南大洋典型海域生物泵/浮游植物种群结构变化对海冰的区域响应

With global warming, the sea ice in the Southern Ocean is changing rapidly. This process dramatically changed marine phytoplankton community structure and biological pump, and made a strong influence on marine carbon cycle and carbon burying efficiency. So the study on biological pump in the Southern Ocean and related research has become the hot point and forefront field.Our proposal is going to do the integrated research between marine geoscience and marine biogeochemistry which will combine the geological records in typical area (molecular stratigraphy and paleontology) and high-resolution measured data of modern oceanic process, such as biological identification of settling particles collected by sediment trap and satellite remote data of sea ice, temperature, and chlorophyll a. In our proposal, algal biomarkers (brassicasterol, dinosterol, and alkenones), substitution index of sea ice (highly branched isoprenoids (HBI) II/III and δ13Corg), and biogeochemical parameters (CaCO3/Opal, Opal/Corg, and Corg/Cinorg) will be used to investigate the relationship between the structures of phytoplankton community (diatoms, dinoflagellates, and coccoliths) and biological pump (calcareous/silidous) and sea ice amount. The effect of marine phytoplankton productivity and community structure change during the biological pump process in typical area and the regional response on sea ice change will be highlighted. The implementation of this project will make a innovative contribution to the first application of algal and sea ice substitution index in the Southern Oceans for a series of long time researches.

全球变暖，南大洋海冰发生快速变化、显著改变浮游植物种群结构、驱动海洋生物泵变化、影响海洋碳循环和碳埋藏效率，故南大洋生物泵研究成为热点和前沿。本研究拟将南大洋典型海域近古代地质记录（分子地层学和古生物学）和现代海洋过程实测数据（水体颗粒物、捕获器沉降颗粒物生物地球化学和生物鉴定、遥感海冰/SST/Chl-a）进行整合研究，利用藻类标志物（菜子甾醇、甲藻甾醇和长链烯酮）和古生物鉴定、海冰指标（HBI二烯(II)/三烯(III)和δ13C）、生物地球化学参数（CaCO3/Opal、Opal/Corg、Corg/Cinorg）提取浮游植物种群（硅藻、甲藻和颗石藻）、生物泵结构（硅质/钙质）和冰量变化信息，探讨海洋浮游植物种群结构变动在生物泵过程的作用（增强/抑制）及其对海冰变化的区域响应。本项目实施，率先将藻类和海冰新替代指标同步应用到南极多个海域进行时间序列长期演变的趋势研究—做出创新性贡献。

极地海域是全球碳循环的重要汇区。在全球变暖的背景下，南极海冰已发生快速变化，且具有明显的区域性——东南极增加/西南极减少的特征趋势，海冰对南极浮游植物群落及生物泵（BP）结构/效率的影响亟待评估。课题组率先将多参数生物标志物（菜子甾醇、甲藻甾醇、C37长链烯酮、胆甾醇）、正构烷烃分子分布特征、高支链类异戊二烯烃(C25HBI)的海冰指标（HBI:2/HBI:3）、微生物细胞脂膜甘油二烷基甘油四醚化合物（GDGTs）的微生物古菌/细菌指标和海温指标（TEX86L-SST）、以及TOC和δ13C组成等多种气候替代性指标，同步应用到西南极多个典型海域表层沉积物和柱样地质时间尺度上，结合同期冰筏碎屑(IRD)和实测数据（颗粒有机碳，浮游植物种群鉴定）进行整合研究，重点探究典型海域浮游植物群落/生物泵结构对海冰变化/全球变暖的响应。重要研究结果表明：（1）南极半岛邻近海域柱样（D1-7）和南奥克尼海台柱样(D5-6)沉积物菜子甾醇反演的硅质浮游植物硅藻生物量和浮游植物总生产力（SUM）在近百年里均呈明显的上升趋势，而C37长链烯酮反演的钙质颗石藻生物量以及颗石藻占比（C37长链烯酮/ SUM）均呈下降趋势，这种趋势在近50a来尤为明显，且与HBI:2/HBI:3比值（海冰）变化趋势存在良好的相关性，这表明在气候变暖、海冰覆盖面积减少条件下硅藻生物量大大提高、硅质生物泵作用增强；而钙质颗石藻（同属定鞭藻门的南极棕囊藻）生物量减少，颗石藻生产属于碳酸盐泵，因此这种浮游植物群落结构变化肯定会影响生物泵效率和储碳效应。（2）沉积物捕获器的方法是目前研究生物泵过程的有效手段，课题组运用δ13C和冰藻生物标志物IPSO25（HBI:2），结合遥感海冰/叶绿素a资料，针对海冰/冰藻变化对普里兹湾生物泵效率的影响进行高分辨率的解析。通过建立IPSO25和TOC的转化系数，获取了冰藻的年沉降通量平均为82μmol m-2 d-1，夏季沉降通量为120μmol m-2 d-1，对沉降碳通量的贡献分别为18.6%和23.6%，冰藻的夏季沉降碳量占冰芯中碳储量的22.1%，具有非常高的生物泵效率；将海冰过程与生物泵过程进行详细的比对，发现普里兹湾高初级生产/低输出效率是由于海冰提前消融、致使浮游植物提前旺发、促进了细菌生产力提高，IRD的减少使得压舱效应减弱，最终造成了生物泵效率下降。