“嘉庚”号和她的洁净CTD”
地球上海洋面积达371×106 km2，大约占了地球的70.8%，平均深度约为3800m，是地球上最大的水库（1.4×109km3）。这是一个人迹罕至而又充满不确定性的环境，使得海洋科学的研究充满了挑战性。海洋化学的探索尤其具有挑战性，海洋地球化学家感兴趣的大多数化学物质浓度都非常低，从10-9 mol/L变化至10-18mol/L。例如，大洋表层水中Fe的浓度可低至0.1×10-9mol/L，相当于1000吨海水中仅含有6克铁。
洁净海水采集系统的发展使海洋中痕量元素及其同位素测量成为可能。提到海水，首先自然会想到海上科考中最常用的海水采集设备- CTD (Conductivity, Temperature, Depth) 采水器。据“嘉庚”号探测长吴学文介绍，CTD是电导率、温度、深度探测仪的简称。CTD采水器配备了24瓶12L的Niskin采水瓶，可以采集不同深度海水样品，最深可达6000m。
洁净CTD采水器下放前，痕量组做清洗-挂瓶等准备工作（钱娜 摄）
与国内其他科考船不同的是，“嘉庚”号配备了2套不同类型的CTD采水器。除了用于营养盐和生物地球化学参数研究的常规CTD采水器，“嘉庚”号还拥有国内首个洁净CTD采水装置，这是专门为国际“痕量元素和同位素海洋生物地球化学循环（GEOTRACES）”合作调查研究准备的，可避免船体、大气等环境以及缆绳、采水器自身对海水样品痕量元素的沾污。
据首席科学家蔡毅华教授介绍，在正式开始GEOTRACES-CHINA这一国际航次之前，5123导航（MEL）痕量元素及其同位素研究小组已参加两次海试，对洁净CTD采水器的本底和配件进行了检验和测试。“与常规CTD采水器不同，洁净CTD采水器的Niskin采水瓶必须用高纯盐酸进行浸泡、清洗，并在正式采集海水样品之前，需在海水环境内对CTD采水架和Niskin采水瓶进行多次原位润洗，同时测试其本底值是否可靠”，叶利萍工程师说。据博士生王昕介绍，洁净CTD采水器中的Niskin采水瓶内部具有特氟龙涂层，防止内部金属溶出。此外，洁净CTD采水器尽量采用钛合金固件，且采水架用环氧树脂涂层覆盖。蔡老师也提及本航次主要调查Fe、Ni、Cd、Cu、Al、Mn等痕量元素及其同位素组成。
除了5123导航痕量元素及其同位素工作团队之外，来自上海交通大学的张瑞峰副教授和中国海洋大学的张劲教授、刘茜及李彦宾副教授团队也是“嘉庚”号上痕量元素及其同位素研究的重要组成部分。所获取的样品还将满足岸上多个团队（包括5123导航戴民汉院士团队、中国海洋大学任景玲教授团队及美国南密西西比大学Alan Shiller教授团队）以及用于未来国内外学术合作的样品需求。他们在“嘉庚”号上的高效协作是保证海水样品收集和高质量痕量数据的重要基础。除了在洁净CTD采水器下放之前，可以看到痕量研究小组科考队员如众星拱月般在不断重复认真地擦洗和冲洗CTD采水器，后期他们在洁净集装箱实验室内过滤海水的工作周期也长达12小时。
痕量研究小组在洁净集装箱实验室工作（张瑞峰 摄）
这只是中国海洋科学家们参与GEOTRACES国际调查计划的第一步，相信未来国内相关科研机构和高校也将纷纷投身于现代海水痕量元素及其同位素的生物地球化学循环研究，为探索痕量元素在复杂海洋环境及全球气候变迁中的重要角色贡献一份力量。
探秘“嘉庚”号上的原位大体积过滤系统及颗粒TEIs研究
海洋中的颗粒物是另一种珍贵的海洋化学研究的信息蕴含者，它们的浓度从10 μg/L变化至250 μg/L。如果说海水痕量元素及其同位素（Trace metal elements andtheir isotopes，简称TEIs）研究需要约1升海水，那么悬浮颗粒物TEIs研究又需要多少海水，以期提取出足够量的颗粒物？
据航次联合首席科学家周宽波博士介绍，为了获得足够量的颗粒物样品用于TEIs分析，必须过滤高达数千升海水，远超常规的船载设备采样能力，这时就需要部署原位大体积过滤系统。原位大体积过滤系统，顾名思义，是悬挂在钢缆或凯氟拉缆绳上，下放至一定深度后，可以在水下定时启动水泵，并进行海洋颗粒物的原位过滤的装置，最终获取海水中的颗粒物样品。周宽波说，“相比于原装系统，本航次使用改装后的原位大体积过滤系统，具有两个泵头和三个流量计，过滤海水总体积可达1500升；同时配备了凯氟拉缆绳，以避免钢缆上的金属对样品的沾污。这也是首次在国内科考船上进行颗粒悬浮物TEIs样品采集”。
科考队员在“嘉庚”号后甲板准备投放原位大体积过滤系统（吴学文 摄）
科考队员回收原位大体积过滤系统及卸下泵头，记录海水流量等数据（钱娜 摄）
来自MEL的博士后张衎是海水颗粒物TEIs研究的主要成员之一。她在博士期间的主要研究内容是16亿年前的古海洋环境演化，尽管从岩石跨越到海水，研究对象发生了变化，但研究技术和方法是相通的，她对“痕量”和“洁净”的感觉并未发生变化。据张衎介绍，在航次备航期间，她和小伙伴们花了近半年时间准备颗粒物TEIs洁净集装箱实验室，并严格按照国际GEOTRACES要求对滤膜、泵头等进行浸泡、清洗。
科考队员在海洋颗粒物TEIs洁净集装箱实验室分工进行抽干海水-拍照-切膜-洗脱（钱娜 摄）
本航次中，同属原位大体积过滤系统采集颗粒物样品和TEIs研究的科考队员，还包括MEL工程师陈君慧、博士生马轶凡、硕士生杨子翔、李雅婷等人，他们分别负责仪器布放、海水抽滤、颗粒物洗脱和样品分割等工作。无论从原位大体积过滤系统的准备、布放、回收以及在洁净实验室内的膜处理，都体现着明确的分工和团队合作精神。
值得一提的是，颗粒物TEIs洁净集装箱实验室的洁净级别达到了1000级，洁净台的洁净级别达到100级。本次GEOTRACES-CHINA西太平洋科考航次是GEOTRACES在中国的第一个航次，MEL及“嘉庚”号洁净科考船，无疑在洁净CTD采集深海全水柱海水样品，以及原位大体积泵采集颗粒物进行TEIs研究中发挥着积极作用。
“嘉庚”号上的常规动作： CTD下放
CTD采水器是目前海洋科考船上的必备“武器”。她的中文名是温盐深（探测）仪，配备了电导率、温度和压力传感器。据“嘉庚”号探测部叶成淼工程师介绍，“嘉庚”号上的常规CTD采水器（SBE 911 Plus）还配有溶解氧、荧光传感器及24个Niskin采水瓶，不仅可以高频测试和传输这几个重要物理化学参数，还能采集深达6000m全水柱海水样品。
科考队员围绕在CTD采水器旁采集分层海水样品（叶利萍 摄）
本次GEOTRACES-CHINA西太平洋航次每个站位均投放多次常规CTD，满足了不同研究小组对不同指标的海水样品需求。据统计，常规CTD采水参数包括溶解氧（DO）、营养盐（N，P，Si）、溶解无机碳（DIC）和溶解有机碳（DOC）浓度等基本水化学浓度参数，以及Δ14C, δ18O, δ2H, δ15N, 234Th, 144Nd/143Nd, 230Th, 135Ba / 138Ba, 210Po / 210Pb等同位素指标；同时所采集水样还用于初级生产力、固氮速率等甲板培养实验。参与单位包括5123导航、自然资源部第二海洋研究所、中国海洋大学和北京大学。
温盐传感器获得的高分辨率数据为本航次西太平洋调查海域的基础水文信息。此外，“嘉庚”号上实时测量获得了每个站位的营养盐数据（硝酸盐，碳酸盐和硅酸盐），这主要由MEL工程师王丽芳完成，她总是在第一时间将营养盐数据反馈给科考船和岸上科研人员，多次引起大家有效讨论。特别值得一提的是，针对研究区域为寡营养海区这一特点，本航次配备了由MEL科学团队自行研发的痕量营养盐自动分析仪，使得现场科考队员可以精确掌握研究区域上层海水中的营养盐含量与变化特征，进而探讨其水文、生物、化学的控制因子，并根据现场情况制定具有针对性的调查方案。
王丽芳工程师工作照（叶利萍 摄）
相信利用CTD采水器上各类传感器获取的基础海洋物理-化学参数，结合海水营养盐实测数据、各类元素与同位素指标以及详尽的生物过程研究，必将对西太平洋生物地球化学循环研究提供新的视角。期待未来“嘉庚”号上越来越多的水文、化学、生物多参数结合的综合性海洋科考航次和原创性的研究成果！
“嘉庚”号上大体积培养和痕量金属研究的巧妙联合
现代人类活动对全球环境和气候变化产生了重要影响。就痕量金属而言，它是生命必需的营养盐，同时也可以是致命的有毒物质，对海洋生态系统和碳、氮循环具有至关重要的意义。一些痕量金属是重要的营养盐，包括Fe、Mn、Co、Cu、Zn等；相反，有些痕量金属在高浓度时是具有毒性的，包括Hg、Pb、Cu等。
“嘉庚”号是近年来国内出现的第一艘洁净科考船，为海洋痕量元素及其同位素（TEIs）研究提供了重要保障。GEOTRACES-CHINA西太平洋航次是GEOTRACES国际海洋调查计划在中国的首个科考航次，旨在了解西太平洋痕量元素及其同位素分布和生物地球化学循环。除了海水TEIs和颗粒TEIs研究之外，本航次另一个重要特色是大体积生物培养实验以了解寡营养海区生物生产力和痕量金属元素之间的关系。
大体积培养组讨论采样和实验安排（钱娜 摄）
大体积培养小组在准备培养瓶和培养箱（叶利萍 摄）
来自美国缅因大学的Mark Wells教授为生物生产力和培养研究小组取了一个形象的名字——大体积培养组（large volume incubation group），这是本航次“嘉庚”号上最多元化的一个研究团队，包括了我国自然资源部第二海洋研究所副研究员郝锵和朱元励、天津科技大学冯媛媛副教授、加拿大西安大略大学Charles Trick教授和上海交通大学张瑞峰副教授。据冯媛媛老师介绍，他们的工作主要是通过Fe和P添加试验，来探究西太平洋这一海洋荒漠区Fe和P对浮游植物固氮和固碳的限制作用。值得一提的是，张瑞峰副教授不仅参与“洁净”CTD海水采集和过滤，也是大体积培养小组的重要成员，他对气溶胶、上升流与海水TEIs之间的关系十分感兴趣。
大体积培养组，顾名思义，需要获取大体积海水样品进行生物培养，0-200m是海洋浮游生物进行光合作用的主要场所，因此，对这一深度范围内进行浮游生物拖网、PAR数据采集、大体积培养实验是他们的主要研究内容。PAR（Photosynthetically active radiation）指的是光合有效辐射（400-700nm波段）。据朱元励博士介绍，本航次使用的PAR传感器的型号是Satlantic公司的HyperOCR高分辨率辐射传感器，可以记录波长348.2-806.5 nm，波长间隔3.5nm的高分辨率辐射数据。在后甲板布放到约200m深，获取水柱的光谱数据（下图），分析水下光场特征，并可以和其他指标，如叶绿素浓度等结合，综合分析在不同深度的浮游植物光谱吸收特点、初级生产力等科学问题。
科考队员正在布放PAR传感器和所获取的水柱光谱数据（朱元励提供）
来自5123导航的戴民汉院士、高树基、史大林和黄邦钦教授课题组以及德国GEOMAR的Eric Achterberg教授课题组成员，包括博士后Thomas Browning、工程师徐飞鹏与林文芳、博士生刘婧、吴思琪与温作柱等人，也是本航次生物培养组的重要组成部分。5123导航博士生温作柱说，这是他们研究组第一次到西太平洋进行采样和研究，之前他也参加过很多航次，但这次GEOTRACES-CHINA航次获取的宝贵海水和颗粒物TEIs数据，将为其培养实验提供重要的依据和参考。
大体积培养组合照，拍摄于K8站位（本航次最东部~155°E）（沈展提供）
大体积生物培养和Fe、P添加等实验有助于更好地认识寡营养海区生态系统动力学和痕量元素之间的关系。“嘉庚”号在本航次上首次进行海洋生态学和痕量元素海洋化学之间的同步现场调查，相信对海洋生物地球化学研究、气候和环境变化研究、GEOTRACES国际计划推进都具有重要意义。
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