科研进展｜海洋微微型浮游植物昼夜变动研究新进展 - 海洋地球化学循环研究进展

近日，厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室黄邦钦教授研究团队以“Quasi-antiphase diel patterns of abundance and cell size/biomass of picophytoplankton in the oligotrophic ocean”为题在Geophysical Research Letters期刊上发表最新研究成果，证实并扩展了先前关于寡营养海域中微微型浮游植物的昼夜周期变化的研究结果，进一步指出微微型浮游植物细胞丰度与细胞大小/生物量呈现的准反相昼夜变化关系很可能是近稳态寡营养生态系统的一个普遍特征。

地球表面近一半是寡营养的海洋环境。寡营养海域中食物网以微食物环为主，浮游植物以微微型浮游植物（粒径＜2 µm，包括原绿球藻、聚球藻和微微型真核浮游植物）为主导。微微型浮游植物拥有巨大的细胞数量和广泛的海洋地理分布，是海洋生态系统中非常重要的初级生产者，在海洋生物地球化学循环中发挥着重要作用。早期研究表明微微型浮游植物细胞丰度的昼夜变动特征表现为夜间上升白天下降，而细胞大小表现为白天增大夜间变小。近年来的研究发现微微型浮游植物的生物量也呈现白天增加夜间下降的昼夜变动特征。关于捕食者在调控微微型浮游植物昼夜变动上的作用的研究仍是有限的，甚至出现一些相互矛盾的结论。然而，上述研究都是独立进行的，需要进一步综合研究这些参数（细胞丰度、细胞大小、生物量及捕食等下行调控因素）之间的联系。

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图1：南海夏季航次时间序列观测站位及SeaFlow数据集资料分布图

研究团队利用国家重点研发项目（MARCO项目）南海航次，于2019年6–7月在南海北部三个寡营养测站开展了24或48小时的时间连续观测，并通过经实验室藻株“校准”的流式细胞仪同时测定三个类群的微微型浮游植物的细胞数量、细胞大小和生物量。观测数据表明微微型浮游植物的细胞数量、细胞大小和生物量均呈现明显的昼夜变动，并且原绿球藻和聚球藻细胞数量的昼夜变动规律与细胞大小/生物量呈接近反相的关系。而且生物量与细胞丰度之间几乎相反的昼夜变动规律与基于同期开展的甲板培养实验得到的净生长率的昼夜差异相一致。此外，培养实验还发现在白天与夜间微型鞭毛虫对原绿球藻和聚球藻的捕食压力是相当的。

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图2: 南海北部表层三个类群的微微型浮游植物细胞数量、细胞大小和生物量时间序列

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为了探究南海北部观测到的微微型浮游植物昼夜变动模式是否具有普适性，研究人员进一步利用已公开发表的包含37个航次的高分辨率时空变动的SeaFlow数据集与南海北部的数据进行联合分析。通过执行时间标准化和数值标准化等操作，不同海域、不同日期、不同经纬度以及不同数量级的数据可以直接比较。在每半小时平均的水平上，三个类群的微微型浮游植物的细胞大小和生物量呈现显著的昼夜变动，而细胞数量的昼夜变动不是特别明显。进一步的余弦分析检验确定了相当比例的有效日（一天当中的缺失值少于41.7%视为一个有效日）具有显著的昼夜变动规律；从所有有效日的昼夜变动峰值时刻的分布可以看出细胞数量与细胞大小/生物量的昼夜变动呈现一个接近反相的关系，即峰值时间相差接近12 hr。研究人员认为寡营养海洋生态系统中占主导的微微型浮游植物的细胞丰度与细胞大小/生物量呈现的这种准反相昼夜变动关系很可能是普遍存在的。这项研究提高了我们对这种最小的自养生物的认知，有助于更好地理解寡营养海区生态系统和生物地球化学过程。

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图3: 南海夏季航次观测与SeaFlow数据集的联合分析 (a): 全部38个航次每半小时平均的三个类群的微微型浮游植物细胞数量、细胞大小和生物量的变动。此处数值已经标准化，因而它们是无单位的，并围绕1上下波动。(b): 环形箱形图与beeswarm图相结合显示三个类群的微微型浮游植物细胞数量、细胞大小和生物量的昼夜周期变动峰值时间的分布。每个点对应一个具有显著昼夜变动的有效日。

本文第一作者为博士生李长林，通讯作者为黄邦钦教授，台湾海洋大学蒋国平教授、美国路易斯安那州立大学Edward Laws教授、厦门大学柳欣教授和陈纪新高级工程师、美国加州大学圣克鲁兹分校黄毅彬博士、英国思克莱德大学陈炳章博士以及台湾海洋大学蔡安益教授为共同作者。该研究得到了国家自然科学基金（42130401，U1805241，42122044，41890803）等资助。

论文来源：Changlin Li, Kuo-Ping Chiang, Edward A. Laws, Xin Liu, Jixin Chen, Yibin Huang, Bingzhang Chen, An-Yi Tsai, Bangqin Huang*, Quasi-antiphase diel patterns of abundance and cell size/biomass of picophytoplankton in the oligotrophic ocean, Geophysical Research Letters, 49, e2022GL097753. https://doi.org/10.1029/2022GL097753 

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供稿：黄邦钦教授课题组

近海海洋环境科学国家重点实验室

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