摘要

南極沿海地區的初級生產(chǎn)力來(lái)自海冰藻類(lèi)、浮游植物和底棲藻類(lèi)。氧微電極被用來(lái)估計南極東部沿海地區凱西附近幾個(gè)地點(diǎn)的海冰和底棲初級生產(chǎn)力。海冰的最大氧氣輸出量為0.95 mmol O2 m-2 h-1（*11.7 mg C m-2 h-1），而沉積物的最大氧氣輸出量為6.08 mmol O2 m-2 h-1（*70.8 mg C m-2 h-1）。當冰存在時(shí)，底棲生物的氧氣輸出要么很低，要么為負值。海冰藻類(lèi)同化率高達3.77 mg C（mg Chl-a）-1h-1，而底棲生物的同化率高達1.53 mg C（mg Chl-a）-1h-1。利用熒光測量技術(shù)評估初級生產(chǎn)力主要組成部分的貢獻。當冰存在時(shí)，約55–65%的每日初級生產(chǎn)力發(fā)生在海冰中，剩余部分在沉積物和水柱之間不均勻分配。當沒(méi)有冰時(shí)，底棲生物貢獻了將近90%的初級生產(chǎn)力。

介紹

南極海洋沿岸初級生產(chǎn)力由三個(gè)主要組成部分貢獻：海冰藻類(lèi)、浮游植物、微藻和大型底棲藻類(lèi)群落。海冰主導并構成了大多數南極海洋生態(tài)系統（Eicken et al.1991），嚴重限制了到達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個(gè)重要組成部分，在多年生冰覆蓋地區的年初級生產(chǎn)力中約占25-30%（Legendre等人1992年；Lizotte 2001年；Grose和McMinn 2003年）。在沿海地區，快速冰（即附著(zhù)在海岸上的年冰）的平均生物量為150 mg chl-a m-2，主要位于底部20 cm處（Knox 2006），該群落的產(chǎn)量在0.053和1.474 mg C m-2 h-1之間變化（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）。對南極底棲微藻生物量的測量很少，但Dayton等人（1986年）在McMurdo Sound報告了95至960 mg chla m-2之間的值，McMinn等人（2004年）在Casey站報告了159.1至236.5 mg chl-a m-2之間的值。唯一公布的南極底棲生物初級生產(chǎn)數據來(lái)自南極半島，吉爾伯特（1991）報告了該半島313.4至700.9 mg C m-2 d-1的數值。之前在南極洲還沒(méi)有對這三種主要成分的光合和初級生產(chǎn)數據進(jìn)行過(guò)比較，不過(guò)在波弗特海進(jìn)行了一項比較研究（Horner和Schrader，1982年）。由于不同棲息地使用的方法和單位存在必要的差異，以及現場(chǎng)輻照度和合成生物量的高度可變性，直接比較總是很困難，而且容易出現不一致。

微傳感器技術(shù)應用于微生物墊的進(jìn)展提供了新的見(jiàn)解和比以前更準確的信息。過(guò)去25年中，已記錄了氧微電極在沉積物、底棲藻類(lèi)群落中測定氧氣生成的應用（Jorgensen等人1983年；Revesbech and Ward 1983年；Lorenzen等人1995年；Klimant等人1997年）。還探索了類(lèi)似的技術(shù)來(lái)確定海冰藻類(lèi)群落的生產(chǎn)力（McMinn et al.2000a；Kuhl et al.2001；Trenerry et al.2002；McMinn et al.2007）。該方法基于測量通過(guò)擴散邊界層（DBL）的氧通量（Jorgensen and Revsbech 1985；Roberts and McMinn 2004），因此可以計算整個(gè)墊的凈產(chǎn)量（McMinn and Ashworth 1998；McMinn et al.2000a；Trenerry et al.2002）。微電極的尖端直徑很?。?0 lm），對氧張力變化的響應時(shí)間很快（90%的響應時(shí)間<1 s），攪拌靈敏度低（<1%），長(cháng)期穩定性相對較好。因此，它們是研究海冰和底棲生物群落中O2產(chǎn)生和消耗的空間和時(shí)間變異性的良好工具。

20世紀90年代中期，水生系統熒光測量方法的發(fā)展也使人們能夠測量海洋微藻光合作用，從而估計微藻群在水生生態(tài)系統中的相對貢獻。McMinn等人（2005年）不僅記錄了日本北海道北部海冰藻類(lèi)、浮游植物和底棲藻類(lèi)群的光生理特征，還記錄了它們對沿海生產(chǎn)的估計相對貢獻。該方法包括測量最大相對光合電子傳輸速率（rETRmax）、環(huán)境輻照度和生物量（葉綠素a濃度）。

本研究的目的是利用氧微電極研究Casey站附近三個(gè)地點(diǎn)海冰和底棲藻類(lèi)群落的日初級生產(chǎn)力。我們還利用熒光測定法探討了微藻群在南極海洋生態(tài)系統三個(gè)組成部分中的相對貢獻。

材料和方法

研究地點(diǎn)

2004年12月2日至12月30日，在凱西站周?chē)娜齻€(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)地研究：南極洲的布朗灣（BB）、奧布萊恩灣（OBB）和凱西碼頭（CW）（66280 S，110520 E）（圖1）。一天中的時(shí)間以當地時(shí)間（GMT？5 h）表示。對初級生產(chǎn)力的測量發(fā)生在12月3日至16日之間。之所以選擇這些地點(diǎn)，是因為在每年的冰爆發(fā)前后，它們提供了處理海冰（冰下）、浮游植物（水柱中）和底棲微藻（沉積物中）的機會(huì )。這些地區的積雪覆蓋范圍是可變的，但研究地點(diǎn)的冰厚（如有）約為1.4m（表1）。使用生物圈（美國圣地亞哥）QSP 200輻射計和2p和4p傳感器測量表面和地下輻照度。另外，還使用光纖光傳感器（Kuhl等人1994年之后）和氧氣微傳感器進(jìn)行了輻照度測量。研究期間的天氣通常多云，但也在不太頻繁的無(wú)云日進(jìn)行了測量。在布朗灣和奧布萊恩灣，對海冰藻類(lèi)、浮游植物和底棲藻類(lèi)進(jìn)行了測量和收集。在凱西碼頭，由于沒(méi)有冰殘留，只對浮游植物和底棲藻類(lèi)進(jìn)行了研究。使用WTW（德國韋勒姆）電導率儀測量每個(gè)地點(diǎn)的溫度和鹽度。

圖1南極洲凱西站凱西碼頭、布朗灣和奧布萊恩灣三個(gè)現場(chǎng)的位置

葉綠素a分析

海冰的葉綠素a（chl-a）測量是從半徑為5m的4-5個(gè)重復冰芯中進(jìn)行的。通過(guò)鉆孔至1.2 m（美國杰菲）獲得冰芯，然后使用冰芯取芯鉆機（美國科瓦克斯）手動(dòng)取芯至底部，提取底部20–30 cm的冰芯。取下巖芯樣品底部10 cm，并將其修整成小塊，然后將其融化成等量的過(guò)濾海水（0.22 lm過(guò)濾器）。將100 ml熔融樣品過(guò)濾到Whatman GF/F 47 mm直徑的過(guò)濾器上，并在10 ml甲醇中提取色素過(guò)夜。按照Strickland和Parsons（1972）的酸化方法，使用Turner 10 AU熒光計測量葉綠素-A生物量。熒光計根據葉綠素a標準（圣路易斯西格瑪化學(xué)公司）進(jìn)行校準。當氧氣流量測量以毫米為單位時(shí)，底部10厘米處的chl-a生物量被檢查。超過(guò)95%的chl-a生物量通常位于海冰底部幾厘米處（McMinn等人，1999年，2000年a），因此僅對這部分冰芯進(jìn)行了生物量取樣。由于冰本身在冰水界面的一層薄薄的骨架層之上，形成了垂直氧氣擴散的有效帽，因此假設光合作用產(chǎn)生的所有氧氣向下擴散到擴散邊界層（DBL）。因此，需要底部幾厘米的總生物量來(lái)估算同化數。水柱chl-a分析基于使用2L水采樣器（美國尼斯金）從5m（凱西碼頭4m）深度采集1L水樣。隨后將水過(guò)濾到Whatman GF/F 47 mm直徑的過(guò)濾器上，并以與冰芯相同的方式提取和分析。使用特制的直徑為15 mm的重力取樣器收集葉綠素a分析用沉積物樣品。去除頂部1厘米的沉積物芯，并在20毫升甲醇中提取色素過(guò)夜。以與水和冰樣品相同的方式傾析和測量所得葉綠素提取物。

原地凈初級生產(chǎn)力

海冰和底棲藻類(lèi)凈初級生產(chǎn)力是使用DBL法現場(chǎng)氧通量測量的（Jorgensen和Revsbech 1985；McMinn等人，2000a）。用于對海冰和底棲藻類(lèi)進(jìn)行原位測量的設備和氧微電極（UniSense，Aahus）是McMinn等人（2000a）和Trenerry等人（2002）使用的設備的改進(jìn)版（圖2）。海冰藻墊下方或沉積物藻層上方的氧氣通量和DBL的厚度都是確定凈初級生產(chǎn)力所必需的。用氧微電極測量氧濃度，其尖端直徑約為40 lm，90%的響應時(shí)間約為1s，攪拌靈敏度為1–2%。在測量之前，使用空氣飽和海水（在-1.8C下用標準水族館泵鼓泡20分鐘使其飽和）和脫氧海水（在-1.8C下使用亞硫酸鈉）的值對其進(jìn)行現場(chǎng)校準?？諝怙柡秃Ｋ?1.8℃時(shí)的氧濃度值，單位為lmol O2 L-1，由Weiss（1970）獲得。DBL厚度和氧通量的測量是通過(guò)在冰下或沉積物上方的前幾毫米水中以10 lm的間隔步進(jìn)氧微電極來(lái)進(jìn)行的。對于海冰測量，設備被部署在可伸縮臂上的海冰下方（McMinn et al.2000a），對于海底測量，設備被用電纜降到靜止位置，隨后與地面的計算機保持通信（圖2）。

圖2氧氣微電極部署設備。相同的液壓微電極定位系統用于底棲（a）和冰下（b）部署。在冰下部署模式下，光、氧溫度和鹽度傳感器位于一起。在底棲部署期間，光傳感器保持在沉積物表面上方。視頻設備位于水工建筑物內

在KuHL等人（1994）之后構建的光纖光傳感器與生物圈QSP 200 4P PAR傳感器進(jìn)行比較，并且獲得了在一個(gè)范圍內的地下輻射的線(xiàn)性關(guān)系。光測量分別在海冰下方和沉積物藻墊上方進(jìn)行，用于海冰和底棲生物測量。光傳感器的最大可檢測光強度約為71 lmol光子m-2 s-1，導致凱西碼頭和奧布萊恩灣的一些讀數超過(guò)最大值。對于這些測量，環(huán)境水下輻照度是根據表面光照水平和消光系數計算的，消光系數是根據輻照度水平小于71 lmol光子m-2 s-1的水柱部分確定的。光、氧和位置數據大約每秒記錄在表面的PC上。通過(guò)重復的O2值或與接觸冰相關(guān)的O2濃度的快速下降來(lái)識別海冰底部DBL。當微電極進(jìn)入沉積物時(shí)，與擴散速率變化相關(guān)的氧通量斜率的顯著(zhù)變化可識別沉積物中DBL的底部（圖3）。每個(gè)DBL的頂部通過(guò)確定氧氣濃度總變化10%的增加深度來(lái)計算（即，氧氣出口相當于Jorgensen和Marais 1990年自由流動(dòng)濃度的90%；Trenerry等人，2002年）。水下攝像機的位置距離測量設備5米，距離電極尖端10厘米，以確保設備的正確部署。海冰和沉積物的完整DBL剖面每15分鐘獲得一次，在海冰中持續24小時(shí)，在沉積物中持續12小時(shí)。在顯著(zhù)的冰融化之前進(jìn)行了海冰生產(chǎn)力測量，以確保氧氣轉移的主要模式是通過(guò)擴散而非平流過(guò)程。當海冰融化時(shí)，冰下通常會(huì )形成一層更新鮮的水（Cota and Horne 1989；Kuhl et al.2001），同樣，當冰形成時(shí)，鹽水被排除在冰之外，從而產(chǎn)生高鹽度的水通量。這些梯度的發(fā)展有可能顯著(zhù)影響溶質(zhì)在冰水界面上的遷移（Glud等人，2002a，b）。然而，在凱西，在這段時(shí)間里，在實(shí)驗期間，冰的厚度沒(méi)有明顯變化，溫度保持在-1.7到-1.8℃之間，鹽度沒(méi)有變化。這表明，擴散而非對流分子輸運是測量的大部分氧通量的原因，并驗證了我們的方法。然而，如果冰正在快速增長(cháng)或融化，這種方法就不合適了。

圖3從海冰（2004年12月2日下午2:44棕色海灣）和b底棲藻類(lèi)群落（2004年12月1日下午2:14凱西碼頭）的氧微電極測量中獲得的擴散邊界層（DBL）的氧剖面示例。垂直刻度表示擴散氧通量，水平刻度表示距離輪廓起點(diǎn)的微米距離。擴散邊界層用虛線(xiàn)標出

通過(guò)DBL的氧氣擴散通量（J）相當于冰下或沉積物上方藻墊的凈初級生產(chǎn)力。使用Fick第一擴散定律的一維版本（Revsbech和Jorgensen 1986）進(jìn)行計算：

式中Do=分子擴散系數（在-1.9℃時(shí)=1.11 9 10-5 cm-2 s-1）；Broecker和Peng 1974），dx=DBL厚度，d[O2]=整個(gè)DBL的氧濃度變化。為了將氧通量轉換為等效的凈生產(chǎn)力值，氧通量（mmol O2 m-2 h-1）除以南極快冰的光合系數1.03（Satoh和Watanabe 1988），然后乘以碳的原子量（12.01）。該值相當于以mg C m-2 h-1為單位的產(chǎn)量。同化數是通過(guò)將“碳當量”生產(chǎn)力值除以葉綠素值得到的，得到單位為mg C（mg chl-a）-1 h-1。碳當量同化數的改變是為了能夠與使用更熟悉的14C方法進(jìn)行的生產(chǎn)率估算進(jìn)行比較。

葉綠素熒光測量

使用脈沖振幅調制熒光計（德國埃芬堡Waltz Water PAM）測量了海冰藻類(lèi)、浮游植物和底棲藻類(lèi)的葉綠素熒光。通過(guò)施加弱測量光（1 lmol光子m-2 s-1）和飽和脈沖（[3000 lmol光子m-2 s-1持續0.8秒）來(lái)測量初始熒光（F），以確定最大熒光（Fm0）。熒光變化的比率（DF=Fm0-F）而最大熒光DF/Fm0是光照樣品中PSII有效量子產(chǎn)率的量度。相對光合電子傳遞率（rETR）計算為有效量子產(chǎn)率和光合有效輻射（PAR）量子通量密度的乘積（Genty et al.1989）。

所有樣本都盡可能接近正午。注意確保樣品不暴露在陽(yáng)光直射下。從冰芯底部刮去海冰藻類(lèi)，并將其放入裝有1-2毫升-1.8℃過(guò)濾海水的水PAM測量杯中（McMinn等人，2005年）。冰沒(méi)有融化。這種測量方法的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì )融化冰，不會(huì )使細胞暴露在滲透和溫度沖擊下，同時(shí)與隨后的量子產(chǎn)率測量沒(méi)有顯著(zhù)差異。沉積物樣品（每個(gè)沉積物芯的頂部5 mm）用一個(gè)直徑為15 mm的小型重力沉積物取樣器收集，然后再次用黑色塑料帶到帳篷中，并放入測量杯中。海水從冰下5米處收集。為了獲得快速光曲線(xiàn)（RLC），使用PAM熒光計的內部光化光源對測量反應杯中的樣品進(jìn)行光適應（使其輻照度盡可能接近環(huán)境，即約10–20 lmol光子m-2 s-1）5分鐘。在30 s黑暗后，在每次DF/Fm0測量之前，在一系列八個(gè)輻照度中的每一個(gè)下照射樣品10 s，獲得快速光照曲線(xiàn)，這些輻照度從0增加到577 lmol光子m-2 s-1（White and Critchley 1999；Ralph and Gademann 2005）。光由內部光化光源提供，該光源在WaterPAM中的中心波長(cháng)為660 nm。

快速光照曲線(xiàn)產(chǎn)生的rETR數據通過(guò)多元非線(xiàn)性回歸擬合到以下方程（Platt等人，1980）：

rETRmax表示無(wú)光抑制時(shí)的最大潛在rETR。a是飽和開(kāi)始前光照曲線(xiàn)的初始斜率，表示光照利用效率。Ed是輻照度（通式為400–700 nm）。b是表征光抑制的參數。在光線(xiàn)曲線(xiàn)中沒(méi)有光抑制的情況下，b=0，函數變?yōu)椋?

其中rETRmax是光飽和時(shí)的最大rETR，因此代表光合能力。標準RLC在其P vs.E函數中僅生成9個(gè)點(diǎn)，這與傳統的基于14C的P vs.E函數不同，后者通常具有20個(gè)或更多數據點(diǎn)（Lewis和Smith 1983）。數據點(diǎn)的數量如此之少，使得正確估計α和β都不可靠。因此，由于本研究中的所有群落在其最大環(huán)境輻照度下均未受到抑制，我們從多元非線(xiàn)性回歸中刪除了任何“抑制”數據點(diǎn)（每個(gè)RLC很少超過(guò)一個(gè)）。通過(guò)這種方式，我們對rETRmax和a進(jìn)行了更穩健的估計。

浮游植物、海冰藻類(lèi)和底棲藻類(lèi)的貢獻

浮游植物、海冰藻類(lèi)和底棲藻類(lèi)的相對貢獻如McMinn等人（2005）所述，即通過(guò)將各成分的面積（m-2）chl-a濃度乘以其在最大環(huán)境輻照度下的各自rETR來(lái)計算。

海冰藻類(lèi)的相對產(chǎn)量

其中phyt=浮游植物，sia=海冰藻類(lèi)，ba=底棲藻類(lèi)。

這種方法不考慮每個(gè)微環(huán)境內的光梯度或硅藻的日間遷移模式。相反，它使用RLCs和spot測量的平均光合響應來(lái)計算生物量。然而，由于每個(gè)群落在很大程度上都由相同的硅藻物種控制，因此它仍然對每個(gè)群落的相對貢獻有一個(gè)一級印象。