Published October 12, 2020 | Version v1
Publication Open

Factors controlling plankton community production, export flux, and particulate matter stoichiometry in the coastal upwelling system off Peru

  • 1. University of Tasmania
  • 2. GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel
  • 3. Technical University of Munich
  • 4. Instituto del Mar del Peru
  • 5. Southern Cross University
  • 6. Millennium Institute of Oceanography
  • 7. University of Concepción
  • 8. Universidad de Las Palmas de Gran Canaria
  • 9. Kiel University
  • 10. Monterey Bay Aquarium Research Institute
  • 11. Dalhousie University
  • 12. German Centre for Integrative Biodiversity Research
  • 13. Universidad Peruana Cayetano Heredia
  • 14. Memorial University of Newfoundland
  • 15. University of Southern Denmark
  • 16. Finnish Environment Institute
  • 17. University of Agder
  • 18. Escuela Superior Politecnica del Litoral

Description

Abstract. Eastern boundary upwelling systems (EBUS) are among the most productive marine ecosystems on Earth. The production of organic material is fueled by upwelling of nutrient-rich deep waters and high incident light at the sea surface. However, biotic and abiotic factors can modify surface production and related biogeochemical processes. Determining these factors is important because EBUS are considered hotspots of climate change, and reliable predictions of their future functioning requires understanding of the mechanisms driving the biogeochemical cycles therein. In this field experiment, we used in situ mesocosms as tools to improve our mechanistic understanding of processes controlling organic matter cycling in the coastal Peruvian upwelling system. Eight mesocosms, each with a volume of ∼55 m3, were deployed for 50 d ∼6 km off Callao (12∘ S) during austral summer 2017, coinciding with a coastal El Niño phase. After mesocosm deployment, we collected subsurface waters at two different locations in the regional oxygen minimum zone (OMZ) and injected these into four mesocosms (mixing ratio ≈1.5 : 1 mesocosm: OMZ water). The focus of this paper is on temporal developments of organic matter production, export, and stoichiometry in the individual mesocosms. The mesocosm phytoplankton communities were initially dominated by diatoms but shifted towards a pronounced dominance of the mixotrophic dinoflagellate (Akashiwo sanguinea) when inorganic nitrogen was exhausted in surface layers. The community shift coincided with a short-term increase in production during the A. sanguinea bloom, which left a pronounced imprint on organic matter C : N : P stoichiometry. However, C, N, and P export fluxes did not increase because A. sanguinea persisted in the water column and did not sink out during the experiment. Accordingly, export fluxes during the study were decoupled from surface production and sustained by the remaining plankton community. Overall, biogeochemical pools and fluxes were surprisingly constant for most of the experiment. We explain this constancy by light limitation through self-shading by phytoplankton and by inorganic nitrogen limitation which constrained phytoplankton growth. Thus, gain and loss processes remained balanced and there were few opportunities for blooms, which represents an event where the system becomes unbalanced. Overall, our mesocosm study revealed some key links between ecological and biogeochemical processes for one of the most economically important regions in the oceans.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الخلاصة. تعد أنظمة الارتفاعات الصاعدة للحدود الشرقية (EBUS) من بين أكثر النظم الإيكولوجية البحرية إنتاجية على وجه الأرض. يغذي إنتاج المواد العضوية ارتفاع المياه العميقة الغنية بالمغذيات والضوء الساقط العالي على سطح البحر. ومع ذلك، يمكن للعوامل الحيوية واللاأحيائية تعديل الإنتاج السطحي والعمليات الكيميائية الحيوية ذات الصلة. يعد تحديد هذه العوامل أمرًا مهمًا لأن EBUS تعتبر نقاطًا ساخنة لتغير المناخ، وتتطلب التنبؤات الموثوقة بأدائها المستقبلي فهمًا للآليات التي تقود الدورات البيوجيوكيميائية فيها. في هذه التجربة الميدانية، استخدمنا mesocosms في الموقع كأدوات لتحسين فهمنا الميكانيكي للعمليات التي تتحكم في دورة المواد العضوية في نظام صعود المياه الساحلي في بيرو. تم نشر ثمانية كائنات متوسطة الحجم، كل منها بحجم 55 متر مكعب، على بعد 50 إلى6 كم قبالة كالاو (12 كم مربع) خلال صيف أستراليا 2017، بالتزامن مع مرحلة النينيو الساحلية. بعد نشر Mesocosm، جمعنا المياه الجوفية في موقعين مختلفين في منطقة الحد الأدنى من الأكسجين الإقليمية (OMZ) وحقنها في أربعة mesocosms (نسبة الخلط =1.5 : 1 mesocosm: OMZ water). تركز هذه الورقة على التطورات الزمنية لإنتاج المواد العضوية وتصديرها وقياس الكيمياء المتكافئة في الجسيمات المتوسطة الفردية. كانت مجتمعات العوالق النباتية المتوسطة تهيمن عليها في البداية الدياتومات ولكنها تحولت نحو هيمنة واضحة على السوط ثنائي التغذية المختلط (Akashiwo sanguinea) عندما تم استنفاد النيتروجين غير العضوي في الطبقات السطحية. تزامن التحول المجتمعي مع زيادة قصيرة الأجل في الإنتاج خلال ازدهار A. sanguinea، مما ترك بصمة واضحة على المادة العضوية C : N : P stoichiometry. ومع ذلك، لم تزداد تدفقات تصدير C و N و P لأن A. sanguinea استمرت في عمود الماء ولم تغرق أثناء التجربة. وفقًا لذلك، تم فصل تدفقات التصدير أثناء الدراسة عن الإنتاج السطحي واستدامتها من قبل مجتمع العوالق المتبقي. بشكل عام، كانت التجمعات والتدفقات الكيميائية الحيوية ثابتة بشكل مدهش لمعظم التجربة. نفسر هذا الثبات عن طريق تقييد الضوء من خلال التظليل الذاتي عن طريق العوالق النباتية وعن طريق تقييد النيتروجين غير العضوي الذي يقيد نمو العوالق النباتية. وبالتالي، ظلت عمليات الربح والخسارة متوازنة وكانت هناك فرص قليلة للازدهار، وهو ما يمثل حدثًا يصبح فيه النظام غير متوازن. بشكل عام، كشفت دراستنا للكون المتوسط عن بعض الروابط الرئيسية بين العمليات البيئية والكيميائية الحيوية لواحدة من أكثر المناطق أهمية من الناحية الاقتصادية في المحيطات.

Translated Description (French)

Résumé. Les systèmes de remontée d'eau de la frontière orientale (EBUS) figurent parmi les écosystèmes marins les plus productifs de la Terre. La production de matière organique est alimentée par la remontée d'eaux profondes riches en nutriments et par une lumière incidente élevée à la surface de la mer. Cependant, les facteurs biotiques et abiotiques peuvent modifier la production de surface et les processus biogéochimiques connexes. La détermination de ces facteurs est importante car les EBUS sont considérés comme des points chauds du changement climatique, et des prévisions fiables de leur fonctionnement futur nécessitent de comprendre les mécanismes qui y conduisent les cycles biogéochimiques. Dans cette expérience sur le terrain, nous avons utilisé des mésocosmes in situ comme outils pour améliorer notre compréhension mécanistique des processus contrôlant le cycle de la matière organique dans le système de remontée d'eau côtière péruvien. Huit mésocosmes, chacun d'un volume d'environ55 m3, ont été déployés pendant 50 jours à environ6 km au large de Callao (12∘ S) pendant l'été austral 2017, coïncidant avec une phase côtière d'El Niño. Après le déploiement du mésocosme, nous avons collecté les eaux souterraines à deux endroits différents dans la zone minimale régionale d'oxygène (ZMO) et les avons injectées dans quatre mésocosmes (rapport de mélange ≈1,5 : 1 mésocosme : eau de la ZMO). L'accent de cet article est mis sur les développements temporels de la production, de l'exportation et de la stœchiométrie de la matière organique dans les mésocosmes individuels. Les communautés de phytoplancton du mésocosme étaient initialement dominées par des diatomées, mais se sont déplacées vers une domination prononcée du dinoflagellé mixotrophe (Akashiwo sanguinea) lorsque l'azote inorganique était épuisé dans les couches de surface. Le changement de communauté a coïncidé avec une augmentation à court terme de la production pendant la floraison d'A. sanguinea, qui a laissé une empreinte prononcée sur la stœchiométrie C : N : P. Cependant, les flux d'exportation de C, N et P n'ont pas augmenté parce que A. sanguinea a persisté dans la colonne d'eau et n'a pas coulé pendant l'expérience. En conséquence, les flux d'exportation au cours de l'étude ont été découplés de la production de surface et soutenus par la communauté de plancton restante. Dans l'ensemble, les pools et les flux biogéochimiques ont été étonnamment constants pendant la majeure partie de l'expérience. Nous expliquons cette constance par la limitation de la lumière par l'auto-ombrage par le phytoplancton et par la limitation de l'azote inorganique qui a contraint la croissance du phytoplancton. Ainsi, les processus de gain et de perte sont restés équilibrés et il y avait peu d'opportunités de floraison, ce qui représente un événement où le système devient déséquilibré. Dans l'ensemble, notre étude du mésocosme a révélé certains liens clés entre les processus écologiques et biogéochimiques pour l'une des régions les plus économiquement importantes des océans.

Translated Description (Spanish)

Resumen. Los sistemas de surgencia del límite oriental (EBUS) se encuentran entre los ecosistemas marinos más productivos de la Tierra. La producción de material orgánico se ve impulsada por el afloramiento de aguas profundas ricas en nutrientes y la alta incidencia de luz en la superficie del mar. Sin embargo, los factores bióticos y abióticos pueden modificar la producción superficial y los procesos biogeoquímicos relacionados. La determinación de estos factores es importante porque las EBUS se consideran puntos críticos del cambio climático, y las predicciones confiables de su funcionamiento futuro requieren comprender los mecanismos que impulsan los ciclos biogeoquímicos en ellas. En este experimento de campo, utilizamos los mesocosmos in situ como herramientas para mejorar nuestra comprensión mecanicista de los procesos que controlan el ciclo de la materia orgánica en el sistema de afloramiento costero peruano. Ocho mesocosmos, cada uno con un volumen de ~55 m3, se desplegaron durante 50 d ~6 km frente al Callao (12° S) durante el verano austral de 2017, coincidiendo con una fase costera de El Niño. Después del despliegue del mesocosmo, recolectamos aguas subsuperficiales en dos ubicaciones diferentes en la zona mínima de oxígeno regional (OMZ) e inyectamos estas en cuatro mesocosmos (relación de mezcla ≈1.5 : 1 mesocosmo: agua OMZ). El enfoque de este documento es el desarrollo temporal de la producción, exportación y estequiometría de la materia orgánica en los mesocosmos individuales. Las comunidades de fitoplancton del mesocosmo estaban inicialmente dominadas por diatomeas, pero cambiaron hacia un dominio pronunciado del dinoflagelado mixotrófico (Akashiwo sanguinea) cuando el nitrógeno inorgánico se agotó en las capas superficiales. El desplazamiento de la comunidad coincidió con un aumento a corto plazo de la producción durante la floración de A. sanguinea, que dejó una impronta pronunciada en la estequiometría de la materia orgánica C : N : P. Sin embargo, los flujos de exportación de C, N y P no aumentaron porque A. sanguinea persistió en la columna de agua y no se hundió durante el experimento. En consecuencia, los flujos de exportación durante el estudio se desacoplaron de la producción de superficie y fueron sostenidos por la comunidad de plancton restante. En general, los grupos y flujos biogeoquímicos fueron sorprendentemente constantes durante la mayor parte del experimento. Explicamos esta constancia por la limitación de la luz a través del auto-sombreado por el fitoplancton y por la limitación del nitrógeno inorgánico que restringió el crecimiento del fitoplancton. Por lo tanto, los procesos de ganancia y pérdida se mantuvieron equilibrados y hubo pocas oportunidades para las floraciones, lo que representa un evento en el que el sistema se desequilibra. En general, nuestro estudio del mesocosmo reveló algunos vínculos clave entre los procesos ecológicos y biogeoquímicos para una de las regiones económicamente más importantes de los océanos.

Files

bg-17-4831-2020.pdf.pdf

Files (7.4 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:def2249108a631285e3cd9fa16da2e80
7.4 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
العوامل التي تتحكم في إنتاج مجتمع العوالق، وتدفق التصدير، وقياس تكافؤ الجسيمات في نظام الصعود الساحلي قبالة بيرو
Translated title (French)
Facteurs contrôlant la production communautaire de plancton, les flux d'exportation et la stœchiométrie des particules dans le système d'upwelling côtier au large du Pérou
Translated title (Spanish)
Factores que controlan la producción comunitaria de plancton, el flujo de exportación y la estequiometría de la materia particulada en el sistema de surgencia costera frente a Perú

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3092172295
DOI
10.5194/bg-17-4831-2020

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Ecuador

References

  • https://openalex.org/W1608826479
  • https://openalex.org/W1848845400
  • https://openalex.org/W1965506830
  • https://openalex.org/W1974877238
  • https://openalex.org/W1981194034
  • https://openalex.org/W1983026648
  • https://openalex.org/W1983328760
  • https://openalex.org/W1986947768
  • https://openalex.org/W1990419577
  • https://openalex.org/W1994796172
  • https://openalex.org/W1996851933
  • https://openalex.org/W2003616269
  • https://openalex.org/W2014592376
  • https://openalex.org/W2020370651
  • https://openalex.org/W2028915685
  • https://openalex.org/W2031291717
  • https://openalex.org/W2032091379
  • https://openalex.org/W2035545217
  • https://openalex.org/W2038773679
  • https://openalex.org/W2048583521
  • https://openalex.org/W2049142468
  • https://openalex.org/W2050685088
  • https://openalex.org/W2050825226
  • https://openalex.org/W2052584778
  • https://openalex.org/W2065855025
  • https://openalex.org/W2075435443
  • https://openalex.org/W2075674156
  • https://openalex.org/W2079493774
  • https://openalex.org/W2090162946
  • https://openalex.org/W2091041883
  • https://openalex.org/W2095208069
  • https://openalex.org/W2099290206
  • https://openalex.org/W2100820351
  • https://openalex.org/W2101468162
  • https://openalex.org/W2103420804
  • https://openalex.org/W2110485706
  • https://openalex.org/W2126107194
  • https://openalex.org/W2134006188
  • https://openalex.org/W2136618741
  • https://openalex.org/W2140091868
  • https://openalex.org/W2142158652
  • https://openalex.org/W2146100843
  • https://openalex.org/W2146615582
  • https://openalex.org/W2155033464
  • https://openalex.org/W2156265008
  • https://openalex.org/W2161241075
  • https://openalex.org/W2167321417
  • https://openalex.org/W2177473807
  • https://openalex.org/W2216244657
  • https://openalex.org/W2238128463
  • https://openalex.org/W2470339884
  • https://openalex.org/W2518514746
  • https://openalex.org/W2576889261
  • https://openalex.org/W2577504722
  • https://openalex.org/W2596084667
  • https://openalex.org/W2605046784
  • https://openalex.org/W2613027697
  • https://openalex.org/W2615239620
  • https://openalex.org/W2781567654
  • https://openalex.org/W2782781312
  • https://openalex.org/W2794343312
  • https://openalex.org/W2805879864
  • https://openalex.org/W2944354450
  • https://openalex.org/W2965923793
  • https://openalex.org/W4234569681