长江口邻近海域CO2与光环境对浮游植物固碳的耦合效应及其机制

Marginal Sea is the intermediate region between land and open ocean, plays an important role in global carbon cycling. The East China Sea, particularly the estuary of Yangtze River, has relatively high biological productivity. However, this area is also influenced by riverine input, which is characterized by highly dynamic environment. As the major player of biological pump, phytoplankton has to cope with those fluctuated factors, thus the adaptive ability should be a key determinant of the strength of carbon sink. In all environmental variables, CO2 and light are two factors that can directly affect the photosynthetic carbon fixation. Based on our previous results, we hypothesized that “The carbon fixation of phytoplankton in the estuary of Yangtze river is interactively affected by CO2 and light regime”. First of all, we will perform cruise investigation in the estuary of Yangtze river, establish the relationship between key parameters of carbon fixation and seawater CO2, as well as light quantity and quality, to reveal how the in situ environment will influence the carbon fixation of phytoplankton. Then perturbation experiments will be performed on deck and in the laboratory, to reveal the regulatory mechanisms of CO2 and light regime on phytoplankton population or typical species, and uncover the combined effects of CO2 and light. Finally, we will combine all data sets from cruise and laboratory, to elucidate the relationship of phytoplankton carbon fixation and seawater CO2/light, and the underlying mechanisms.

陆架边缘海是陆地与海洋之间的纽带，在全球碳循环中起到了重要作用。我国东海，特别是长江口邻近海域，生物生产力高，同时受冲淡水的影响，理化环境也非常复杂。作为生物碳泵的主导者，浮游植物对复杂环境的响应过程与适应能力，是决定碳汇强弱的主要因素之一。在诸多环境变量中，CO2和光是影响光合固碳最直接的两个因素。基于前期工作基础，我们提出“长江口海域浮游植物固碳受CO2与光的耦合调控”这一科学假设。项目拟以长江口邻近海域为重点，首先通过现场实验，利用实验生态学的手段测定原位浮游植物的固碳关键参数，并建立其与海水CO2及光强/光质的关系，以揭示原位环境对浮游植物光合固碳的影响机制。然后分别在甲板和实验室内开展受控培养实验，探明海水CO2和光环境变化对浮游植物群落或典型种类固碳的调控机制及其耦合效应。在此基础上，整合航次与实验室数据，最终阐明该海区浮游植物固碳与海水CO2、光环境的关系及其响应机制。

陆架边缘海是陆地与海洋之间的纽带，在全球碳循环中起到了重要作用。我国东海，特别是长江口邻近海域，生物生产力高，同时受冲淡水的影响，理化环境也非常复杂。作为生物碳泵的主导者，浮游植物对复杂环境的响应过程与适应能力，是决定碳汇强弱的主要因素之一。本项目主要从航次调研和实验室培养实验两个维度开展，在基金委共享航次的支持下，本项目，特别是2020年以来，克服疫情影响，累计参加了三次共享航次，其中两次长江口/东海共享航次，一次南海共享航次，系统研究了长江口浮游植物的环境适应性及其机制，同时通过南海共享航次，开展了对比研究，进一步加深了对不同生境浮游植物对光环境、CO2及其他环境胁迫的响应过程的认识。.项目研究结果显示，工农业排放污水中常见的铜离子，随着河流会输送到近海，与阳光紫外辐射会协同降低硅藻的光合作用效率，会潜在地削弱近海浮游植物初级生产力。在研究中，我们通过调节温度和光来模拟未来气候变化下的海洋环境，发现这两个变量的同时变化对硅藻的光生理学有显著的影响。然而，进一步深入研究发现，实际上其中有两种相反的机制来调节整个光化学过程。光强的增强，特别是包括紫外辐射在内的光，降低了光化学产率并加剧了光系统Ⅱ的损伤。相比之下，温度升高促进了修复过程，而这个反作用是强光和紫外辐射所造成的破坏作用。同时，随着气候变化，海洋层化加剧，这也会导致海洋表层营养盐缺乏，研究发现氮限制条件下硅藻修复速率显著降低，光抑制增强，表明硅藻浮游植物在全球海洋变化的影响下具有很高的脆弱性。