《Arctic Science》：Multi-year assessment of coastal sea-ice algae and phytoplankton in an Arctic port ecosystem, Nunavut, Canada
引言
北极海冰覆盖变化正深刻影响整个北极海洋生态系统的功能。海岸带生态系统，包括原住民社区，正对陆缘冰和浮冰条件的变化以及开阔水域期延长所促进的人类活动增加做出响应。在加拿大北极，部分沿海区域的无冰期已延长超过一个月，船舶交通因工业和社区需求以及受冰影响季节缩短而持续增加。了解初级生产者如何响应气候驱动的环境变化，对于预测生态系统层面的效应及评估海岸带发展相关风险至关重要。
冰藻和浮游植物的多样性及物候在北极所有海洋生态系统中扮演着不可或缺的角色。冰藻是季节早期能量的重要来源，为冰缘、水层和底栖后生动物物种提供养分。消费者的生活史旨在与浮游植物水华时间同步。这两种藻类来源对支持消费者及其捕食者的海洋食物网和营养耦合均有显著贡献。冰藻和浮游植物群落组成因其生境而异，其生长受限于真光层，而真光层在不同季节和空间尺度上存在变化。冰藻在海冰多个生境中生长，这些生境可支持不同物种。北极冰藻主要集中于海冰底部几厘米的间隙或骨架层中，并在冰藻水华期通常由羽纹硅藻主导。冰裂隙在海冰季节性破裂期间存在，可为冰藻和浮游植物提供独特的表层水栖息地。
开阔水域的浮游植物生长对季节性辐照度增加反应迅速，形成春季水华。然而，随着积雪减少、融池形成增加以及某些区域海冰变薄，冰下浮游植物水华在北极日益多见。春季水华的持续时间和规模主要受表层无机营养盐可得性和摄食压力控制，这塑造了浮游植物群落组成的季节和年际变异。
当前研究提供了努纳武特伊魁特附近弗罗比舍湾海冰藻类和浮游植物物种多样性的多年评估，覆盖了反映生态系统功能关键梯度的海冰和开阔水域生境，以及具有不同人类影响的相邻海湾的环境梯度。鉴于相关研究的缺乏，尤其是那些揭示季节和年际变异的研究，本工作对于增进对加拿大北极海岸带初级生产者生物多样性的认知是必要的。此外，本研究于2018年至2022年伊魁特社区深水港建设期间进行，为评估与港口及其他海岸带发展相关的潜在影响，提供了冰藻和浮游植物群落组成及多样性的基线。此项生物多样性评估扩展了我们对有害藻类物种的认识，这是加拿大北极沿海社区关注的问题，并支持未来检测与航运活动相关的非本土有害藻类。了解这些类群的时空分布有助于识别其对海岸带食物网的潜在有害影响，包括当地来源的传统食物。
材料与方法
研究地点
本研究是伊魁特海岸环境基线项目的一部分，旨在改进加拿大沿海水域各营养级生物多样性的记录。采样在努纳武特首府伊魁特社区附近完成。研究期间，正在建设一个深水港以支持经济发展。弗罗比舍湾通常在一月至六月被一年冰覆盖。过渡期发生在每年六月下旬或七月上旬海冰破裂时，并在十二月或一月海湾封冻时结束。内湾还经历约7至11.5米的极端潮差。所有采样点均位于大型潮间带之外，高潮时平均站点深度为39米。
采样站点
采样在2018年至2022年期间进行，包括冰封期和开阔水域期。冰封期间，冰芯样本于2018年和2019年5月以及2021年4月采集。2022年的海冰采样持续了15周，以评估库杰西湾站点A5和彼得黑德湾站点P3的冰藻群落组成进展。冰芯钻取同时采集了海冰下1米处的水样。在2018、2019和2021年共11次采样事件中，还评估了海冰下1米处的浮游植物。春季过渡期间，当海冰开始破裂时会出现狭窄的开阔水域带。2019年6月从两个地点的此类冰裂隙采集了表层水。
为比较库杰西湾和彼得黑德湾的浮游植物多样性，在2019、2020和2022年对多个站点进行了采样。在库杰西湾，对站点A1、A5和B4进行了重复采样，以提供浮游植物群落组成的年际和季节视角。彼得黑德湾的重复采样仅在2022年进行。
水柱采样
使用声学CTD获取各站点的温度和盐度剖面。冰封期间，测量每个站点的雪深和冰厚。开阔水域期记录赛克盘深度。使用尼斯金瓶采集水样，保留子样本用于无机营养盐、活体叶绿素a荧光和浮游植物分类学分析。
营养盐样品采集于酸洗过的离心管中，于-80°C冷冻直至分析。使用自动分析仪测定硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐和硅酸浓度。使用标准物质进行质量控制。在采集后6小时内，使用荧光计测量避光保存的重复水样的活体叶绿素a荧光，并估算叶绿素a浓度，以比较站点间和季节内的差异。
海冰采样
使用冰芯钻取系统采集冰藻样品。每个站点采集三个重复冰芯以考虑空间异质性。选择积雪覆盖均匀的区域进行钻取。将三个冰芯的底部3至5厘米切下合并于洁净绝热容器中。实验室内，向冰芯中加入过滤海水，在黑暗室温下过夜融化，以最大程度减少融化过程中的细胞损伤。保留融化的冰芯样品子样本用于分类学分析，并记录添加过滤海水导致的稀释因子。
藻类丰度与分类学组成
冰藻和浮游植物样品用卢戈氏液固定，避光保存直至分析。使用倒置显微镜在400倍放大下进行鉴定和计数。也进行了200倍放大下的简要调查以确保不遗漏较大物种。制备和计数遵循标准方法。对冰藻样品使用不同体积的子样本进行沉降分析，对浮游植物样品则使用较大体积，直至计数至少400个细胞以达到±10%的准确度。
标本鉴定尽可能到最低分类等级。通过自定义R函数和R包，根据AlgaeBase和世界海洋物种名录验证接受的名称。未知细胞被计数并顺序编号，尽可能注明属，并拍照记录其鉴别特征。为识别潜在有害类群，将数据集与政府间海洋学委员会的有害藻类物种参考清单进行交叉比对，并整合了相关文献中的类群，但排除了作为毒素载体而非直接产毒者的异养物种。
统计分析
使用布雷-柯蒂斯相似性指数评估浮游植物群落结构相似性。使用基于布雷-柯蒂斯相似性矩阵的非度量多维尺度分析来可视化并识别可能的聚类。分析中包含了17个分类群的丰度数据。使用Hellinger变换对丰度数据进行标准化。对nMDS结果进行组平均聚类分析，以对具有相似分类组成的站点进行分组。对变换后的数据进行相似性百分比分析，以识别导致聚类间差异的关键分类群。计算辛普森多样性指数以评估站点的物种丰富度和均匀度。生成物种累积曲线以表征采样是否足以估计这些区域的生物多样性，并拟合模型估计渐近物种丰富度。由于非参数抽样设计，使用克鲁斯卡尔-瓦利斯检验比较不同生境、重复站点、年份和海湾间的多样性指数。如果组数大于两个，则使用事后检验进行两两比较。所有分析和可视化均在R中完成。
结果
冰与海洋条件
采样时的平均冰厚在2018年为131厘米，2019年为132厘米，2021年为109厘米，2022年为118厘米。积雪覆盖在年份和采样日期间存在变化，2018年观测到最大积雪深度。2019、2020和2022年开阔水域期库杰西湾和彼得黑德湾水团的变化如图所示。2022年站点A1、A5和B4出现淡化现象，但彼得黑德湾没有。2019年9月和2022年站点A5也出现淡化的表层水，表层条件存在季节和年际变化。
库杰西湾和彼得黑德湾站点的平均开阔水域条件汇总于表中。研究期间，最暖的表层水出现在2022年的彼得黑德湾。2020年，彼得黑德湾的平均赛克盘深度比库杰西湾深6米。此外，A1、A5和B4的最大叶绿素a荧光深度在2020年平均更深。2020年，A1、A5和B4表层水活体叶绿素a的相对值比研究其他年份低30%–50%。
海冰下1至100米深处采集的溶解无机氮浓度反映了冬季补充和水华前条件。重复样品的平均变异系数为3.2%。到开阔水域采样期末，硝酸盐+亚硝酸盐浓度降至检测限以下，表明向水华后条件过渡。硅酸和磷酸盐浓度在春季最高，在浮游植物水华期达到最低值。
浮游植物数据集
此项海岸带评估共鉴定出562个分类单元。出现频率表明大多数类群很少被观测到。本研究中海冰、开阔水域和冰裂隙表层水分别有140、195和10个独有类群。海冰和开阔水域生境共有125个类群，而冰裂隙内的表层水样本与开阔水域期样本共有132个类群。海冰、开阔水域或冰下组合的物种累积曲线均未达到渐近线，表明研究区域的总生物多样性尚未被完全描述。
在所有年份和生境中均发现淡水类群，反映了邻近西尔维娅·格林内尔河的影响。相关的流域淡水类群的出现频率较低。除一次外，所有淡水类群的出现均在库杰西湾。尽管淡水类群出现频率低，但它们出现在开阔水域采样的所有月份，但在2022年的开阔水域样本中明显缺失。
海洋硅藻在数量上主导了海冰和开阔水域群落，特别是海冰中的Nitzschia frigida和Navicula pelagica，以及表层水中的小型Chaetocerosspp.。采样期间唯一贡献超过冰藻/浮游植物丰度5%的其他分类群是未分类鞭毛藻的小型尺寸组。冰裂隙生境的表层水被大型中心硅藻主导，与冰下或开阔水域表层水不同，并且是唯一具有显著普林藻类存在的生境。冰下表层水是唯一并非由硅藻数量主导的生境，而是由包括鞭毛藻、甲藻和小型定鞭藻类在内的潜在异养或混合营养类群混合主导。冰雪覆盖导致冰下丰度比开阔水域表层水群落低一至两个数量级。
鉴定出六种已知产毒物种，包括两种甲藻。某些物种仅在单个样本中被观测到。几种潜在有害硅藻和纤毛虫Mesodinium rubrum仅出现在表层水中。Phaeocystis pouchetii在海冰和表层水样本中均有鉴定，但未达到水华水平。
时空变异
库杰西湾表层浮游植物多样性存在年际变异，2019年的多样性显著低于2018、2020和2022年。辛普森多样性在2018年最高，但与2020或2022年无显著差异。多样性的年际变异在三个重复采样站点中一致。海冰藻类多样性的年际变异仅在2019和2022年间有显著差异，2022年多样性更高，当时采样努力程度最高，且冰采样覆盖了研究中最长的时期。
在所评估的不同生境中，冰裂隙、海冰、冰下水和开阔水域的辛普森多样性平均值分别为0.94、0.91、0.83和0.70。冰裂隙和海冰生境的物种多样性显著高于开阔水域表层生境。海冰和冰下生境之间，或冰下与开阔水域表层生境之间的多样性无显著差异。对相邻海湾的比较表明，在2019、2020和2022年采集的开阔水域表层样本中，彼得黑德湾的浮游植物多样性显著高于库杰西湾。
彼得黑德湾和库杰西湾主要分类群的季节变异显示了2022年采样期间从羽纹硅藻到中心硅藻主导的水华群落的清晰进展。相对丰度在海湾间相似，但2022年8月彼得黑德湾的隐藻纲更多。二月至六月初的海冰群落相对丰度显示异养群落（包括鞭毛藻、纤毛虫和领鞭毛虫）有小幅增加。延长的采样时长捕捉到了九月营养盐补充的表层水中向鞭毛藻和定鞭藻纲主导的组合转变。在两个海湾中，由于少数类群占优势及相应的较低均匀度，开阔水域多样性低于冰藻和水华后群落。在2022年采样中，除了表层水，还在叶绿素a最大深度评估了浮游植物分类学。尽管为与其他年份保持一致，本文仅报告了表层分类学，但2022年样本的比较显示，表层和叶绿素a最大深度之间的浮游植物多样性无显著差异。
群落组合
聚类分析揭示了反映冰藻和浮游植物物候的三个不同组合。我们将这些聚类称为开阔水域水华组合、冰下/过渡组合和海冰组合。开阔水域水华组合（聚类1）包括了开阔水域最高丰度，在2018-2022年分别达到最大值。该组合由中心硅藻主导。冰下/过渡组合（聚类2）代表了早期冰下类群以及水华后不同过渡阶段的浮游植物类群。该组合由定鞭藻纲主导，中心硅藻和冰下未分类鞭毛藻也构成了这个时间上多样化的组合。海冰组合（聚类3）由羽纹硅藻主导。相似性百分比分析显示，冰下/过渡组合与海冰组合之间的平均不相似性最高，硅藻贡献了组合间不相似性的主要部分。贡献超过5%不相似性的相同五个分类群解释了开阔水域水华与冰下/过渡组合之间以及冰下/过渡与海冰组合之间的大部分差异，当比较开阔水域水华和海冰组合时，还需加上裸露甲藻。贡献超过5%的类群代表了组合间总不相似性的70%–77%。
开阔水域水华和海冰组合中分类群的相对丰度显示出比年际变异更强的季节变异。相比之下，冰下/过渡组合在不同年份间存在显著差异，反映了水华物候的年际变异。与水华组合不同，水华后定鞭藻和未分类鞭毛藻对开阔水域水华与冰下/过渡组合之间的不相似性有显著贡献。2019年海冰聚类中两个不同的采样事件表明，来自冰裂隙表层水的中心硅藻的原位生产和/或平流。相比之下，羽纹硅藻强烈区分了海冰组合，其中未分类鞭毛藻的贡献存在变化，特别是在2018和2019年。
讨论
多样性
作为加拿大东部北极唯一深水港口的所在地，库杰西湾面临非本土物种引入的高风险。其中一些物种因其产毒或形成水华的潜力而可能有害，会破坏能量向消费者的流动。伊魁特深水港建设、船舶活动增加以及与持续海岸带发展相关的人口增长，突显了改进生态系统认知的必要性，包括评估当前的多样性基线，以便衡量该北极海岸带生态系统的变化和潜在压力源。跨多个时间尺度的采样记录了多样性的年际变异，但在2018至2022年间未发现明显趋势。出乎意料的是，尽管库杰西湾受到更大的河流和人为影响，但开阔水域表层多样性在彼得黑德湾显著更高。对内弗罗比舍湾海岸环流的深入了解可能有助于解释相邻海湾的多样性分布。
本研究表明，冰相关和表层水多样性由出现频率低、对总群落丰度贡献小的稀有类群主导。这一发现与全球海洋浮游植物生物多样性模式一致。优势类群影响了群落组成的空间、季节和年际变异，尽管相对丰度的趋势不受稀有出现的显著影响。在本研究中，在三次或更少采样事件中观测到的类群占总类群的40%。这些物种可能影响群落的规模-丰度关系，有助于海岸系统的形态相关功能多样性。内弗罗比舍湾的高潮汐循环相关的平流和混合，可能会增加稀有物种的多样性，并影响其在港口位置的检测和影响。
相对于早期在内弗罗比舍湾已知的分类学评估，当前研究增加了约130个物种水平的鉴定。尽管对存在的类群认知有所扩展，但累积曲线的渐近线仍未达到。与其他分类学评估类似，多个鉴定只能解析到纲的水平，因此通过使用其他分类学工具，包括基于测序的方法，可以鉴定出更多物种。
我们发现2022年表层和叶绿素a最大深度之间的浮游植物多样性没有差异。然而，早期研究发现，在伊魁特附近单个站点评估时，浮游植物多样性表现出垂直变异。尽管如此，物种均匀度在整个水柱中是一致的。此外，群落组成可能在一个潮汐周期内发生变化。因此，在内弗罗比舍湾强潮汐影响的海岸水域，使用单一监测深度评估浮游植物多样性可能具有局限性，尽管它可以合理地代表最丰富的物种和关键食物网贡献者的物候。
早期研究发现，冰和水样中有16个类群持续贡献了内弗罗比舍湾群落的5%以上。在本研究的海冰群落中，只有羽纹硅藻和未分类鞭毛藻在每一年贡献了群落的5%以上。而在表层水群落中，只有角毛藻、金藻和未分类鞭毛藻贡献了5%以上。这种由少数分类群主导的情况反映在水华期间相对于冰下和水华后群落的多样性降低。这些优势类群代表了一个潜在的焦点监测组，用于评估物候变化，以及作为草食性桡足类和端足类关键猎物，这些是内弗罗比舍湾北极红点鲑和其他沿海鱼类饮食的主要贡献者。
从监测角度看，有害浮游植物的存在也令人关注，因其可能对食物网功能和物种健康产生影响。本研究确定了Phaeocystis pouchetii的普遍性，该物种可形成导致底层水体缺氧的有害藻华，并且已知在北极水域日益占主导地位。然而，没有证据表明在本研究中P. pouchetii形成了水华。能够产毒的物种出现频率低，因此记录其季节性进展或潜在影响具有挑战性。早期研究在库杰西湾检测到两种潜在产毒甲藻。在本研究中，在单个海冰样本中观测到了其中一种，但未观测到另一种。然而，在四个表层水样本中观测到了另一种甲藻，该物种在早期研究中未被记录。鉴于潜在有害或有毒物种的出现频率低，需要详细的分类学研究来记录新的或重复的出现，以及在有意义的时空尺度上记录有害物种的产生。
季节性
在库杰西湾和彼得黑德湾，群落组合的季节变异反映了从冰藻到浮游植物水华的转变，而不是海岸站点或海湾规模的变异。群落组成的季节变异遵循北极初级生产者从冰覆盖生境向开阔水域生境过渡的物候，以及表层水从营养盐补充到耗竭条件的转变。硅藻主导的群落通过分类学和表层水硅酸的消耗得以体现，硅酸是硅藻生长所必需的大量营养素。
纳入开阔水域水华组合的采样事件在2018和2020年较少，大多数开阔水域事件对应于水华后过渡组合，表明这些年份浮游植物水华开始更早。2020年开阔水域期更深的叶绿素a最大值深度和赛克盘深度以及更低的活体叶绿素a测量值支持了更早的水华。水华物候的这种明显转变导致2020年7月鞭毛藻的比例更高，以及2018和2020年8月定鞭藻纲的比例更高，这导致了观察到的开阔水域水华和冰下/过渡组合的变异。增加采样年份将有助于更好地确定内弗罗比舍湾开阔水域浮游植物水华的早期与预期时间，以便水华时间可以作为生态系统能量流潜在干扰的指标。
冰藻和浮游植物水华的高峰期是北极生态系统经历的极端季节性所共有的短暂状态。在此项海岸带研究中，来自融冰、河流输出和海岸径流的淡化表层水，为淡水和半咸水类群提供了季节性或事件性的栖息地。淡水类群在本研究所有开阔水域月份中不常被观测到，并且与西尔维娅·格林内尔河的春汛没有特定关联。它们的存在构成了对库杰西湾（而非彼得黑德湾）海岸带多样性的短暂外来贡献，反映了西尔维娅·格林内尔河的流入和局部扩散。
冰裂隙也代表了对多样性的季节性短暂贡献，主要为本地来源。冰裂隙的表层水拥有最高的多样性水平，其群落在海冰组合内具有独特性。冰裂隙中未被本研究任何其他冰或水样本鉴定的10个类群，可能栖息于淡水或半咸水环境。冰裂隙内的多样性还包括先前在加拿大西部北极近海研究中记录的类群。已知在表面融池和海冰正下方的融化层中会形成独特的群落，以及围绕海冰结构的细胞物理聚集。本次采样发生在积雪融化、河水在海冰下缓慢流动时。被困在海冰下的淡水可能流入并汇集在裂隙内，从周围区域聚集细胞。
群落组合
在当前研究中，海冰冰藻和开阔水域水华在数量上分别由Nitzschia frigida和Chaetocerosspp. 主导，代表了北极海岸带和近海生态系统的预期群落结构。这表明，为响应海冰变化或潜在的港口相关物种引入，近年来未发生显著的群落重组。冰藻和浮游植物组合表现出空间同质性，整合了已知的不同积雪覆盖下冰群落的小尺度变异以及北极浮游植物潜在的海岸斑块性。这种异质性表明，在深水港口附近，对库
