南黄海北部晚更新世以来浮游植物生产力和群落结构变化的生物标志物记录

冰期—间冰期引起的海平面变化会导致黄海的沉积环境和生态系统发生巨大变化。通过多参数生物标志物法对取自南黄海北部71.2m长的DLC70-3岩心进行研究,获得晚更新世以来的浮游植物生产力和种群结构变化信息,并探讨影响其变化的可能因素。结果表明,晚更新世以来,DLC70-3岩心的浮游植物初级生产力和单一藻类生产力总体上呈现一致的变化趋势,在MIS 5e和MIS 3c时期最高,而在其他层位较低。浮游植物种群结构的变化主要表现为颗石藻在MIS 5e和MIS 3c相对含量增加,硅藻和甲藻相对含量下降,而颗石藻在其他层位含量为0。这都归因于高海平面时黄海暖流的入侵导致黄海盐度发生了较大的变化。

黄海冷水团水域浮游植物群落粒级结构的季节变化

根据2006—2007年度4个季节航次的实测资料,分析了黄海冷水团水域浮游植物叶绿素及其粒级结构的时空分布特征及季节变化规律,结果表明,在研究海域30 m以浅叶绿素总量的平均含量从高到低的顺序为:春季的(1.01 mg/m3)、夏季的(0.81 mg/m3)、秋季(0.72 mg/m3)、冬季(0.68 mg/m3);在叶绿素浓度大于1 mg/m3和小于1 mg/m3的区域浮游植物粒级结构差异较大,在整个研究海域,粒径较小的微型和微微型浮游植物对总生物量的贡献始终占主导(>65%),粒径较大的小型浮游植物在冬季和春季贡献率相对较高;从季节尺度看,浮游植物的平均粒级指数从大到小的顺序为:春季的(15.47μm),冬季的(11.08μm),秋季的(8.61μm),夏季的(6.52μm);尽管不同季节水文和化学环境差异显著,但是不同粒径浮游植物的贡献率随总生物量的变化表现出一致性的规律。对环境因子与叶绿素分布的相关分析表明,浮游植物的生长在夏季主要受到营养盐来源的限制,冬季主要受到水体混合引起的光照限制,秋季可能受到磷酸盐和水体混合的共同限制。浮游植物粒级结构的分布格局主要是由各组分在不同环境中的资源竞争优势决定的。

2011年春夏季黄、东海浮游植物粒级结构

通过2011年4月和8月利用"科学三号"考察船在黄、东海海域开展的春、夏季综合调查,研究了黄、东海浮游植物粒级结构的分布格局及其时空变动规律,探讨重要环境因子的变动对浮游植物粒级结构的影响。结果表明,春季表层水体中小型、微型和微微型粒级叶绿素a浓度的范围分别为0—4.36、0.02—2.27、0—2.66mg/m3,平均叶绿素a的浓度分别为0.56、0.31和0.14mg/m3,对叶绿素a总量的贡献率分别为55.4%、30.8%和13.8%。夏季表层由大至小3个粒级浮游植物叶绿素a浓度范围分别为:0—6.78、0—2.59、0—0.86mg/m3,平均叶绿素a含量依次为0.50、0.24和0.07mg/m3,对叶绿素a总量的贡献率分别为61.8%、30.1%和8.1%。春季小型浮游植物叶绿素a浓度的垂直分布较为均匀,微型和微微型浮游植物浓度随深度增加呈现逐渐下降趋势。夏季叶绿素a浓度出现明显分层现象,10m层以上小型和微型浮游植物浓度较高,10m层之下浓度迅速降低。微微型浮游植物浓度在不同水层都保持较低水平。受黄、东海不同季节水团影响而引起的温、盐以及营养盐分布格局的变化是影响黄、东海浮游植物粒级结构组成的重要因素。

南海北部海区浮游植物粒级结构生物光学反演模型的验证与评价

浮游植物粒级结构是海洋生态系统中的一个重要生物学因子。基于生物光学参数反演浮游植物粒级结构变化是当前水色遥感研究的热点问题。本文综合南海北部海区多年航次调查数据,对现有几类反演算法进行了区域性优化和验证评价。根据叶绿素a浓度(Chl a)或浮游植物吸收系数(aph(443))的阈值可实现南海北部海区小型(Micro)和微微型(Pico)浮游植物主导的划分,微型(Nano)的判别精度较差。基于归一化吸收光谱提取的粒级指数可定性地表征浮游植物粒级结构的综合变化趋势。基于叶绿素a浓度的三组分模型,较好地模拟浮游植物粒级结构的变化规律,可实现分粒级叶绿素a浓度的定量反演,Pico粒级的反演精度较高;在此基础上,耦合浮游植物吸收光谱变化规律和总叶绿素a浓度定量反演粒级结构的模型,进一步提高了Micro和Nano粒级的反演精度,且线性相关程度增强。

南海西部夏季表层浮游植物粒径结构分布特征分析

受夏季西南季风影响,南海西部会形成一支离岸急流,该急流通常与冷涡和暖涡组成偶极结构,共同影响该海域生态环境。本研究利用2014年9月现场和卫星数据,首次结合南海西部急流和冷暖涡过程,分析它们对该海域浮游植物粒径结构的影响。数据显示,表层以微微型浮游植物(0.2~2μm)为主,占总叶绿素a的平均比例为76.7%。在急流区中,微型浮游植物(2~20μm)和小型浮游植物浓度(20~200μm)占总叶绿素a平均比例相对较高,且与总叶绿素浓度呈线性正相关。暖涡区小型浮游植物比例(平均10.3%)高于冷涡区(平均3.6%)。结果表明,物理动力过程是南海西部夏季表层浮游植物粒径结构的主要影响因素。急流和冷暖涡可以提升小型浮游植物的比例,改变表层的粒径结构。急流对沿岸上升流区浮游植物的水平输送是表层小型浮游植物的主要来源。涡旋的辐合、辐散与急流的相互作用,导致各粒径浮游植物在冷涡边缘出现锋面分布,并且提高了暖涡区表层小型浮游植物的比例。冷涡的垂直抽吸作用加强了营养盐供给,也提高了冷涡中心表层小型浮游植物的比例。

浮游植物粒级结构的原位测量

浮游植物粒级通常采用采集水样的分级叶绿素法来测定,比较费时且难以实现剖面连续测量。本文提出了一种基于测定海水光吸收来反演浮游植物粒级结构的原位测量系统。该测量系统硬件主要由高稳定光源、光学窗口、样品管、光纤高精度微型光谱仪、数据采集系统等组成。测量数据基于遗传算法来分析浮游植物粒级结构。海上初步试验结果表明,该仪器能够测定水下300 m之内的浮游植物粒级结构,实现1 m剖面分辨率的连续测量,尤其适用于分析50~80m深度叶绿素最大值层的浮游植物粒级结构变化,在未来海洋浮游植物粒级结构测定中有良好的应用前景。

云龙湖浮游植物群落结构特征研究及水体生物学评价

为了解人类活动对云龙湖水生态环境的影响,近年来按上、下半年(每年4月和9月)对湖面分4个区域进行了水体浮游植物和理化因子的监测,2012—2014年间,云龙湖共采集到的浮游植物共计7大门类102个分类单元,计算出综合营养状态指数范围在51.5~56.2之间波动,浮游植物的年平均密度为2.47×106cells./L,变化范围(1.69~3.45)×106cells./L,浮游植物香农多样性指数(H’)、均匀度指数(J)年均值分别为2.32和0.79,统计分析云龙湖各区域浮游植物群落结构特征,以蓝藻、绿藻和硅藻门的物种为主,在密度上蓝藻和硅藻占据绝对优势,多样性指数和均匀性指数为下半年高于上半年,优势种主要为蓝、绿藻门的席藻、蓝纤维藻、小球藻和栅藻,硅藻门的针杆藻、脆杆藻和直链藻等,这说明云龙湖水质处于轻污染至中污染水平,综合营养状况处在轻度富营养化水平。

密云水库蓄水量激增对浮游植物结构的影响

基于蓄水量发生剧烈变化,对密云水库库区浮游植物结构变化进行探究,寻找规律。结果显示:密云水库蓄水量的大幅上升,浮游植物种属数量增加26种,蓝藻增加11种,绿藻增加8种,硅藻增加4种,其他藻类增加3种;水体环境的变化使得浮游植物种类数量增加,优势群落结构发生变化,但仍以蓝藻、绿藻、硅藻为主,蓝藻数量比例先下降后上升,绿藻数量比例下降,硅藻数量比例先大幅上升后小幅下降,密云水库由蓝-硅-金藻类型水体转变成硅藻型水体;蓄水量大幅上升,导致浮游植物细胞密度下降,由970万个/L下降至580万个/L;蓄水量上升的过程中,Shannon指数、Margalef指数和Pielou指数的变化范围分别为0.36~1.04、0.72~9.91和0.48~0.89;水温和营养盐是密云水库浮游植物群落结构的主要影响因子,蓄水量快速上升使得密云水库表层水温在不同时期和季节均略有下降,浮游植物密度下降;营养盐中氮元素含量的上升与磷元素的稳定为密云水库浮游植物群落结构的变化提供充足的支撑。分析结果能为密云水库高水位运行模式下水质水生态的变化提供参考。

基于支持向量机模型反演浮游植物粒级结构

文章采用支持向量机模型反演浮游植物的粒级结构。模型的输入量为浮游植物的吸收光谱、总叶绿素a浓度值。将该模型分别应用于南海数据集和NASA bio-Optical Marine Algorithm Dataset(NOMAD)全球大洋数据集。以浮游植物的吸收光谱做为输入向量时,南海数据集和NOMAD数据集反演微微型(pico)、微型(nano)和小型(micro)粒级浮游植物的平均绝对误差(APD)分别是46.1%、61.6%、55.0%和36.3%、44.6%、43.3%;决定系数(R2)分别为0.604、0.423、0.491和0.460、0.702、0.829。以浮游植物的吸收光谱和总叶绿素a浓度值做为输入向量时,南海数据集和NOMAD数据集反演pico、nano和micro粒级的平均绝对误差分别是19.2%、31.9%、31.6%和35.3%、35.4%、38.2%;决定系数分别为0.837、0.805、0.600和0.713、0.758、0.810。结果显示以吸收光谱和总叶绿素a浓度值作为输入变量的反演精度,比以吸收光谱作为输入变量的反演精度高。由此看出支持向量机模型对于两个数据集的反演结果很理想,该模型的提出为多光谱遥感反演浮游植物的粒级结构提供一个重要手段。

基于船载走航观测高光谱颗粒物吸收系数反演浮游植物粒级结构

利用高光谱监测数据反演浮游植物种群组成是当前海洋光学和水色遥感的研究热点。文章采用大西洋经向断面航次中走航式观测系统测量的海水总颗粒物吸收光谱数据,尝试建立了两种模型对浮游植物粒级结构(Phytoplankton size class,简称PSC)进行反演和比较讨论。一类模型是基于总颗粒物吸收光谱高斯分解获得的典型波段高斯带强度与色素浓度之间的关系,建立了偏最小二乘回归模型(Partial Least Squares regression model,简称PLS回归模型);另一类模型是采用长波波段吸收基线高度推算海水总叶绿素a浓度,进而根据Brewin等(2010)生物量算法推算PSC的三组分模型(简称三组分模型)。模型比较验证结果显示,两类模型对海水总叶绿素浓度的反演都有较高的精度,相对偏差ME在15%左右;对于三个粒级浮游植物对应的叶绿素浓度(Pico级C_p, Nano级C_n, Micro级C_m)的反演效果也相当, PLS回归模型反演的ME分别为28.4%、31.9%和41%,三组分模型反演的ME分别为31%、35.9%、37.7%。研究结果初步表明了采用高光谱吸收系数反演浮游植物种群结构的潜在优势,可为不同海域走航式高光谱观测系统的推广应用提供思路。

光照、水温和营养盐对浮游植物生长重要影响大小的顺序

根据光照、水温、营养盐对浮游植物生长影响的研究结果,综合分析光照、水温、营养盐影响浮游植物生长的变化和其集群结构的改变,探讨了上述因子影响浮游植物生长的生理特征和其集群结构的改变特点。本文阐明光照、水温和营养盐对浮游植物生长影响的机理和过程,确定了它们对浮游植物生长重要影响大小的顺序,由小到大的重要影响程度依次为:光照、水温和营养盐Si。这样,在人类的活动中,首先要考虑输入大海的营养盐Si,其次要关注海洋的水温变化,为海洋生态的持续发展做出积极的贡献。

琼东水体后向散射系数与浮游植物生物量的关系模型

海洋中光后向散射系数的变化包含了浮游植物生物量的信息,可应用于卫星遥感和光学剖面观测平台获取海洋中大时空尺度-高分辨率剖面的浮游植物生物量变化特征。本文选取了琼东上升流影响下生物—光学变异性较为显著的海域,基于2013年航次实测数据,建立了颗粒物后向散射系数(b_(bp))与叶绿素a浓度(Chl a)间的区域性关系模型。模型假定颗粒物后向散射系数由不随叶绿素浓度变化的固定背景值,以及较大粒级(>2μm)和pico级(微微型,<2μm)两类浮游植物的后向散射贡献累加所得。采集的数据集进行了模型检验,结果表明,模型能很好地模拟琼东海域水体的b_(bp)与Chl a间的变化趋势,性能优于常用的幂函数关系模型,尤其在低叶绿素浓度范围,很好地解决幂函数显著低估的现象;琼东海域的b_(bp)和Chl a关系存在显著的水层变化,底层后向散射固定背景值显著高于上层水体背景值,表明底层受上升流的影响,水体中不随Chl a共变的颗粒物浓度增大,其后向散射相应增强;叶绿素最大层的后向散射固定背景值显著低于上层其他水体的固定背景值,后向散射固定背景值的贡献百分比约为21%~35%;随着叶绿素浓度增大,较大粒级的浮游植物对颗粒物后向散射系数的贡献也显著增大,可达到50%以上,pico级浮游植物贡献稳定在40%附近。本研究的结果将为琼东海域浮游植物生物量的光学遥感、生物地球化学过程研究提供更为精确的区域性模型和基础支撑数据。

珠江口羽流锋浮游植物群落对大气沉降的生态响应

受季风强迫,珠江淡水羽在南海北部广泛形成羽流锋面,而浮游植物群落通常在羽流锋面具有较高的生物量。南海北部毗邻珠江三角洲,陆源输入的大气沉降对该海区生态系统影响显著。利用2019年3月珠江口西部的现场调查数据,结合羽流锋面浮游植物群落分布的空间差异与大气沉降影响下的浮游植物群落生态学,分析两者对南海北部陆架区浮游植物粒径群落以及微微型浮游植物的耦合影响。研究表明,羽流锋面滨侧以小型(Micro)浮游植物群落为主,锋面海侧以微微型(Pico)浮游植物群落为主,而锋面区浮游植物群落粒径分布较为均匀,且生物量高。锋面区域环境因子差异导致浮游植物群落分布呈现较大的空间差异。在锋面区域,浮游植物群落生长总体受氮限制,而聚球藻的生长则受磷限制。锋面区域浮游植物群落内部种群对营养盐的需求和响应有所差异。大气干、湿沉降的添加均能够促进不同粒径浮游植物群落的生长:在锋面滨侧和锋面海侧,小型浮游植物群落在添加气溶胶颗粒或雨水后比微型(Nano)和微微型浮游植物群落表现出更大的竞争优势,生长率最高;而锋面区域浮游植物群落表现出更强的适应性,小型、微型、微微型浮游植物群落的生长速率均增加且无显著差异。大气沉降颗粒的添加显著促进了锋面系统微微型真核浮游植物与锋面滨侧聚球藻的生长,在锋面区域以及锋面海侧则抑制了聚球藻和原绿球藻的生长。

北极快速变化的生态环境响应

北冰洋由于其特殊的地理位置,成为全球变化响应最为敏感的地区。本文聚焦北极海冰变化幅度最大的西北冰洋,从营养盐、叶绿素、浮游植物群落和沉积碳埋藏等变化来讨论海洋生态环境对北极快速变化的响应。尽管太平洋北向流和北极周边河流输入加强可以增加西北冰洋上层营养盐储库,但由于夏季硅藻旺发向沉积物迁出大量生源元素,使得上层营养盐相对亏损,部分海域存在显著的氮限制和硅限制。随海冰减退,尽管夏末海盆区浮游植物呈现小型化趋势,但西北冰洋总体上浮游植物现存量和初级生产力呈现增高的趋势;伴随叶绿素极大层下移、北扩,以硅藻为代表的生物泵过程得以更高效的运转。在沉积物埋藏的有机碳中,除原先北冰洋生态系统占据重要比份的冰藻外,硅藻等藻类的有机碳埋藏也逐渐增加。西北冰洋海洋初级生产力的增加不仅促进了生物泵的运转和碳的埋藏,而且给海洋生态系统提供了更多的食物来源。北极海域目前已成为全球碳源汇格局变化最大、海洋生态系统改变最显著的地区之一。

东海和黄海表层沉积物生物标志物的分布特征及古生态重建潜力

多参数生物标志物法已被广泛用于重建浮游植物生产力和种群结构。但目前还缺乏这一应用的现代证据，尤其是西太平洋边缘海地区。文中作者对东／黄海的表层沉积物中的浮游植物生物标志物的分布进行研究，发现东海表层沉积物中菜子甾醇、甲藻甾醇、长链烯酮的总含量变化范围为357～3115ng／g，黄海的总含量变化范围为2898～6714ng／g，硅藻、甲藻和颗石藻生物标志物总量基本具有近岸高、离岸低的趋势，与现场调查资料所得到的趋势基本一致。生物标志物比例结果显示在东海的长江口方向离岸越远硅藻相对比例下降，而在长江口以南则是离岸越远硅藻比例升高。在东海和黄海颗石藻所占比例都很低，但是有离岸越远比例升高的趋势。用生物标志物所重建的种群结构的变化趋势与现场调查资料相符，但其绝对值却与现场资料存在差异。本研究为生物标志物重建种群结构提供了现代数据，但是此方法的定量应用还需做进一步的研究。

楚科奇海附近表层沉积物中类脂生物标志物的分布特征和意义

多参数生物标记物法已被广泛用于重建浮游植物生产力和种群结构，研究了2003年夏季我国二次北极考察时采集的楚科奇海表层沉积物样品中浮游植物生物标志物的比例变化及其作为浮游植物种群结构替代指标的潜力。观测海区表层沉积物中菜子甾醇、甲藻甾醇、长链烯酮的总含量为20～3149ng／g，平均值为1010ng／g，生物标志物总量分布表明南部的楚科奇陆架海域生产力明显高于北部海台区，不同站位的菜子甾醇和甲藻甾醇相对比例有明显变化，但都显示菜子甾醇占优势，楚科奇海陆架的站位中都是硅藻为主，菜子甾醇占生物标志物总量的比例为42％～74％，甲藻甾醇占生物标志物总量的比例为17％～37％，在海台区仍然是硅藻占优势，但是甲藻和颗石藻的比例有了很大的提高，加拿大海盆的4个站位中以甲藻和颗石藻为主，硅藻并非加拿大海盆的优势种群。这与用显微镜下鉴定得到的硅藻和甲藻分布趋势相似。研究结果为生物标志物作为浮游植物种群结果替代指标并为利用柱状样中的生物标志物研究古生态提供现代依据。