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北极高纬度地区夏季的持续日光照射条件下与黑暗条件下浮游生物呼吸率的对比实验

日期: 2017-08-02
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摘要

    浮游生物的呼吸作用产生的二氧化碳是全球二氧化碳总产量的主要组成部分之一,并预计随着气候的变暖,这种作用会在北极迅速增加。同时,北极现有的测试也评估了在黑暗中浮游生物的呼吸作用。有证据表明,浮游生物的呼吸作用可能会受到光的刺激,这对北极高纬度地区尤其重要,因为那里的浮游生物群落在春天和夏天都有持续的日光照射。在这里,我们可以论证出浮游生物群落的呼吸作用在持续的日照条件下呈现的原位,往往比在黑暗中的测量结果要高。经过测量,在光照条件下群落之间的呼吸比率(Rlight) 比在黑暗中呼吸比率(Rdark)多2/3 Rlight: Rdark比率从在此处的Rlight测量中值(3.62 Lµmol O2−1 d−1)处平均值1.37增加到在最高Rlight测量处(15.8 Lµmol O2−1 d−1) 的平均值17.56。因此,作为北极二氧化碳来源的呼吸作用被低估了,实际上这种作用比以前认为的要重要得多,特别是在晚春,当群落处于极昼下呼吸率最高的时候。

介绍
    
群落呼吸是有机体降解有机物质的过程,同时也是提取能量以支持生态系统中的生物的过程,因此提供对生态系统能源需求的综合评估。海洋呼吸估计每年在全球释放66 Gt 的C元素,虽然是生物圈中碳通量的主要成分之一,但仍然是海洋中大多数代谢,气体交换和碳平衡中最不受限制的条件。
我们对浮游生物群落呼吸的探究由于以下事实所以很有限:大多数呼吸速率是在黑暗中对氧气消耗率进行评估的,而假设黑暗中的呼吸与光线中的呼吸相当。然而,已发表的报告表明,光线下呼吸作用可能高于黑暗中的呼吸作用,所以目前估计浮游生物群落的群落呼吸可能被低估了。
    经过估算,在黑暗中的大多数浮游生物群落呼吸的强度取决于群落经历过的光周期。这显示出在高北极的大部分地区,在秋季和冬季大部分时间光照不足,其中黑夜持续大部分时间,对比春季和夏季长时间连续光照,在黑暗中呼吸作用之间的任何差异,光将是会对估算影响最大的因素。由于种群呼吸估算值随着未来的北极变暖而上升,对北极种群呼吸的精确估算变得尤为重要。然而,黑暗中种群呼吸等于北极夏季的光照下的假设尚未得到证实。在这里,我们在2012年,2013年和2014年在北冰洋欧洲部分的春季/夏季进行的几次巡航中对北极海洋的浮游生物群落呼吸速率进行了评估。特别地,我们测试了零假设黑暗中的群落呼吸率等于光照下的呼吸率。我们通过在黑暗中计算使用氧气消耗的呼吸率,并通过高精度温克勒尔滴定评估,然后估计社区呼吸作为初级生产总值(GPP18O)与18O方法和净社区生产(GPP18O)之间的差异NCP),从体积氧质量平衡估算在环境入射辐射下繁殖的群落。

结论
    浮游生物群落呼吸在不同群落之间变化了三个数量级,而在斯瓦尔巴德地区采样的社区相比,Young Sound(Kruskal-Wallis检验,P<0.01)中采样的群落明显高于在光照和黑暗中的。斯瓦尔巴地区的平均每月社区呼吸频率在4月份最高,8月份最低(图1),尽管这些差异仅在轻度测量的呼吸率(Kruskal-Wallis检验,P = 0.013)时显着,在8月份显着低于4月和5月(Dunn测试,P <0.05),而不是6月(Dunn测试,P = 0.27)。由于可用的估算数量有限,Young Sound中的呼吸速率在春季没有得到估算,所以季节差异的统计学意义不能在Young Sound(图1)中检查的群落进行测试,因为大部分地区仍然被海冰覆盖。

北极高纬度地区夏季的持续日光照射条件下与黑暗条件下浮游生物呼吸率的对比实验

点击阅读原文:www.nature.com/articles/s41598-017-01203-7.pdf

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