Mô hình phương trình cấu trúc về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đối với sự phát triển của thực vật phù du mùa hè ở Biển Ross

Springer Science and Business Media LLC - Tập 40 - Trang 291-299 - 2016
Anna F. Mosby1, Walker O. Smith1
1Virginia Institute of Marine Science, College of William & Mary, Gloucester Pt., USA

Tóm tắt

Biển Ross là một khu vực có năng suất rất cao của đại dương phía Nam, và sự phát triển phytoplankton ròng thay đổi theo mùa, dao động từ không tới gần mức tối đa bị giới hạn bởi nhiệt độ. Với việc sự biến đổi trong sự phát triển có thể xảy ra từ một số yếu tố (chẳng hạn như độ chiếu sáng và nồng độ sắt), sự biến đổi trong tỷ lệ tăng trưởng ròng đã được điều tra bằng cách sử dụng mô hình phương trình cấu trúc (SEM) và dữ liệu thu thập được trong chuyến khảo sát từ tháng 1 đến tháng 2 năm 2012 tại Biển Ross. Mô hình phương trình cấu trúc cho thấy rằng tỷ lệ tăng trưởng vào mùa hè bị ảnh hưởng đáng kể bởi nồng độ sắt và mức độ carbon hữu cơ hạt (POC), trong đó cái sau có khả năng cao đã góp phần vào sự thiếu hụt sắt theo mùa của phytoplankton. Ngược lại, tỷ lệ tăng trưởng không thay đổi mạnh với độ sâu lớp nước trộn (và do đó là độ chiếu sáng). SEM cho thấy rằng nếu nồng độ sắt được tăng thêm 1.0 độ lệch chuẩn (khoảng 0.12 nM), tỷ lệ tăng trưởng mùa hè sẽ tăng lên 0.5 độ lệch chuẩn (khoảng 0.07 ngày−1). Tương tự, nếu POC (một thước đo sinh khối phytoplankton trong khu vực này) được tăng thêm 1.0 độ lệch chuẩn (từ 23.0 đến 39.4 µmol L−1), tỷ lệ tăng trưởng sẽ giảm 0.31 độ lệch chuẩn (~0.04 ngày−1), điều mà chúng tôi suy đoán có thể là do sự giới hạn sắt gia tăng thông qua việc hấp thụ tổng thể sắt được tăng cường. Bài tập mô hình này xác nhận vai trò chính của sắt trong việc điều tiết tỷ lệ phytoplankton mùa hè trên thềm lục địa của Biển Ross.

Từ khóa

#Biển Ross #thực vật phù du #mô hình phương trình cấu trúc #nồng độ sắt #carbon hữu cơ hạt.

Tài liệu tham khảo

Anderson JC, Gerbing DW (1988) Structural equation modeling in practice: a review and recommended two-step approach. Psych Bull 103:411–423 Arrigo KR, Robinson DH, Worthen DL, Dunbar RB, DiTullio GR, VanWoert M, Lizotte MP (1999) Phytoplankton community structure and the drawdown of nutrients and CO2 in the Southern Ocean. Science 283:365–367 Arrigo KR, Dunbar RB, Lizotte MP, Robinson DH (2002) Taxon-specific differences in C/P and N/P drawdown for phytoplankton in the Ross Sea. Geophys Res Lett, Antarctica. doi:10.1029/2002GL015277 Arrigo KR, Worthen DL, Robinson DH (2003) A coupled ocean-ecosystem model of the Ross Sea: 2. Iron regulation of phytoplankton taxonomic variability and primary production. J Geophys Res 08:3231. doi:10.1029/2001JC000856 Arrigo KR, van Djiken G, Long M (2008a) Coastal Southern Ocean: a strong anthropogenic CO2 sink. Geophys Res Lett 35:L21602. doi:10.1029/2008GL035624 Arrigo KR, van Djiken G, Bushinsky S (2008b) Primary production in the Southern Ocean, 1997–2006. J Geophys Res 113:CO8004. doi:10.1029/20007JC004551 Blake RE, Duffy JE (2012) Changes in biodiversity and environmental stressors influence community structure of an experimental eelgrass Zostera marina system. Mar Ecol Prog Ser 470:41–54 Boyd PW, Abraham ER (2001) Iron-mediated changes in phytoplankton photosynthetic competence during SOIREE. Deep-Sea Res II 48:2529–2550 Boyd PW, Law CS, Hutchins DA, Abraham ER, Croot PL, Ellwood M, Frew RD, Hadfield M, Hall J, Handy S, Hare C, Higgins J, Hill P, Hunter KA, LeBlanc K, Maldonado MT, McKay RC, Mioni C, Oliver M, Pickmere S, Pinkerton M, Safi K, Sander S, Sanudo-Wilhelmy SA, Smith M, Strzepek R, Tovar-Sanchez A, Wilhelm SW (2005) Fe Cycle: attempting an iron biogeochemical budget from a mesoscale SF6 tracer experiment in unperturbed low iron waters. Glob Biogeochem Cycles. doi:10.1029/2005GB002494 Boyd PW, Rynearson TA, Armstrong EA, Fu F, Hayashi K, Hu Z, Hutchins DA, Kudela RM, Litchman E, Mulholland MR, Passow U, Strzepek RF, Wittaker KA, Yu E, Thomas MK (2013) Marine phytoplankton temperature versus growth responses from polar to tropical waters—outcome of a scientific community-wide study. PLoS One 8:e63091. doi:10.1371/journal.pone.0063091 Brewer TD, Cinner JE, Fisher R, Green A, Wilson SK (2012) Market access, population density, and socioeconomic development explain diversity and functional group biomass of coral reef fish assemblages. Glob Environ Change 22:399–406 Dennett MR, Mathot S, Caron DA, Smith WO Jr, Lonsdale D (2001) Abundance and distribution of phototrophic and heterotrophic nano- and microplankton in the southern Ross Sea. Deep-Sea Res II 48:4019–4038 DiTullio GR, Smith WO Jr (1996) Spatial patterns in phytoplankton biomass and pigment distributions in the Ross Sea. J Geophys Res 101:18467–18478 Eppley RW (1968) An incubation method for estimating the carbon content of phytoplankton in natural samples. Limnol Oceanogr 13:574–582 Eppley RW (1972) Temperature and phytoplankton growth in the sea. Fish Bull 70:1063–1085 Fung IY, Meyn SK, Tegen I, Doney SC, John JG, Bishop JKB (2000) Iron supply and demand in the upper ocean. Glob Biogeochem Cycles 14:281–295 Gallegos CL, Vant WN (1996) An incubation procedure for estimating carbon-to-chlorophyll ratios and growth-irradiance relationships of estuarine phytoplankton. Mar Ecol Prog Ser 138:275–291 Grace JB (2006) Structural equation modeling and natural systems. Cambridge University Press, Cambridge Grace JB, Anderson TM, Olff H, Scheiner SM (2010) On the specification of structural equation models for ecological systems. Ecol Monogr 80:67–87 JGOFS (1996). Protocols for the Joint Global Ocean Flux Study (JGOFS) core measurements. Report No. 19 of the Joint Global Ocean Flux Study, Scientific Committee on Oceanic Research, International Council on Scientific Unions, Intergovernmental Oceanographic Commission, Bergen, Norway Jones RM, Smith WO Jr (2016) The influence of short-term events on the hydrographic and biological structure of the southwestern Ross Sea. J. Mar. Systems (in press) Kaufman DE, Friedrichs MAM, Smith WO Jr, Queste BY, Heywood KJ (2014) Biogeochemical variability in the southern Ross Sea as observed by a glider deployment. Deep-Sea Res I 92:93–106 Kline RB (2015) Principles and Practice of Structural Equation Modeling. Guilford Press, New York Kropuenske LR, Mills MM, van Dijken GL, Bailey S, Robinson DH, Welschmeyer NA, Arrigo KR (2009) Photophysiology in two major Southern Ocean phytoplankton taxa: photoprotection in Phaeocystis antarctica and Fragilariopsis cylindrus. Limnol Oceanogr-Meth 54:1176–1196 Liu X, Smith WO Jr (2012) A statistical analysis of the controls on phytoplankton distribution in the Ross Sea, Antarctica. J Mar Syst 94:135–144 Mahowald NM, Baker AR, Bergametti G, Brooks N, Duce RA, Jickells TD, Kubilay N, Prospero JM, Tegen I (2005) Atmospheric global dust cycle and iron inputs to the ocean. Glob Biogeochem Cycles. doi:10.1029/2004gb002402 Manizza M, Le Quére C, Watson AJ, Buitenhuis ET (2005) Bio-optical feedbacks among phytoplankton, upper ocean physics and sea-ice in a global model. Geophys Res Lett 32:L05603. doi:10.1029/2004GL020778 Martin JH, Fitzwater SE, Gordon RM (1990) Iron deficiency limits phytoplankton growth in Antarctic waters. Glob Biogeochem Cycles 4:5–12 McGillicuddy DM Jr, Sedwick PN, Dinniman MS, Arrigo KR, Bibby TS, Greenan BJW, Hofmann EE, Klinck JM, Smith WO Jr, Mack SL, Marsay CM, Sohst BH, van Dijken G (2015) Iron supply and demand in an Antarctic shelf system. Geophys Res Lett 42:8088–8097. doi:10.1002/2015GL065727 Mosby A, Smith WO Jr (2015) Phytoplankton growth rates in the Ross Sea, Antarctica. Aq Microb Ecol 74:157–171 Pugesek BH, Tomer A, von Eye A (2003) Structural equation modeling: applications in ecological and evolutionary biology. Cambridge University Press, Cambridge Sathyendranath S, Stuart V, Nair A, Oka K, Nakane T, Bouman H, Forget M-H, Maass H, Platt T (2009) Carbon-to-chlorophyll ratio and growth rate of phytoplankton in the sea. Mar Ecol Prog Ser 383:73–84 Sedwick PN, DiTullio GR (1997) Regulation of algal blooms in Antarctic shelf waters by the release of iron from melting sea ice. Geophys Res Lett 24:2515–2518 Sedwick PN, DiTullio GR, Mackey DJ (2000) Iron and manganese in the Ross Sea, Antarctica: seasonal iron limitation in Antarctic shelf waters. J Geophys Res 105:11321–11326 Sedwick PN, Marsay CM, Sohst BM, Aguilar-Islas AM, Lohan MC, Long MC, Arrigo KR, Dunbar RB, Salto MA, Smith WO, DiTullio GR (2011) Early season depletion of dissolved iron in the Ross Sea polynya: implications for iron dynamics on the Antarctic continental shelf. J Geophys Res. doi:10.1029/2010JC006553 Smith WO Jr, Comiso JC (2008) Influence of sea ice on primary production in the Southern Ocean: a satellite perspective. J Geophys Res. doi:10.1029/2007JC004251 Smith WO Jr, Gordon LI (1997) Hyperproductivity of the Ross Sea (Antarctica) polynya during austral spring. Geophys Res Lett 24:233–236 Smith WO Jr, Jones RM (2015) Vertical mixing, critical depths, and phytoplankton growth in the Ross Sea. ICES J Mar Science 72:1952–1960 Smith WO Jr, Nelson DM, DiTullio GR, Leventer AR (1996) Temporal and spatial patterns in the Ross Sea: phytoplankton biomass, elemental composition, productivity and growth rates. J Geophys Res 101:18455–18466 Smith WO Jr, Nelson DM, Mathot S (1999) Phytoplankton growth rates in the Ross Sea, Antarctica, determined by independent methods: temporal variations. J Plankton Res 21:1519–1536 Smith WO Jr, Marra J, Hiscock MR, Barber RT (2000) The seasonal cycle of phytoplankton biomass and primary productivity in the Ross Sea, Antarctica. Deep-Sea Res II 47:3119–3140 Smith WO Jr, Tozzi S, Long MC, Sedwick PN, Peloquin JA, Dunbar RB, Hutchins DA, Kolber Z, DiTullio GR (2013) Spatial and temporal variations in variable fluorescence in the Ross Sea (Antarctica): oceanographic correlates and bloom dynamics. Deep-Sea Res I 79:141–155 Smith WO Jr, Ainley DG, Arrigo KR, Dinniman MS (2014) The oceanography and ecology of the Ross Sea. Annu Rev Mar Sci 6:469–487 Sunda WG, Huntsman SA (1997) Interrelated influence of iron, light and cell size on marine phytoplankton growth. Nature 390:389–392 Tagliabue A, Bopp L, Aumont O (2009) Evaluating the importance of atmospheric and sedimentary iron sources to Southern Ocean biogeochemistry. Geophys Res Lett 36:L13601. doi:10.1029/2009gl038914 Thomson RE, Fine IV (2003) Estimating mixed layer depth from oceanic profile data. J Atmos Oceanic Technol 20:319–329 Thrush SF, Hewitt JE, Parkes S, Lohrer AM, Pilditch C, Woodin SA, Wethey DS, Chiantore M, Asnaghi V, De Juan S, Kraan C, Rodil I, Savage C, Van Colen C (2014) Experimenting with ecosystem interaction networks in search of threshold potentials in real-world marine ecosystems. Ecol 95:1451–1457