监测出口通量，以检测白令海北部浮游生态系统的季节性和年际变化

《Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography》：Monitoring export fluxes to detect seasonal and interannual changes in the pelagic ecosystem of the northern Bering Sea

北极贝环海海冰解冻提前导致硅藻通量升高及浮游生物群落结构变化。2022年早于2021年解冻，叶绿素a、硅藻、生物标志物和颗粒有机碳通量显著增加，其中不含叶绿体的硅藻占比更高，可能与zooplankton减少相关，包括大型和小型浮游甲壳类数量下降。沉积物陷阱监测显示海冰状态直接影响浮游植物生产力及生态系统的物质传输。

　　

Catherine Lalande | Phyllis J. Stabeno | Calvin W. Mordy | Shaun W. Bell | Chelsea W. Koch | Eun Jin Yang | Jinyoung Jung | Juyoung Son | Jee-Hoon Kim | Karen E. Frey | Jacqueline M. Grebmeier

韩国极地研究所，仁川，大韩民国

摘要

最近在白令海北部观察到的海冰显著减少和海水温度升高显著影响了藻类繁殖和浮游动物的季节性发展及组成，进而对输送到海底的物质的数量和质量产生了连锁效应。在这种快速环境变化的情况下，从2020年10月到2022年8月，我们部署了一个固定的沉积物捕集器，以量化输送颗粒的规模、时间和组成，并监测海冰覆盖持续时间对该地区浮游生态系统季节性发展的影响。2022年，海冰提前融化后又有几周的漂浮期，导致叶绿素a、硅藻、生物标志物和颗粒有机碳的输送量比2021年更高。硅藻的组成也发生了变化，2022年输送的硅藻大多没有叶绿体。除了大量的与冰相关的硅藻外，2022年还观察到了更多的浮游硅藻输送。2022年收集到的浮游动物和游泳动物数量较少，这可能反映了由于缺乏叶绿体的硅藻占主导地位而导致的食物供应减少。虽然之前在白令海北部海冰减少的情况下已经观察到大型桡足类动物数量减少，但小型桡足类动物数量同时减少则出乎意料。需要进一步监测以确定硝酸盐的快速消耗和浮游动物种群的明显崩溃是否是反复出现的现象。由于海冰提前融化现象日益频繁，并可能显著改变白令海北部的海洋生态系统组成和物候，因此部署固定沉积物捕集器对于监测这些持续变化非常有用。

引言

白令海北部浅滩拥有高度生产力的生态系统，其特征是大规模的藻类繁殖、大量的有机碳输送以及丰富的底栖生物群落（Grebmeier等人，2015年；O’Daly等人，2020年）。在这个季节性被冰覆盖的区域，藻类繁殖通常在海冰融化后由于强烈的分层作用而触发（Sigler等人，2014年；Stabeno和Bell，2019年）。在海冰提前融化的年份，随着太阳辐射的增加，分层作用发展得更缓慢，从而延迟了藻类繁殖的开始（Nielsen等人，2024年；Sigler等人，2014年）。因此，海冰融化的时间决定了藻类繁殖是作为与冰相关的繁殖还是由热分层驱动的开放水域繁殖（Nielsen等人，2024年；Waga等人，2021年）。历史上，开放水域的藻类繁殖仅发生在白令海北部大陆架的22%以下区域（>60°N），但近年来海冰提前消退导致更大比例的大陆架区域出现了开放水域的藻类繁殖（Nielsen等人，2024年）。

2018年的极端海冰损失凸显了该地区对快速环境变化的敏感性（Overland等人，2024年；Overland和Wang，2025年）。那一年，异常的风导致海冰异常提前消退，到3月底白令海北部大部分区域无冰（Frey等人，2023年；Huntington等人，2020年；Overland和Wang，2025年；Stabeno等人，2019年）。前所未有的海冰损失减少了融水的输入，削弱了分层作用，并延迟了藻类繁殖的开始（Duffy-Anderson等人，2019年；Kikuchi等人，2020年；Ueno等人，2020年），导致开放水域的藻类繁殖覆盖了白令海北部大陆架的82%（Nielsen等人，2024年；Siddon等人，2020年）。这种延迟导致以浮游硅藻Chaetoceros spp.和Thalassiosira spp.为主的大规模繁殖（Fukai等人，2019年；Lalande等人，2021年），并改变了浮游植物群落的组成，使得小型硅藻的数量增加（Baker等人，2020年；Duffy-Anderson等人，2019年；Fukai等人，2020年；Huntington等人，2020年）。由于海冰提前融化导致的夏季海水温度升高（Stabeno等人，2019年），浮游动物群落发生了变化，表现为大型Calanus桡足类动物数量减少，而小型Pseudocalanus桡足类动物数量增加（Kimura等人，2022年；Lalande等人，2021年）。随着像2018年这样的异常海冰状况可能变得更加频繁，了解海冰覆盖变化如何影响浮游过程对于预测白令海北部生态系统的响应至关重要。

作为分布式生物观测站（DBO）计划的一部分，定期对八个生物热点进行采样，以检测从白令海北部穿过楚科奇海到波弗特海的纬度梯度上的变化（图1；Moore和Grebmeier，2018年）。在这些生产力丰富的区域中，DBO1区域包括位于白令海北部大陆架St. Lawrence岛西南部的一个200 x 200公里的区域。由于该岛南部海岸反复形成开阔水域（polynya），这个区域支持大量的海鸟和海洋哺乳动物（Grebmeier和Cooper，1995年）。自2005年以来，在DBO1区域内，一个海洋学固定装置（NOAA固定装置M8）被部署在约74米的深度，提供长期的物理、化学和生物参数测量数据，以记录白令海北部的季节性和年际变化（Stabeno等人，2019年）。

尽管有大量的基于船舶和固定装置的观测数据，但在白令海北部，尤其是在冬季和春季，高分辨率的时间序列测量数据仍然稀缺。这些数据对于理解藻类繁殖时间和组成的变化如何影响这个高生产力区域的浮游生态系统和浮游-底栖耦合至关重要。从2020年10月到2022年8月，在M8固定装置附近64米的深度（距海底<10米）部署了一个连续的沉积物捕集器，以收集下沉颗粒、浮游动物和底栖生物的浮游阶段（游泳动物）。高分辨率采样（每周最多一个样本）使得能够详细监测与海冰变化相关的季节性通量模式。在这里，我们研究了藻类繁殖的时间、持续时间、规模和组成，并描述了在不同海冰条件下浮游动物和游泳动物群落的相关发展。

部分内容摘录

遥感

每日海冰浓度数据是通过Special Sensor Microwave Imager/Sounder（SSMIS）被动微波仪器获得的，空间分辨率为25公里x 25公里，使用Goddard Bootstrap（SB2）算法计算得出（Comiso等人，2017a；Comiso等人，2017b）。以M8固定装置为中心的3 x 3像素区域的数据被平均处理，用于与2020年10月至2022年8月的现场数据进行比较。

固定装置

在DBO1区域的M8站点（62.194°N，174.688°W）维护了生物物理固定装置

遥感

从3月初到10月初，DBO1区域每天有超过12小时的日照时间（图2a）。2021年，该区域的海冰开始形成（海冰浓度>20%）的时间是1月21日，而2022年则提前了13天，为1月8日（图2a；表1）。海冰融化，定义为海冰浓度<20%的第一天，2021年为5月16日，2022年则提前了15天，为5月1日。海冰提前融化，定义为海冰浓度<80%的第一天，2021年为5月7日，2022年则提前了20天

2020-2022年：海冰覆盖减少的时期

从1981年到2017年，DBO1区域的海冰平均在12月27日开始形成（海冰浓度>20%），并在5月16日开始消退（海冰浓度<20%）（Stabeno等人，2019年）。在我们的研究期间（2020年10月-2022年8月），M8固定装置上方的海冰分别在2021年1月21日和2022年1月8日形成，比平均值晚了25天和12天；而海冰消退则分别在2021年5月16日和2022年5月1日发生，与平均值相同且提前了15天

结论

本研究中的两次沉积物捕集器部署都是在DBO1区域的海冰覆盖减少的情况下进行的，相对于1981–2017年的平均值而言。与之前在白令海北部的观测结果一致，海冰融化的时间强烈影响了藻类繁殖的开始、规模和组成。尽管2022年5月的海冰融化比2021年提前了15天，但两年中硅藻的输送量在5月的第三周都显著增加。

CRediT作者贡献声明

Calvin W Mordy：撰写 – 审稿与编辑、资源管理、数据分析、概念化。Shaun W Bell：撰写 – 审稿与编辑、可视化、方法论、数据分析、资源管理。Chelsea W Koch：撰写 – 审稿与编辑、方法论、数据分析、资源管理。Eun Jin Yang：撰写 – 审稿与编辑、资源管理、资金获取。Phyllis J Stabeno：撰写 – 审稿与编辑、验证、数据分析、概念化。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢R/V Norseman II号、R/V Sikuliaq号和NOAAS Oscar Dyson号的船长和船员。数据可通过Alaska Ocean Observing System（AOOS）的Ocean Workspace和Ocean Portal获取，并链接到Arctic Data Center的DBO数据档案（https://doi.org/10.24431/rw1k9hd）。本研究由North Pacific Research Board（NPRB）#1914资助，并与NOAA的Integrated Ecosystem Assessment项目合作进行。本研究还得到了其他机构的支持。