南安普顿岛海域初级生产力热点揭示北极沿岸生态系统营养驱动机制

《Arctic Science》：Local primary production hotspot in the coastal waters of Southampton Island, Nunavut, Canada, in summer 2019

本文推荐研究人员针对北极南安普顿岛海域初级生产力空间分异机制展开研究，通过现场观测与模型分析，发现罗伊斯欢迎海峡等狭窄水道因潮汐混合作用形成局部生产力热点，初级生产量达1430±707 mg C m?2d?1，揭示了物理过程调控SCM（亚表层叶绿素最大值）对北极食物网的关键支撑作用。

　　

在全球北极加速变暖的背景下，加拿大哈德逊湾复合体（Hudson Bay Complex, HBC）作为季节性海冰覆盖的陆架海，正经历着海冰提前消融、开放水域季节延长的显著变化。这种变化如何影响海洋基础生产力——浮游植物初级生产，成为理解整个北极海洋生态系统响应气候变暖的关键科学问题。南安普顿岛位于哈德逊湾、哈德逊海峡和福克斯盆地交汇处，不仅是海洋哺乳动物的重要栖息地，更是研究北极沿岸海域生物地球化学过程的天然实验室。然而，该区域特别是岛西北部罗伊斯欢迎海峡（Roes Welcome Sound）等关键水道的初级生产力数据长期缺失，限制了对区域碳循环和食物网供给机制的认知。

为此，研究团队于2019年8月开展南安普顿岛海洋生态系统计划（SIMEP），首次系统测量了岛周21个站点的物理、化学和生物参数。通过CTD剖面、营养盐分析、叶绿素a浓度测定和碳14示踪初级生产量测量，结合光合作用-光响应（PE）参数建模，揭示了不同水团影响下三大子区域（西北南安普顿岛NWS、哈德逊湾和福克斯盆地）的生产力格局。研究发现潮汐混合主导的NWS子区域存在显著生产力热点，其日均初级生产量（1430±707 mg C m^?2d^?1）达到哈德逊湾子区域（466±205 mg C m^?2d^?1）的3倍，与高生产力的哈德逊海峡数值相当。这种空间分异主要归因于海峡地形强化的垂直混合作用，有效打破了水体分层，将深层营养盐持续输送到真光层，支持了旺盛的浮游植物活动。

研究采用现场采样与多源数据融合技术，通过船载温盐深剖面仪（CTD）获取水体结构参数，利用碳14同位素示踪法测定不同光层初级生产力，结合流动细胞术分析浮游植物粒径组成，并整合卫星遥感海冰数据与潮汐模型解析物理驱动机制。

物理条件与地理子区域

数据分析显示三大子区域存在显著环境梯度：NWS子区域受潮汐混合影响呈现弱分层特征，混合层深度较浅（20±7 m），营养盐浓度较高；哈德逊湾子区域则因夏季辐射加热形成强热分层，混合层深达25±11 m，表层营养盐耗竭；福克斯盆地受持续海冰覆盖影响，呈现低温弱分层状态。主成分分析（PCA）证实了三类水团的差异性，其中海冰消融时间差（最早5月10日至最晚7月12日）是驱动物候分异的关键因子。

营养盐浓度

垂直剖面显示NWS子区域30米以浅硝酸盐浓度（1.33 μmol L^?1）显著高于哈德逊湾区域，而福克斯盆地受海冰融化淡水输入影响，硅酸盐浓度呈现高值。营养盐摩尔比（NO₃:PO₄≈1:1）表明氮磷共同限制浮游植物生长，但混合作用缓解了NWS区域的营养盐限制。

浮游植物生物量与生产

叶绿素a积分浓度在三大子区域无显著差异（36.8±15.6 mg chl a m^?2），但SCM贡献率在福克斯盆地达38%，反映其处于水华后期阶段。光合参数揭示NWS子区域具有最大光饱和光合速率（P^B_m=32.7±8.1 mg C (mg chl a)^?1d^?1）和光适应参数（E_k=84.6 μmol photons m^?2s^?1），显示浮游植物群落的高光适应能力。诺阿贾特湾站点的超高生产量（2240 mg C m^?2d^?1）与潮汐驱动的侧向营养盐输送密切相关。

本研究通过多学科交叉论证，首次量化了南安普顿岛西北部水道作为北极沿岸初级生产力热点的生态地位。结果表明，传统认知中受营养盐限制的北极沿岸海域，可通过地形-潮汐耦合的物理过程形成局部高生产力区，这种“斑块化”生产模式对支持高阶营养级（如鲸类、海豹等）具有不成比例的重要性。随着气候变暖延长开放水域期，类似NWS的混合主导区域可能进一步扩大其生态贡献，而分层强化区域则面临生产力下降风险。该研究为北极海洋保护区划设和生态系统管理提供了关键科学依据，发表于《Arctic Science》的成果凸显了局部物理过程在调控北极碳循环中的杠杆作用。