西北冰洋浮游植物群落的时空动态及对环境变化的响应

Ecosystem in polar region is in transformation along with climate change. Phytoplankton community as a leading primary producer and origin of feed chain plays an important role in indicating potential changes in Polar ecosystem caused by global warming. In recent years, climate change and increased focusing on rapid change in Arctic Ocean have fueled interest all over the world. It is helpful to explore spatial and temporal variation of phytoplankton community and its response to environmental changes by studying on phytoplankton obtained from different survey areas and expeditions in Western Arctic Ocean. This research intends to reveal the spatial-temporal dynamics of phytoplankton community structure, species diversity, dominants and abundance distribution through thorough systematic and in-depth analysis of the samples collected during the 1st, 4th and 5th CHINARE (Chinese Arctic Research Expeditions) from 1999 to 2014 in Western Arctic Ocean (including Chukchi Sea, Beaufort Sea, Chukchi Plateau and Amerasia Basin et al) by team members. Further more, correlation and multivariate analysis between phytoplankton and environmental factors will be carried out to understand the impacts of interannualdifference and spatial heterogeneity on phytoplankton community. Finally, we attempt to explore the status of phytoplankton community and dynamics affected by external cause and response of phytoplankton to environmental changes especially under the background of global warming during the recent decades.

浮游植物是传统食物链的起点和生物地化循环的重要环节，对海洋生态系统潜在变动有较好的指示与反馈作用。北极环境的快速变化导致浮游植物群落发生改变，对西北冰洋不同时期时间序列和不同生境空间尺度的浮游植物群落进行研究，有助于探究气候变化背景下北极浮游植物群落的时空动态及其对环境变化的响应。本项目拟对项目组于中国北极科考第1、4和5航次期间（共享补全第6航次）（1999～2014年）在西北冰洋（楚科奇海、波弗特海、楚科奇海台和美亚海盆等）所获得的浮游植物物种及群落进行系统分析，结合同期环境参数，阐明西北冰洋浮游植物的物种形态特征、群落结构、物种多样性、关键种与优势种的分布及生态适应性，解析浮游植物群落的时空变化特征，测度环境因子和海冰消融对浮游植物群落的作用及影响，探索全球变暖背景下西北冰洋浮游植物的群落动态及其对环境变化的响应，力求为有限的极地浮游植物分类研究增添新记录或新物种。

北冰洋浮游植物群落与冰藻是北冰洋海洋光合单细胞真核生物的主要组成，也是北极生态系统初级生产的主要来源。两者虽属各自独立的自养体系，但在物种构成上却有很强的相似性，互动性和关联性，并在时空分布上受控于同一系列环境变量。海冰覆盖率及冰封时间是制约北冰洋浮游植物群落和生产力的重要因素。在全球变暖背景下，北冰洋海冰覆盖面积持续减小，海冰厚度减薄，生态环境变化明显。本研究基于2010年中国第4次北极科学考察期间，对楚科奇海及其北部海脊、加拿大海盆、北冰洋中心区分别进行了浮游植物群落结构及叶绿素a的对比研究，并结合同步观测环境要素及第1次北极考察的浮游植物数据集，分析西北冰洋夏季物种多样性、群落结构、空间分布及短期变动特征及其对环境变化的响应。结果主要有，1）共鉴定浮游植物(＞10 µm) 9门(纲) 69属159种。包含硅藻40属99种，甲藻15属47种，裸藻3属6种，金藻1属1种，隐藻4属3种，蓝藻3属(未定种)；定鞭藻纲、针胞藻纲、领鞭毛藻纲和未定类别各1属1种。并获取主要物种的光学及电子显微图像200余幅。2）定量丰度的空间分布是陆架区远大于深海区（平均71.16×103 cells/L＞1.96×103 cells/L），海冰边缘线区域出现丰度极大值，阿拉斯加沿岸的丰度相对较低。垂向上，陆架区的丰度在所有层位均能成为最大值，深海区的丰度次表层最大值稳定在50 m。3）群落明显分化为陆架群聚和深海大洋群聚，两个群聚的主要优势种组成差异明显。4）楚科奇陆架区经历了从羽纹硅藻（pennate diatoms）到中心硅藻（centric diatoms）的演替过程伴随着海冰融退而发生。北冰洋中心区（82°N-85°N）则没有明显的物种更替现象。5）空间上，深海区营养盐的限制（硝酸盐和硅酸盐）造成浮游植物丰度和生物量迅速下降，较陆架区低了近一个数量级，并且深海区丰度及生物量均有明显的稳固的次表层最大值现象（SCM）。6）时间上，复测站位位于楚科奇冰缘区，其各水层的生物量和丰度在8月骤降，除营养盐限制作用之外，归因于7-8月光照强度降低的结果。在返程期间（8月），光可利用性较弱，浮游植物生长受光照有效性的抑制，表现出较低的生物量和丰度。本研究结果为全球气候变化背景下浮游植物群落的长期变化研究提供了重要的参考资料和数据支撑。