南極春季海冰物理對(duì)葉綠素控制作用的統(tǒng)計(jì)分析

李志軍,李潤玲,王自磐,Christian Haas,Gehard Dieckmann（.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 60；.國家海洋局第二海洋研究所,浙江 杭州 00；.Department of Earth and Space Science and Engineering, York University, Toronto MJP, Canada；.Alfred Wegener Institute Helmholtz Centre for Polar and Marine Research, D-7570Bremerhaven, Germany）

南極春季海冰物理對(duì)葉綠素控制作用的統(tǒng)計(jì)分析

李志軍1*,李潤玲1,王自磐2,Christian Haas3,Gehard Dieckmann4（1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024；2.國家海洋局第二海洋研究所,浙江 杭州 310012；3.Department of Earth and Space Science and Engineering, York University, Toronto M3J1P3, Canada；4.Alfred Wegener Institute Helmholtz Centre for Polar and Marine Research, D-27570Bremerhaven, Germany）

利用2006年南極威德爾海西北海域冬末春初的冰芯晶體結(jié)構(gòu),和302組冰芯溫度、鹽度、密度、葉綠素-a、脫鎂葉綠素?cái)?shù)據(jù),以及冰底面葉綠素a垂直分布數(shù)據(jù),進(jìn)一步確定積雪/海冰厚度、冰內(nèi)溫度、鹽度、密度對(duì)冰內(nèi)和冰下葉綠素a的貢獻(xiàn).利用環(huán)境制約與生態(tài)平衡原理,闡明積雪/海冰厚度通過阻礙光通量對(duì)冰底葉綠素的效應(yīng),以及鹵水體積通過冰溫度和鹽度體現(xiàn)對(duì)冰藻細(xì)胞活性的抑制作用.統(tǒng)計(jì)分析不僅確立了南極海冰冰內(nèi)鹵水體積-內(nèi)葉綠素a的邏輯斯蒂上限含量曲線,并體現(xiàn)出粒狀冰同柱狀冰鹵水排泄方式的差異及其對(duì)冰底春季葉綠素a快速增長(zhǎng)的冰物理貢獻(xiàn).冰藻細(xì)胞活性指標(biāo)小于0.5的僅占4.3%,該數(shù)據(jù)為南極冰藻是維持南極冰區(qū)浮游植物旺發(fā)的主導(dǎo)因子提供了重要依據(jù).

南極；海冰；晶體結(jié)構(gòu)；鹵水體積；葉綠素a；模式

極地冰雪是全球氣候變化中最敏感的物質(zhì).應(yīng)對(duì)氣候變化是一種措施；而適應(yīng)氣候變化也是一種策略.為此中國學(xué)者已經(jīng)從不同角度尋求冰雪的物理證據(jù)［1-3］.其中冰生態(tài)系統(tǒng)中浮游植物葉綠素a含量不僅檢測(cè)快捷,而且能反映海洋浮游植物數(shù)量同初級(jí)生產(chǎn)力的關(guān)系［4］.一般來講,冰內(nèi)葉綠素 a是指示藻類細(xì)胞生物量的一個(gè)指標(biāo)［5］,與海冰形成時(shí)的水體內(nèi)葉綠素的水平、光照條件、溫鹽相關(guān).因此它表現(xiàn)出季節(jié)性變化.極地考察中,只有定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)的固定冰冰內(nèi)葉綠素 a含量的時(shí)間系列才能用于研究季節(jié)性變化［6-8］.現(xiàn)場(chǎng)走航考察中所調(diào)查的浮冰不一定處在最初凍結(jié)位置,其冰內(nèi)葉綠素含量不僅具有季節(jié)性變化［9］,而且還具有空間變化.海冰晶體之間的鹵水通道容納不同鹽分的鹵水或者氣泡,其中鹵水中的營養(yǎng)鹽支撐著生物的活性.因此也可以將鹵水體積作為冰內(nèi)生物活動(dòng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一,體現(xiàn)對(duì)生物活動(dòng)的支持能力［10-11］.2006年德國組織了覆蓋南極威德爾海65°30′～66°10′S,39°～61°W區(qū)域的海冰、生物、海洋等內(nèi)容的科學(xué)考察,時(shí)間屬于南極冬末早春季節(jié),是生物繁衍非常重要的季節(jié).作者組成海冰物理和海冰生物聯(lián)合考察組,采用現(xiàn)場(chǎng)鉆取冰芯；分組測(cè)試海冰物理參數(shù)和海冰生物參數(shù)；然后再通過資料同化,獲得相同垂直剖面上的海冰物理和生物數(shù)據(jù)集.通過定量分析,從冰物理角度研究冰基本物理性質(zhì)對(duì)冰葉綠素 a含量的抑制作用,以及它們之間的定量關(guān)系.文中首次將冰內(nèi)孔隙視為冰藻活動(dòng)的空間,將冰內(nèi)鹵水體積視為冰藻營養(yǎng)鹽和溫度環(huán)境的媒體［10-11］,將雪/冰厚度視為光線傳輸?shù)钠琳?旨在探索雪/冰厚度對(duì)冰-水界面附近冰藻細(xì)胞活性和繁榮的影響；研究鹵水體積同冰內(nèi)葉綠素a含量之間的內(nèi)在聯(lián)系；建立粒狀冰和柱狀冰內(nèi)鹵水體積同葉綠素 a上限含量的相關(guān)關(guān)系.實(shí)現(xiàn)利用環(huán)境與承載力的概念［12］、環(huán)境變化特征驅(qū)動(dòng)力的概念［13］,把海冰生態(tài)同海冰物理性質(zhì)有機(jī)地關(guān)聯(lián)起來的目的.

1　研究方法

1.1現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法

2006年9月8日至10月18日,德國北極星號(hào)科學(xué)考察船在南極威德爾海執(zhí)行冬季海冰物理和生態(tài)調(diào)查.作者在南極完成 28個(gè)冰站作業(yè).在每一個(gè)冰站,通過挖雪坑測(cè)量積雪厚度、類型、分層溫度、鹽度、密度、含水量.通過取冰芯進(jìn)行冰芯厚度、類型、分層溫度測(cè)量,并在低溫實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分層組構(gòu)、鹽度、密度分析；其中對(duì)特殊冰芯的部分位置或整個(gè)冰芯做薄冰片,在正常光和偏振光下觀測(cè)冰內(nèi)晶體和氣泡［14］.另取一支冰芯測(cè)試冰內(nèi)的葉綠素a含量［15］.在28個(gè)冰站中成功取得27個(gè)冰站的冰芯,作為冰物理和冰生物的分析樣品,考察站位分布參見文獻(xiàn)［15］.

1.2數(shù)據(jù)同化方法

冰內(nèi)的鹵水體積和孔隙率的計(jì)算方法由Cox等［16］給出,它們的計(jì)算需要海冰的溫度、鹽度和密度,但僅適用于-2～-22.9℃的情況.對(duì)于冰溫高于-2℃的情況（占總數(shù)的 4%）,利用Lepp?ranta等［17］的方法計(jì)算.上述 2種計(jì)算都是根據(jù)海冰標(biāo)準(zhǔn)相圖的固-液平衡曲線擬合所得,因此函數(shù)形式相同,但采用的溫度系數(shù)不同.它們的鹵水體積計(jì)算均需要冰溫度和冰鹽度,計(jì)算孔隙率需要增加冰的體密度.

冰芯溫度剖面是在現(xiàn)場(chǎng)按一定間距測(cè)量的,而其鹽度和密度是在低溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)按照冰的類型分割成不同厚度的小塊,分段測(cè)量.因此實(shí)測(cè)冰溫度、鹽度、密度對(duì)應(yīng)的冰芯位置不同.要將數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同的位置上,必須利用統(tǒng)計(jì)方法建立起冰內(nèi)溫度擬合剖面,再計(jì)算出對(duì)應(yīng)冰層鹽度和密度分層位置的溫度.然后再利用相同位置的溫度、鹽度、密度,計(jì)算出鹵水體積和孔隙率的豎向剖面；最后將實(shí)測(cè)的葉綠素a含量進(jìn)行線性插值,得到相同位置的冰內(nèi)葉綠素a含量.

另外,冰內(nèi)葉綠素a含量同結(jié)冰方式,即冰的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)［18］.本次考察中共發(fā)現(xiàn)5類冰晶體,但主要是柱狀冰和粒狀冰；其它類型有粒狀-柱狀混合冰、骨架和多邊粒狀冰.有關(guān)冰晶體結(jié)構(gòu)、溫度、鹽度和密度垂直剖面和冰內(nèi)葉綠素a含量的垂直剖面均有報(bào)道［14-15］.

本航次中27支具有冰物理和生物數(shù)據(jù)的冰芯共計(jì)長(zhǎng)度 35m,其中柱狀冰占 55.16%；粒狀冰占 28.73%；粒狀-柱狀混合冰占 14.44%；骨架占1.01%；多邊粒狀冰占 0.66%.在這些冰芯上共得到冰內(nèi)溫度、鹽度、密度和葉綠素 a有效數(shù)據(jù)302組.多邊粒狀冰、粒狀-柱狀混合冰、骨架3種冰晶體所占比例太少,無法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.冰內(nèi)葉綠素a的垂直分布有3種類型,與有關(guān)報(bào)道文獻(xiàn)總結(jié)的類型要少［19］.為了同前期研究比較,本文的定義同文獻(xiàn)［15］的一致,分為“底部葉綠素 a遞增型”、“表、底部葉綠素a增大型”和“中部葉綠素a增大型”.

當(dāng)冰層春季升溫和冰內(nèi)鹵水排泄時(shí),近冰底面的冰晶間的鹵水通道首先拓寬,和冰下海水溝通.因此,從冰底面的葉綠素 a最大值到冰底面以上20cm以上出現(xiàn)最低值,這段區(qū)域視作鹵水排泄區(qū)；對(duì)應(yīng)的最小葉綠素a被視為起始處葉綠素a.

2　結(jié)果與討論

2.1冰內(nèi)和冰下水體葉綠素a分布垂直分布

圖1　葉綠素a在冰層內(nèi)部和水體中的垂直分布Fig.4　Vertical distribution of Chl-a in ice and in water

圖1是060921冰芯及其水內(nèi)葉綠素a分布,葉綠素a在冰內(nèi)的含量較低,在冰-水界面處出現(xiàn)峰值,但進(jìn)入到海水,其含量繼續(xù)降低.冰下 20m處葉綠素a為0.124μg/L；冰下250m處葉綠素a 為0.006μg/L；冰下500m處葉綠素a為0.003μg/L.這些表明隨著水深的增加,水體內(nèi)的光照減弱,葉綠素a含量隨水深在不斷降低［20-21］.Wang等曾報(bào)道秋季威德爾海表層葉綠素 a平均值在 0.11～0.22μg/L,而本研究發(fā)現(xiàn)表層水內(nèi)葉綠素 a含量的平均值范圍僅 0.01～0.05 μg/L,均說明在南極冬季,海冰極大地抑制了冰下海水中冰藻光合作用,導(dǎo)致海洋初級(jí)生產(chǎn)處于全年最低水平［22］.與之相反,浮冰中葉綠素a含量很高,表明冬季冰內(nèi)冰藻在維持南大洋初級(jí)生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行中起到了關(guān)鍵作用.何劍鋒等曾發(fā)現(xiàn),在春季固定冰中也有類似圖1中的冰底峰值,他們認(rèn)為當(dāng)海冰底部骨架層遇到合適的水文氣象條件,成為冰藻最佳生存環(huán)境,冰藻開始繁殖,水體內(nèi)也出現(xiàn)水華,同時(shí)此處冰藻的繁榮導(dǎo)致葉綠素 a含量超出冰內(nèi)1～3個(gè)量級(jí)［23］.因此冰底是海冰生物量最高的部位,與該處的溫度、光輻照度、冰結(jié)構(gòu)、冰藻種類和冰藻群落結(jié)構(gòu)、鹽度、營養(yǎng)鹽、氨基酸以及主要金屬離子等有關(guān)；其中,與冰雪物理相關(guān)的最顯著影響因子是冰下水溫和光合作用.

2.2海冰內(nèi)部溫度和鹽度對(duì)冰內(nèi)葉綠素a的貢獻(xiàn)

冰在凍結(jié)過程中,附著在冰核水體中的藻類,在凍結(jié)過程中聚集［18］.冰生長(zhǎng)的方式不同,對(duì)應(yīng)的晶體類型也不同,因此冰內(nèi)初始葉綠素含量同冰晶體類型和內(nèi)部組構(gòu)也有關(guān)系.所以,對(duì)冰內(nèi)葉綠素的定量分析既要考慮冰晶體類型,還要考慮冰內(nèi)的鹵水體積.

以粒狀冰為主的冰內(nèi)葉綠素 a的豎向剖面主要是中部增大型,而以柱狀冰為主的冰內(nèi)葉綠素a的豎向剖面主要是底部增大型,并且粒狀冰內(nèi)的初始值比柱狀冰內(nèi)的略高.產(chǎn)生這二種類型的主要原因是柱狀冰封閉在晶體間的鹵水雖然比粒狀冰內(nèi)的少,但是在冰溫升高時(shí),柱狀冰內(nèi)鹵水更容易在重力作用下沿著增寬的鹵水通道向冰底遷移［24］,并富集在冰-水界面附近,從而給冰藻活躍提供了條件［22］.

圖2　冰內(nèi)葉綠素與同鹵水體積的散點(diǎn)關(guān)系Fig.4　Scatter relation between Chl-a with brine volume

由圖2可見,分析發(fā)現(xiàn)葉綠素a含量隨鹵水體積呈正比關(guān)系,且存在上限值,說明鹵水體積是冰內(nèi)葉綠素a的控制因子之一,體現(xiàn)溫度和營養(yǎng)鹽的貢獻(xiàn).

2.3冰內(nèi)鹵水體積同冰藻細(xì)胞活性的關(guān)系

冰藻死亡時(shí),葉綠素中的鎂離子被取代轉(zhuǎn)變成脫鎂葉綠素；因此葉綠素a含量在葉綠素a及脫鎂葉綠素之和中所占的比值（R=葉綠素 a/（葉綠素 a+脫鎂葉綠素））可作為反映冰藻細(xì)胞生理狀態(tài)的一個(gè)指標(biāo)［15］.R值越大（接近1.0）,說明冰藻細(xì)胞活性越強(qiáng),所含色素主要為葉綠素 a,冰藻種群生長(zhǎng)旺盛,碳固定能力強(qiáng),生產(chǎn)潛力高.當(dāng) R值降低到0.8,尤其小于0.5時(shí),說明冰藻葉綠素a已被高度降解,細(xì)胞活性下降,潛在生產(chǎn)力低.在其最大鹵水體積 250‰以內(nèi)，其接近最大值 1.0.表達(dá)式見圖 3.垂直虛線來自評(píng)估冰藻細(xì)胞活性能力的平均上線在R值為0.8時(shí)的鹵水體積交叉點(diǎn)；水平虛線來自最低潛在生產(chǎn)力臨界線對(duì)應(yīng)的R=0.5.由圖 3可見,在南極惡劣環(huán)境中,無論是粒狀冰還是柱狀冰,當(dāng)冰內(nèi)的鹵水體積超過 8‰,它們內(nèi)部的冰藻是活躍的；但當(dāng)鹵水體積小于 8‰,冰藻細(xì)胞活性指標(biāo)R值小于0.8.

圖3　粒狀冰和柱狀冰冰內(nèi)R值與鹵水體積的關(guān)系Fig.4　The relation between the R value and brine volume in granular ice and columnar ice

所有302個(gè)有效試樣所的冰鹽度95%范圍內(nèi)為（2.100～9.000）‰、密度95%范圍內(nèi)為（0.769～0.950）g/cm3,平均值分別為4.824‰和0.897g/cm3.根據(jù)圖 3,如果以鹵水體積 8‰為界限,當(dāng)冰內(nèi)鹽度和密度為平均值時(shí),冰溫度可低至-38.0℃.在南極嚴(yán)寒的冬季,冰溫低于-38.0℃比較罕見,所以冰內(nèi)供應(yīng)冰藻細(xì)胞活性鹵水的溫度僅會(huì)略低于海水冰點(diǎn)（-1.8℃）［25］,且鹵水體積較充足,因此南極冬季葉綠素a有達(dá)到上限值的條件,但事實(shí)上許多低于上限值.而在春季,冰溫升高,鹵水體積增加,特別是鹵水在重力作用下排泄.如果將海冰視為一個(gè)封閉體系,春季調(diào)查期間的冰內(nèi)營養(yǎng)鹽只是在冰層的垂直分布發(fā)生變化,總營養(yǎng)鹽沒有增加,遷移并集中在冰層底部鹵水中的營養(yǎng)物質(zhì)結(jié)合適合的鹵水溫度環(huán)境足可以支撐冰藻的繁榮,接近上限的所占比例數(shù)增加.

根據(jù) Dai等［15］的分析,當(dāng)年新生冰 R值為0.83,當(dāng)年冰R值為0.78,二年冰及多年冰R值為0.80,說明當(dāng)年新生冰中的冰藻細(xì)胞活性最高.何劍鋒等也指出,南極固定冰冰底R(shí)值在全年都高于 0.80,揭示出冰底冰藻一直具有較強(qiáng)的細(xì)胞活性［23］.冰藻能在冰底大量繁殖（特別是在春季）的原因之一是南極冰藻在較低光強(qiáng)條件下的仍然保持旺盛的生命力［26］,同時(shí)冰底具有較為衡定的溫度,冰結(jié)構(gòu)疏松,又能從冰-水界面及時(shí)補(bǔ)充得到藻類繁殖所需的營養(yǎng)鹽,為冰藻提供了其它冰層不具備的良好生長(zhǎng)環(huán)境,特別是冰骨架層內(nèi)的鹵水營養(yǎng)鹽是限制冰藻細(xì)胞活性的環(huán)境因子［27］.

如果以冰為載體,鹵水為生存資源,葉綠素 a為冰藻細(xì)胞活性能建立南極冰藻簡(jiǎn)化生態(tài)系統(tǒng)成立的話,它就構(gòu)成環(huán)境對(duì)生態(tài)的驅(qū)動(dòng)［13］,有一個(gè)生態(tài)平衡的極限,即冰內(nèi)葉綠素a上限值所代表的冰藻細(xì)胞活性不應(yīng)超過冰內(nèi)鹵水體積的允許承載量.這同各種環(huán)境中的環(huán)境-生態(tài)的平衡關(guān)系類似［12］.

設(shè)鹵水體積含量為νb,葉綠素a含量為P,鹵水體積控制下的最大葉綠素a為PA,則冰內(nèi)鹵水體積能夠提供小于或等于PA對(duì)應(yīng)所需的營養(yǎng)鹽等環(huán)境條件；同樣假設(shè)冰內(nèi)鹵水不能提供的最小生態(tài)承載力為 PB,則 P（νb）隨νb的變化可用一個(gè)簡(jiǎn)單的表現(xiàn)生物種群增長(zhǎng)過程邏輯斯蒂（Logistic）增長(zhǎng)模型表示,其形式為：

式中：K是在一定鹵水體積下冰藻達(dá)到“飽和”狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的葉綠素a含量；rM是在一定鹵水體積下葉綠素a最大增長(zhǎng)速率；A是積分常數(shù).

在邏輯斯蒂曲線中有一拐點(diǎn),該拐點(diǎn)的葉綠素a含量為冰藻最適密度,即冰藻增長(zhǎng)率最快時(shí)對(duì)應(yīng)的葉綠素a含量.

統(tǒng)計(jì)中,以ln（（K-P）/P）和νb為坐標(biāo)作圖,擬合得到一條直線, lnA為該直線的截距,rM是該直線的斜率.

圖4　粒狀冰和柱狀冰冰內(nèi)葉綠素a隨鹵水體積變化的上限含量曲線Fig.4　The upper limit curves of Chl-a with brine volume in granular ice and columnar ice

表1　粒狀和柱狀冰葉綠素a上限含量隨鹵水體積變化曲線的統(tǒng)計(jì)系數(shù)Table 1　The statistical coefficients in the upper limit curves of Chl-a with brine volume in granular ice and columnar ice

統(tǒng)計(jì)曲線表明,用鹵水體積來分析冰藻葉綠素a上限是合理的,存在低于上限含量的數(shù)據(jù)分散是南極惡劣環(huán)境下的正?，F(xiàn)象（圖4）.表1系數(shù)說明,粒狀冰和柱狀冰的K值處于同一水平,但柱狀冰的略高.說明在春季冰溫升高,冰內(nèi)鹵水體積增加時(shí),以柱狀冰為主的冰晶體內(nèi)的冰藻細(xì)胞活性大,對(duì)應(yīng)的葉綠素a含量高.粒狀冰的A值較低,說明在隆冬季節(jié)粒狀冰內(nèi)所包裹的鹵水體積較高,維持較高的冰藻細(xì)胞活性.rM反映出粒狀冰內(nèi)的冰藻早于柱狀冰內(nèi)的繁榮,但只發(fā)生在冰藻開始繁榮期,過后進(jìn)入鹵水體積增加階段,以柱狀冰為主的冰層在冰-水界面處體現(xiàn)強(qiáng)勢(shì)的繁榮（K值增高）.

2.4積雪和海冰厚度對(duì)冰底葉綠素a的控制作用

積雪和冰層厚度越大,冰下的光線越弱［20］,給冰藻提供光合作用的環(huán)境條件也越差.南極海冰表面均存在積雪,即使厚度只有厘米量級(jí),太陽輻射也會(huì)被大幅反射.光線在雪中的衰減率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在冰中的衰減率［28］,因此積雪的存在導(dǎo)致傳遞到冰內(nèi)和冰下的太陽輻射強(qiáng)度大大減弱.

考慮到浮冰形成位置不一定是調(diào)查位置,以及冰內(nèi)初始葉綠素a含量存在差異,本文不直接分析冰底部葉綠素含量 a,而是首先假定冰內(nèi)鹵水排泄同冰底部葉綠素a繁榮有一定聯(lián)系,繼而將冰底部葉綠素 a同冰內(nèi)鹵水排泄處起始葉綠素 a含量的比值作為一個(gè)客觀參數(shù).這樣既能兼顧冰內(nèi)鹵水排泄時(shí)的葉綠素a對(duì)冰底葉綠素a春季繁榮的貢獻(xiàn),又能消除浮冰形成時(shí)包裹到冰內(nèi)鹵水中初始葉綠素a含量的差異.利用觀測(cè)的積雪厚度、冰厚度與該比值建立相關(guān)關(guān)系,見圖5.

并通過曲面擬合得到關(guān)系式：

式中：S為冰底部葉綠素 a同冰內(nèi)平均葉綠素 a或者冰表層葉綠素a的比值； hS為雪厚, cm； hI為冰厚, cm.

從圖5中可以發(fā)現(xiàn),積雪厚度的影響大于冰厚度的影響,同 Maykut等報(bào)道的積雪和冰厚度對(duì)光強(qiáng)的衰減作用有相似之處（圖6）［20］.圖6證實(shí)積雪和海冰厚度對(duì)光強(qiáng)存在直接聯(lián)系.由于光強(qiáng)與冰藻細(xì)胞活性存在直接聯(lián)系,因此積雪和海冰厚度同葉綠素含量呈反比關(guān)系.這種關(guān)系揭示了積雪和海冰厚度對(duì)冰下藻類的光合作用起到抑制作用,影響到藻類的生長(zhǎng),導(dǎo)致葉綠素a含量減少［29］.目前冰光學(xué)中的廣泛成果［19,30-31］還沒有同冰藻直接建立聯(lián)系,圖5和圖6可將冰下光強(qiáng)同冰藻的生長(zhǎng)聯(lián)系起來,但發(fā)展到同具體冰藻種類和冰藻群落的定量描述尚需努力.難點(diǎn)之一是當(dāng)年新生冰區(qū)的冰藻春季水華期間,冰下輻照度通常小于冰表入射光的 1%［32-33］,且冰表入射光在穿透冰層的過程中其有效光強(qiáng)和光譜成分都將受到冰內(nèi)鹵水含量或冰藻顏色差異帶來的影響,因此即使在相同積雪或者冰厚度條件下仍存在冰內(nèi)輻射衰減的區(qū)別［20-21］.

圖5　冰層底部和冰內(nèi)鹵水排泄處葉綠素與比值同積雪和冰厚度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系Fig.4　The statistical relation among the ratio of Chl-a under ice bottom and at the start point of brine drain section with snow thickness and ice thickness

圖6　冰下總?cè)肷漭椪斩扰c冰厚和雪厚的關(guān)系［20］Fig.4　Dependence of total downwelling irradiance beneath the ice on ice thickness and snow depth［20］等高線代表雪表面總光強(qiáng)的百分?jǐn)?shù)

3　結(jié)論

3.1春季南極威德爾海海冰內(nèi)部葉綠素a的分布基本上是冰底面偏高,然后同冰-水界面的冰藻水花匹配.柱狀冰的鹵水通道比粒狀冰的更容易使鹵水向冰-水界面遷移,從而體現(xiàn)出柱狀冰底面的春季葉綠素a增幅大于粒狀冰,但粒狀冰形成時(shí)更容易包裹鹵水,因此粒狀冰內(nèi)的葉綠素a水平比柱狀冰內(nèi)偏高.水體內(nèi)的葉綠素a隨著冰下水深的增加,迅速減小.

3.2冰內(nèi)葉綠素a的水平和冰的晶體類型有一定關(guān)系,冰內(nèi)鹵水是葉綠素a的控制因子.冰藻細(xì)胞活性指標(biāo)同冰晶體類型和冰內(nèi)鹵水體積存在定量關(guān)系.分析表明南極冬季冰內(nèi)鹵水體積減少,但冰藻細(xì)胞活性指標(biāo)維持在 0.5以上,反映出冬季冰藻的存在是海冰生物群落活動(dòng)的基礎(chǔ)；而且在春季較高冰溫時(shí),冰內(nèi)鹵水體積增加,冰藻細(xì)胞活性水平趨于穩(wěn)定.在此基礎(chǔ)上,利用邏輯斯蒂模型,得到南極冰內(nèi)鹵水體積能夠支撐葉綠素a的上限含量曲線,表明南極海冰鹵水體積的最大承載力.而低于曲線的分散數(shù)據(jù)是南極惡略環(huán)境下生物脆弱性的證據(jù).

3.3積雪和海冰厚度對(duì)冰底葉綠素a繁榮起著關(guān)鍵作用.它們的貢獻(xiàn)體現(xiàn)到積雪和海冰對(duì)太陽光的吸收,從而影響到冰藻的光合作用.其中積雪厚度對(duì)冰藻光合作用的效果大于海冰厚度.三者之間存在定量關(guān)系.

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Statistical analysis of sea ice physical conditions effect on chlorophyll during the austral spring in Antarctica.

LI Zhi-jun1*, LI Run-ling1, WANG Zi-pan2, HAAS Christian3, Dieckmann Gerhard4（1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China；2.Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China；3.Department of Earth and Space Science and Engineering, York University, Toronto M3J1P3, Canada；4.Alfred Wegener Institute Helmholtz Centre for Polar and Marine Research, D-27570Bremerhaven, Germany）.

China Environmental Science, 2015,35（9）：2813～2819

The sea ice core texture, and 302 groups of ice core temperature, salinity, density, chlorophyll a （Chl-a） as well as phaeophytin, Chl-a under ice from Northern West of Weddell Sea, Antarctica during the period between winter and spring of 2006 were statistically analyzed. The contributions of snow/ice thickness, ice temperature, ice salinity and ice density to the Chl-a content in ice and Chl-a blooms under ice were determined. The snow/ice thickness effect on the Chl-a blooms under the ice due to light absorption was determined. The relationship between the activity of ice algae cells and brine volume （function of ice temperature and ice salinity） in ice was investigated following the principle of environment control on the ecological balance. The statistical analysis not only revealed the relationship between the upper limits of Chl-a and brine volume in Logistic model, but also showed that granular and columnar ice crystals affect the brine drainage. The 4.3% of the index of active algal cells less than 0.5showed that the physical properties of sea ice not only affect the Chl-a blooms near ice bottom and at the ice-water interface in the austral Spring, but also are a key control element modulating the marine phytoplankton bloom in the ice covered waters around Antarctica.

Antarctic；sea ice；ice crystals；brine volume；chlorophyll a；modes

X55；P728.2；Q178.1

A

1000-6923（2015）09-2813-07

2015-01-05

國家自然科學(xué)基金（51221961,41376186）；國家海洋局極地考察辦公室對(duì)外合作項(xiàng)目（IC201209）；國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主項(xiàng)目（SL14-5-3）

*責(zé)任作者, 教授, lizhijun@dlut.edu.cn

李志軍（1960-）,男,河北崇禮縣人,教授,博士,主要從事極地和渤海冰物理和力學(xué)性質(zhì)研究.發(fā)表論文300余篇.