南大西洋流涡区及附近海域不同粒径浮游植物光合作用特征及控制因素研究

The exaggeration of the South Atlantic gyre leads to the changes in various environmental and biological factors, thus causes the changes in plankton ecosystem in the South Atlantic Ocean. Photosynthesis is the process which is firstly triggered to respond to the changes in environmental and biological factors, and can directly reflect the responding strategies and maintaining mechanisms of phytoplankton community in the exaggeration of the South Atlantic gyre. However, main factors affecting the photosynthesis of phytoplankton community in the South Atlantic Ocean are still unknown; we thus cannot comprehensively understand how phytoplankton community will maintain in the further gyre exaggeration. To reveal the main factors, we first investigate the size-scaled photosynthesis of phytoplankton and the changes in environmental and biological factors in the South Atlantic Ocean using field surveys and on-board experiments. We then test the effects of environmental and biological factors on the photosynthetic capacity of phytoplankton with different cell sizes using indoor experiments. Finally, we use principle component analysis and step-wise regression to reveal the contribution of the testing factors to photosynthesis, and check the reasonability of the contribution using the results of the effect experiments, which helps confirm the main factors affecting the photosynthesis of phytoplankton with different cell sizes. From the view of photosynthesis, our results will provide sufficient data support and reasonable theoretical explanation for the maintaining mechanisms of phytoplankton community facing with gyre exaggeration.

南大西洋流涡区扩张导致多种环境与生物因素改变，进而引发南大西洋浮游生态系统变化。光合作用是浮游植物应对各种因素变化时最先启动的过程。通过光合作用研究，可以快速了解南大西洋不同类群浮游植物面对流涡区扩张的应对策略与群落维持机制。目前，暂不清楚海区浮游植物光合作用的主要控制因素有哪些，从而不能准确理解浮游植物应对流涡区扩张的群落维持机制。本项目拟从研究不同粒径浮游植物的光合作用能力入手，通过海上调查、现场培养和室内实验，以期摸清不同粒径浮游植物光合作用特征及相关环境与生物要素的时空变化规律，阐明环境与生物要素对各粒径浮游植物光合作用能力的影响，并利用主成分分析与逐步回归方法，初步判定不同粒径浮游植物光合作用能力的控制因素，为浮游植物面对流涡区扩张的群落维持与应对机制研究提供理论与数据支撑。

本研究针对南大西洋不同粒级浮游植物光合系统II叶绿素荧光参数，环境因子，浮游植物组成及浮游动物摄食压力的纬向分布展开调查，分析不同粒级浮游植物的光合作用特征及其主要控制因素，结果表明：南大西洋流涡区、近南美洲海域和近非洲海域分别表现为高温-高盐-低氧，低温-低盐-高氧和中温-中盐-中氧的水环境条件。流涡区营为明显的氮限制海域，以原绿球藻和聚球藻为主；近非洲海域和近南美海域则主要为磷限制，浮游植物的主要类群分别为为浮生藻和青绿藻以及硅藻和青绿藻。浮游动物对不同粒级浮游植物的摄食效应没有明显的空间分布规律。小型浮游植物倾向于弱光适应型，而微微型浮游植物呈现对强光的高耐受性能力。光和营养盐的交互作用是显著影响各粒级浮游植物Fv/Fm和NPQ变化的环境因素。光与磷酸盐的交互作用是小型浮游植物Fv/Fm以及微型和微微型浮游植物NPQ的主要控制因素，光与氮营养盐的交互作用小型浮游植物NPQ以及微型和微微型浮游植物Fv/Fm的主要控制因素。浮游植物α，rETRmax和Ik主要与浮游植物组成有关。原核微微型浮游植物（原绿球藻）对α的决定系数更大，小型和微型真核浮游植物（甲藻）对rETRmax和Ik的决定系数更大。此外，本研究还发现小型和微型浮游植物光合荧光参与具有光强依赖性，浮游植物通过降低叶绿素的合成及捕光色素复合体大小、合成光保护色素以及降解氧化的类囊体蛋白等修复手段，保护其免于强光胁迫。海洋生物膜同样影响浮游植物的光合作用能力。本研究揭示了南大西洋浮游植物的光合作用特征，初步阐明了环境和生物因素对浮游植物光合系统II叶绿素荧光参数的控制作用，为深入了解浮游植物响应流涡区扩张的应对策略和群落维持机制提供数据支撑。同时，生物膜相关研究也为赤潮防治提供一定思路。