北太平洋副极区浮游植物季节性变化的模拟研究

作者:张浩然、王云涛 发布日期:2021-10-12 阅读:413

      近日,我室与河海大学联合培养博士生张浩然分别在国际期刊Marine Ecology Progress Series与Frontiers in Marine Science发表学术论文,利用物理生态耦合模式,阐述了北太平洋副极区浮游植物种群特征的季节性变化机制。该成果增进了对典型高营养盐、低叶绿素(HNLC)区浮游植物季节性变化机制的科学认识,厘清了铁元素变化对不同浮游植物种群的影响。论文通讯作者为我室王云涛副研究员,合作者包括我室柴扉研究员、中科院南海所修鹏研究员与河海大学齐义泉教授。

      北太平洋副极区作为全球三大高营养盐低叶绿素海域之一,在充足宏量营养盐的环境下,浮游植物浓度显著低于预期,以往的研究主要聚焦于探究该海域浮游植物在充足宏量营养盐环境下仍被限制生长的原因。最新基于生物地球化学浮标(BGC-Argo)观测结果表明,北太平洋副极区物理和生态参数具有明显的季节性特征,且东侧浮游植物浓度在晚夏至秋季期间出现峰值(图1)。

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图1. 北太平洋副极区(左)地形和BGC-Argo轨迹,Argo观测(a)温度、(b)硝酸盐、(c)叶绿素剖面的时间序列

      本研究通过在该海域建立一维物理生物化学耦合模型,探究了北太平洋东西两侧浮游植物季节性变化的特征,发现在东侧Papa站点冬天至春天温度限制了浮游植物的生长,春天到夏天温度和光照共同促进了浮游植物的成长,晚夏至秋季期间,虽然小型浮游植物生长速率因为光限制与铁限制的增强下降了3.3%,但其被小型浮游动物摄食速率却下降了约38.5%,表明了小型浮游动物对小型浮游植物摄食压力的降低主导了该区域浮游植物生长速率和生物浓度在晚夏至秋季期间达到最大值的特征(图2)。该发现揭示了最新观测到的浮游植物季节性变化特征,为厘清驱动HNLC初级生产变化的物理生态要素提供了重要的科学基础。

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图2. 模拟垂向积分的浮游植物(a)净生长速率、(b)限制因子、(c)不同营养盐的限制强度。

       由于铁元素在高营养盐低叶绿素海域生态系统中的重要性,研究进一步通过模型探讨了未来陆源铁元素向海洋的传输通量发生改变后北太平洋副极区生态系统的响应。敏感性模型结果表明,大气沉降通量增加后(图3),硅藻的响应机制主要体现为上行控制,即硅藻生长主要受额外铁元素输入的影响;而小型浮游植物主要表现为下行控制,即其生长主要受小型浮游动物摄食压力变化的影响。并且随着大气沉降通量进一步的提升,浮游植物初级生产力在北太平洋副极区东侧的增长幅度逐渐超过西侧,但由于硝酸盐将被浮游植物生长消耗殆尽,导致限制浮游植物生长的主要营养盐由铁转化为氮,因此两个区域浮游植物初级生产力的增加幅度均呈现逐渐减小的特征。

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图3. 将铁通量增加一倍后,在(a, b)东侧Papa站点和(c, d)西侧K2站点的(a, c)硅藻和(b, d)小型浮游植物垂向分布的变化。

      本研究利用含有铁循环模块的物理生物化学耦合模式,全面刻画了北太平洋副极区浮游植物季节性特征及变化机制,并科学预测了未来变化背景下,该区域生态系统的响应机制与变化趋势,增进了对高营养盐低叶绿素海域生态系统和碳循环过程的科学认识。相关研究工作获得多项国家自然科学基金(41730536, 41890805, 42030708)的资助。

引用

1.  Zhang H-R, Wang Y, Xiu P, Qi Y and Chai F (2021). Roles of Iron Limitation in Phytoplankton Dynamics in the Western and Eastern Subarctic Pacific. Frontiers in Marine Science. 8, 735826. doi: 10.3389/fmars.2021.735826.

2.  Zhang H-R, Wang Y, Xiu P, and Chai F (2021). Modeling the seasonal variability of phytoplankton in the subarctic Northeast Pacific Ocean. Marine Ecology Progress Series. doi.org/10.3354/meps13914.


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