中纬度西北太平洋浮游植物的光适应过程

作者:邢小罡 发布日期:2021-10-14 阅读:380

      近日,邢小罡副研究员等在国际期刊Journal of Geophysical Research: Oceans上发表论文“Seasonal and daily-scale photoacclimation modulating the phytoplankton chlorophyll-carbon coupling relationship in the mid-latitude northwest Pacific”。研究利用多台BGC-Argo(生物地球化学Argo)浮标数据,分析了中纬度西北太平洋海区浮游植物的光适应过程如何在不同时间尺度上调节叶绿素与生物量的耦合关系,合作者包括陈双玲副研究员、柴扉研究员以及缅因大学Emmanuel Boss教授。

      光适应(photoacclimation),是浮游植物细胞对于外界环境变化(温度、光照、营养盐)的一系列生理学响应过程,其中一个重要的表现是调节细胞内叶绿素a的色素密度(θ = Chl:C)。尽管叶绿素a浓度 (Chl) 一直以来被广泛用作浮游植物生物量丰度的指标,但它是由生物量(以碳浓度为单位,C)和光适应(调节θ)共同决定的,即“Chl = C × θ”。前人研究中通常简单地将某一海区的Chl变化归为生物量主导(如高纬度北大西洋)或光适应主导(如副热带流涡区)。本研究发现,中纬度西北太平洋不同季节的Chl变化存在生物量与光适应交替主导的特征(图1&2):前者主导了春季和夏季的表层Chl变化,导致Chl与C耦合关系很强;而后者主导了冬季表层Chl的变化,导致Chl和C之间呈现负相关关系。此外,即使在生物量主导的季节,光适应也起着重要的调节作用,导致春季藻华期间Chl的增长速度明显比生物量慢,但晚秋时Chl的增长速度更快(图2)。

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图1 两台浮标(编号2902748和2903394)观测的混合层深度(MLD)、叶绿素次表层极大值深度(zDCM)、真光层深度(z1%)、表层浮游植物碳含量(CML)、叶绿素浓度(ChlML)以及叶绿素极大值浓度(ChlDCM)

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图2 生物量(C)与θ(即Chl:C)变化趋势的相位图。不同颜色的点代表不同季节或不同事件。图中分为 8个相位(Phase)。相位1和相位8代表 C 增加并且θ减小,但相位1 的 C 增加比θ减少得更显著,意味着在相位 1中会出现Chl的增加(生物量主导Chl的变化),而相位8中出现Chl的减少(光适应主导)。同样,相位4 阶段代表θ增加、C减少以及Chl增加(光适应主导),相位5 则代表θ增加、C减少以及Chl减少(生物量主导)。相位 2 和 3代表θ和C同时增加,因而Chl也出现增加,但相位 2中的生物量对 Chl 增加的贡献更大,而相位 3 的光适应的贡献更大。此外,越接近水平线x=0的点代表接近于生物量完全主导Chl的变化,而接近垂直线y=0的点代表光适应过程几乎完全主导Chl的变化。

      此外,在日尺度和天气尺度上,浮游植物的光适应过程表现出非常快速的响应特征。秋季台风过境时,由于营养盐跃层较深,生物量受混合过程的影响很小,此时光适应过程主导了Chl的变化;而在冬季的“混合-再分层”事件中,“深混合事件”给表层带来了营养盐,而接下来的“再分层事件”又解除了光限制,表层浮游植物表现出脉冲式的冬季藻华,虽然Chl也同步增加,但光适应导致Chl的增长并没有生物量变化得显著。

      上述研究表明,即使在同一海区,浮游植物的光适应过程也存在季节性差异以及天气尺度的快速响应,光适应不断调节色素密度θ,从而影响Chl,有时甚至可以主导Chl的变化过程。当θ与C共同增加时,Chl表现为比C更快的累积速度(图2中相位2和3);当θ与C反向变化时,Chl或者表现为比C更慢的变化速度(图2中相位1和5)、甚至可能与C变化的方向相反(图2中相位4和8)。Chl并不是一个简单的浮游植物生物量丰度的指标,而是反映了生物量变化与生理学调节的综合结果。

论文信息:Xing, X., Boss, E., Chen, S., & Chai, F. (2021). Seasonal and daily-scale photoacclimation modulating the phytoplankton chlorophyll-carbon coupling relationship in the mid-latitude northwest Pacific. Journal of Geophysical Research: Oceans, 126, e2021JC017717. https://doi.org/10.1029/2021JC017717


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