硅藻等爆发（如北大西洋、南大洋）。
  • 陆架边缘和近岸水域： 陆源营养输入丰富。
  • 锋面区： 不同水团交汇处营养盐富集。
• 低沉降通量： 反映寡营养海域（如亚热带环流中心），那里营养盐匮乏，生产力低，颗粒产生少。

沉降通量的季节性变化：

• 显著的季节性脉冲： 强烈反映受季节性气候驱动（光照、温度、风混合）控制的生态系统。例如：
  • 高纬度： 春季/夏季爆发性水华后紧随巨大的沉降通量脉冲。
  • 季风区： 季风驱动的上升流导致生产力高峰和沉降高峰。
• 季节性变化平缓： 反映环境条件相对稳定、生产力季节性波动小的海域（如部分热带寡营养海区）。

到达深海的通量比例：

• 高比例（“高效输出”）： 反映：
  • 产生快速沉降颗粒（如大型粪便颗粒、硅质聚集体）。
  • 水柱浅（如陆架、边缘海），颗粒沉降时间短，被降解机会少。
  • 温度低（如极地），微生物降解速率慢。
  • 浮游动物群落结构有利于产生大颗粒粪便。
• 低比例（“低效输出”）：
  • 产生缓慢沉降的小颗粒或易降解的有机质。
  • 水柱深（开阔大洋深渊），沉降路径长，降解充分。
  • 温度高（热带），微生物活性强，降解快。
  • 存在中层水强烈摄食（中层鱼、大型浮游动物）或物理再悬浮过程。

三、 沉降速率差异反映的环境特征

• 快速沉降（>100-1000 米/天）： 通常由大型、致密的颗粒驱动，如硅藻聚集体、大型浮游动物粪便（尤其是含硅质壳体的）。这反映了存在能产生此类颗粒的生物群落（硅藻、大型甲壳类） 和有利于物理聚集的条件。快速沉降意味着颗粒在到达深海前被降解的机会小，碳输出效率高。
• 缓慢沉降（<10 米/天）： 主要由小型、疏松、有机质含量高或易降解的颗粒（如小型浮游动物粪便、凝胶状聚集体）主导。这反映了以小型浮游生物为主的群落结构，或者物理聚集过程较弱。缓慢沉降增加了颗粒在水柱中停留的时间，极大地增加了被微生物降解或被中层生物摄食的机会，导致碳输出效率低。

总结：海底雪是海洋环境的综合记录仪

通过分析不同海域海底雪的成分、数量（通量）和沉降速率，我们可以解读出关于该海域的丰富信息：

上层生产力水平与模式： 高生产力 vs 寡营养；持续性 vs 脉冲性。 营养盐来源与限制： 上升流（富营养） vs 环流中心（贫营养）；氮限制 vs 磷限制 vs 硅限制。 浮游生物群落结构： 硅藻主导 vs 钙质生物主导 vs 小型浮游生物主导；浮游动物群落组成（影响粪便颗粒特性）。 物理过程： 湍流混合强度（影响聚集）；洋流（影响水平输送和再悬浮）；水深（影响沉降时间和降解程度）。 化学环境： 碳酸盐饱和度（影响钙质壳保存）；溶解氧浓度（影响降解速率）。 碳输出效率： 有多少初级生产力产生的碳能快速有效地输送到深海，对全球碳循环至关重要。 对气候变化的响应： 海水变暖、酸化、层化加剧等如何影响生产力、群落结构和颗粒沉降过程，进而改变海底雪通量和成分。

因此，研究海底雪的区域差异是理解海洋生物地球化学循环、生态系统动态以及海洋在全球气候变化中作用的关键窗口。它就像是从深海发回的“环境监测报告”，揭示了表层海洋活动在深海的印记。