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Elsevier, Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 9-10(49), p. 1765-1786

DOI: 10.1016/s0967-0645(02)00011-5

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Biogenic silica production rates and particulate organic matter distribution in the Atlantic sector of the Southern Ocean during austral spring 1992

Journal article published in 2002 by B. Quéguiner ORCID, M. A. Brzezinski
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Abstract

Several of the components of the silicon cycle—orthosilicic acid (Si(OH)4), biogenic silica (BSi), and biogenic silica production rates (ρSi)—have been investigated, together with the distribution of particulate organic carbon (POC), particulate organic nitrogen (PON) and carbon primary production (ρC), on a series of transects across three sub-systems in the Atlantic sector of the Southern Ocean (6°W): the seasonal ice zone (SIZ), the permanently open ocean zone (POOZ), and the southern boundary of the polar frontal zone (PFZ). The study was conducted in Spring 1992 as part of the European SO-JGOFS cruise aboard the R.V. Polarstern. High BSi concentrations (maximum: 11.7 μmol Si l−1) were recorded in late November at the southern border of the PFZ. In contrast, no large BSi biomass was found in the other subsystems studied. In the SIZ, no diatom bloom was observed, despite a sea-ice retreat of 200 km during the study period, and BSi biomass never exceeded 0.6 μmol Si l−1. The POOZ also showed very low BSi biomass (<0.5 μmol Si l−1), and low BSi/POC molar ratios from the surface to 200 m (0.04–0.06 at 53°S) suggest that this was an area where phytoplankton were not dominated by siliceous organisms. At the southern border of the PFZ, BSi/POC molar ratios were among the highest ever recorded in the surface waters of the Southern Ocean (maximum: 1.33). This could be a result of the presence of heavily silicified diatoms or also could reflect a more rapid recycling of POC as compared to BSi. High concentrations of BSi (>1.5 μmol Si l−1) extended well below the euphotic zone to 200 m depth between 49°S and 51°S, suggesting significant sedimentation of siliceous particles in that area. High values of ρSi also were observed in the PFZ (29.6–60.7 mmol Si m−2 d−1, during the production maximum) indicating that this subsystem is important in the biogeochemical budget of the Southern Ocean. High depth-integrated ρSi/ρC (0.25–0.46) and BSi/POC (0.53–0.85) in the PFZ imply the production of diatoms rich in silica compared to organic matter. The high rates of silica production observed in the PFZ support the recent hypothesis that the formation of the abyssal siliceous oozes that encircle much of Antartica form primarily as the result of high levels of silica production in surface waters rather than as a result of high rates of opal preservation as has been suggested in the past.RésuméLes recherches présentées concernent la distribution de plusieurs paramètres du cycle biogéochimique du silicium—l’acide orthosilicique (Si(OH)4), la silice biogénique (BSi) et les taux de production de silice biogénique (ρSi)—ainsi que du carbone organique particulaire (POC), de l’azote organique particulaire (PON) et de la production primaire (ρC), sur plusieurs radiales successives traversant les trois sous-systèmes du secteur Atlantique de l’Océan Austral à la longitude 6°W: la zone saisonnière des glaces (SIZ), la zone de l’océan ouverte en permanence (POOZ) et la bordure sud de la zone polaire frontale (PFZ). L’étude a été menée au printemps 1992 dans le cadre de l’opération European SO-JGOFS à bord du navire océanographique Polarstern. A la fin du mois de novembre de fortes concentrations de BSi (maximum: 11.7 μmol Si l−1) ont ainsi été observées au sud de la PFZ. Au contraire, les autres sous-systèmes n’ont pas montré de fortes teneurs de BSi. Dans la SIZ, en particulier, aucun développement de diatomées n’a pu être mis en évidence malgré un retrait de la banquise sur 200 km pendant la période d’étude et les concentrations de BSi n’ont jamais dépassé 0.6 μmol Si l−1. Les teneurs de BSi sont aussi restées très faibles dans la POOZ (<0.5 μmol Si l−1) et les faibles valeurs du rapport molaire BSi/POC entre la surface et 200 m de fond (0.04–0.06 à 53°S) amènent à penser que le phytoplancton de cette zone n’était pas dominé par des organismes siliceux. Par contre, au sud de la PFZ, les rapports molaires BSi/POC qui ont été évalués sont parmi les plus élevés jamais enregistrés dans l’Océan Austral (maximum: 1.33). Cette observation peut être interprétée comme reflétant la présence de diatomées fortement silicifiées ou bien comme résultant d’un recyclage plus rapide du POC par rapport à la BSi. De fortes concentrations en BSi (>1.5 μmol Si l−1) ont aussi été mises en évidence en profondeur, largement au-dessous de la zone euphotique, jusqu’à 200 m de fond entre 49°S et 51°S, ce qui suggère un phénomène de sédimentation massive des particules siliceuses de cette zone. Les fortes valeurs de ρSi observées au sud de la PFZ (29.6–60.7 mmol Si m−2J−1 au maximum de production) indiquent que ce sous-système est particulièrement important pour le bilan du silicium dans l’Océan Austral. Les rapports intégrés sur la verticale ρSi/ρC (0.25 à 0.46) et BSi/POC (0.53 à 0.85) de la PFZ impliquent que les diatomées sont ici particulièrement silicifiées. Enfin, les valeurs très élevées de production de silice biogénique que nous avons observé confirment l’hypothèse récente de la formation des dépôts siliceux qui entourent le continent Antarctique, formation liée à des valeurs particulièrement élevées de production dans les eaux de surface et non pas à une meilleur préservation de l’opale abyssale dans cette région.