利用2015年至2024年间基于船舶的高频分光光度测量数据，解析弗拉姆海峡浮游植物群落组成的年际变化

《Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography》：Resolving the interannual variability of phytoplankton community composition in Fram Strait using ship-based high-frequency spectrophotometric measurements from 2015 to 2024

北极 Fram Strait 海域海冰变化与物理环境对浮游植物群落的影响分析，2015-2024年基于HPLC和船载光谱仪的高分辨率数据，发现硅藻、甲藻、绿藻比例随水温及海冰厚度年际变化，并揭示与气候变暖的关联。

　　在北极地区，全球变暖的速度比其他地区快四倍以上。这种变暖导致季节性海冰覆盖范围和厚度的显著下降，以及大西洋水向北扩展的范围。弗拉姆海峡是北极洋唯一的深水通道，西斯匹茨卑尔根洋流将大西洋水向北输送，而东格陵兰洋流则将极地水向南输送。这一区域的海洋环境高度动态，特别是在这两股洋流之间的中央弗拉姆海峡，其混合水与半永久性的海冰边缘以及边缘冰区（MIZ）中观测到的大水平密度梯度共同作用，促进了次中尺度特征的形成。长期的高空间分辨率的浮游植物分布和群落组成数据有助于评估这些物理变化对弗拉姆海峡表层水体生物过程的影响。本研究探讨了海冰条件和物理水文属性变化对整个浮游植物群落的叶绿素a（Chl-a）浓度以及主要浮游植物群（PGs）的贡献。我们扩展了以前收集的总Chl-a（TChl-a）和PG Chl-a数据集，这些数据集来源于高效液相色谱法（HPLC）和高频率的船上光谱吸收数据，以包括2019年至2024年间的五次东格陵兰海科考行动。我们采用已建立的方法，从高光谱数据中提取基础信息，以实现更高空间分辨率的TChl-a和PG Chl-a的提取。交叉验证和独立验证确认了我们2015年至2024年的数据集的稳健性。我们分析了基于八次科考行动的船载高空间分辨率（约300米）的连续时间序列数据，这些数据沿着科考航线采集。我们观察到，硅藻和甲藻，作为海洋生态系统的关键功能群，与绿藻一起构成了大部分浮游植物群落。我们识别出春季浮游植物群落组成的转变，这种转变与不同年份的海冰厚度条件密切相关。在西斯匹茨卑尔根洋流中，近年来（2022年和2024年）的中夏季TChl-a和甲藻对浮游植物群落的贡献显著低于之前的温暖年份（2015年至2017年）。我们建议在未来继续进行船上光谱测量，并将这些长期的高空间分辨率浮游植物群落组成数据与卫星测量相结合，以追踪全球变暖对北极洋主要初级生产者的物理环境变化的影响。

北极地区的气候变化对海洋生态系统的影响尤为显著，这是由于北极地区的大气变暖速率远高于全球平均水平。这一现象被称为北极放大（Arctic Amplification），主要由海冰减少等反馈机制引起，这些机制增强了热量吸收，并改变了大气和海洋的热量输送。这些相互作用的气候系统放大了区域变暖，并对表层海洋产生了强烈影响，包括垂直热通量变化和海洋分层对海洋生物地球化学过程和生态系统动态的影响。研究浮游植物的生物地球化学和生态功能，如硅化、钙化、固氮、聚集和下沉速率、脂质生产和能量传递等，对于理解这些变化至关重要。浮游植物群落结构对这些生物地球化学过程具有重要影响，因此，分析和理解浮游植物初级生产力和多样性对水体性质变化的响应，需要长期的观测数据，这些数据可以同时解析中尺度和次中尺度的水文变化，从而评估长期趋势和年度间变化。

卫星观测的总叶绿素a（TChl-a）数据，近年来通过全球范围的浮游植物群落叶绿素a（PG Chl-a）数据集的改进，成为研究长期浮游植物动态的合适数据集。然而，由于云层、雾气和海冰的存在，卫星TChl-a数据在北极洋的空间和时间覆盖和分辨率存在局限，主要限制在解析中尺度特征。此外，标准的海洋颜色算法可能不足以处理北极洋内部的生物光学异质性，尤其是需要与大量现场观测数据进行验证、改进和补充。HPLC技术可以准确测量TChl-a和主要PG的叶绿素a，因此自2009年以来，这种方法一直与标准荧光法TChl-a时间序列和基于宏条形码的真核微生物多样性评估相结合。这些数据集提供了更广泛的浮游植物色素信息，并可用于估算PG对TChl-a的贡献。然而，该数据集仅基于在东格陵兰洋流和西斯匹茨卑尔根洋流以及弗拉姆海峡南北的代表性站点收集的离散水样。自2015年起，HG HPLC样本测量得到了从船上流过光谱测量数据中获得的颗粒吸收光谱数据的补充。这些数据有助于更准确地识别浮游植物群落组成，并估算PG对TChl-a的贡献。

为了更好地理解海冰条件和海洋物理性质变化对TChl-a和PG Chl-a的影响，我们扩展了之前2015年至2017年科考行动的TChl-a和PG Chl-a数据集，将其纳入2019年至2024年的五次东格陵兰海科考行动。我们的目标是通过调整以前的提取方法，从船上轨迹中提取高空间分辨率的浮游植物信息。我们使用交叉验证和与独立HPLC数据集的比较来评估提取误差，并通过最终的稳健高空间分辨率数据集，研究了过去十年浮游植物的季节性和年度间变化。我们评估了弗拉姆海峡不同区域（东格陵兰洋流、西斯匹茨卑尔根洋流和中央弗拉姆海峡）以及不同水体（大西洋水、混合水和极地水）之间的差异。我们提出了关于浮游植物群落组成和其对物理环境变化响应的三个研究问题，并通过与其他研究的比较进行解答。

在方法部分，我们详细描述了数据集和方法。研究区域包括东格陵兰海，我们使用了八次科考行动的数据，时间从2015年到2024年。我们还定义了三个区域：东格陵兰洋流（EGC）、中央弗拉姆海峡（FS）和西斯匹茨卑尔根洋流（WSC）。我们使用了高分辨率的光谱数据和HPLC测量数据，并结合了多种分析方法，包括交叉验证和独立验证，以确保数据集的稳健性。此外，我们还分析了水体的温度和盐度，以分类水体并进行后续分析。

在结果与讨论部分，我们展示了通过船上光谱测量得到的浮游植物Chl-a数据集的质量评估，以及通过交叉验证和独立验证评估的PG Chl-a数据集的质量。我们发现，尽管不同科考行动的回归系数A和B存在差异，但这些系数在季节变化时表现出一定的相似性。交叉验证统计结果显示，对于硅藻、甲藻和绿藻等主要PG，模型的预测能力较高，而其他PG如金藻和甲藻则表现较差。这些结果表明，使用EOF模型预测浮游植物群落组成是可行的，但需要进一步优化以提高预测精度。

我们还分析了2015年至2024年间，HG区域的高分辨率PG和TChl-a数据，以了解浮游植物群落的季节性和年度间变化。在春季，我们观察到TChl-a的峰值，这些峰值主要出现在西斯匹茨卑尔根洋流和中央弗拉姆海峡。硅藻在春季浮游植物群落中占据主导地位，而甲藻和绿藻的贡献则随着季节的变化而有所不同。在夏季，TChl-a的分布模式和群落组成表现出明显的区域差异。这些结果与之前的卫星数据和现场观测数据相吻合，进一步支持了我们对浮游植物群落变化的分析。

研究还发现，不同年份的海冰厚度和其融化与形成对北极洋水体分层和浮游植物生长的影响显著。例如，在2023年，由于海冰浓度较高，浮游植物在大西洋水主导的表层水体中表现活跃，而在2021年，由于海冰浓度较低，浮游植物的生长可能已经达到了高峰。此外，我们还发现，从2019年起，硅藻的贡献逐渐增加，而甲藻的贡献则有所减少，这可能与大西洋水的温度变化有关。这些变化对北极生态系统的初级生产力和生物地球化学过程产生了深远的影响。

总体而言，我们的研究揭示了北极洋浮游植物群落对物理环境变化的响应，以及这些变化对海洋生态系统的影响。通过长期的高空间分辨率数据集，我们能够更全面地理解浮游植物的季节性和年度间变化，并为未来的监测和研究提供基础。此外，我们的研究也强调了将现场数据与卫星数据结合的重要性，以提高对海洋生态系统变化的监测能力。这些发现为理解北极地区对全球变暖的响应提供了重要的科学依据，并为未来的生态和生物地球化学研究提供了参考。