北冰洋浮游植物产量及其对近期变暖的响应
亚历山大·a·维特洛夫和叶夫根尼·a·罗曼科维奇
俄罗斯科学院谢尔肖夫海洋研究所，莫斯科，俄罗斯，(电子邮件保护)，(电子邮件保护)
摘要
新地图的平均每月分布的初级生产北极的海洋俄罗斯(巴伦支海、卡拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海和楚科奇海)的数据，采用CZCS(1978-1986)联合处理，SeaWiFS(1998-2007)、MODIS(2002-2007)卫星数据和实地测量数据。据估计，每年浮游植物的碳产量为163•106吨。据估计，每年流入海底的有机碳通量为68•106吨碳。利用卫星和现场数据，研究了1998-2007年格陵兰、挪威、巴伦支、卡拉、拉普捷夫、东西伯利亚和楚科奇海的产量变化趋势。在这些海洋中，浮游植物的总生产量显示出积极的趋势，与观测期间的平均值相比，每年的趋势在3.7%至18%之间。
简介
在光合作用过程中，藻类将矿物形式的碳转化为有机形式，这是海洋中碳循环的主要因素之一。形成的初级产物为所有随后的异养级生命提供了能量。碳循环控制着生物圈功能的许多参数:几乎所有化学元素的通量和地球化学;温室气体N2O、CH4、CO2通量;海洋群落的生物生产力、生物量和许多情况下的生物多样性;风化作用、半裂作用、自生矿物形成;微生物的活动。有机质是所有沉积和成岩作用的岩石地球化学过程的能量来源。非封闭(系统不平衡:合成-破坏-埋藏)碳循环实现了油气形成的底层沉积物有机质的初始积累，并可能通过陆海系统响应的反馈途径影响气候系统。raybet雷竞技最新
初级产量测量最直接的方法是基于二氧化碳固定过程中浮游植物生物量增量的放射性碳法。这类测量非常费力，因此数量不多。由于远征数据明显缺乏，为了定量估计北极海域的初级产量，人们必须采用间接估计方法，利用初级产量与水中叶绿素含量之间的经验关系。后者的测量更为丰富;与此同时，在北极海域，直接测量的季节通常限于8月至9月。
关于海水光合作用强度的其他信息可以从卫星扫描海洋颜色中获得。由于卫星距离海面有很大距离，因此可以对整个大洋进行连续测量。卫星方法的缺点还与卫星离海太远有关，因为海水反射到卫星上的太阳辐照度只占入射辐照度的百分之几。阐述了从海面反射并被大气气溶胶衰减的太阳辐照度中分离出水中叶绿素含量对应的信号的特殊算法。在北极海域，这种信号的分离与低日照、增加的云量以及西伯利亚河流向海洋的大量有机和颗粒物径流造成的额外困难有关(Artem’ev et al. 2003;布伦科夫等，2001;Kopelevich et al. 2003)。然而，尽管人们接受了许多将地表水颜色数据转换为叶绿素浓度的假设，而且北极沿海地区的特殊算法发展不足，但仍应使用经直接叶绿素测量验证的卫星数据，以便覆盖大面积并增加观测频率。
材料与方法
根据现场数据处理和使用CZCS卫星辐射计获得的俄罗斯北冰洋叶绿素分布图(Vetrov和Romankevich 2004)，无论观测周期(1978年至1986年)长，都有显著的空白(约一半的海域)，这是由部分覆盖海洋的永久性云量造成的。在本文中，为了补充北极海域的叶绿素分布图并估计其初级产量，我们分析了利用SeaWiFS(1998-2007)和MODIS(2002-2007)辐射计以及实地测量数据获得的0.7°x 0.7°区域的叶绿素浓度平均8天间隔的第三级卫星数据(图1)。
地表水中叶绿素含量的测定是按照标准方案进行的(Vedernikov et al. 1990;Vetrov 2008)。它包括用孔径约0.7 |im的GF/F玻璃纤维过滤器从海水中分离颗粒物质(1-10 l)，从颗粒物质中提取叶绿素，以及用Fluorat-02全景光谱荧光计从吸收光谱和荧光光谱中测量洗脱液中叶绿素a的浓度。将卫星数据与实地测量结果进行比较，使我们能够对具有跨大陆特征的卫星数据进行修正。
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- 图1所示。用于验证卫星数据的叶绿素实地测量的位置。1 -我们的数据;2 - Juterzenka and Knickmeier 1999;3 - Heiskanen and Keck 1996;4 - Gleitz and Grossmann 1997;5 - Tuschling 2000;6 - Bidigare et al. 1992;7 - Hameedi 1978。
初级生产
北极海浮游植物产量图(图2)是根据新的叶绿素分布图和地表水叶绿素浓度与水柱初级产量之间的经验关系(表1)计算出来的，这些关系是在北极海初级产量和叶绿素含量的直接平行测量的基础上建立的(Vinogradov et al. 2000;Vetrov et al. 2008)。
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- 30 e 60 90 120 150
-
- 图2. 0 100 200 500 1000北极海域浮游植物产量分布，毫克C - m-2 /日。
量程Cchl (mg/m3) |
卡拉、伯彻拉和东西伯利亚 |
巴伦支和楚科奇 |
拉普帖夫海 |
< 0.1 |
40 |
20. |
20. |
0.1 - -0.3 |
50 |
60 |
60 |
0.3 - -0.5 |
60 |
140 |
90 |
0.5 - -1.0 |
70 |
350 |
120 |
1 - 3 |
120 |
900 |
150 |
3 - 6 |
350 |
1300年 |
350 |
> 6 |
1000年 |
1800年 |
1000年 |
^维诺格拉多夫等人，2000 |
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在巴伦支海域，浮游植物的水活性植被在3月开始生长(图3)。总初级生产和特定初级生产的最大值出现在5 - 6月高日照和冰融化期间。7月，浮游植物的含量急剧下降，但仍保持在较高水平，这可能与浮游植物营养物质的减少和食草动物对浮游植物的捕食有关。初级生产的高值在秋季也仍然存在，这与浮游动物代谢速率的下降有关，而浮游植物的生活条件由于水的混合而保持良好。在卡拉海、拉普捷夫海和东西伯利亚海，其特点是植被期较短，从4月开始，单一最大初级生产是观察到。在楚科奇海浮游植物爆发在5月开始，并保持高水平到9月底，由于阿纳德尔流的营养物质丰富的相对温暖的海水渗透到这一地区。
浮游植物的年产量(图4)是根据一年中所有月份计算的，包括非生产性的的人。根据编制的地图估算，俄罗斯北极海域浮游植物的年产量为每年163•106吨碳，比之前根据CZCS数据估算的每年126•106吨碳高1.3倍(Vetrov和Romankevich 2004)。据估计，每年浮游植物总产量最多的是巴伦支海，但每天的年产量最多的是楚科奇海(表2)。这些海被归类为中食海洋(每天500 > PP > 100 mg/m2)。卡拉海、拉普捷夫海和东西伯利亚海为贫食海(PP < 100 mg/m2 / d)。
巴伦支海毫米
700 600 500 400 300 200 100 0
三月四月五月六月七月八月九月十月
卡拉nM -
三月四月五月六月七月八月九月十月
拉普帖夫海- |
- |
2 |
- |
三月四月五月六月七月八月九月十月
东西伯利亚
三月四月五月六月七月八月九月十月
三月四月五月六月七月八月九月十月
300 2
200 a E
三月四月五月六月七月八月九月十月
图3所示。初级生产的季节变化;亮的- mg C m2每天，暗的- 106 t C每月。
图3所示。初级生产的季节变化;亮的- mg C m2每天，暗的- 106 t C每月。
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- 0 100 200 500 1000
图4所示。北极海域浮游植物年生产量，每日毫克二氧化碳。
大海 |
年产量(106 t C -1) |
平均年产量 (毫克C/平方米每天) |
有机碳对海底的通量(106吨C年-1) |
巴伦支海 |
78.5 |
152 |
22 |
白色 |
1．5 |
46 |
0.9 |
喀拉海 |
22.3 |
70 |
11.6 |
拉普帖夫海 |
11 |
41 |
5.2 |
东西伯利亚 |
8.2 |
25 |
4.３ |
楚科奇 |
42 |
200 |
24 |
ASR作为一个整体 |
163.5 |
68 |
根据新的平均年初级产量图(图3)，我们编制了Corg向海底平均年通量图(图5)。计算使用了Corg到海底Fc通量、水柱PP初级产量值和水深Z之间的经验关系Fc = 33-PP/Z (Tseitlin 1993)。在海洋深处小于50 m，则Z值为50 m。OM的主要部分在下沉过程中被细菌溶解和分解。然而，由于占主导地位，相当一部分OM到达海底浅水区在北冰洋(表2)。
0 5 25 50 100 150
图5所示。北极海域有机碳对海底的通量，每天毫克碳m2。
0 5 25 50 100 150
图5所示。北极海域有机碳对海底的通量，每天毫克碳m2。
对近期气候变暖的回应
为了估计北极海域浮游植物产量对气候变暖的响应，我们利用卫星数据SeaWiFS和MODIS对8天平均叶绿素值的变raybet雷竞技最新化趋势进行了分析。
初级产量的年际变化及其变化趋势可以用试验区的平均值(mg C/m2 /天)和每个试验区的总产量(t C/天)来表征。用公式PP = S(PPo)计算各试验区初级产量的平均值。7 × S)。7)/?所以。7，其中PP0.7为0.7°x 0.7°单元的初级产量，S0.7为占纬度的单元面积。我们只考虑得到叶绿素数据的细胞。因此，部分消除了覆盖在水面上的云层对最终结果的影响，以及冰造成的测试面积的减少。
用公式PP =计算各试验区的总产量
S (PPq
S0.7)。在这种情况下，由于冰盖导致的面积减少被自动包括在内，但由于云层的影响，结果更加扭曲。这种失真有所减少，因为我们使用的叶绿素数据是8天调查的平均值。因此，如果在至少一个卫星路径期间部分打开0.7°x 0.7°海域进行测量，则测量的浓度值归因于该区域的整个8天时间间隔。以8天为间隔在测试区域内以这种方式扫描的站点数量(图6)趋于显著增加，这表明这些测试区域开放水域空间的增加和晴朗天数的增加。
2000 1000 0
4000
3000
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