基于极地近岸海洋环境监测系统的南极长城湾生态环境变化初析

利用中国首次在南极长城湾海域布放的极地近岸海洋环境监测系统,以2010年12月13日至2011年3月22日期间获得的监测数据为例,对该海域基本环境参数和叶绿素a含量变化进行了初步分析。结果表明,温度变化在12月至1月中旬呈明显上升趋势,之后存在一定的波动;而受夏季陆地淡水输入的影响,盐度的总体变化呈波动下降趋势。观测期间温度的变化范围为0.27—2.52℃,在1月中旬和2月下旬分别出现明显峰值;盐度变化范围为33.86—34.19,在1月初、1月中旬、2月下旬以及3月上中旬出现明显的低峰值。叶绿素a含量在观测开始至12月底迅速上升,而后一直维持在一个相对较高的水平。在观测时间内分别在12月底、1月中旬和2月下旬出现峰值,最高值达4.22μg.L-1。叶绿素a含量与水温存在明显的相关性。初步数据分析及与历史监测数据的对比分析表明,研发并在长城湾布放的极地近岸海洋环境监测系统作为一种新型的极地海洋环境监测工具稳定、可靠,与传统监测方法的结合可实现对南极近岸海域环境的精细监测。

极地冰芯中火山记录的研究进展

火山活动产生的硫酸气溶胶是影响气候变化的重要因素,这些气溶胶经大气环流被传输至极区,最后沉降和保存在极地冰盖上。根据火山气溶胶的性质,研究者们提出了冰芯中火山信号的识别方法,并据此重建了不同历史时期保存在极地冰盖不同地点的火山活动记录。这些记录在判别具有全球气候效应的火山事件、冰芯定年以及研究近1 000年来火山活动对气候的影响等方面发挥了重要作用。然而,目前依据极地冰芯建立的火山记录还不足以为人们明确火山活动对气候系统的影响提供丰富而详实的数据。因此,今后应获取更多的具有长时间尺度的极地冰芯样品,对其进行高分辨率分析,提高定年准确度。在此基础上重建过去万年至百万年尺度的火山活动记录,并辨别出具有全球气候效应的火山事件,以进一步研究火山活动对气候系统的影响。

极地产甲烷菌研究进展

产甲烷菌是一类重要的环境微生物,其代谢产生的甲烷(CH_4)是最重要的温室气体之一。现有研究表明,产甲烷菌广泛存在于极地湿地、沼泽、湖泊、苔原、冻土和冰川等各类生境之中,并在碳循环中发挥着重要作用。本文对极地产甲烷菌的群落结构、生物多样性、空间分布、环境影响因子(温度﹑营养物和pH)以及研究技术的最新进展进行了总结,并对极地产甲烷菌研究的未来发展进行了展望。

北极航道相关海域科学考察研究进展

中国从1999年开始至今已实施了四次北极科学考察,对白令海、楚科奇海、波弗特海、加拿大海盆和马卡若夫海盆进行了广泛的考察。全球变化致使北冰洋夏季海冰覆盖面积不断减少,导致冰期以来北极东北航道和西北航道的首次同时开通。北极航道集中在陆架区,不仅是海冰变化最为显著的海域,同时也是陆地-北冰洋相互作用最为显著的区域,对北冰洋区域气候、生态系统和生物多样性、经济和当地土著居民生活产生重大影响。本文对北极航道关键海域近年来国际相关科学考察进行了总结,对科学考察背后的各国北极策略进行分析,并从科学需求的角度对今后中国北极科学考察中针对北极航道相关海域应开展的科学考察与研究提出了相关建议。

10种极地微藻叶绿素荧光特征分析

海洋浮游植物是水体环境中重要的初级生产者,其光合能力与浮游植物生产力密切相关,而这些均能在叶绿素荧光动力学上得以体现。利用调制叶绿素荧光仪(Water-PAM)对实验室培养的10种极地微藻的叶绿素荧光参数(F_v/F_o,F_v/F_m,NPQ)和快速光曲线拟合参数(P_m、α和I_k)进行测量和分析。结果表明:除CCMP2084外,其余9种微藻均处于正常生长状态。PSⅡ潜在活性值(F_v/F_o)大于1.0的藻共有8种,大小顺序分别为CCMP1056>CCMP1204>CCMP165>CCMP2095>CCMP1309>CCMP445>CCMP213>CCMP2087。其中短孢角毛藻CCMP165、四棘藻CCMP213和海链藻CCMP1056三种藻的光保护能力较强(NPQ值分别大于2.0)。这三种藻对光照的耐受能力强弱顺序为CCMP213>CCMP1056>CCMP165(比较三种藻的I_k值)。因此,四棘藻CCMP213和海链藻CCMP1056比短孢角毛藻CCMP165更适合在较强的光照强度下培养。

快速升温后极地甲藻Polarella glacialis的生理响应

Polarella glacialis最早发现于南极固定冰和北冰洋水层,最近在温带海域也发现其相关基因。专抗甲藻的Rubisco(Ribulose bisphosphate carboxylase oxygenase,核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶,光合作用C3碳反应中重要的羧化酶、光呼吸中的加氧酶)、PCNA(Proliferating cell nuclear antigen,增殖细胞核抗原)抗体在该藻细胞内各检测到～53 kDa和～55 kDa的特异性条带。对该藻的梯度温度培养实验显示,4℃生长的P.glacialis细胞密度为1.1×105cells.ml-1时仍能继续增殖,一天中藻细胞内Rubisco的表达量基本保持恒定,PCNA的表达量峰值与%S(藻株中处于S期的细胞占所有细胞的百分比)峰值相对应,当温度迅速上升至15、20℃时,藻株处于胁迫状态,细胞密度迅速减少,正常的细胞周期被干扰,大多数细胞分裂活动不活跃或停止分裂,Rubisco、PCNA的表达量大幅减少甚至消失,昼夜表达特征改变,其中20℃对藻株的胁迫作用更加显著。15℃培养下的P.glacialis细胞密度并不立即减少,细胞周期与两种指示蛋白表达特征显示仍有部分细胞完成分裂。本研究为该藻的相关基因在温带水域的出现提供了可能的解释,并推测在相对长期渐进的极地增温过程中,P.glacialis可能继续存在。

北极海洋放线菌R-527F的抗菌活性筛选、鉴定及其抗菌物质发酵条件研究

对分离自北冰洋73°N以北海域沉积物中的一株放线菌R-527F进行分子鉴定及生物活性研究。通过对菌株的形态特征、培养性状、生理生化特征以及16S rDNA序列进行综合分析,确定该株菌为链霉菌属,暂定名为Streptomy-ces sp.R-527F。其含有聚酮类Ⅰ型(PKSⅠ)和非核糖体含硫多肽类(nonribosomal peptide synthetase,NRPS)化合物的合成基因。对其抗菌活性及活性物质发酵条件进行了研究,实验结果表明,该菌株所产生的抗菌物质对枯草芽孢杆菌具有显著抑制效果,抑菌圈直径达到18.2 mm。适合其抗菌物质的发酵条件:种子液接种量为4%,培养基初始pH为8.0,培养温度为28℃,培养时间为6 d,摇床转速为180 r.min-1,装液量为40%,为该菌株抗菌物质的进一步研究奠定发酵条件参数基础。

北极太平洋扇区海洋沉积物细菌多样性的系统发育分析

对北极太平洋扇区3个不同深度的海洋沉积物样品，采用PCR结合变性梯度凝胶电泳（DGGE）技术进行细菌16SrRNA基因V3区序列的系统发育分析。结果表明，同一个沉积物样品不同层次的DGGE电泳图谱不完全相同。从3个沉积物样品中共获得50条序列。大部分序列与从海洋环境尤其海洋沉积物获得的细菌16SrDNA序列相似性较高（88％-100％），归属于变形细菌（Proteobacteria）的gamma亚群、alpha亚群、beta亚群、epsilon亚群、delta亚群，Cytophaga-Flavobacterium-Bacteroides（CFB）群细菌和高G＋C含量的革兰氏阳性细菌等系统分类群，其中变形细菌（Pmteobacteria）的gamma亚群为沉积物中的优势细菌类群。

斯瓦尔巴群岛冰川学研究进展与我国北极冰川监测系统建设

北极斯瓦尔巴群岛冰川大多数属于亚极地型(sub-polar)或多热型(polythermal)。Austre Br(?)ggerbreen和Midre Lovénbreen冰川(＜10km^2)长时间系列物质平衡研究显示,自小冰期结束以来几乎所有的观测年中夏季消融比冬季积累更大,导致冰体稳定地减小；而面积更大、海拔高度更高的冰川如Kongsvegen冰川(105km^2)则更加接近稳定态的平衡。斯瓦尔巴群岛冰川流动速率一般较低,但跃动相当频繁,控制跃动型冰川空间分布的因素包括冰川长度、基底岩性和多热场。可通过冰川水文特征、钻孔温度测量和无线电回波探测获取斯瓦尔巴群岛冰川热场的信息。斯瓦尔巴群岛冰川的低流速和多热性结构对冰川上的排水系统相当重要,整个群岛淡水径流的四个主要来源分别是冰川消融、雪融化、夏季降雨和冰崩解,经验回归方法和模式方法用于计算淡水径流量。因夏季融水渗浸作用、采样分辨率低和化学成分分析有限,早期斯瓦尔巴群岛冰芯的准确定年受到严重影响,但最近的研究显示,来自斯瓦尔巴群岛冰帽的冰芯数据仍然能够提供重要的气候和环境信息。通过我国北极黄河站2005年度科学考察,我们已初步建立了Austre Lovénbreen冰川和Pedersenbreen冰川监测系统,并计划在Austre Lovénbreen冰川进行钻孔温度测量、冰川气象要素观测、冰川前缘水文观测以及冰川厚度和内部结构测量,重点开展斯瓦尔巴群岛冰川基本特征和发育条件、冰川表面能量和物质平衡、冰川波动与气候变化关系、淡水径流年际和季节性变化和气/雪/冰界面过程等方面的研究。

基于GIS冰川末端变化计算方法研究--以北极Austre Lovénbreen冰川为例

基于冰川区地形图和实地GPS测量数据,总结4种用于计算冰川末端变化量的方法:主流线法、中心线法、周长法和特征点法,并提出基于GIS的操作思路.分析了各种方法的优缺点,阐述了各种方法在使用中的注意事项.建议使用最短距离的特征点法计算冰川末端变化量,并且以前一期的特征点向后一期的冰川边界搜索最短距离.通过把方法应用在北极Austre Lovénbreen冰川,结果表明,自2005年观测以来北极Austre Lovénbreen冰川末端呈现退缩趋势,年均退缩量为9.44m.a-1,年际变差系数为0.40,冰川末端变化量年际变化较大.

北极王湾海域浮游植物对光照和盐度变化的适应性研究

2006年夏末,对北极黄河站附近的王湾(Kongsfjorden)海域基础环境特征进行调查,并采用模拟实验研究了该海域浮游植物对光照和盐度变化的适应性。结果显示:浮游植物群落在无光照条件下培养1天或者1周后,叶绿素a浓度基本保持稳定或略有下降;随后将其置于自然光下培养,叶绿素a浓度呈现先明显下降、后稳步上升的趋势。在盐度实验中,稀释倍率为10%时,浮游植物群落生长速率达到最大值,但将稀释倍率增大到一定程度(≥40%)时,低盐会限制浮游植物生长。研究显示,夏末王湾海域浮游植物群落对低光照环境具有一定的适应性;另外,由于低稀释率能促进浮游植物的生长,湾外由于受到融水影响的程度较小,因而有益于浮游植物的生长。

北极Svalbard地区冰川物质平衡研究进展

回顾了Svalbard地区冰川物质平衡观测研究的历史,总结了该区域自1950年代以来冰川物质平衡的主要特征.结果表明:1)冰川净平衡、冬季积累和夏季消融没有明显长期变化趋势,净平衡一般为负值,导致冰体不断地缩减;2)冰川冬季积累年际波动较小,基本保持稳定状态;夏季消融年际波动较大,但没有融化增加的迹象;3)面积/海拔高度分布的不同导致了各冰川物质平衡的差异,面积较小(<10 km2)、海拔较低(<500 m)的冰川持续退缩;而具有更高海拔高度、更大面积的冰川则处于平衡或略微增长状态;4)净平衡与冰川平衡线高度(ELA)具有良好的负相关性,平均物质平衡梯度无明显变化,物质平衡对平衡线高度变化(气候变化)的敏感性保持稳定;5)Svalbard地区冰川物质平衡与该区夏季各月正积温和冬季降水具有密切的相关性.最后提出了加强Svalbard地区冰川物质平衡内补给过程研究以及与我国天山冰川物质平衡的对比研究,以求更加准确地认识Svalbard地区冰川物质平衡特征.

北冰洋海冰和海水变异对海洋生态系统的潜在影响

最近30年来,北冰洋海冰和海水发生了急剧变化:海冰覆盖面积减少、冰层变薄、水温升高、淡水输入增加、污染加剧,正威胁着现有与海冰关系密切的生态系统。预期随着变化的持续,与海冰相关的食物链将在部分海域消失并被较低纬度的海洋物种所取代、总初级生产力有望增加并为人类带来更多的渔获量、而北极熊和海象等以海冰作为栖息和捕食场所的大型哺乳动物的生存前景堪忧。今后人类将更为重视对北冰洋生态环境变化规律的认识并加以运用、关注北冰洋特有物种的命运并加以力所能及的保护、评估北冰洋生态系统的变化对人类社会经济的影响以期及早采取应对措施。数据积累是目前制约北极研究的最大障碍,但随着 SEARCH 等大型国际研究计划的实施,对北冰洋生态系统的监测和研究将更为系统和全面。

从北极国家的北极政策剖析北极科技发展趋势

由于气候变化影响、地区经济潜力以及地缘政治意义,北极迅速成为北极各国乃至北半球国家关注的焦点。自2006年底以来,挪威、俄罗斯、美国、加拿大、芬兰、冰岛、瑞典和丹麦等北极八国陆续推出了新的北极政策。各国在阐述北极主权、资源利用、生态环境保护、社会经济发展和原住民权利的同时,强调了科学研究和科技发展在当地生态环境保护和经济可持续发展中的重要作用,并对科研优先领域进行了不同程度的阐述,以引导各国的北极科技发展并服务于自身的北极权益。本文依据北极各国新近发布的北极政策,综合分析北极科技发展重点和趋势,同时结合中国已有的北极考察和合作基础,提出了中国的北极科技发展建议。

北冰洋海域微食物环研究进展

海洋微食物环在海洋生态系统中起着重要作用。北冰洋因常年为海冰所覆盖,对微食物环的研究较为有限。现有研究表明,微食物环在北冰洋生态系统中的作用与海域和季节相关。近年来环境的快速变化、特别是夏季海冰覆盖面积的迅速减少,会对微食物环的结构和功能产生重大影响,已有研究显示其生态作用有望进一步提高。综合近年来已有的研究成果,对北冰洋微食物环的主要类群:原核生物、真核浮游植物、原生动物和浮游病毒等的基本生态特征进行了概述,讨论了各类群间的相互关系,并对未来的研究重点进行了展望。

电离层Alfven谐振器对地面观测到的地磁信号的影响初步研究

本文研究了0.1～10 Hz频率范围内的ULF波从磁层到地面的传播,得到了解析解,分析了电离层Alfven谐振器、磁倾角、电离层电导率、以及波频率对地面观测到的地磁信号的影响.数值结果表明:在磁层中剪切波在竖直方向有明显的谐振结构;地面观测到的信号在IAR谐振频率出现极大值,其谐振频率随磁倾角的增大而增大;电离层电导率的变化可以改变IAR的谐振频率,并能改变波的透射,从而影响地面地磁信号的频谱.

极区海域海冰内部有机物质研究进展

本文对极区海域海冰内部有机物质的国内外研究现状进行了扼要阐述。内容涉及海冰内部溶解态有机物质(DOM)和颗粒态有机物质(POM)的产生、迁移和转化过程;海冰内部冰藻生化组分(糖类、脂类和胞外分泌物);海冰内部有机物质在调节初级生产力和异养生物活性之间的机理研究等,并提出了今后需要重点解决的科学问题。

南极冰盖内部等时层研究进展综述

南极冰盖内部等时层记录了不同时期冰盖表面的特征及其演变,蕴含了丰富的冰下环境信息。目前,已成为研究大空间尺度与长时间尺度上南极冰盖演化及其底部环境的重要媒介。地球物理观测和数值模拟技术的综合使用,实现了南极冰盖内部等时层在大陆尺度上的可视化。通过这些内部等时层,冰川学研究将南极冰盖内部的古冰流与千年至百万年时间尺度的地貌及冰下环境的变化细节联系起来,得到了一系列数量化的结果。针对南极冰盖,综述产生内部等时层的冰盖动力学物理机理及其在冰川学上的应用,评估在五个方面的运用:(1)深冰芯断代与选址;(2)冰盖动力学过程;(3)冰盖物质平衡;(4)冰盖稳定性;(5)冰下环境。另外,基于对内部等时层的已有认识,对未来在内部等时层研究中可能需要强化的领域进行了归纳:(1)发展更精细描述并测试内部等时层结构时空变化的数值模拟技术框架面临的挑战;(2)如何从内部等时层蕴含的信息推断鉴别以目前南极冰盖作为初始条件的冰盖质量变化;(3)为获得更高分辨率的内部等时层结构图像,得到关于冰盖内部冰体形变与演化的更多数量化信息,如何强化冰盖冰下环境的重复观测。

南半球环状模与南极冰芯中气候信息关联研究综述

冰芯作为气候环境信息的良好载体,在研究过去大气环流异常中具有其他气候代用指标难以比拟的优势。本文重点综述了南极冰芯气候记录与南半球环状模(SAM-Southern Annular Mode)的关联特征:SAM与冰芯记录为同期变化,冰芯中NO-3、海盐组分(以Na+为代表)和水同位素比值δ18O同SAM指数具有较好的关联性;冰芯中SO2-4和MSA同SAM存在一定的关联,但相关性不显著;西南极冰芯记录的积累率同SAM具有较强的关联。需要说明的是,冰芯中各参数与SAM的相关性存在较大的空间差异。

东南极冰盖伊丽莎白公主地中国泰山站站址所在区域的冰厚、内部等时层、表面和冰下地形（英文）

中国第21次(2004/2005,CHINARE 21)和第29次(2012/2013,CHINARE 29)南极科学考察在东南极冰盖伊丽莎白公主地中国泰山考察站站址所在区域,通过探地冰雷达和GPS进行了两次地球物理探测。使用中心频率分别为60MHz和150MHz的冰雷达探测,首次(2004/2005)获得该地区的冰厚与冰内部等时层结构。GPS观测显示以泰山站站址为中心约2km×2km范围内的冰盖表面地形起伏很小,海拔为2607-2636m。冰盖雷达断面显示该区域的平均冰厚为1900m,最大冰厚为1949m,最小冰厚为1856m。在泰山站站址下方冰厚为1870m。冰盖表面高程与冰厚数据联合分析发现该地区的冰下地形相对起伏剧烈,海拔为662-770m,反映出冰下地形为山地地貌。该2km×2km测量网格下方的冰量为7.6km3。60MHz冰雷达数据给出一条长17.6km,穿越泰山站的冰盖断面内部等时层结构图。从中识别分析出一些内部等时层,结果表明该处的冰盖内部等时层受到了冰流的扰动,内部等时层的几何形态暗示了泰山站所处的冰盖下方很可能经历了一个复杂的沉积过程。