北极楚科奇海浮游植物群落粒级构成及其固碳特征对初级生产力的影响研究

Phytoplankton primary production controls the source of the marine food web and the efficiency of the biological pump. Therefore, understanding of the change mechanisms of primary productivity is very important for studying the evolution of the polar marine ecosystems, and evaluation of the potential of biological resources. Although the distributions and the drive mechanisms of the primary productivity of the Polar Sea have been revealed to some extend in previous studies, the influences of the phytoplankton community succession and its carbon fixed characteristics on the primary productivity are rarely studied. .In this project, by using Flow Cytometry, FlowCAM and 14C analysis and other techniques，combined with in-situ investigations and physiological experiments，the community composition, biomass and primary productivity of phytoplankton, the photosynthetic rate and light intensity (P-I Curve) characteristics of communities with various sizes (Net, Nano and Pico), as well as their relationships with environmental factors will be studied in the Chukchi Sea. This study will try to associate the environmental changes, community succession, and the photosynthetic characteristics with the primary productivity changes, to reveal the impacts of the carbon fixed ability of phytoplankton community on the primary productions in different habitats, and to describe the physical-biological coupling characteristics between the environment and the phytoplankton community size, biomass and primary productivity. In addition, this study will accumulate the valuable and necessary in-situ data for the Arctic marine ecosystem resource assessment.

浮游植物初级生产力控制着海洋食物网源头和生物泵效率，认识其变化机制对研究极地海洋生态系统演变和评估生物资源潜力都十分重要。尽管以往研究中对北极海洋初级生产力的分布和驱动机制已有一定了解，但对浮游植物群落演替及其固碳能力改变对初级生产力变化的影响却知之甚少。项目拟在前人研究基础上，通过采用流式细胞技术、流式影像技术和14C分析技术等手段，结合现场调查和生理实验，研究北冰洋楚科齐海不同粒级浮游植物群落（Net、Nano和Pico）的构成、生物量和初级生产力的分布、各粒级群落的光合速率和光强响应曲线(P-I Curve)特征，以及与环境因子间的关系等。研究尝试将环境改变、群落演替、光合作用特征和初级生产力变化联系在一起，揭示不同生境下浮游植物群落固碳能力变化对初级生产的影响，描述环境与浮游植物群落粒级构成、生物量和初级生产力之间的耦合特征，并为北极海洋生态资源评估积累必要的观测资料。

海洋浮游植物光合作用生产的有机碳达到每年40-50 Gt，支撑着庞大的海洋食物网，是海洋生态系统的基石。浮游植物固碳能力与环境之间存在深刻的响应和反馈机制。当前，在北极海冰快速变化的背景下，研究浮游植物群落结构和初级生产力对环境变化的关系，有助于了解极地海洋生态系统演变机制，并为资源评估模型提供依据。.本项目主要研究北极海域浮游植物群落结构和固碳特征对初级生产力的影响，内容包括：1）楚科奇海不同粒级浮游植物群落结构的变化、生物量和初级生产力的分布；2）浮游植物光合作用速率和光强响应曲线特征；3）这些因子彼此间的联系、以及对环境要素的响应。基于以上目标，项目组依托中国北极科学考察航次，获取了30个站位的浮游植物粒级结构剖面，15条水下光合作用速率剖面，7个现场P-I曲线以及相应的浮游植物种群数据。同时，我们设计了相关实验装置并获得检验。.项目主要结果包括：1）可以75°N为界，将楚科奇海分为两个不同的生态区。在75°N以南的楚科奇海台，叶绿素浓度相对较高， Net级分占优势，在75°N以北则以Pico浮游植物占优，这主要是营养盐的限制所导致。2）楚科奇海和加拿大海盆的初级生产力存在显著的时空变化，总体为陆架高、海盆低。楚科奇海初级生产力分布范围在12.6~240.1 mgC m-2 h-1，平均为86.0 m-2 h-1。3）初级生产力在陆架以Net级份贡献最大，在海盆区以Pico贡献为主；各粒级中，Pico的光合作用速率最高；4）在海冰下方仍存在微弱的光合作用，其固碳速率低于开阔海。5）海域固碳速率的垂向分布符合垂向归一化，但有一定偏差，相关模型需要做本地化修正。这些工作将有助于深化我们对北极海域生态环境演化规律的认识，帮助我们思考海冰快速变化对初级生产力的影响，并为相关模型提供基础资料。