春季北大西洋における一次生産性と輸出効率のマルチメソッド自律評価

A multi-method autonomous assessment of primary productivity and export efficiency in the springtime North Atlantic.

• Nathan Briggs
• Kristinn Guðmundsson
• Ivona Cetinić
• Eric D'Asaro
• Eric Rehm
• Craig Lee
• Mary Jane Perry

抄録

植物プランクトンによる有機炭素の固定は、ほぼすべての外洋生態系の基盤であり、地球規模の炭素循環の重要な一部である。しかし、海洋一次生産性を大規模に定量化し、検証することは、船上での測定範囲が限られていることや、多様な測定技術の検証が困難であることから、依然として大きな課題となっています。そのため、自律型プラットフォームからの正確な一次生産性測定が望まれています。この目標を達成するために、我々は、光ビーム減衰から得られる粒子状有機炭素のディールサイクルを用いて、自律型ラグランジアンフロートから春季北大西洋の2ヶ月間の総一次生産性を推定した。我々は、同じフロートからのクロロフィルと光の測定値に基づく局所的にパラメータ化されたモデルからの完全に独立した推定値と比較することで、この方法の精度と精度をテストする。養分が不足している状態（調査期間の80％）では、生産性の桁違い（r=0.97）で独立した手法間で強い相対的な一致が得られたが、ダイエルサイクル法ではわずかに過小評価（-19±5％）となった。これは、モデルには含まれていないSiO4制限の影響であると考えられる。さらに、O のダイエルサイクルから酸素総生産性を推定したところ、ダイエルサイクルに基づく総一次生産性との間に強い相関関係が見られ、両手法をさらに定性的に支持する結果となった。最後に、純群集生産性、炭素輸出、粒子径を同時に推定したところ、SiOの制限による生産性の低下と急速な凝集による輸出効率の上昇の組み合わせによって、ブルームの成長が停止していることが示唆された。珪藻類のブルーム後の高いクロロフィル正規化生産性は、この期間の低成長は従属栄養呼吸の増加によるものであり、栄養塩の制限によるものではないことを示している。これらの知見は、自律型プラットフォームからの海洋上層炭素循環測定の精度と完全性を大幅に向上させたことを示している。

Fixation of organic carbon by phytoplankton is the foundation of nearly all open-ocean ecosystems and a critical part of the global carbon cycle. But quantification and validation of ocean primary productivity at large scale remains a major challenge, due to limited coverage of ship-based measurements and the difficulty of validating diverse measurement techniques. Accurate primary productivity measurements from autonomous platforms would be highly desirable, due to much greater potential coverage. In pursuit of this goal we estimate gross primary productivity over two months in the springtime North Atlantic from an autonomous Lagrangian float using diel cycles of particulate organic carbon derived from optical beam attenuation. We test method precision and accuracy by comparison against entirely independent estimates from a locally parameterized model based on chlorophyll and light measurements from the same float. During nutrient replete conditions (80% of the study period), we obtain strong relative agreement between the independent methods across an order of magnitude of productivities (r=0.97), with slight under-estimation by the diel cycles method (-19±5 %). At the end of the diatom bloom, this relative difference increases to -58 % for a six-day period, likely a response to SiO4 limitation, which is not included in the model. In addition, we estimate gross oxygen productivity from O diel cycles and find strong correlation with diel cycles-based gross primary productivity over the entire deployment, providing further qualitative support to both methods. Finally, simultaneous estimates of net community productivity, carbon export and particle size suggest that bloom growth is halted by a combination of reduced productivity due to SiO limitation and increased export efficiency due to rapid aggregation. After the diatom bloom, high chlorophyll normalized productivity indicates that low net growth during this period is due to increased heterotrophic respiration and not nutrient limitation. These findings represent a significant advance in the accuracy and completeness of upper ocean carbon cycle measurements from an autonomous platform.