李志军,李润玲,王自磐,Christian Haas,Gehard Dieckmann（.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 60；.国家海洋局第二海洋研究所,浙江 杭州 00；.Department of Earth and Space Science and Engineering, York University, Toronto MJP, Canada；.Alfred Wegener Institute Helmholtz Centre for Polar and Marine Research, D-7570Bremerhaven, Germany）

南极春季海冰物理对叶绿素控制作用的统计分析

李志军1*,李润玲1,王自磐2,Christian Haas3,Gehard Dieckmann4（1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024；2.国家海洋局第二海洋研究所,浙江 杭州 310012；3.Department of Earth and Space Science and Engineering, York University, Toronto M3J1P3, Canada；4.Alfred Wegener Institute Helmholtz Centre for Polar and Marine Research, D-27570Bremerhaven, Germany）

利用2006年南极威德尔海西北海域冬末春初的冰芯晶体结构,和302组冰芯温度、盐度、密度、叶绿素-a、脱镁叶绿素数据,以及冰底面叶绿素a垂直分布数据,进一步确定积雪/海冰厚度、冰内温度、盐度、密度对冰内和冰下叶绿素a的贡献.利用环境制约与生态平衡原理,阐明积雪/海冰厚度通过阻碍光通量对冰底叶绿素的效应,以及卤水体积通过冰温度和盐度体现对冰藻细胞活性的抑制作用.统计分析不仅确立了南极海冰冰内卤水体积-内叶绿素a的逻辑斯蒂上限含量曲线,并体现出粒状冰同柱状冰卤水排泄方式的差异及其对冰底春季叶绿素a快速增长的冰物理贡献.冰藻细胞活性指标小于0.5的仅占4.3%,该数据为南极冰藻是维持南极冰区浮游植物旺发的主导因子提供了重要依据.

南极；海冰；晶体结构；卤水体积；叶绿素a；模式

极地冰雪是全球气候变化中最敏感的物质.应对气候变化是一种措施；而适应气候变化也是一种策略.为此中国学者已经从不同角度寻求冰雪的物理证据［1-3］.其中冰生态系统中浮游植物叶绿素a含量不仅检测快捷,而且能反映海洋浮游植物数量同初级生产力的关系［4］.一般来讲,冰内叶绿素 a是指示藻类细胞生物量的一个指标［5］,与海冰形成时的水体内叶绿素的水平、光照条件、温盐相关.因此它表现出季节性变化.极地考察中,只有定点连续观测的固定冰冰内叶绿素 a含量的时间系列才能用于研究季节性变化［6-8］.现场走航考察中所调查的浮冰不一定处在最初冻结位置,其冰内叶绿素含量不仅具有季节性变化［9］,而且还具有空间变化.海冰晶体之间的卤水通道容纳不同盐分的卤水或者气泡,其中卤水中的营养盐支撑着生物的活性.因此也可以将卤水体积作为冰内生物活动的评价指标之一,体现对生物活动的支持能力［10-11］.2006年德国组织了覆盖南极威德尔海65°30´～66°10´S,39°～61°W区域的海冰、生物、海洋等内容的科学考察,时间属于南极冬末早春季节,是生物繁衍非常重要的季节.作者组成海冰物理和海冰生物联合考察组,采用现场钻取冰芯；分组测试海冰物理参数和海冰生物参数；然后再通过资料同化,获得相同垂直剖面上的海冰物理和生物数据集.通过定量分析,从冰物理角度研究冰基本物理性质对冰叶绿素 a含量的抑制作用,以及它们之间的定量关系.文中首次将冰内孔隙视为冰藻活动的空间,将冰内卤水体积视为冰藻营养盐和温度环境的媒体［10-11］,将雪/冰厚度视为光线传输的屏障,旨在探索雪/冰厚度对冰-水界面附近冰藻细胞活性和繁荣的影响；研究卤水体积同冰内叶绿素a含量之间的内在联系；建立粒状冰和柱状冰内卤水体积同叶绿素 a上限含量的相关关系.实现利用环境与承载力的概念［12］、环境变化特征驱动力的概念［13］,把海冰生态同海冰物理性质有机地关联起来的目的.

1　研究方法

1.1现场测试方法

2006年9月8日至10月18日,德国北极星号科学考察船在南极威德尔海执行冬季海冰物理和生态调查.作者在南极完成 28个冰站作业.在每一个冰站,通过挖雪坑测量积雪厚度、类型、分层温度、盐度、密度、含水量.通过取冰芯进行冰芯厚度、类型、分层温度测量,并在低温实验室进行分层组构、盐度、密度分析；其中对特殊冰芯的部分位置或整个冰芯做薄冰片,在正常光和偏振光下观测冰内晶体和气泡［14］.另取一支冰芯测试冰内的叶绿素a含量［15］.在28个冰站中成功取得27个冰站的冰芯,作为冰物理和冰生物的分析样品,考察站位分布参见文献［15］.

1.2数据同化方法

冰内的卤水体积和孔隙率的计算方法由Cox等［16］给出,它们的计算需要海冰的温度、盐度和密度,但仅适用于-2～-22.9℃的情况.对于冰温高于-2℃的情况（占总数的 4%）,利用Leppäranta等［17］的方法计算.上述 2种计算都是根据海冰标准相图的固-液平衡曲线拟合所得,因此函数形式相同,但采用的温度系数不同.它们的卤水体积计算均需要冰温度和冰盐度,计算孔隙率需要增加冰的体密度.

冰芯温度剖面是在现场按一定间距测量的,而其盐度和密度是在低温实验室内按照冰的类型分割成不同厚度的小块,分段测量.因此实测冰温度、盐度、密度对应的冰芯位置不同.要将数据统一到相同的位置上,必须利用统计方法建立起冰内温度拟合剖面,再计算出对应冰层盐度和密度分层位置的温度.然后再利用相同位置的温度、盐度、密度,计算出卤水体积和孔隙率的竖向剖面；最后将实测的叶绿素a含量进行线性插值,得到相同位置的冰内叶绿素a含量.

另外,冰内叶绿素a含量同结冰方式,即冰的晶体结构有关［18］.本次考察中共发现5类冰晶体,但主要是柱状冰和粒状冰；其它类型有粒状-柱状混合冰、骨架和多边粒状冰.有关冰晶体结构、温度、盐度和密度垂直剖面和冰内叶绿素a含量的垂直剖面均有报道［14-15］.

本航次中27支具有冰物理和生物数据的冰芯共计长度 35m,其中柱状冰占 55.16%；粒状冰占 28.73%；粒状-柱状混合冰占 14.44%；骨架占1.01%；多边粒状冰占 0.66%.在这些冰芯上共得到冰内温度、盐度、密度和叶绿素 a有效数据302组.多边粒状冰、粒状-柱状混合冰、骨架3种冰晶体所占比例太少,无法进行统计分析.冰内叶绿素a的垂直分布有3种类型,与有关报道文献总结的类型要少［19］.为了同前期研究比较,本文的定义同文献［15］的一致,分为“底部叶绿素 a递增型”、“表、底部叶绿素a增大型”和“中部叶绿素a增大型”.

当冰层春季升温和冰内卤水排泄时,近冰底面的冰晶间的卤水通道首先拓宽,和冰下海水沟通.因此,从冰底面的叶绿素 a最大值到冰底面以上20cm以上出现最低值,这段区域视作卤水排泄区；对应的最小叶绿素a被视为起始处叶绿素a.

2　结果与讨论

2.1冰内和冰下水体叶绿素a分布垂直分布

图1　叶绿素a在冰层内部和水体中的垂直分布Fig.4　Vertical distribution of Chl-a in ice and in water

图1是060921冰芯及其水内叶绿素a分布,叶绿素a在冰内的含量较低,在冰-水界面处出现峰值,但进入到海水,其含量继续降低.冰下 20m处叶绿素a为0.124µg/L；冰下250m处叶绿素a 为0.006µg/L；冰下500m处叶绿素a为0.003µg/L.这些表明随着水深的增加,水体内的光照减弱,叶绿素a含量随水深在不断降低［20-21］.Wang等曾报道秋季威德尔海表层叶绿素 a平均值在 0.11～0.22µg/L,而本研究发现表层水内叶绿素 a含量的平均值范围仅 0.01～0.05 µg/L,均说明在南极冬季,海冰极大地抑制了冰下海水中冰藻光合作用,导致海洋初级生产处于全年最低水平［22］.与之相反,浮冰中叶绿素a含量很高,表明冬季冰内冰藻在维持南大洋初级生产力和生态系统正常运行中起到了关键作用.何剑锋等曾发现,在春季固定冰中也有类似图1中的冰底峰值,他们认为当海冰底部骨架层遇到合适的水文气象条件,成为冰藻最佳生存环境,冰藻开始繁殖,水体内也出现水华,同时此处冰藻的繁荣导致叶绿素 a含量超出冰内1～3个量级［23］.因此冰底是海冰生物量最高的部位,与该处的温度、光辐照度、冰结构、冰藻种类和冰藻群落结构、盐度、营养盐、氨基酸以及主要金属离子等有关；其中,与冰雪物理相关的最显著影响因子是冰下水温和光合作用.

2.2海冰内部温度和盐度对冰内叶绿素a的贡献

冰在冻结过程中,附着在冰核水体中的藻类,在冻结过程中聚集［18］.冰生长的方式不同,对应的晶体类型也不同,因此冰内初始叶绿素含量同冰晶体类型和内部组构也有关系.所以,对冰内叶绿素的定量分析既要考虑冰晶体类型,还要考虑冰内的卤水体积.

以粒状冰为主的冰内叶绿素 a的竖向剖面主要是中部增大型,而以柱状冰为主的冰内叶绿素a的竖向剖面主要是底部增大型,并且粒状冰内的初始值比柱状冰内的略高.产生这二种类型的主要原因是柱状冰封闭在晶体间的卤水虽然比粒状冰内的少,但是在冰温升高时,柱状冰内卤水更容易在重力作用下沿着增宽的卤水通道向冰底迁移［24］,并富集在冰-水界面附近,从而给冰藻活跃提供了条件［22］.

图2　冰内叶绿素与同卤水体积的散点关系Fig.4　Scatter relation between Chl-a with brine volume

由图2可见,分析发现叶绿素a含量随卤水体积呈正比关系,且存在上限值,说明卤水体积是冰内叶绿素a的控制因子之一,体现温度和营养盐的贡献.

2.3冰内卤水体积同冰藻细胞活性的关系

冰藻死亡时,叶绿素中的镁离子被取代转变成脱镁叶绿素；因此叶绿素a含量在叶绿素a及脱镁叶绿素之和中所占的比值（R=叶绿素 a/（叶绿素 a+脱镁叶绿素））可作为反映冰藻细胞生理状态的一个指标［15］.R值越大（接近1.0）,说明冰藻细胞活性越强,所含色素主要为叶绿素 a,冰藻种群生长旺盛,碳固定能力强,生产潜力高.当 R值降低到0.8,尤其小于0.5时,说明冰藻叶绿素a已被高度降解,细胞活性下降,潜在生产力低.在其最大卤水体积 250‰以内，其接近最大值 1.0.表达式见图 3.垂直虚线来自评估冰藻细胞活性能力的平均上线在R值为0.8时的卤水体积交叉点；水平虚线来自最低潜在生产力临界线对应的R=0.5.由图 3可见,在南极恶劣环境中,无论是粒状冰还是柱状冰,当冰内的卤水体积超过 8‰,它们内部的冰藻是活跃的；但当卤水体积小于 8‰,冰藻细胞活性指标R值小于0.8.

图3　粒状冰和柱状冰冰内R值与卤水体积的关系Fig.4　The relation between the R value and brine volume in granular ice and columnar ice

所有302个有效试样所的冰盐度95%范围内为（2.100～9.000）‰、密度95%范围内为（0.769～0.950）g/cm3,平均值分别为4.824‰和0.897g/cm3.根据图 3,如果以卤水体积 8‰为界限,当冰内盐度和密度为平均值时,冰温度可低至-38.0℃.在南极严寒的冬季,冰温低于-38.0℃比较罕见,所以冰内供应冰藻细胞活性卤水的温度仅会略低于海水冰点（-1.8℃）［25］,且卤水体积较充足,因此南极冬季叶绿素a有达到上限值的条件,但事实上许多低于上限值.而在春季,冰温升高,卤水体积增加,特别是卤水在重力作用下排泄.如果将海冰视为一个封闭体系,春季调查期间的冰内营养盐只是在冰层的垂直分布发生变化,总营养盐没有增加,迁移并集中在冰层底部卤水中的营养物质结合适合的卤水温度环境足可以支撑冰藻的繁荣,接近上限的所占比例数增加.

根据 Dai等［15］的分析,当年新生冰 R值为0.83,当年冰R值为0.78,二年冰及多年冰R值为0.80,说明当年新生冰中的冰藻细胞活性最高.何剑锋等也指出,南极固定冰冰底R值在全年都高于 0.80,揭示出冰底冰藻一直具有较强的细胞活性［23］.冰藻能在冰底大量繁殖（特别是在春季）的原因之一是南极冰藻在较低光强条件下的仍然保持旺盛的生命力［26］,同时冰底具有较为衡定的温度,冰结构疏松,又能从冰-水界面及时补充得到藻类繁殖所需的营养盐,为冰藻提供了其它冰层不具备的良好生长环境,特别是冰骨架层内的卤水营养盐是限制冰藻细胞活性的环境因子［27］.

如果以冰为载体,卤水为生存资源,叶绿素 a为冰藻细胞活性能建立南极冰藻简化生态系统成立的话,它就构成环境对生态的驱动［13］,有一个生态平衡的极限,即冰内叶绿素a上限值所代表的冰藻细胞活性不应超过冰内卤水体积的允许承载量.这同各种环境中的环境-生态的平衡关系类似［12］.

设卤水体积含量为νb,叶绿素a含量为P,卤水体积控制下的最大叶绿素a为PA,则冰内卤水体积能够提供小于或等于PA对应所需的营养盐等环境条件；同样假设冰内卤水不能提供的最小生态承载力为 PB,则 P（νb）随νb的变化可用一个简单的表现生物种群增长过程逻辑斯蒂（Logistic）增长模型表示,其形式为：

式中：K是在一定卤水体积下冰藻达到“饱和”状态时对应的叶绿素a含量；rM是在一定卤水体积下叶绿素a最大增长速率；A是积分常数.

在逻辑斯蒂曲线中有一拐点,该拐点的叶绿素a含量为冰藻最适密度,即冰藻增长率最快时对应的叶绿素a含量.

统计中,以ln（（K-P）/P）和νb为坐标作图,拟合得到一条直线, lnA为该直线的截距,rM是该直线的斜率.

图4　粒状冰和柱状冰冰内叶绿素a随卤水体积变化的上限含量曲线Fig.4　The upper limit curves of Chl-a with brine volume in granular ice and columnar ice

表1　粒状和柱状冰叶绿素a上限含量随卤水体积变化曲线的统计系数Table 1　The statistical coefficients in the upper limit curves of Chl-a with brine volume in granular ice and columnar ice

统计曲线表明,用卤水体积来分析冰藻叶绿素a上限是合理的,存在低于上限含量的数据分散是南极恶劣环境下的正常现象（图4）.表1系数说明,粒状冰和柱状冰的K值处于同一水平,但柱状冰的略高.说明在春季冰温升高,冰内卤水体积增加时,以柱状冰为主的冰晶体内的冰藻细胞活性大,对应的叶绿素a含量高.粒状冰的A值较低,说明在隆冬季节粒状冰内所包裹的卤水体积较高,维持较高的冰藻细胞活性.rM反映出粒状冰内的冰藻早于柱状冰内的繁荣,但只发生在冰藻开始繁荣期,过后进入卤水体积增加阶段,以柱状冰为主的冰层在冰-水界面处体现强势的繁荣（K值增高）.

2.4积雪和海冰厚度对冰底叶绿素a的控制作用

积雪和冰层厚度越大,冰下的光线越弱［20］,给冰藻提供光合作用的环境条件也越差.南极海冰表面均存在积雪,即使厚度只有厘米量级,太阳辐射也会被大幅反射.光线在雪中的衰减率要远远大于在冰中的衰减率［28］,因此积雪的存在导致传递到冰内和冰下的太阳辐射强度大大减弱.

考虑到浮冰形成位置不一定是调查位置,以及冰内初始叶绿素a含量存在差异,本文不直接分析冰底部叶绿素含量 a,而是首先假定冰内卤水排泄同冰底部叶绿素a繁荣有一定联系,继而将冰底部叶绿素 a同冰内卤水排泄处起始叶绿素 a含量的比值作为一个客观参数.这样既能兼顾冰内卤水排泄时的叶绿素a对冰底叶绿素a春季繁荣的贡献,又能消除浮冰形成时包裹到冰内卤水中初始叶绿素a含量的差异.利用观测的积雪厚度、冰厚度与该比值建立相关关系,见图5.

并通过曲面拟合得到关系式：

式中：S为冰底部叶绿素 a同冰内平均叶绿素 a或者冰表层叶绿素a的比值； hS为雪厚, cm； hI为冰厚, cm.

从图5中可以发现,积雪厚度的影响大于冰厚度的影响,同 Maykut等报道的积雪和冰厚度对光强的衰减作用有相似之处（图6）［20］.图6证实积雪和海冰厚度对光强存在直接联系.由于光强与冰藻细胞活性存在直接联系,因此积雪和海冰厚度同叶绿素含量呈反比关系.这种关系揭示了积雪和海冰厚度对冰下藻类的光合作用起到抑制作用,影响到藻类的生长,导致叶绿素a含量减少［29］.目前冰光学中的广泛成果［19,30-31］还没有同冰藻直接建立联系,图5和图6可将冰下光强同冰藻的生长联系起来,但发展到同具体冰藻种类和冰藻群落的定量描述尚需努力.难点之一是当年新生冰区的冰藻春季水华期间,冰下辐照度通常小于冰表入射光的 1%［32-33］,且冰表入射光在穿透冰层的过程中其有效光强和光谱成分都将受到冰内卤水含量或冰藻颜色差异带来的影响,因此即使在相同积雪或者冰厚度条件下仍存在冰内辐射衰减的区别［20-21］.

图5　冰层底部和冰内卤水排泄处叶绿素与比值同积雪和冰厚度的统计关系Fig.4　The statistical relation among the ratio of Chl-a under ice bottom and at the start point of brine drain section with snow thickness and ice thickness

图6　冰下总入射辐照度与冰厚和雪厚的关系［20］Fig.4　Dependence of total downwelling irradiance beneath the ice on ice thickness and snow depth［20］等高线代表雪表面总光强的百分数

3　结论

3.1春季南极威德尔海海冰内部叶绿素a的分布基本上是冰底面偏高,然后同冰-水界面的冰藻水花匹配.柱状冰的卤水通道比粒状冰的更容易使卤水向冰-水界面迁移,从而体现出柱状冰底面的春季叶绿素a增幅大于粒状冰,但粒状冰形成时更容易包裹卤水,因此粒状冰内的叶绿素a水平比柱状冰内偏高.水体内的叶绿素a随着冰下水深的增加,迅速减小.

3.2冰内叶绿素a的水平和冰的晶体类型有一定关系,冰内卤水是叶绿素a的控制因子.冰藻细胞活性指标同冰晶体类型和冰内卤水体积存在定量关系.分析表明南极冬季冰内卤水体积减少,但冰藻细胞活性指标维持在 0.5以上,反映出冬季冰藻的存在是海冰生物群落活动的基础；而且在春季较高冰温时,冰内卤水体积增加,冰藻细胞活性水平趋于稳定.在此基础上,利用逻辑斯蒂模型,得到南极冰内卤水体积能够支撑叶绿素a的上限含量曲线,表明南极海冰卤水体积的最大承载力.而低于曲线的分散数据是南极恶略环境下生物脆弱性的证据.

3.3积雪和海冰厚度对冰底叶绿素a繁荣起着关键作用.它们的贡献体现到积雪和海冰对太阳光的吸收,从而影响到冰藻的光合作用.其中积雪厚度对冰藻光合作用的效果大于海冰厚度.三者之间存在定量关系.

［1］ 王星东,李新武,梁 雷.南极冰盖冻融的时空分析 ［J］. 中国环境科学, 2014,34（5）：1303-1309.

［2］ 武炳义,黄荣辉,高登义.北大西洋接壤的北极海冰和年际气候变化 ［J］. 科学通报, 2000,45（15）：1993-1998.

［3］ 艾松涛,王泽民,谭 智,等.北极 Pedersenbreen冰川变化（1936～1990～2009年） ［J］. 科学通报, 2013,58（15）：1430-1437.

［4］ Olsen M S, Callaghan T V, Reist J D, et al. The changing Arctic cryosphere and likely consequences： An overview ［J］. AMBIO A Journal of the Human Environment, 2011,40：111-118.

［5］ Tedesco L, Vichi M, Thomas D N. Process studies on the ecological coupling between sea ice algae and phytoplankton ［J］. Ecological Modelling, 2012,226：120-138.

［6］ 陈兴群,G迪克曼.南极威德尔海陆缘固冰区叶绿素a及硅藻的分布 ［J］. 海洋学报, 1989,11（4）：501-509.

［7］ 何剑锋,陈 波,黄凤鹏.南极中山站近岸海冰生态学研究,2.1992年冰下水柱浮游植物生物量的季节变化及其与环境因子的关系 ［J］. 南极研究（中文版）, 1996,8（2）：23-34.

［8］ Meiners K M, Norman L, Granskog M A, et al. Physicoecobiogeo chemistry of East Antarctic pack ice during the winter-spring transition ［J］. Deep-Sea Research II, 2011,58：1172-1181.

［9］ Arrigo K R, van Dijken G L. Annual changes in sea-ice, chlorophyll a, and primary production in the Ross Sea, Antarctica ［J］. Deep-Sea Research II, 2004,51：117-138.

［10］ Mundy C J, Barber D G, Michel C. Variability of snow and ice thermal, physical and optical properties pertinent to sea ice algae biomass during spring ［J］. Journal of Marine Systems, 2005,58：107-120.

［11］ Hendry K R, Rickaby R E M, de Hoog J C M, et al. The cadmium-phosphate relationship in brine： biological versus physical control over micronutrients in sea ice environments ［J］. Antarctic Sciences, 2010,22（1）：11-18.

［12］ 杨 静,张仁铎,翁士创,等.海岸带环境承载力评价方法研究［J］. 中国环境科学, 2013,33（S1）：178-185.

［13］ 周 沙,黄跃飞,王光谦.黑河流域中游地区生态环境变化特征及驱动力 ［J］. 中国环境科学, 2014,34（3）：766-773.

［14］ Li Z J, Nicolaus M, Toyota T, et al. Analysis on the crystals of sea ice cores derived from Weddell Sea, Antarctica ［J］. Chinese Journal of Polar Science, 2010,21（1）：1-10.

［15］ Dai F F, Wang Z P, Yan X J, et al. Physical structure and vertical distribution of chlorophyll a in winter sea ice from the northwestern Weddell Sea, Antarctica ［J］. Acta Oceanologica Sinica, 2010,29（3）：97-105.

［16］ Cox G F N, Weeks W F. Equations for determining the gas and brine volumes in sea-ice samples ［J］. Journal of Glaciology, 1983, 29（102）：306-316.

［17］ Leppäranta M, Manninen T. The brine and gas content of sea ice with attention to low salinities and high temperatures ［R］. Finnish Institute of Marine Research, 1988.

［18］ Ackley S E. Ice scavenging and nucleation： Two mechanisms for incorporation of algae into newly forming sea ice ［J］. EOS Transactions of the American Geophysical Union, 1982,63（3）：47.

［19］ 何剑锋,王桂忠,李少菁,等.南极海冰区冰藻类群及兴衰过程［J］. 极地研究, 2003,15（2）：102-114.

［20］ Maykut G A and Grenfell T C. The spectral distribution of light beneath first-year sea ice in the Arctic Ocean ［J］. Limnology and Oceanography, 1975,20（4）：554-563.

［21］ Palmisano A C, Beeler Soohoo J, Sullivan C W. Effects of four environmental variables on photosynthesis-irradiance relationships in Antarctic sea-ice microalgae ［J］. Marine Biology, 1987,94（2）：299-306.

［22］ 王自磐, Dieckmann G, Gradinger R.南极威德尔海新生期海冰生态结构I.叶绿素a与营养盐 ［J］. 极地研究, 1997,9（1）：9-17.

［23］ 何剑锋,陈 波.南极中山站近岸海冰生态学研究, I. 1992年冰藻生物量的垂直分布及季节变化 ［J］. 南极研究（中文版）, 1995,7（4）：53-64.

［24］ Eicken H. Salinity profiles of Antarctic sea ice： field data and model results ［J］. Journal of Geophysical Research, 1992,97（C10）：15545-15557.

［25］ Suzuki Y, Kudoh S, Takahashi M. Photosynthetic and respiratory characteristics of an Arctic ice algal community living in low light and low temperature conditions ［J］. Journal of Marine Systems, 1997,11（1/2）：111-121.

［26］ Palmisano A C and Sullivan C W. Physiological Response of Micro-Algae in the Ice-Platelet Layer to Low-Light Conditions ［M］. Antarctic Nutrient Cycles and Food Webs, 1985,84-88.

［27］ Robinson D H, Arrigo K R, Brookhaven Z K, et al. Photophysiological evidence of nutrient limitation of platelet ice algae in McMurdo Sound, Antarctic ［J］. Journal of Phycology, 1998,34：788-797.

［28］ Garrison D L, Sullivan C W and Ackley S F. Sea ice microbial communities in Antarctica ［J］. Bio. Sciences, 1986,36（4）：243-250.

［29］ Campbell K, Mundy C J, Barber D G, et al. Characterizing the sea ice algae chlorophyll a-snow depth relationship over Arctic spring melt using transmitted irradiance ［J］. Journal of Marine Systems, 2014, http：//dx.doi.org/10.1016/j.jmarsys.2014.01.008.

［30］ Eicken H. The role of sea ice in structuring Antarctic ecosystems ［J］. Polar Biology, 1992,12（1）：3-13.

［31］ Nicolaus M, Hudson S R, Gerland S, et al. A modern concept for autonomous and continuous measurements of spectral albedo and transmittance of sea ice ［J］. Cold Regions Science and Technology, 2010,62：14-28.

［32］ Sullivan C W, Palmisano A C. Sea ice microbial communities in McMurdo Sound, Antarctica ［J］. Antarct. J. U. S., 198116：126-127.

［33］ Palmisano A C, Sullivan C W. Sea ice microbial communities （SIMCO）, I. Distribution, abundance and primary production of ice micro algae in McMurdo Sound in 1980 ［J］. Polar Biology, 1983,2（3）：171-177.

Statistical analysis of sea ice physical conditions effect on chlorophyll during the austral spring in Antarctica.

LI Zhi-jun1*, LI Run-ling1, WANG Zi-pan2, HAAS Christian3, Dieckmann Gerhard4（1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China；2.Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China；3.Department of Earth and Space Science and Engineering, York University, Toronto M3J1P3, Canada；4.Alfred Wegener Institute Helmholtz Centre for Polar and Marine Research, D-27570Bremerhaven, Germany）.

China Environmental Science, 2015,35（9）：2813～2819

The sea ice core texture, and 302 groups of ice core temperature, salinity, density, chlorophyll a （Chl-a） as well as phaeophytin, Chl-a under ice from Northern West of Weddell Sea, Antarctica during the period between winter and spring of 2006 were statistically analyzed. The contributions of snow/ice thickness, ice temperature, ice salinity and ice density to the Chl-a content in ice and Chl-a blooms under ice were determined. The snow/ice thickness effect on the Chl-a blooms under the ice due to light absorption was determined. The relationship between the activity of ice algae cells and brine volume （function of ice temperature and ice salinity） in ice was investigated following the principle of environment control on the ecological balance. The statistical analysis not only revealed the relationship between the upper limits of Chl-a and brine volume in Logistic model, but also showed that granular and columnar ice crystals affect the brine drainage. The 4.3% of the index of active algal cells less than 0.5showed that the physical properties of sea ice not only affect the Chl-a blooms near ice bottom and at the ice-water interface in the austral Spring, but also are a key control element modulating the marine phytoplankton bloom in the ice covered waters around Antarctica.

Antarctic；sea ice；ice crystals；brine volume；chlorophyll a；modes

X55；P728.2；Q178.1

A

1000-6923（2015）09-2813-07

2015-01-05

国家自然科学基金（51221961,41376186）；国家海洋局极地考察办公室对外合作项目（IC201209）；国家重点实验室自主项目（SL14-5-3）

*责任作者, 教授, lizhijun@dlut.edu.cn

李志军（1960-）,男,河北崇礼县人,教授,博士,主要从事极地和渤海冰物理和力学性质研究.发表论文300余篇.