东南极普里兹湾冰藻对“生物泵”的贡献及其对海冰消融的响应—以δ13C和IP25为指标

Polar region is an important sink of global carbon cycle. In the context of global climate change, the operating efficiency and change of biological pump in polar region impact on global carbon cycle significantly. Comparing to the open waters of the Southern Ocean, marine primary productivities are higher in the continental shelf and marginal ice zone (MIZ). Ice algae are major contributors to productivity in the MIZ, and their contribution to biological pump are closely linked with sea ice change. In this project, we focus on the importance of ice algae in the Southern Ocean carbon cycle. Our research objects are sea ice, suspended particles and suspended particulate matter in MIZ of Prydz Bay in the Southern Ocean. We will study the high-resolution time series contributions of ice algae to biological pump of the Southern Ocean by analyzing δ13C and ice algae biomarkers (IP25) in the water, sea ice and settling particulate matter,. We will obtain the proportion of ice algae in settling carbon flux in Prydz Bay, and evaluate its importance in the biological pump in the MIZ of Prydz Bay by employing end-member model for each medium. We then will discuss the response of ice algae to sea ice change and its effect on biological pump in the Southern Ocean by combining with remote sensing data on sea ice and chlorophyll a. This will help us deeply understand the process of biological pump in the Southern Ocean and carbon cycle.

极地是全球碳循环的重要汇区。在全球气候变化的背景下，极地生物泵运转效率及变化对全球碳循环有着重要影响。相较于南大洋开阔海域，陆架区和冰边缘区有着更高的海洋初级生产力，而冰藻是南极冰边缘区生产力的重要贡献者，其对生物泵的贡献与海冰增减有着直接关系。本项目着眼于冰藻在南大洋碳循环中的重要性，以南大洋普里兹湾冰边缘区海冰、悬浮颗粒物和沉降颗粒物等为研究对象，通过分析南极普里兹湾冰边缘区各介质中稳定碳同位素（δ13C）和冰藻标志物（IP25）两个特征指标，研究冰藻对南大洋“生物泵”贡献的高分辨率时间序列差异。通过构建各介质端元模型，获取冰藻在南极普里兹湾沉降碳通量的比例，评估其在南极普里兹湾冰边缘区在生物泵中的地位。并结合海冰、叶绿素a遥感数据，探讨冰藻对南大洋海冰快速变化的响应机制，及此过程对南大洋生物泵效率的影响与反馈。这有助于我们更深入理解南大洋生物泵过程及碳循环。

本项目对南极普里兹湾海冰、水柱、沉降颗粒物和沉积物进行了相对系统的研究，从南极夏季海洋浮游生物群落结构的演替的角度，运用稳定同位素和标志物等多种手段，获取了不同有机质从初级生产至沉降这一过程中的各特征参数的变化信息，并通过端元模型估算了南极海洋特殊藻种“冰藻”对南极海洋“生物泵”的贡献及其变化。.研究结果表明，海冰的变化具有强烈的季节性特征，受到太阳辐射的影响，11月海冰快速消融，而3月份海冰开始冻结，海冰的变化同时具有很强的年际差异，海冰的变化将影响着该海域的生物地球化学循环。海冰消融后，初级生产的增强造成水柱中营养盐的持续降低。并且多年的沉降通量结果显示沉降颗粒物的生物硅占夏季颗粒物通量>70%以上，生物硅和有机碳之间存在显著的正相关，表明硅藻是普里兹湾夏季的优势种和沉降通量的主要贡献者。海冰消融初期，硅藻主要是中心硅藻纲，而在无冰期，其组成则演替为羽纹硅藻纲。参考混合层深度和色素的结果，如无冰期持续增加，则初级生产者可能进一步演替为颗石藻和南极棕囊藻。海冰中有机质的δ13C远高于水柱中颗粒物，建立冰藻和浮游植物的端元模型，通过与沉降颗粒物的对比，估算出在海冰消融时期，冰藻对沉降碳通量的贡献>30%。由于冰筏碎屑等释放增强了压舱效应，致使冰藻具有较高的生物泵效率。海冰的变化不仅仅会改变冰藻对生物泵的贡献，还将影响浮游植物的群落组成，以及极地食物链的结构，是今后极地海洋研究的关键。海冰的变化在未来的极地海洋中，各海域可能呈现出不同的变化趋势，需要我们进行更长时间周期和更高时间分辨率的观测以深入理解南极生物泵的变化机制。