何劍鋒 李承森 姚軼鋒 彭方 王能飛 金海燕 張芳馬玉欣 張慶華 那廣水 孫立廣 袁林喜 賈楠

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北極黃河站生態(tài)環(huán)境考察與研究進(jìn)展

何劍鋒1李承森2姚軼鋒2彭方3王能飛4金海燕5張芳1馬玉欣6張慶華7那廣水8孫立廣9袁林喜9賈楠9

(1國家海洋局極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國極地研究中心, 上海 200136;2中國科學(xué)院植物研究所, 北京 100093;3武漢大學(xué), 湖北 武漢 430072;4國家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島 266061;5國家海洋局第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012;6上海海洋大學(xué), 上海 200433;7中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京 100085;8國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心, 遼寧 大連 110023;9中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 安徽 合肥 230022)

北極黃河站位于北極斯瓦爾巴群島新奧爾松地區(qū), 是生態(tài)系統(tǒng)對全球變化響應(yīng)監(jiān)測與研究的理想之地。我國自2004年建站以來, 開展了系統(tǒng)的王灣海域生態(tài)斷面和陸地植被樣方的長期監(jiān)測與研究, 同時(shí)開展了環(huán)境污染和鳥類種群變遷等方面的考察與研究。結(jié)果表明: 冰川退縮跡地上的物種更替明顯, 而范氏蘚等可很好地反映該地區(qū)同時(shí)期的氣溫變化; 從北極黃河站周邊區(qū)域的海底沉積物、土壤、湖沉積物和冰川冰磧中分離獲得了3個(gè)北極新屬和21個(gè)北極新種, 并發(fā)現(xiàn)了部分活性菌株; 王灣海域微型浮游生物存在較高的生物多樣性, 其表層水存在潛在氮限制; 微藻對溫度有較好的適應(yīng)性, 具有通過自身調(diào)節(jié)來適應(yīng)北極環(huán)境變化的能力; 苔原植物對重金屬具富集能力, 大氣傳輸是持久性有機(jī)污染物(POPs)污染來源的最主要途徑; 鳥類方面, 在距今9 400年海鳥就已在該地區(qū)生活繁衍, 種群數(shù)量存在明顯波動(dòng)并在距今7 650年左右達(dá)到最大。未來應(yīng)堅(jiān)持監(jiān)測斷面和樣方的長期監(jiān)測, 進(jìn)一步掌握生物群落的變化趨勢; 融合我國在該地區(qū)的大氣、冰川、樣方和海洋監(jiān)測, 開展大氣-冰雪-陸地-海洋相互作用研究, 聚焦科學(xué)問題并形成我國在該地區(qū)的研究特色。

北極 黃河站 生態(tài) 環(huán)境 研究進(jìn)展

0 引言

中國北極黃河站是目前我國唯一位于北極地區(qū)的綜合科學(xué)考察站, 于2004年7月28日落成啟用。黃河站所在的新奧爾松地區(qū)由王灣、周邊陸地和山地冰川組成。受冰川季節(jié)性融水和灣外大西洋海水的雙重影響, 王灣的海水環(huán)境和動(dòng)植物群落存在明顯的梯度變化[1]。由于地處高緯, 當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)受人為的擾動(dòng)較少, 而相對惡劣的環(huán)境使得生態(tài)系統(tǒng)比低緯度地區(qū)的更為簡單, 對全球氣候環(huán)境變化也更為敏感。隨著北極氣溫的持續(xù)上升, 冰川融化和凍土層減薄都將導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)和陸源物質(zhì)循環(huán)的變化, 并通過陸源物質(zhì)對海洋輸送特性的變化影響海洋生態(tài)系統(tǒng); 目前禁錮在冰雪和土壤中的污染物也將被釋放至空氣、水體和陸地, 進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)。因而利用我國在北極黃河站已有的監(jiān)測基礎(chǔ), 通過整合進(jìn)行跨學(xué)科監(jiān)測與研究, 對于揭示該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境變化的響應(yīng)特征和過程具有重要意義。

在斯瓦爾巴科學(xué)論壇(Svalbard Science Forum)的基礎(chǔ)上, 新奧爾松地區(qū)逐步推出了針對大氣、陸地、冰川和海洋的4個(gè)旗艦計(jì)劃: 王灣系統(tǒng)、大氣研究、陸地系統(tǒng)和冰川學(xué)旗艦計(jì)劃, 指導(dǎo)各國在該地區(qū)的監(jiān)測與研究。斯瓦爾巴科學(xué)論壇資料顯示, 新奧爾松地區(qū)正在實(shí)施的各國科研項(xiàng)目中, 生物圈相關(guān)課題占有優(yōu)勢。我國于2004年7月黃河站落成時(shí)進(jìn)行了首次考察, 在王灣海域建立了從灣底到灣口的海洋監(jiān)測斷面, 開展海洋環(huán)境和浮游生物群落監(jiān)測與研究, 2011年以來陸續(xù)建立了陸地植被監(jiān)測樣方。初始階段的研究任務(wù)主要來自國家自然科學(xué)基金委等資助的項(xiàng)目, 從“十二五”時(shí)期開始實(shí)施了“南北極環(huán)境綜合考察與評估”專項(xiàng), 對黃河站的基礎(chǔ)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了相對系統(tǒng)的考察, 為我國深入研究北極生態(tài)環(huán)境提供了良好條件。

我國參與北極黃河站生態(tài)環(huán)境考察與研究的主要機(jī)構(gòu)包括: 中國極地研究中心、國家海洋局第二海洋研究所、國家海洋局第三海洋研究所、國家海洋局第一海洋研究所、國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心、中國科學(xué)院海洋研究所、中國科學(xué)院植物研究所、中國科學(xué)院微生物研究所、中國科技大學(xué)、武漢大學(xué)、山東大學(xué)、華東師范大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等。

1 陸地與水生植物組成及變化

1.1 陸地植被樣方監(jiān)測

北極黃河站植被樣方監(jiān)測始于2011年7月, 現(xiàn)已建立了11個(gè)樣方(圖1), 分別代表了該地區(qū)冰川退縮跡地、風(fēng)化冰磧?nèi)?、人類活?dòng)區(qū)以及苔原濕地等不同環(huán)境, 獲得樣方內(nèi)物種多樣性和群落結(jié)構(gòu)年際變化數(shù)據(jù)。其中, 對東洛溫冰川(Austre Lovén-breen冰川, 以下簡稱A冰川)前沿不同年代冰緣線附近植被樣方的分析顯示, 初始階段樣方內(nèi)僅出現(xiàn)先鋒植物挪威虎耳草(), 而后植物種類和個(gè)體數(shù)明顯增多, 植被群落以木本植物極柳()和草本植物黃葶藶()為主, 地衣以寒生肉疣衣()和雞皮衣(sp.)等殼狀地衣為主; 隨著冰川跡地形成時(shí)間更長, 植被發(fā)展趨向成熟, 樣方內(nèi)極柳占絕對優(yōu)勢, 地衣的物種多樣性和蓋度顯著增加, 出現(xiàn)雪黃島衣()和刺島衣()等葉狀地衣(圖2), 顯示冰川退縮跡地上的物種更替明顯, 群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化[2]。

圖1 北極黃河站周邊植被樣方和海洋監(jiān)測點(diǎn)分布示意圖

Fig.1. Vegetation quadrat and marine monitoring sites near the Yellow River Station

圖2 冰川退縮跡地不同演替階段的維管植物和地衣組成[2]

Fig.2. Compositon of vascular plants and lichens in glacier retreat area at different succession stages[2]

圖2中, 維管植物種類有: 1—苔草(), 2—黃葶藶(), 3—仙女木(), 4—冰島蓼(), 5—米努草(), 6—長毛馬先蒿(), 7—北極早熟禾(), 8—珠芽蓼(), 9—漆姑草(), 10—極柳(), 11—零余虎耳草(), 12—叢生虎耳草(), 13—挪威虎耳草(), 14—無莖蠅子草(.); 地衣種類有: 1—蓋度合計(jì), 2—?dú)畹匾?未定種), 3—寒生肉疣衣(), 4—雞皮衣(sp.), 5—蘚生茶漬衣(), 6—橙衣(sp.), 7—臍鱗衣(sp.), 8—雪黃島衣(), 9—刺島衣()。

1.2 苔原植物花粉形態(tài)多樣性研究

運(yùn)用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對20種苔原植物的花粉形態(tài)進(jìn)行了觀察研究。這20種植物分屬十字花科、石竹科、莎草科、杜鵑花科、燈心草科、罌粟科、禾本科、蓼科、毛茛科、薔薇科、楊柳科和玄參科等12科[3-4]。研究結(jié)果表明, 這些植物的花粉包括球形、近長球形和長球形等多種形態(tài)(圖3a)。萌發(fā)孔類型有3-(-5)-溝、3-(-4)-孔溝、5-孔、遠(yuǎn)極單孔和散孔。外壁表面紋飾包括光滑、條紋－穿孔、網(wǎng)狀、微刺、粗糙、顆粒狀、顆粒－穿孔等類型[3]。而對8種虎耳草屬植物花粉形態(tài)的觀察結(jié)果表明: 花粉長球形或近長球形, 具3溝, 極軸(P)長15.4—44.4 μm, 赤道軸(E)長11.4—34.6 μm, 極軸與赤道軸比例(P/E)1.19—1.40(圖3b)。根據(jù)花粉外壁紋飾特征, 可識別出4種花粉類型: 挪威虎耳草型、零余虎耳草型、雪虎耳草型、簇狀虎耳草型。聚類分析表明虎耳草屬的花粉性狀在屬以下的分類具有一定意義[4]。

圖3 北極部分苔原植物花粉形態(tài)[3-4]. a) a—c: 北極鼠耳草, d—f: 無莖蠅子草, g—i: 蠅子草, j—l: 仙女木; b)a—f: 挪威虎耳草, g—l: 山羊臭虎耳草

Fig.3. Pollen patterns of a part of Arctic tundra plants[3-4]. a)a—c:, d—f:, g—i:, j—l:b)a—f:, g—l:

1.3 蘚類與環(huán)境研究

對2007年采集的范氏蘚()標(biāo)本的研究發(fā)現(xiàn), 該蘚類生長具有明顯的季節(jié)特征: 夏季生長的莖上具濃葉和長側(cè)枝, 而冬季生長的莖上只有疏葉并且無側(cè)枝。根據(jù)主莖在冬、夏兩季生長的長度分別是0.07 mm和0.68 mm,推測該蘚類在水體中生長年限不超過8年。該蘚類夏季生長特征能很好地反映該地區(qū)同時(shí)期的氣溫變化, 生長趨勢與氣溫變化趨勢相一致(圖4)[5]。

圖4 范氏蘚生長與氣溫對照[5]. a)范氏蘚標(biāo)本(箭頭a, c分別代表夏季生長的開始, 箭頭b代表冬季生長的開始); b)2007年5月1日至9月30日新奧爾松地區(qū)溫度變化曲線圖; c)2007年夏季范氏蘚葉(實(shí)心)和側(cè)枝(空心)生長柱形圖

Fig.4. Camparison of air temperature and growth of[5]. a) specimen of(arrows of a, b, c represent starting point of growth in summer, winter and summer ); b) air temperatures between 1st May and 30th September, 2017; c) growth of leaf (solid) and lateral branch (hollow) ofin summer 2007

1.4 淡水微藻生物量和群落變化

我國尚未開展該地區(qū)湖泊浮游微藻的直接研究。Jiang等[6]通過對湖泊沉積定年和色素組成分析表明, 近百年來在小冰期(LIA)期間微藻產(chǎn)量較低, 而～1890 AD以來(表層5 cm)藻類生長迅速, 與小冰期后的升溫相一致。生物硅含量較低, 而藍(lán)溪藻黃素乙在百年間持續(xù)增加。顯示該地區(qū)湖泊的微藻中硅藻的比例有限, 而藍(lán)綠藻的持續(xù)增加可能與人類活動(dòng)導(dǎo)致的營養(yǎng)鹽變化等有關(guān)。

2 近岸海洋環(huán)境及浮游生物群落變化特征

2.1 王灣水團(tuán)組成對營養(yǎng)鹽分布的影響

夏季王灣水體可以劃分為表層水(SW)、中層變異水(TIW)、本地變異水(TLW)和大西洋變異水(TAW)(圖5)[7], 其中TLW和TIW主要來自于前一年夏末灣內(nèi)水體。營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)隨著深度的增加逐漸變化, 逐漸由潛在的氮限制轉(zhuǎn)變?yōu)闈撛诘牧紫拗婆c硅限制[8]。200 m以深的TAW, 其營養(yǎng)鹽來源主要是大西洋水與北極水的混合, 大西洋水中氮硅比值通常在2以上, 導(dǎo)致了王灣區(qū)域氮硅比值的高值。大西洋變異水的營養(yǎng)鹽濃度相比于王灣外陸架大西洋水營養(yǎng)鹽要低許多, 表明TLW底部高值是與水體顆粒物營養(yǎng)鹽的再生有關(guān)[7]。

圖5 王灣調(diào)查站位T-S圖及其水團(tuán)劃分[7]

Fig.5. Temperature-salinity diagram and water mass division[7]

2.2 陸源輸入對王灣上層營養(yǎng)鹽分布的影響

春夏季冰川融水等淡水輸入使得王灣水域存在較強(qiáng)的層化現(xiàn)象, 而且強(qiáng)烈影響上層海洋營養(yǎng)鹽濃度與結(jié)構(gòu)。新奧爾松地表徑流水中, 湖水營養(yǎng)鹽濃度總體較低, 對王灣水體貢獻(xiàn)很小, 而冰川融水中硝酸鹽與硅酸鹽濃度較高, 其通量占淡水總輸入量的一半以上, 攜帶大量氮、硅營養(yǎng)鹽輸入灣內(nèi)。而王灣海域內(nèi)表層水(SW)營養(yǎng)鹽濃度值較低, 表層水呈現(xiàn)低氮磷的營養(yǎng)鹽特征(硝酸鹽和磷酸鹽最低值分別為0.7和0.13 μmol·L–1)[7], 平均硝酸鹽和硅酸鹽濃度均低于地表徑流水, 這部分陸源淡水輸入將影響王灣表層水營養(yǎng)鹽的平衡。

2.3 營養(yǎng)鹽分布對生物活動(dòng)的影響

觀測發(fā)現(xiàn), 夏季王灣海域存在強(qiáng)烈的層化, 使得水體垂直混合困難, 深層高濃度營養(yǎng)鹽很難輸送到上層水體(圖6); 而上層浮游植物生長對營養(yǎng)鹽的消耗, 使得表層水中氮磷營養(yǎng)鹽濃度進(jìn)一步降低。王灣表層水中氮磷比值基本低于5, 而氮硅比小于0.5, onglvaava這表明存在潛在氮限制。同時(shí)在王灣海域次表層存在硅酸鹽的低值。硅藻是王灣的主要浮游植物類群[9], 硅藻在真光層的生物生產(chǎn)大量消耗硅酸鹽。表層海水中, 陸源淡水較高的硅酸鹽輸入(約>5.0 μmol·L–1)對表層消耗的硅酸鹽有一定的補(bǔ)充, 而在次表層則硅酸鹽的消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于補(bǔ)充, 使得在次表層存在顯著的硅酸鹽低值區(qū)域。

圖6 王灣海域營養(yǎng)鹽、Chl a、N/P和N/Si比的斷面分布圖[7]

Fig.6. Transect profiles of nutrients, Chl a, N/P and N/Si ratios in Kongsfjorden[7]

2.4 王灣微型生物群落特征

浮游細(xì)菌主要包括變型菌門(α-, β-, γ-)、直桿菌門、放線菌門、疣微菌門、藍(lán)細(xì)菌門和未鑒定細(xì)菌等6大類, 表層優(yōu)勢為α-變形菌和藍(lán)細(xì)菌, 深層為γ-和α-變形菌; 而真核生物主要包括囊泡蟲類、不等鞭毛類、古蟲界和后生動(dòng)物等4大類, 其中不等鞭毛類在表層占有優(yōu)勢, 其次是后生動(dòng)物。腰鞭毛藻、硅藻和微微型青綠藻為浮游植物優(yōu)勢種[10-12]。浮游甲藻具有較高的生物多樣性[13]。沉積物真菌優(yōu)勢目為肉座菌目和酵母菌目, 常見屬為畢赤酵母屬、鐮刀霉屬、鏈格孢屬和馬拉色霉菌屬, 其中多數(shù)真菌可能來源于陸地并且內(nèi)灣和外灣存在明顯差異[14]。夏季水體內(nèi)共發(fā)現(xiàn)挪威棘口蟲()、水晶薄鈴蟲()、貧齒擬網(wǎng)紋蟲()、巨擬網(wǎng)紋蟲()、鈍笛杯蟲()、領(lǐng)細(xì)殼蟲屬種類(spp.)、細(xì)小擬鈴蟲()和擬鈴蟲屬種類(spp.)等8類砂殼纖毛蟲, 豐度為< 1 ind·L–1至2 435 ind·L–1不等[15]。

研究表明, 異養(yǎng)微型鞭毛類和細(xì)菌在夏季王灣微生物群落中起著重要作用, 浮游群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境參數(shù)的結(jié)合可以作為進(jìn)入王灣的大西洋入流水變異的一個(gè)指示[12,16-17], 多樣性和特定類群豐度均顯示陸地細(xì)菌群落對近岸海洋浮游細(xì)菌存在一定的影響[18], 因而王灣海域浮游生物群落受大西洋入流水和夏季冰川融水的雙重影響。

2.5 表層沉積物中溶解有機(jī)質(zhì)的來源與轉(zhuǎn)化歷史

對王灣表層沉積物的溶解有機(jī)質(zhì)(DOM)分析結(jié)果顯示, 受由海流和冰川相互作用引起的沉積過程差異的影響, 其組成和來源存在著高度的空間變異性[19]。在灣頂海域以新近自生源為主, 主要來自生物碳泵對顆粒有機(jī)質(zhì)輸移作用的貢獻(xiàn), 而在灣中和灣口附近則以較老的腐殖質(zhì)占優(yōu), 主要源于微型生物碳泵和生物碳泵對溶解有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化和輸移耦合作用的貢獻(xiàn)。

3 微生物群落分布與結(jié)構(gòu)特征

3.1 新屬和新種的發(fā)現(xiàn)

從北極黃河站周邊區(qū)域的海底沉積物、土壤、湖沉積物、冰川冰磧中分離發(fā)現(xiàn)了3個(gè)北極新屬:(黃河菌屬)、(適冷居冰菌屬)、(副芽殖單胞菌); 21個(gè)北極新種:(土壤黏液桿菌)、(北極科恩氏菌)、(北極土地桿菌)、(珞珈蒼黃桿菌)、(北極黃河菌)、(湖沉積碘桿菌)、(北極成對桿菌)、(北極適冷居冰菌)、(北極薄層菌)、(北極螺狀菌)、(黃河土地桿菌)、(冰土地桿菌)、(北極土生單胞菌)、(北極副芽殖單胞菌)、(北極蒼黃桿菌)、(多顆粒鞘氨醇橙色菌)、(北極玫瑰單胞菌)、(北極水桿菌)、(冷金黃桿菌)、(北極鏈霉菌)、(黃河站極桿菌)[20-39], 其中的一個(gè)新屬和兩個(gè)新種以黃河站命名。對具有特殊胞外附屬物的新種進(jìn)行了全基因組測序[40], 并對該屬的特性進(jìn)行了修訂(圖7)。

圖7 新種Pedobacter arcticus的電鏡照片(含有特殊泡狀胞外附屬物)[40]

Fig.7. Electron microscope picture of new species(some extracellularappendages occurred)[40]

3.2 微生物多樣性分析

從7種常見植物根際土壤樣品中分離獲得53株放線菌, 分別屬于8個(gè)屬, 除了優(yōu)勢菌鏈霉菌屬和節(jié)桿菌屬外, 還發(fā)現(xiàn)了紅球菌、糖絲菌、拉塞氏桿菌、微球菌、諾卡氏菌和克里貝拉等6種稀有菌[41]。而對王灣沿岸潮間帶和土壤進(jìn)行分離純化獲得真菌65株, 分屬25個(gè)屬, 其中數(shù)量多的是青霉屬, 其次為叢赤殼屬和節(jié)枝孢屬[42]; 2012年北極黃河站考察分離得到60株真菌, 分屬于4個(gè)綱15個(gè)屬, 其中數(shù)量最多的為被孢霉屬和地絲霉屬[43-44], 表明北極地區(qū)具有豐富的真菌物種多樣性。從王灣褐藻海帶樣品中分離獲得9個(gè)屬的65株細(xì)菌, 其中嗜冷桿菌屬、冷單胞菌屬和極地桿菌屬為主要菌群[45]。

對A冰川冰芯樣本構(gòu)建16S核糖體核糖核酸(16S rRNA)基因的克隆文庫, 262個(gè)克隆屬于59個(gè)種系, 歸為細(xì)菌域的10個(gè)譜系, 其中擬桿菌、放線菌、α-變形菌和藍(lán)藻最為豐富[46]。對地衣優(yōu)勢共生藻研究表明, 北極新奧爾松地區(qū)和南極喬治王島共生藻均為綠藻種——詹氏共球藻(), 因此認(rèn)為該基因型與地衣物種及采集地沒有明確的對應(yīng)關(guān)系[47]。

3.3 功能微生物研究

從王灣褐藻海帶樣品中分離獲得菌株中篩選獲得了21株分泌藻酸鹽裂解酶的菌株, 其中嗜冷桿菌屬、維諾格拉得斯基氏菌屬()、冷單胞菌屬和極地桿菌屬是首次被發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生藻酸鹽裂解酶, 有的菌株酶活性可達(dá)200 U·mL–1 [45]。而對真菌的研究中也發(fā)現(xiàn)了一些能夠產(chǎn)生β-葡萄糖苷酶轉(zhuǎn)化龍膽苦苷的青霉屬菌株[42]。另外, 從此區(qū)域海洋沉積物、湖泊沉積物及土壤中分離獲得的151株微生物中發(fā)現(xiàn)12.4%的菌株有抗菌活性, 6.2%菌株有抗腫瘤活性, 其中3株同時(shí)具有抗菌、抗腫瘤活性[48]; 從海底沉積物樣品中分離純化、馴化、篩選獲得北極3株假交替單胞菌屬耐冷石油降解菌, 能利用多種石油烴組分作為碳源生長并可降解多環(huán)芳烴, 對碳源的利用具有廣譜性[49]。研究表明, 極地蘊(yùn)藏有良好的微生物可利用資源。

3.4 微生物群落的環(huán)境相關(guān)性研究

對新奧爾松地區(qū)典型植物根際土壤微生物群落的研究顯示, 在本底水平上纖維桿菌幾乎沒有, 與南極存在明顯差異。有機(jī)碳、氮、溶解氮、磷酸鹽、硅酸鹽和pH均對山蓼根際土的影響較大(圖8), 其中硅酸鹽和pH是負(fù)影響, 說明蓼科植物喜歡生長在土壤有機(jī)質(zhì)豐富的環(huán)境。而其他植物根際土菌群結(jié)構(gòu)受pH的影響較小[44]。而對土壤真菌的分析表明, pH是影響群落結(jié)構(gòu)最主要的環(huán)境因子, pH為8—9、7—8和6—7的土壤中優(yōu)勢目分別為瓶口衣目(Verrucariales)、糞殼菌目(Sordariales)和粉口衣目(Coniochae-tales)[50]。

圖8 各樣品與理化因子的主成分分析[44]. soil_1—soil_3:北極柳根際土; soil_4—soil_6:發(fā)草根際土; soil_7—soil_9:蓼科植物根際土; soil_10—soil_12:本底水平

Fig.8. Principal Component Analysis of samples and environmental variables[44]. soil_1—soil_3: soil near root of; soil_4—soil_6: soil near root ofsp.; soil_7—soil_9:soil near root ofsp.; soil_10—soil_12:soil of background

4 北極微藻的環(huán)境適應(yīng)性研究

4.1 對溫度變化的生理適應(yīng)性研究

對分離自該地區(qū)的1種硅藻(瑪氏骨條藻)和2種綠藻(小球藻和衣藻)的實(shí)驗(yàn)研究表明, 微藻對不同溫度(0℃、4℃和8℃)的適應(yīng)性因種而異, 瑪氏骨條藻在4℃具有最快生長速率, 小球藻是8℃, 而衣藻生長情況相差不大, 總體而言3種藻對3個(gè)溫度均有較好的適應(yīng)性[51-52]。胡蘿卜素(Caro)和葉綠素c分別與瑪氏骨條藻在4℃和0℃下高細(xì)胞活性和初級生產(chǎn)力正相關(guān); 而葉綠素a(Chl a)對小球藻3個(gè)培養(yǎng)溫度下的細(xì)胞活性均具有積極效應(yīng), Caro在0℃下表現(xiàn)為較高的正效應(yīng)[53]。對甲藻冰川極地藻()的梯度溫度培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)顯示, 4℃環(huán)境下藻細(xì)胞內(nèi)生長指示蛋白—— 二磷酸核酮糖氧合酶/羧化酶(Rubisco)的表達(dá)量基本恒定, 而溫度上升至15℃、20℃時(shí)藻株則處于脅迫狀態(tài)[54]。表明極地微藻在一定的溫度范圍內(nèi)(如8℃以下)均有較好的適應(yīng)性。

4.2 北極微藻對光照的生理適應(yīng)性及熒光特性研究

利用流式細(xì)胞術(shù)(FCM)、全熒光光譜法和脈沖調(diào)制法(PAM)對兩種北冰洋微藻: 柔弱偽菱形和海鏈藻的研究顯示, 柔弱偽菱形藻的豐度、基礎(chǔ)熒光(F0)、光合系統(tǒng)II(PS II)光化學(xué)的有效量子產(chǎn)量(Φ PS II)及光合電子傳遞效率(ETR)均高于海鏈藻的相應(yīng)值[55-56]。光應(yīng)芝等[57]利用PAM對10種極地微藻的葉綠素?zé)晒夥治鲲@示, PS II潛在活性值v/0值大小順序?yàn)楹ｆ溤?金色藻>短孢角毛藻>衣藻>柔弱偽菱形藻>北極異帽藻>四棘藻>塔胞藻。其中短孢角毛藻、四棘藻和海鏈藻的非光化學(xué)淬滅(NPQ)值均大于2.0, 表明其光保護(hù)能力較強(qiáng)。崔世開(Cui)等[58-59]開展的浮游植物群落低光照/低鹽度適應(yīng)性現(xiàn)場培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示, 浮游植物具有較強(qiáng)的暗適應(yīng)能力, 并在提供光源后能恢復(fù)生長。

4.3 微藻對紫外輻射的生理適應(yīng)性研究

彭小偉等[60]對分離自北極冰川融水的淡水微藻——小球藻(sp)的研究顯示, 在低強(qiáng)度紫外線B(UVB)輻射下(45 μW·cm–2), Chl a和Caro含量先升后降, 且在4 h時(shí)有最大值; 高強(qiáng)度UVB輻射下(76 μW·cm–2), Chl a和Caro含量隨輻射時(shí)間延長基本呈下降趨勢; 而超氧陰離子和丙二醛(MDA)含量基本隨輻照時(shí)間的延長和輻照強(qiáng)度的增大而提高, 表明UVB輻射、尤其是高強(qiáng)度UVB輻射會(huì)對北極冰川微藻帶來不利的影響。

5 污染物分布及人類活動(dòng)影響

5.1 重金屬

夏重歡和謝周清[61]對湖泊沉積的分析表明, 沉積物表層5 cm汞(Hg)、硒(Se)、鎘(Cd)等重金屬的污染主要源于20世紀(jì)該地區(qū)的煤炭開采, 5 cm以下部分則屬于自然沉積; 而湖泊藻類的吸收和沉降是導(dǎo)致表層出現(xiàn)峰值的一個(gè)重要因素[62]。姜珊等[63]對含有苔蘚植物殘?bào)w沉積剖面的分析顯示, 工業(yè)革命以來Hg含量明顯上升, 人類污染的比例由30%上升至表層的90%, 而當(dāng)?shù)豀g的輸入主要來源于遠(yuǎn)距離大氣輸送。袁林喜等[64]和Wang等[65]對3種苔原植物的分析表明, 該地區(qū)苔蘚體內(nèi)污染水平顯著低于鄰近的北歐等工業(yè)區(qū), 但采礦過程導(dǎo)致Hg、Cd和硫(S)污染嚴(yán)重。對王灣表層沉積物中重金屬的分析表明, 除了鋅(Zn)外, 其他重金屬元素含量均明顯低于全球頁巖均值, 整體而言研究區(qū)域中重金屬元素屬于無污染水平[66]。Lu等[67]的研究顯示, Hg存在一定程度的人類污染, 而鉛(Pb), 鋅(Zn)和Cd人類污染則很有限; 而Hao等[68]對土壤的研究則顯示, Pb、Cr、Cd、Hg含量受人類活動(dòng)的影響明顯?？傮w而言, 該地區(qū)重金屬污染程度較低, 污染主要源于大氣傳輸, 而開礦等人類活動(dòng)對礦區(qū)重金屬濃度有一定的影響。

5.2 持久性有機(jī)污染物(POPs)

5.2.1 多氯聯(lián)苯(PCBs)

對北極新奧爾松地區(qū)地表沉積物、苔蘚和動(dòng)物糞便的分析表明, PCBs的濃度范圍在0.20—3.25 ng·g–1(平均0.84 ng·g–1)。PCBs主要由四氯、五氯和六氯代PCBs同類物組成, 分別占總量的23.8%、26.7%和32.3%。大氣傳輸是新奧爾松地區(qū)環(huán)境中PCBs污染來源的主要途徑之一[69-70]。氯苯-11(CB-11)在PCBs中占優(yōu)優(yōu)勢, 植被中生物積累因子<1[71]。對手性PCBs的研究表明, 手性CB-195, -136和-149在所有樣品中均有檢出; CB- 174和CB- 183在除鹿糞之外的樣品中均有檢出; CB-176在大多數(shù)樣品中有檢出。CB-95的對映體分?jǐn)?shù)值(EFs)值均顯著小于理論值0.5, 而其他手性PCBs均在0.5上下浮動(dòng)(圖9)。土壤中微生物作用以及植物的選擇性吸收可能會(huì)對不同介質(zhì)中的組成產(chǎn)生影響。

5.2.2 有機(jī)氯農(nóng)藥(OCPs)

對土壤、苔蘚和動(dòng)物糞便等介質(zhì)的分析顯示, OCPs能被普遍檢出, 平均濃度的大小分別為5.01、6.72和5.12 ng·g–1(dw)。六氯環(huán)己烷(HCHs)和滴滴涕(DDTs)為主要污染物, 平均濃度分別為2.24 ng·g–1和0.55 ng·g–1, 其中HCHs主要以α-HCH和β-HCHs兩種異構(gòu)體為主, 占HCHs總量的81.6%, 而DDTs的殘留主要以pp’-DDD為主[70,72]。Jiao等[73]分析了6個(gè)湖泊沉積物和海邊沉積物中有機(jī)氯農(nóng)藥的污染水平, 結(jié)果表明沉積物中HCHs、DDTs均可檢出, 其濃度分別為0.21—7.0 ng·g–1(dw)、0.07—5.9 ng·g–1(dw); α/γ HCH>1的比值表明該地區(qū)可能存在新污染源的輸送, 即林丹的使用。

圖9 北極樣品中不同手性PCBs的EFs值(紅線代表外消旋混合物的理論EFs值0.5)

Fig.9. EFs of different chiral PCBs in Arctic samples

5.2.3 多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)

土壤、植物及鹿糞中PBDEs的濃度比PCBs低一個(gè)數(shù)量級, 其濃度范圍分別為1.7—416、36.7—495以及28.1—104 pg·g–1(dw)[71]。PBDEs中BDE-47濃度最高, 其次為BDE-99, BDE-183和BDE-154。而Wang等[74]的分析顯示, 土壤、苔蘚和鹿糞中的PBDEs平均濃度分別為42、122和72 pg·g–1(dw), 其理化特性是表征PBDEs在不同介質(zhì)中分布的合適參數(shù)。對6個(gè)湖泊沉積物和海邊沉積物中PBDEs的分析表明, 其濃度水平很低(0.024—0.97 ng·g–1(dw)), 湖中沉積物的PBDEs濃度高于海邊沉積物; BDE-47在所有沉積物樣品中均為最主要的檢出單體, 低溴代的BDE-3、7、17、28也是濃度較高的單體, 而BDE- 209則均未檢出[73]。

5.2.4 多環(huán)芳烴(PAHs)

對土壤、苔蘚和鹿糞樣品PAHs的分析表明, 土壤中低環(huán)PAHs(萘、苊、苊烯和芴)的比例較小, 而在苔鮮和鹿糞中的比例較大, 與之相反, 中環(huán)和大環(huán)PAHs在土壤中的比例較大。土壤中的PAHs主要來自顆粒物的干濕沉降, 苔鮮中PAHs主要來自氣態(tài)PAHs[72]; 上述3個(gè)環(huán)境相中PAHs以2、3環(huán)為主, 5、6環(huán)PAHs含量相對較低, PAHs個(gè)體的物理化學(xué)性質(zhì)可用于表征其在土壤、苔蘚和鹿糞中的分布規(guī)律[75]。而湖泊和海邊沉積物中PAHs的濃度濃度范圍為11—1 100 ng·g–1(dw), 距離煤礦較近的點(diǎn)位PAHs的含量偏高, 海邊沉積物中PAHs的濃度低于湖泊沉積物中的濃度。萘和菲是所有沉積物樣品中最主要的PAHs同類物[73]。

5.2.5 得克隆類物質(zhì)(Decs)

大氣中ΣDecs含量為3.638—24.692 pg·m–3(均值10.920 pg·m–3), 高于南極大氣中的含量(0.98—23.9 pg·m–3, 均值6.9 pg·m–3); 苔蘚中ΣDecs的濃度水平為0.2—3.7 pg·g–1(均值為1.7 pg·g–1),其中得克隆(Dechloraneplus, DP)的兩種異構(gòu)體(順式syn-和反式anti-)檢出率為100%, Dec 603和Dec 604的檢出率分別為25%和87%; 王灣表層海水中ΣDecs的濃度范圍是69—303 pg·L–1, Dec 602、Dec 604、syn-DP和anti-DP檢出率為100%; 王灣表層沉積物中ΣDecs的濃度范圍為116—885 pg·g–1, DP兩種異構(gòu)體普遍檢出, 濃度均值為270和73 pg·g–1。表層海水和沉積物中ΣDecs分布表現(xiàn)出灣口高于灣內(nèi), 冰川融水的稀釋作用是其主要成因。通過各環(huán)境介質(zhì)中syn-DP和anti-DP比值分析, 大氣遠(yuǎn)距離傳輸和動(dòng)物遷徙是該區(qū)域Decs的主要來源[76]。

6 北極環(huán)境與鳥類群落的歷史變遷

6.1 9 400年前:海鳥登陸北極新奧爾松

2004年7月, 在一個(gè)一級海岸階地發(fā)現(xiàn)一處早期的頂蓋已被侵蝕的海蝕凹槽, 采集到厚約118 cm的沉積物, 其中還夾雜著大量貝殼殘?bào)w和一些礫石。經(jīng)分析其中的總有機(jī)碳(TOC)、總氮(TN)、d13C、d15N, 結(jié)合加速器質(zhì)譜定年方法(AMS14C), 準(zhǔn)確識別出沉積物中的有機(jī)質(zhì)主要是通過海鳥的捕食和排泄等生物地球化學(xué)過程將海洋源的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)移到該海蝕凹槽中沉積下來的(圖10)。進(jìn)一步, 對來自于凹槽沉積物底部的兩個(gè)貝殼殘片的放射性14C年齡分別為9 820±50和9 795±25 a BP, 經(jīng)過海洋儲庫校正(440 a)的年齡分別為9 380±50和9 355±25 a BP。據(jù)此可以推斷, 海鳥早在距今9 400年就已經(jīng)登陸并生活繁衍[77-80], 這是對北極新奧爾松全新世海鳥登陸確切時(shí)間的首次報(bào)道。

圖10 北極不同營養(yǎng)級海洋生物的氮同位素值的變化范圍

Fig.10. Nitrogen isotope ranges of different Arctic trophic level marine organisms

6.2 9 400年前: “后天”在北極上演

對其中70—118 cm層位的貝殼殘?bào)w采用AMS14C定年法來測定這些貝殼的死亡年齡, 8個(gè)挑選出的貝殼殘?bào)w的儲庫校正年齡為距今9 350—9 450年, 平均年齡為約距今9 400年。在δ18Oaragonite-PDB- δ18Owater-VSMOW和溫度等值線的圖解中, 得到凹槽中貝殼表示的古溫度范圍為－0.52—4.78℃, 總體而言比現(xiàn)代環(huán)境水體溫度高出約1℃。這樣愜意安詳?shù)暮Ｑ蟓h(huán)境是怎樣被打破的呢？研究顯示在早全新世暖期(距今11 000—9 000年), 北極地區(qū)出現(xiàn)了一次較為明顯的突然降溫事件, 時(shí)間發(fā)生在距今9 400年, 持續(xù)時(shí)間約100年左右, 但是降溫幅度達(dá)約2℃。這次突然而快速的降溫事件, 重創(chuàng)了北極生態(tài)系統(tǒng), 導(dǎo)致淺水嗜溫貝類海螂()的大量突然死亡。這個(gè)家族盛極而衰, 元?dú)獯髠? 歷經(jīng)9 400年, 仍未能走出災(zāi)難的陰影[80-81]。

6.3 9 400—1 800年前: “后天”之后的海鳥繁榮史

對海蝕凹槽沉積物的70—118 cm層位的化學(xué)元素、TOC、TN以及碳、氮同位素的綜合分析, 重建了9 355—1 860 a BP的海鳥數(shù)量變化曲線(圖11)。海鳥自距今9 400年登陸新奧爾松至距今1 860年期間, 其種群數(shù)量經(jīng)歷了2個(gè)主要階段: (1)登陸之初, 海鳥種群數(shù)量逐漸增長, 在距今7 650年左右達(dá)到最大種群數(shù)量; (2)隨后的5 800年時(shí)間里, 海鳥種群數(shù)量經(jīng)歷了3次劇烈波動(dòng): 7 650—6 280 a BP、6 280—4 580 a BP、4 580—2 540 a BP。將海鳥種群數(shù)量變化與斯瓦爾巴群島西海岸的海表面溫度(SST)、北大西洋冰筏事件強(qiáng)度變化、表征灣流強(qiáng)度的深海沉積物冰島玻璃含量對比發(fā)現(xiàn)(圖11), 海鳥種群數(shù)量與SST的關(guān)系并不明顯, 但與北大西洋冰筏事件強(qiáng)度變化具有顯著的同步性, 尤其與表征高爾夫?yàn)沉鲝?qiáng)度的深海沉積物冰島玻璃含量具有顯著的相關(guān)性。由此可以推測, SST并不是新奧爾松海鳥生態(tài)的顯著性限制因素, 北大西洋氣候, 尤其是高爾夫?yàn)沉鞯淖兓瘯?huì)對海鳥生態(tài)形成決定性的影響。

6.4 1 900 AD: “后天”再次來襲

對10—70 cm層中的礫石形態(tài)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn), 在該層位中, 礫石表面有明顯的擦痕, 很可能是冰川作用的結(jié)果。結(jié)合巖性特征、粒徑特征, 推斷10—70 cm層的礫石堆積可能是冰磧物。年代學(xué)分析顯示, 這些礫石堆積是發(fā)生在1 550—1 920 AD期間的北極小冰期冰進(jìn)形成的。這表明北極小冰期冰進(jìn)明顯, 到達(dá)了現(xiàn)在西海岸的邊緣, 也很可能是這次小冰期的冰進(jìn)破壞了海蝕凹槽中沉積的貝殼鳥糞層, 致使1 860 a BP到小冰期開始之間的貝殼鳥糞沉積缺失。

6.5 1900 AD至今: 人類拓荒北極的蛛絲馬跡

對北極新奧爾松的煤、煤矸石、土壤、苔蘚中的銻(Sb)分布特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究, 發(fā)現(xiàn)新奧爾松地區(qū)煤和煤矸石樣品中Sb的含量很低, 平均值僅為0.1 mg·kg–1, 這不僅遠(yuǎn)低于世界其他許多地區(qū)的煤和煤矸石中的水平, 也低于當(dāng)?shù)乇韺油寥乐械腟b水平(0.313 mg·kg–1), 因此過去礦區(qū)開采等人類活動(dòng)不會(huì)對當(dāng)?shù)厝祟惢蚱渌矬w產(chǎn)生毒害作用。不同于Sb在土壤中的分布特征, 苔蘚中Sb含量(0.108 mg·kg–1)受地勢、風(fēng)向等自然因素的影響更為顯著。由于苔蘚對Sb的吸收主要源于大氣, 且表現(xiàn)出一定程度上的生物累積作用, 因而相對于表層土壤而言, 苔蘚對于歷時(shí)更久的Sb污染源的反映更敏感。苔蘚對低Sb地區(qū)的污染監(jiān)測而言, 有很大的應(yīng)用前景[82]。

圖11 新奧爾松9 355—1 860 a BP期間的海鳥種群數(shù)量變化與斯瓦爾巴群島西部海平面平均溫度、北大西洋深海沉積物中的冰島玻璃質(zhì)含量和赤鐵礦沾染顆粒物含量變化的比較

Fig.11. Comparison of bird abudances in New-?lesund during 9 355—1 860 a BP with SST, Icelandic glass and hematite-stained grain

7 展望與結(jié)語

通過十多年的北極黃河站生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與研究, 我國已在北極新奧爾松地區(qū)建立了一條王灣海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測斷面和11個(gè)陸地植被監(jiān)測樣方, 對土壤、植被、湖泊、冰川(冰川融水)、海洋、沉積物等開展了一系列的研究, 取得了一批較好的研究成果, 加深了對北極生態(tài)環(huán)境及變化特征的了解。但該地區(qū)的考察與研究也存在較大的挑戰(zhàn), 一是由于黃河站所在的新奧爾松地區(qū)聚集了挪威、德國、英國、法國、意大利、日本、韓國和印度等其他國家的考察站, 在有限的區(qū)域內(nèi)開展考察, 在考察內(nèi)容上難免會(huì)有所重疊, 二是我們在黃河站每年的考察人次有限, 因而很難有機(jī)會(huì)開展一些較為深入的如季節(jié)變化研究。為了能進(jìn)一步突出我國在該地區(qū)的特色, 在未來的監(jiān)測與研究方面, 一是要堅(jiān)持監(jiān)測斷面和樣方的長期監(jiān)測, 進(jìn)一步掌握生物群落的變化趨勢, 開展生態(tài)系統(tǒng)氣候變化響應(yīng)的研究; 二是要逐步把我國的冰川監(jiān)測、樣方監(jiān)測和海洋監(jiān)測逐步融合成一個(gè)斷面, 開展大氣-冰雪-陸地-海洋綜合監(jiān)測, 揭示相互作用, 形成我國在該地區(qū)的研究特色; 三是鑒于環(huán)境和環(huán)境變化的相似性, 黃河站的監(jiān)測與研究可以與我國南極長城站的監(jiān)測相結(jié)合, 開展南、北極生態(tài)環(huán)境的對比研究, 進(jìn)一步推進(jìn)我國極地站基生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與研究的發(fā)展; 四是鼓勵(lì)把我國在黃河站所做的工作分別納入旗艦計(jì)劃的相關(guān)內(nèi)容, 確?？疾煅芯颗c國際上同步。

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THE PROGRESS OF ECOSYSTEM AND ENVIRONMENT STUDIES NEAR CHINESE ARCTIC YELLOW RIVER STATION

He Jianfeng1,Li Chengsen2, Yao Yifeng2, Peng Fang3, Wang Nengfei4, Jin Haiyan5, Zhang Fang1, Ma Yuxin6, Zhang Qinhua7, Na Guangshui8, Sun Liguang9, Yuan Linxi9, Jia Nan9

(1SOA Key Laboratory for Polar Science, Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China;2Institute of Botany, The Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China;3Wuhan University, Wuhan 430072, China;4The First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China;5The Second Institute of Oceanography, SOA, Hanzhou 310012, China;6Shanghai Ocean University, Shanghai 200433, China;7Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;8National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 110023, China;9University of Science and Technology of China, Hefei 230022, China;)

The Chinese Yellow River Station in Ny-?lesund, Arctic Svalbard, is an ideal area for monitoring and studying the response of ecosystems to global change. Since its foundation in 2004, Chinese scientists have established a marine transect in Kongsfjorden and 11 terrestrial vegetation quadrats for monitoring, and projects on pollution and bird population evolution. Key research findings include: (1) species replacement is obvious in areas of glacial retreat, with mosses likewell reflecting variations in air temperature at the same period; (2) Bacterial strains have been isolated and 3 new genus and 21 new species have been discovered; (3) Kongsfjorden nanoplankton diversity is high, and during summer limited by surface-water nitrogen levels; (4) microalgae is highly adapted to temperature, and, by self-regulation, capable of adapting to environmental change; (5) tundra plants accumulate heavy metals, with atmospheric transmission the main pathway for persistent organic pollutant (POPs) population; and (6) since arriving in Ny-?lesund 9 400 years ago, bird abundance has fluctuated with the maximum arriving 7 650 year ago. In the coming decades, the monitoring of marine transect and vegetaion quadrats shouldcontinue in order to know the trandency of population variations; meanwhile, combine the monitoring of atmosphere, glacier, plants and marine, carry out the study on atmosphere-ice-land-marine interation and form unique research feature.

Arctic, Yellow River Station, ecosystem, environment, study progress

2016年9月收到來稿, 2017年12月收到修改稿

南北極環(huán)境綜合考察與評價(jià)專項(xiàng)(CHINARE2016-02-01, CHINARE2016-03-05)和國家自然科學(xué)基金(41476168)資助

何劍鋒, 男, 1968年生。研究員, 主要從事極地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與研究。E-mail: hejianfeng@pric.org.cn

10. 13679/j. jdyj. 20160048