Please wait a minute...
Frontiers of Earth Science

ISSN 2095-0195

ISSN 2095-0209(Online)

CN 11-5982/P

Postal Subscription Code 80-963

2018 Impact Factor: 1.205

Front. Earth Sci.    2017, Vol. 11 Issue (2) : 297-307    https://doi.org/10.1007/s11707-015-0503-x
RESEARCH ARTICLE
Patterns of coccolithophore pigment change under global acidification conditions based on in-situobservations at BATS site between July 1990–Dec 2008
Jianhai LV1,4, Yaoqiu KUANG1, Hui ZHAO2,3(), Andreas ANDERSSON2
1. Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China
2. Bermuda Institute of Ocean Sciences, Ferry Reach, St. Georges GE-01, Bermuda
3. Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China
4. Marine and Fishery Environment Monitoring Center of Guangzhou, Guangzhou 510235, China
 Download: PDF(1731 KB)   HTML
 Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks
Abstract

Coccolith production is an important part of the biogenic carbon cycle as the largest source of calcium carbonate on earth, accounting for about 75% of the deposition of carbon on the sea floor. Recent studies based on laboratory experiment results indicated that increasing anthropogenic CO2 in the atmosphere triggered global ocean acidification leading to a decrease of calcite or aragonite saturation and calcium carbonate, and to decreasing efficiency of carbon export/pumping to deep layers. In the present study, we analyzed about 20?years of field observations of coccolithophore pigment, dissolved inorganic carbon (DIC), nutrients, and temperatures from the Bermuda Atlantic Time-series Study (BATS) site and satellite remote sensing to investigate the variable tendency of the coccolithophore pigment, and to evaluate the influence of ocean acidification on coccolithophore biomass. The results indicated that there was a generally increasing tendency of coccolithophore pigment, coupled with increasing bicarbonate concentrations or decreasing carbonate ion concentration. The change of coccolithophore pigment was also closely associated with pH, nutrients, mixed layer depth (MLD), and temperature. Correlation analyses between coccolithophores and abiotic parameter imply that coccoliths production or coccolithophore pigment has increased with increasing acidification in the recent 20 y ears.

Keywords dissolved inorganic carbon      BATS      MLD      coccolithophore pigments      the Bermuda     
Corresponding Author(s): Hui ZHAO   
Just Accepted Date: 08 May 2015   Online First Date: 18 June 2015    Issue Date: 19 May 2017
 Cite this article:   
Jianhai LV,Yaoqiu KUANG,Hui ZHAO, et al. Patterns of coccolithophore pigment change under global acidification conditions based on in-situobservations at BATS site between July 1990–Dec 2008[J]. Front. Earth Sci., 2017, 11(2): 297-307.
 URL:  
https://academic.hep.com.cn/fesci/EN/10.1007/s11707-015-0503-x
https://academic.hep.com.cn/fesci/EN/Y2017/V11/I2/297
Fig.1  (a) Location of the study area in the North Atlantic Ocean. (b) Bathymetric and geographic map of Bermuda Atlantic Time Series Study (BATS). CAN, Canada; NAO, North Atlantic Ocean; USA, United States of America; SA: South America.
Fig.2  (a) Time series of coccolithophore and (b) its discrete Fourier power spectrum based on one sample period of 1/12?year.
Fig.3  Time series and power spectrum of abiotic factors (a) dissolved inorganic carbon (μmol·kg–1); (b) mixed layer depth (m); (c) temperature (°C); (d) salinity; (e) nitrate and nitrite (μmol·kg–1); (f) phosphate (μmol·kg–1). Left: time series; right: power spectrum based on detrended data.
Fig.4  Monthly climatologies of biophysical factors. (a) Coccolithophore pigments (CP) (ng·kg–1); (b) depth of CP peak (m); (c) bicarbonate (μmol·kg–1); (d) pH; (e) DIC (μmol·kg–1); (f) calcite saturation Ω; (g) sea surface temperature (at 10?m) (°C); (h) MLD (m); (i) nitrate and nitrite (µmol·kg–1) averaged for the upper 60?m; (j) phosphate (µmol·kg–1) averaged for the upper 60?m.
Fig.5  Depth-time plot from 1990–2008. (a) Coccolithophore pigments (CP); (b) the total N of NO3 and NO2 (µmol·kg–1); (c) Temperature (°C).
Fig.6  Scatter diagrams between coccolithophore pigment and abiotic factors. Data used here are detrended.
Fig.7  Climatology of surface photosynthesis available radiance (PAR) (Einstein·m–2·d–1).
Fig.8  (a) Satellite-derived particulate inorganic carbon (PIC) and (b) 19'-Hexanoyloxyfucoxanthin (Hex-fuco).
Fig.9  (a) Scatter diagram of CaCO3 flux at the 200-m depth and CP; (b) CaCO3 flux at 200-m depth; (c) the power spectra of CaCO3 flux at 200-m depth.
1 Bates N R, Takahashi  T, Chipman D W ,  Knap A H  (1998). Variability of pCO2 on diel to seasonal timescales in the Saragasso Sea near Bermuda. J Geophys Res, 103(C8): 15567–15585
https://doi.org/10.1029/98JC00247
2 Bijma J, Spero  H J, Lea  D W, Bemis  B E (1999). Reassessing foraminiferal stable isotope geochemistry: impact of the oceanic carbonate system (experimental results). In: Fischer  G, Wefer G , eds. Use of Proxies in Paleoceanography: Examples from the South Atlantic. Berlin: Springer Science & Business Media, 489–512
3 Brown C W (2000). Spatial and temporal variability of Emiliania huxleyi blooms in Sea WiFS imagery. Paper presented at American Geophysical Union, Ocean Sciences Meeting, San Antonio, Texas (USA), January, 24–28
4 Crawford D, Purdie  D (1997). Increase of pCO2 during blooms of Emiliania Huxleyi: theoretical considerations on the asymmetry between acquisition of  HCO3−  and respiration of free CO2. Limnol Oceanogr, 42(2): 365–372
https://doi.org/10.4319/lo.1997.42.2.0365
5 Cokacar T, Oguz  T, Kubilay N  (2004). Satellite-detected early summer coccolithophore blooms and their interannual variability in the Black Sea. Deep Sea Res Part I Oceanogr Res Pap, 51(8): 1017–1031
https://doi.org/10.1016/j.dsr.2004.03.007
6 Conte M H, Ralph  N, Ross E H  (2001). Seasonal and interannual variability in deep ocean particle fluxes at the Oceanic Flux Program (OFP)/Bermuda Atlantic Time Series (BATS) site in the western Sargasso Sea near Bermuda. Deep Sea Res Part II Top Stud Oceanogr, 48(8–9): 1471–1505
https://doi.org/10.1016/S0967-0645(00)00150-8
7 Delille B, Harlay  J, Zondervan I ,  Jacquet S ,  Chou L, Wollast  R, Bellerby R G J ,  Frankignoulle M ,  Borges A V ,  Riebesell U ,  Gattuso J P  (2005). Response of primary production and calcification to changes of pCO2 during experimental blooms of the coccolithophorid Emiliania huxleyi. Global Biogeochem Cycles, 19(2): GB2023
https://doi.org/10.1029/2004GB002318
8 Dore J E, Houlihan  T, Hebel D V ,  Tien G, Tupas  L, Karl D M  (1996). Freezing as a method of sample preservation for the analysis of dissolved inorganic nutrients in seawater. Mar Chem, 53(3–4): 173–185
https://doi.org/10.1016/0304-4203(96)00004-7
9 Gardner W D (1977). Incomplete extraction of rapidly settling particles from water samplers. Limnol Oceanogr, 22(4): 764–768
https://doi.org/10.4319/lo.1977.22.4.0764
10 Groom S B, Holligan  P M (1987). Remote sensing of coccoltihophore blooms. Proceedings XXVI COSPAR Meeting, Toulouse, France
11 Haidar A T, Thierstein  H R (2001). Coccolithophore dynamics of Bermuda (N. Atlantic). Deep Sea Res Part II Top Stud Oceanogr, 48(8–9): 1925–1956
https://doi.org/10.1016/S0967-0645(00)00169-7
12 Hansell D A, Carlson  C A (2001). Biogeochemistry of total organic carbon and nitrogen in the Sargasso Sea: control by convective overturn. Deep Sea Res Part II Top Stud Oceanogr, 48(8–9): 1649–1667
https://doi.org/10.1016/S0967-0645(00)00153-3
13 Heimdal B R (1983). Phytoplankton and nutrients in the waters north-west of Spitsbergen in the autumn of 1979. J Plankton Res, 5(6), 901–918
https://doi.org/10.1093/plankt/5.6.901
14 Honjo S (1986). Oceanic particles and pelagic sedimentation in the western North Atlantic Ocean. The Geology of North America, 1000: 469–478
https://doi.org/10.1130/DNAG-GNA-M.469
15 Honjo S (1990). Particle fluxes between 47 N and 34 N 20 W stations between April 3 to September 26, 1989. EOS Trans AGU, 71: 81
16 Hulburt  E  M   (1990). Description  of  phytoplankton  and nutrient  in spring  in  the  western  North  Atlantic  Ocean. J  Plankton  Res, 12(1): 1–28
https://doi.org/10.1093/plankt/12.1.1
17 Hulburt E M, Ryther  J H, Guillard  R (1960). The phytoplankton of the Sargasso Sea off Bermuda. Journal du Conseil, 25(2): 115–128
https://doi.org/10.1093/icesjms/25.2.115
18 Iglesias-Rodriguez M D ,  Halloran P R ,  Rickaby R E M ,  Hall I R ,  Colmenero-Hidalgo E ,  Gittins J R ,  Green D R H ,  Tyrrell T ,  Gibbs S J ,  von Dassow E ,  Rehm E, Armbrust  E V, Boessenkool  K P (2008). Phytoplankton calcification in a high-CO2 world. Science, 320(5874): 336–340
https://doi.org/10.1126/science.1154122
19 Jeffrey S W, Mantoura  R F C, Bjørnland  T (1997). Data for the identification of 47 key phytoplankton pigments. In: Jeffrey  S W, Mantoura  R F C, Wright  S W, eds. Phytoplankton Pigments in Oceanography: Guidelines to Modern Methods. Unesco Monographs on Oceanographic  Methodology,  vol  10.  UNESCO,  Paris,  449–559
20 Joyce T M, Robbins  P (1996). The long-term hydrographic record at Bermuda. J Clim, 9(12): 3121–3131
https://doi.org/10.1175/1520-0442(1996)009<3121:TLTHRA>2.0.CO;2
21 Kleypas J A, Buddemeier  R W, Archer  D, Gattuso J P ,  Langdon C ,  Opdyke B N  (1999). Geochemical consequences of increased atmospheric carbon dioxide on coral reefs. Science, 284(5411): 118–120
https://doi.org/10.1126/science.284.5411.118
22 Knap A H, Michaels  A F, Dow  R L, Johnson  R J, Gundersen  K, Sorensen J C ,  Close A R ,  Howse F ,  Hammer M ,  Bates N ,  Doyle A ,  Waterhouse T  (1993). BATS Methods Manual, Version 3. U.S. JGOFS Planning O$ce, Woods Hole, MA
23 Knap A H, Michaels  A F, Steinberg  D, Bahr F ,  Bates N ,  Bell S, Countway  P, Close A ,  Doyle A ,  Howse F ,  Gundersen K ,  Johnson R ,  Little R ,  Orcutt K ,  Parsons R ,  Rathbun C ,  Sanderson M ,  Michaels A F ,  Knap A H  (1995). Overview of the U.S. JGOFS BATS and Hydrostation S program. Deep-Sea Res, 43(2–3): 157–198
24 Langer G, Geisen  M, Baumann K H ,  Kläs J ,  Riebesell U ,  Thoms S ,  Young J R  (2006). Species-specific responses of calcifying algae to changing seawater carbonate chemistry. Geochem Geophys Geosyst, 7(9): Q09006
https://doi.org/10.1029/2005GC001227
25 Lochhead V C, Lomas  M W, Lethaby  P J (2001). Long-term variability of phytoplankton community structure at the Bermuda Atlantic Time-series Study (BATS) site based on pigment analyses using the “CHEMTAX” matrix (Abstract). Workshop “Pigments as a Tool to Estimate the Biomass of Different Phytoplankton Groups”. Barcelona, 2001. 25
26 Marshall H (1968). Coccolithophores in the northwest Sargasso Sea. Limnol Oceanogr, 13(2): 370–376
https://doi.org/10.4319/lo.1968.13.2.0370
27 Michaels A F (1995). Ocean time series research near Bermuda: the Hydrostation S time series and the Bermuda Atlantic time series study (BATS). In:  Powell T M ,  Steele J H , eds. Ecological Time Series. New York: Chapman and Hall, 181–208
28 Nimer N A, Merrett  M J (1992). Calcification and utilization of inorganic carbon by the coccolithophorid Emiliania huxleyi Lohmann. New phytol, 121(2): 173–177
https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.1992.tb01102.x
29 Oguz T, Ediger  D (2006). Comparision of in situ and satellite-derived chlorophyll pigment concentrations, and impact of phytoplankton bloom on the suboxic layer structure in the western Black Sea during May–June 2001. Deep Sea Res Part II Top Stud Oceanogr, 53(17–19): 1923–1933
https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2006.07.001
30 Riebesell U, Zondervan  I, Rost B ,  Tortell P D ,  Zeebe R E ,  Morel F M  (2000). Reduced calcification of marine plankton in response to increased atmospheric CO2. Nature, 407: 365–367
31 Silva A, Brotas  V, Valente A ,  Sá C ,  Diniz T ,  Patarra R F ,  Álvaro N V ,  Neto A I  (2013). Coccolithophore species as indicators of surface oceanographic conditions in the vicinity of Azores islands. Estuar Coast Shelf Sci, 118: 50–59
https://doi.org/10.1016/j.ecss.2012.12.010
32 Sprengel C, Baumann  K H, Henderiks  J, Henrich R ,  Neuer S  (2002). Modern coccolithophore and carbonate sedimentations along a productivity gradient in the Canary Islands region: seasonal export production and surface accumulation rate. Deep Sea Res Part II Top Stud Oceanogr, 49(17): 3577–3598
https://doi.org/10.1016/S0967-0645(02)00099-1
33 Steinberg D K ,  Carlson C A ,  Bates N R ,  Johnson R J ,  Michaels A F ,  Knap A H  (2001). Overview of the US JGOFS Bermuda Atlantic Time-series Study (BATS): a decade-scale look at ocean biology and biogeochemistry. Deep Sea Res Part II Top Stud Oceanogr, 48(8–9): 1405–1447
https://doi.org/10.1016/S0967-0645(00)00148-X
34 Strong A E, Eadie  B J (1978). Satellite observations of calcium carbonate precipitations in the Great Lakes. Limnol Oceanogr, 23(5): 877–887
https://doi.org/10.4319/lo.1978.23.5.0877
35 Trimborn S, Langer  G, Rost B  (2007). Effect of varying calcium concentrations and light intensities on calcification and photosynthesis in Emiliania huxleyi. Limnol Oceanogr, 52(5): 2285–2293
https://doi.org/10.4319/lo.2007.52.5.2285
36 Westbroek P, Jong  V D, Walder  P V, Borman  A H, Vrind  J P (1985). Biopolymer-mediatedcalcium and manganese accumulation and biomineralization. Geol Mijnb, 64: 5–15
37 Zeebe R E, Zachos  J C, Caldeira  K, Tyrrell T  (2008). Oceans: carbon emissions and acidification. Science, 321(5885): 51–52
https://doi.org/10.1126/science.1159124
38 Zondervan I, Zeebe  R E, Rost  B, Riebesell U  (2001). Decreasing marine biogenic calcification: a negative feedback on rising atmospheric pCO2. Global Biogeochem Cycles, 15(2): 507–516
https://doi.org/10.1029/2000GB001321
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed