Exploratory data analysis of the interactions among physics, food web structure, and function in two Arctic polynyas

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Abstract

Polynyas are areas of open water in ice-covered seas, characterized by high biological productivity. The NEW (Northeast Water) and NOW (North Water) polynyas, located off the east and west coasts of Greenland, were extensively sampled in 1993 and 1998, respectively. We used principal component analysis to explore the seasonal covariations among physical, chemical, and ecological characteristics in these polynyas. In both polynyas, the most explanatory eigenvector revealed the expected seasonal development of the bloom (nutrient consumption and biomass increases) associated with declining ice cover, warming, and mixed-layer shallowing. This seasonal pattern, however, was much weaker in NEW than in NOW. No connections between the structure of the food web and recycling processes were apparent in either polynya. The analysis points to much stronger and richer interactions between the mesoplankton (i.e., diatoms–zooplankton) and microbial food webs in NOW than in NEW. The differences between the polynyas may be explained in part by differences in their longevity, with the longer-lived NOW polynya having more time to develop complex trophic interactions. The results also indicate that the connections between food web structure and ecosystem function (i.e., new production versus recycling), at least at the seasonal scale, are weaker than expected.

Les polynies sont des zones d'eau libre dans des mers couvertes de glace, caractérisées par une forte productivité biologique. Nous avons fait un vaste échantillonnage des polynies des eaux du nord-est (NEW, Northeast Water) et des eaux du nord (NOW, North Water), situées au large des côtes est et ouest du Groenland, respectivement en 1993 et en 1998. Une analyse des composantes principales nous a servi à explorer les covariations saisonnières entre les caractéristiques physiques, chimiques et écologiques dans ces polynies. Dans les deux polynies, le vecteur propre qui est le plus explicatif montre que le développement saisonnier attendu de la prolifération d'algues (consommation de nutriments et augmentation de la biomasse) est associé au déclin de la couverture de glace, au réchauffement et à la remontée de la couche de mélange. Cependant, ce patron est moins bien marqué dans NEW que dans NOW. Il semble n'exister aucun lien ente la structure du réseau alimentaire et les processus de recyclage dans ces deux polynies. L'analyse révèle des liens plus forts et plus élaborés entre le mésoplancton (c'est-à-dire les diatomées et le zooplancton) et les réseaux alimentaires microbiens dans NOW que dans NEW. Les différences entre les polynies peuvent peut-être s'expliquer en partie par des différences de longévité, la polynie NOW qui se maintient plus longtemps ayant plus de temps pour élaborer des interactions trophiques plus complexes. Nos résultats indiquent aussi que les liens entre la structure du réseau alimentaire et le fonctionnement de l'écosystème (c'est-à-dire la production nouvelle en fonction du recyclage) sont, au moins à l'échelle saisonnière, plus faibles que prévu.

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