摘要


南极沿海地区的初级生产力来自海冰藻类、浮游植物和底栖藻类。氧微电极被用来估计南极东部沿海地区凯西附近几个地点的海冰和底栖初级生产力。海冰的最大氧气输出量为0.95 mmol O2 m-2 h-1（*11.7 mg C m-2 h-1），而沉积物的最大氧气输出量为6.08 mmol O2 m-2 h-1（*70.8 mg C m-2 h-1）。当冰存在时，底栖生物的氧气输出要么很低，要么为负值。海冰藻类同化率高达3.77 mg C（mg Chl-a）-1h-1，而底栖生物的同化率高达1.53 mg C（mg Chl-a）-1h-1。利用荧光测量技术评估初级生产力主要组成部分的贡献。当冰存在时，约55–65%的每日初级生产力发生在海冰中，剩余部分在沉积物和水柱之间不均匀分配。当没有冰时，底栖生物贡献了将近90%的初级生产力。


介绍


南极海洋沿岸初级生产力由三个主要组成部分贡献：海冰藻类、浮游植物、微藻和大型底栖藻类群落。海冰主导并构成了大多数南极海洋生态系统（Eicken et al.1991），严重限制了到达光合作用群落的光量（Palmisano et al.1985；Smith et al.1988；Cota and Smith 1991）。海冰微生物群落是光合作用生物量的一个重要组成部分，在多年生冰覆盖地区的年初级生产力中约占25-30%（Legendre等人1992年；Lizotte 2001年；Grose和McMinn 2003年）。在沿海地区，快速冰（即附着在海岸上的年冰）的平均生物量为150 mg chl-a m-2，主要位于底部20 cm处（Knox 2006），该群落的产量在0.053和1.474 mg C m-2 h-1之间变化（Trenerry et al.2002）。在海冰下面，浮游植物的生物量仍然很低（.2 lg chl-a L-1）。对南极底栖微藻生物量的测量很少，但Dayton等人（1986年）在McMurdo Sound报告了95至960 mg chla m-2之间的值，McMinn等人（2004年）在Casey站报告了159.1至236.5 mg chl-a m-2之间的值。唯一公布的南极底栖生物初级生产数据来自南极半岛，吉尔伯特（1991）报告了该半岛313.4至700.9 mg C m-2 d-1的数值。之前在南极洲还没有对这三种主要成分的光合和初级生产数据进行过比较，不过在波弗特海进行了一项比较研究（Horner和Schrader，1982年）。由于不同栖息地使用的方法和单位存在必要的差异，以及现场辐照度和合成生物量的高度可变性，直接比较总是很困难，而且容易出现不一致。


微传感器技术应用于微生物垫的进展提供了新的见解和比以前更准确的信息。过去25年中，已记录了氧微电极在沉积物、底栖藻类群落中测定氧气生成的应用（Jorgensen等人1983年；Revesbech and Ward 1983年；Lorenzen等人1995年；Klimant等人1997年）。还探索了类似的技术来确定海冰藻类群落的生产力（McMinn et al.2000a；Kuhl et al.2001；Trenerry et al.2002；McMinn et al.2007）。该方法基于测量通过扩散边界层（DBL）的氧通量（Jorgensen and Revsbech 1985；Roberts and McMinn 2004），因此可以计算整个垫的净产量（McMinn and Ashworth 1998；McMinn et al.2000a；Trenerry et al.2002）。微电极的尖端直径很小（40 lm），对氧张力变化的响应时间很快（90%的响应时间<1 s），搅拌灵敏度低（<1%），长期稳定性相对较好。因此，它们是研究海冰和底栖生物群落中O2产生和消耗的空间和时间变异性的良好工具。


20世纪90年代中期，水生系统荧光测量方法的发展也使人们能够测量海洋微藻光合作用，从而估计微藻群在水生生态系统中的相对贡献。McMinn等人（2005年）不仅记录了日本北海道北部海冰藻类、浮游植物和底栖藻类群的光生理特征，还记录了它们对沿海生产的估计相对贡献。该方法包括测量最大相对光合电子传输速率（rETRmax）、环境辐照度和生物量（叶绿素a浓度）。


本研究的目的是利用氧微电极研究Casey站附近三个地点海冰和底栖藻类群落的日初级生产力。我们还利用荧光测定法探讨了微藻群在南极海洋生态系统三个组成部分中的相对贡献。


材料和方法


研究地点


2004年12月2日至12月30日，在凯西站周围的三个地点进行了实地研究：南极洲的布朗湾（BB）、奥布莱恩湾（OBB）和凯西码头（CW）（66280 S，110520 E）（图1）。一天中的时间以当地时间（GMT？5 h）表示。对初级生产力的测量发生在12月3日至16日之间。之所以选择这些地点，是因为在每年的冰爆发前后，它们提供了处理海冰（冰下）、浮游植物（水柱中）和底栖微藻（沉积物中）的机会。这些地区的积雪覆盖范围是可变的，但研究地点的冰厚（如有）约为1.4m（表1）。使用生物圈（美国圣地亚哥）QSP 200辐射计和2p和4p传感器测量表面和地下辐照度。另外，还使用光纤光传感器（Kuhl等人1994年之后）和氧气微传感器进行了辐照度测量。研究期间的天气通常多云，但也在不太频繁的无云日进行了测量。在布朗湾和奥布莱恩湾，对海冰藻类、浮游植物和底栖藻类进行了测量和收集。在凯西码头，由于没有冰残留，只对浮游植物和底栖藻类进行了研究。使用WTW（德国韦勒姆）电导率仪测量每个地点的温度和盐度。


图1南极洲凯西站凯西码头、布朗湾和奥布莱恩湾三个现场的位置


叶绿素a分析


海冰的叶绿素a（chl-a）测量是从半径为5m的4-5个重复冰芯中进行的。通过钻孔至1.2 m（美国杰菲）获得冰芯，然后使用冰芯取芯钻机（美国科瓦克斯）手动取芯至底部，提取底部20–30 cm的冰芯。取下岩芯样品底部10 cm，并将其修整成小块，然后将其融化成等量的过滤海水（0.22 lm过滤器）。将100 ml熔融样品过滤到Whatman GF/F 47 mm直径的过滤器上，并在10 ml甲醇中提取色素过夜。按照Strickland和Parsons（1972）的酸化方法，使用Turner 10 AU荧光计测量叶绿素-A生物量。荧光计根据叶绿素a标准（圣路易斯西格玛化学公司）进行校准。当氧气流量测量以毫米为单位时，底部10厘米处的chl-a生物量被检查。超过95%的chl-a生物量通常位于海冰底部几厘米处（McMinn等人，1999年，2000年a），因此仅对这部分冰芯进行了生物量取样。由于冰本身在冰水界面的一层薄薄的骨架层之上，形成了垂直氧气扩散的有效帽，因此假设光合作用产生的所有氧气向下扩散到扩散边界层（DBL）。因此，需要底部几厘米的总生物量来估算同化数。水柱chl-a分析基于使用2L水采样器（美国尼斯金）从5m（凯西码头4m）深度采集1L水样。随后将水过滤到Whatman GF/F 47 mm直径的过滤器上，并以与冰芯相同的方式提取和分析。使用特制的直径为15 mm的重力取样器收集叶绿素a分析用沉积物样品。去除顶部1厘米的沉积物芯，并在20毫升甲醇中提取色素过夜。以与水和冰样品相同的方式倾析和测量所得叶绿素提取物。


原地净初级生产力


海冰和底栖藻类净初级生产力是使用DBL法现场氧通量测量的（Jorgensen和Revsbech 1985；McMinn等人，2000a）。用于对海冰和底栖藻类进行原位测量的设备和氧微电极（UniSense，Aahus）是McMinn等人（2000a）和Trenerry等人（2002）使用的设备的改进版（图2）。海冰藻垫下方或沉积物藻层上方的氧气通量和DBL的厚度都是确定净初级生产力所必需的。用氧微电极测量氧浓度，其尖端直径约为40 lm，90%的响应时间约为1s，搅拌灵敏度为1–2%。在测量之前，使用空气饱和海水（在-1.8C下用标准水族馆泵鼓泡20分钟使其饱和）和脱氧海水（在-1.8C下使用亚硫酸钠）的值对其进行现场校准。空气饱和海水在-1.8℃时的氧浓度值，单位为lmol O2 L-1，由Weiss（1970）获得。DBL厚度和氧通量的测量是通过在冰下或沉积物上方的前几毫米水中以10 lm的间隔步进氧微电极来进行的。对于海冰测量，设备被部署在可伸缩臂上的海冰下方（McMinn et al.2000a），对于海底测量，设备被用电缆降到静止位置，随后与地面的计算机保持通信（图2）。

图2氧气微电极部署设备。相同的液压微电极定位系统用于底栖（a）和冰下（b）部署。在冰下部署模式下，光、氧温度和盐度传感器位于一起。在底栖部署期间，光传感器保持在沉积物表面上方。视频设备位于水工建筑物内


在KuHL等人（1994）之后构建的光纤光传感器与生物圈QSP 200 4P PAR传感器进行比较，并且获得了在一个范围内的地下辐射的线性关系。光测量分别在海冰下方和沉积物藻垫上方进行，用于海冰和底栖生物测量。光传感器的最大可检测光强度约为71 lmol光子m-2 s-1，导致凯西码头和奥布莱恩湾的一些读数超过最大值。对于这些测量，环境水下辐照度是根据表面光照水平和消光系数计算的，消光系数是根据辐照度水平小于71 lmol光子m-2 s-1的水柱部分确定的。光、氧和位置数据大约每秒记录在表面的PC上。通过重复的O2值或与接触冰相关的O2浓度的快速下降来识别海冰底部DBL。当微电极进入沉积物时，与扩散速率变化相关的氧通量斜率的显着变化可识别沉积物中DBL的底部（图3）。每个DBL的顶部通过确定氧气浓度总变化10%的增加深度来计算（即，氧气出口相当于Jorgensen和Marais 1990年自由流动浓度的90%；Trenerry等人，2002年）。水下摄像机的位置距离测量设备5米，距离电极尖端10厘米，以确保设备的正确部署。海冰和沉积物的完整DBL剖面每15分钟获得一次，在海冰中持续24小时，在沉积物中持续12小时。在显着的冰融化之前进行了海冰生产力测量，以确保氧气转移的主要模式是通过扩散而非平流过程。当海冰融化时，冰下通常会形成一层更新鲜的水（Cota and Horne 1989；Kuhl et al.2001），同样，当冰形成时，盐水被排除在冰之外，从而产生高盐度的水通量。这些梯度的发展有可能显着影响溶质在冰水界面上的迁移（Glud等人，2002a，b）。然而，在凯西，在这段时间里，在实验期间，冰的厚度没有明显变化，温度保持在-1.7到-1.8℃之间，盐度没有变化。这表明，扩散而非对流分子输运是测量的大部分氧通量的原因，并验证了我们的方法。然而，如果冰正在快速增长或融化，这种方法就不合适了。


图3从海冰（2004年12月2日下午2:44棕色海湾）和b底栖藻类群落（2004年12月1日下午2:14凯西码头）的氧微电极测量中获得的扩散边界层（DBL）的氧剖面示例。垂直刻度表示扩散氧通量，水平刻度表示距离轮廓起点的微米距离。扩散边界层用虚线标出


通过DBL的氧气扩散通量（J）相当于冰下或沉积物上方藻垫的净初级生产力。使用Fick第一扩散定律的一维版本（Revsbech和Jorgensen 1986）进行计算：


式中Do=分子扩散系数（在-1.9℃时=1.11 9 10-5 cm-2 s-1）；Broecker和Peng 1974），dx=DBL厚度，d[O2]=整个DBL的氧浓度变化。为了将氧通量转换为等效的净生产力值，氧通量（mmol O2 m-2 h-1）除以南极快冰的光合系数1.03（Satoh和Watanabe 1988），然后乘以碳的原子量（12.01）。该值相当于以mg C m-2 h-1为单位的产量。同化数是通过将“碳当量”生产力值除以叶绿素值得到的，得到单位为mg C（mg chl-a）-1 h-1。碳当量同化数的改变是为了能够与使用更熟悉的14C方法进行的生产率估算进行比较。


叶绿素荧光测量


使用脉冲振幅调制荧光计（德国埃芬堡Waltz Water PAM）测量了海冰藻类、浮游植物和底栖藻类的叶绿素荧光。通过施加弱测量光（1 lmol光子m-2 s-1）和饱和脉冲（[3000 lmol光子m-2 s-1持续0.8秒）来测量初始荧光（F），以确定最大荧光（Fm0）。荧光变化的比率（DF=Fm0-F）而最大荧光DF/Fm0是光照样品中PSII有效量子产率的量度。相对光合电子传递率（rETR）计算为有效量子产率和光合有效辐射（PAR）量子通量密度的乘积（Genty et al.1989）。


所有样本都尽可能接近正午。注意确保样品不暴露在阳光直射下。从冰芯底部刮去海冰藻类，并将其放入装有1-2毫升-1.8℃过滤海水的水PAM测量杯中（McMinn等人，2005年）。冰没有融化。这种测量方法的优点是不会融化冰，不会使细胞暴露在渗透和温度冲击下，同时与随后的量子产率测量没有显着差异。沉积物样品（每个沉积物芯的顶部5 mm）用一个直径为15 mm的小型重力沉积物取样器收集，然后再次用黑色塑料带到帐篷中，并放入测量杯中。海水从冰下5米处收集。为了获得快速光曲线（RLC），使用PAM荧光计的内部光化光源对测量反应杯中的样品进行光适应（使其辐照度尽可能接近环境，即约10–20 lmol光子m-2 s-1）5分钟。在30 s黑暗后，在每次DF/Fm0测量之前，在一系列八个辐照度中的每一个下照射样品10 s，获得快速光照曲线，这些辐照度从0增加到577 lmol光子m-2 s-1（White and Critchley 1999；Ralph and Gademann 2005）。光由内部光化光源提供，该光源在WaterPAM中的中心波长为660 nm。


快速光照曲线产生的rETR数据通过多元非线性回归拟合到以下方程（Platt等人，1980）：


rETRmax表示无光抑制时的最大潜在rETR。a是饱和开始前光照曲线的初始斜率，表示光照利用效率。Ed是辐照度（通式为400–700 nm）。b是表征光抑制的参数。在光线曲线中没有光抑制的情况下，b=0，函数变为：



其中rETRmax是光饱和时的最大rETR，因此代表光合能力。标准RLC在其P vs.E函数中仅生成9个点，这与传统的基于14C的P vs.E函数不同，后者通常具有20个或更多数据点（Lewis和Smith 1983）。数据点的数量如此之少，使得正确估计α和β都不可靠。因此，由于本研究中的所有群落在其最大环境辐照度下均未受到抑制，我们从多元非线性回归中删除了任何“抑制”数据点（每个RLC很少超过一个）。通过这种方式，我们对rETRmax和a进行了更稳健的估计。


浮游植物、海冰藻类和底栖藻类的贡献


浮游植物、海冰藻类和底栖藻类的相对贡献如McMinn等人（2005）所述，即通过将各成分的面积（m-2）chl-a浓度乘以其在最大环境辐照度下的各自rETR来计算。



海冰藻类的相对产量




其中phyt=浮游植物，sia=海冰藻类，ba=底栖藻类。


这种方法不考虑每个微环境内的光梯度或硅藻的日间迁移模式。相反，它使用RLCs和spot测量的平均光合响应来计算生物量。然而，由于每个群落在很大程度上都由相同的硅藻物种控制，因此它仍然对每个群落的相对贡献有一个一级印象。