邱 勇，王源勇，謝聿原 ，黃邦欽

(1. 廈門大學福建省海陸界面生態(tài)環(huán)境重點實驗室、環(huán)境與生態(tài)學院，福建 廈門 361102；2. 泉州師范學院海洋與 食品學院、福建省海洋藻類活性物質(zhì)制備與功能開發(fā)重點實驗室，福建 泉州 362000)

作為全球“藍色碳匯”的主要貢獻者，潮間帶濕地在減緩含碳溫室氣體排放，降低全球溫室效應方面具有重要潛力[1].底棲微藻的生物量和初級生產(chǎn)力可超過其上覆水的浮游植物的生物量及初級生產(chǎn)力，據(jù)保守估計，全球每年底棲微藻固定的碳儲量約為每年0.5Gt[2].底棲微藻也是紅樹林生境底棲食物網(wǎng)中的重要一環(huán)，是大型底棲動物和浮游橈足類的食物來源以及底質(zhì)中細菌主要的碳來源[3-4].國內(nèi)關于底棲微藻的初級生產(chǎn)力研究主要集中在溫帶潮間帶濕地底棲微藻生物量的研究[5-8]，在亞熱帶潮間帶濕地開展的研究較少[9]，而有實地測量初級生產(chǎn)力的研究更為罕見[10-11].紅樹林作為熱帶、亞熱帶特有的植被，連接陸地和海洋的濱海生態(tài)交錯帶，被認為是重要的碳庫之一.紅樹林周期性被潮水浸淹，其紅樹林生境底棲生態(tài)系統(tǒng)具有獨特的群落結(jié)構(gòu)和環(huán)境調(diào)控機制[4,11-13].因此，研究紅樹林生境底棲微藻的初級生產(chǎn)力大小和季節(jié)變化規(guī)律，闡明其環(huán)境調(diào)控機制，對于科學評價紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中的地位具有重要作用，同時也將為紅樹林碳匯研究提供一些參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和采樣測量

漳江口紅樹林位于福建漳江口紅樹林國家級自然保護區(qū)內(nèi)，較少受到人為干擾.我們在紅樹植物外圍距離成片紅樹植物不遠的潮間帶灘涂上設置紅樹林生境采樣點(23.892°N，117.492°E)，在2014年7月至2015年7月期間，大致在每月上旬或下旬的退潮時測定環(huán)境因子、采集表層沉積物樣品、采集間隙水樣品和測定底棲微藻總初級生產(chǎn)力與群落呼吸速率.表層沉積物的采樣使用改造過的注射器(體積50 cm3，內(nèi)徑1.6 cm)，采集表層0～1 cm深的沉積物樣品，放入預先110℃滅菌的離心管中，放入干冰盒中-20℃低溫保存，帶回實驗室后立即置于-80℃超低溫冰箱中保存，待測.

1.2 環(huán)境因子測定方法

紅樹林生境的沉積物土壤的溫度、鹽度和pH值分別使用玻璃溫度計、HI98331型手持式土壤電導率儀和 HI99121N 型便攜式土壤酸度計(意大利 HANNA公司)測定.沉積物粒度采用Marlven-Mastersizer 2000型激光粒度儀測定[14-15]，其實驗步驟如下：將沉積物樣品混合均勻，以保證樣品具有代表性；粘土質(zhì)粉砂或粉砂質(zhì)粘土等細粒沉積物一般取樣0.10～0.29 g于50 cm3小燒杯中，加入30%的雙氧水15 cm3，待反應24 h，直到氣泡不再產(chǎn)生(若仍有氣泡產(chǎn)生，需再加入適量雙氧水直到反應完畢，以確保樣品中有機質(zhì)氧化完全)，用鑷子挑出較大的貝殼碎片，然后加入3 mol/dm3的鹽酸反應直至樣品沒有氣泡冒出，去除鈣質(zhì)；經(jīng)過以上步驟處理后，轉(zhuǎn)移樣品至離心管中，加入去離子水，離心，重復這個過程至少3次，確保樣品完全洗凈；加入4‰六偏磷酸鈉([NaPO3]6)溶液靜置24 h，使樣品顆粒充分散開；最后在激光粒度儀上進行測量.

沉積物間隙水樣品帶回實驗室用于測定營養(yǎng)鹽.水樣過濾前加入適量三氯甲烷(CHCl3)于間隙水中，取50 cm3水樣，并用0.45μm孔徑的醋酸纖維膜過濾2～3遍后收集.經(jīng)過處理后的樣品用Bran+Lubbe AA3營養(yǎng)鹽自動分析儀(德國SEAL Analytical GmbH)測定溶解無機氮(DIN)和溶解無機磷(DIP)，符合《海洋調(diào)查規(guī)范》[16]要求，硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度通過鎘柱還原法將硝酸鹽還原成亞硝酸鹽，再用重氮化偶合比色法測定，溶解無機磷的測量采用磷鉬藍分光光度法.

1.3 底棲微藻生物量測定

采用高效液相色譜法(high-performance liquid chromatography，HPLC)測定紅樹林生境底棲微藻的葉綠素a含量(Chla)，測量步驟與方法參照李欣等(2013)所描述的微藻光合色素的測定方法[9]并進行了一定的改進：將沉積物樣品從-80℃冰箱中取出，在冷凍干燥機(-70℃)中冷凍干燥 15～20 h，待樣品完全干燥后稱量干重，確保所有待測樣品干重均在8～10 g之間.然后向離心管中加入15 cm3N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，避光并置于搖床上震蕩 2～3 h以保證萃取充分.然后根據(jù)陳紀新等(2003)所描述的方法[17]獲得底微藻群落Chla生物量：使用島津LC20AGAO高效液相色譜儀配備二極管陣列檢測器(DAD)檢測進行測定，根據(jù)色素峰的停留時間和掃描圖譜定性Chla，其濃度通過外標法確定.

1.4 底棲微藻總初級生產(chǎn)力和群落呼吸速率測定

依照 Migné等(2002)的方法，我們通過將一個由聚氯乙烯(PVC)制成的透明密閉氣罩罩在研究區(qū)域上，并確保氣罩與底泥接觸緊密.通過測定封閉體系中的二氧化碳變化獲得底棲群落的生產(chǎn)力[18].在光照條件下封閉體系中的二氧化碳變化認為是由群落凈生產(chǎn)力(net community production，NCP)造成的，變化速率為正代表測定區(qū)域二氧化碳的源(即NCP為負)，反之是二氧化碳的匯(NCP為正)；無光條件下的二氧化碳變化(速率必須為正)則是由群落呼吸速率(community respiration, CR)決定的；底棲微藻總初級生產(chǎn)力(gross primary production，GPP)是二者的加和，即：GPP=NCP+CR.密閉氣罩的上半部分為半個球體，直徑為30 cm，附在圓柱體上，圓柱高15 cm，氣罩的鏈接處使用硅脂密封以保證密閉性.實驗時，圓柱部分插入底質(zhì)中，此時氣罩所罩住的氣體體積根據(jù)插入的深度而定.密閉氣罩中二氧化碳氣體濃度的變化使用紅外氣體分析儀Licor-820記錄，記錄頻率為1 Hz.在自然光條件下測量時長為15～20 min，ΔCO2獲得群落凈生產(chǎn)力：

(1)

然后打開氣閥使氣罩內(nèi)氣體與外界平衡，用不透光的遮光膜遮住模擬暗環(huán)境，按照以上步驟重復測量，獲得群落呼吸速率：

(2)

式(1、2)中：ΔCO2是單位時間內(nèi)氣罩中二氧化碳濃度的變化，單位是mmol C/(dm3·h).為了排除土壤擾動對測量的干擾，需要挑選變化穩(wěn)定的濃度曲線求變化速率，V是氣罩所罩住的氣體體積(dm3)，A是罩住的地表面積(m2).為了保證數(shù)據(jù)的代表性，我們每次在研究區(qū)域附近隨機另選兩個點，重復如上實驗，最終的結(jié)果將表現(xiàn)為3次實驗的平均值和標準偏差.

1.5 數(shù)據(jù)分析和處理方法

本研究所有的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和相關性分析均使用 SPSS 24.0 完成，均值檢驗采用studentt-test，皮爾森相關系數(shù)用于檢驗兩個變量間是否線性相關，卡方檢驗用于比較沉積物的粒級組成.圖表采用Sigmaplot 12.5進行繪制.

2 結(jié)果與討論

2.1 紅樹林灘涂生境表層沉積物的溫度、鹽度和 pH 值

紅樹林灘涂生境底質(zhì)表面土壤溫度、鹽度和pH值變化見圖1.在2014年7月到2015年7月期間，土壤溫度變化范圍是18.2～36.8℃，平均溫度為(27.1±6.0)℃，最高溫度出現(xiàn)在夏季7月，最低溫度出現(xiàn)在冬季1月份，總體上溫度表現(xiàn)為夏季>秋季>春季>冬季，與當?shù)貧夂蜃兓恢?鹽度變化范圍是10～25，平均鹽度為(20.4±4.4)，沒有明顯的季節(jié)特征.pH呈弱堿性，變化范圍是7.3～8.3，平均pH值為(7.7±0.3)，冬季pH值最高，不同季節(jié)pH具有顯著差異(p<0.05).

圖1 紅樹林灘涂生境表層底質(zhì)溫度、鹽度和pH值變化Fig.1 Changes of temperature, salinity and pH of surface sediment at the intertidal mudflat of mangrove forest

2.2 紅樹林灘涂生境表層沉積物粒級分布

紅樹林灘涂生境沉積物主要為粘土質(zhì)粉砂類型，由圖2可知在采樣期間紅樹林灘涂生境沉積物主要由粉砂(4～63 μm)和黏土(<4 μm)構(gòu)成，而中砂(>63 μm)所占比率極低，僅為0%～3.9%，顯著低于粉砂68.8%～71.5%和黏土27.3%～31.0%(p<0.05).底質(zhì)沉積物的中砂、粉砂和黏土平均含量比率分別為(0.5±1.0)%、(70.0±0.9)%和(29.5 ±1.2)%，粉砂含量比率最高，不同季節(jié)底質(zhì)粒級分布比率沒有顯著差異(p>0.05)，沒有明顯季節(jié)變化.

圖2 紅樹林灘涂生境表層底質(zhì)沉積物粒級組成比率變化Fig.2 Change of grain size composition of surface sediment at the intertidal mudflat of mangrove forest

2.3 紅樹林灘涂生境表層底質(zhì)營養(yǎng)鹽

采樣期間，紅樹林灘涂生境表層底質(zhì)溶解無機氮(DIN)含量的變化范圍是28～126 nmol/dm3，平均DIN含量為(74±28)nmol/dm3；表層底質(zhì)溶解無機磷(DIP)含量的變化范圍是1～5 nmol/dm3，平均DIP含量為(3±1) nmol/dm3(圖3).DIN和DIP均呈現(xiàn)春季和秋季高，夏季和冬季相對較低的特點，而且兩者變化趨勢一致(p<0.01).比較不同采樣時間的氮磷比(N/P)可知，N/P變化范圍是9.8～47.2，平均N/P值為(25.7±11.4)，其中N/P最高值出現(xiàn)在4月份，最低值出現(xiàn)在8月份，總體上呈冬季和春季高，夏季和秋季低的特點.

圖3 紅樹林灘涂生境表層底質(zhì)溶解無機氮、溶解無機磷含量和氮磷比變化Fig.3 Changes of dissolved inorganic nitrogen and dissolved inorganic phosphorus at the intertidal mudflat of mangrove forest

2.4 紅樹林灘涂底棲微藻總初級生產(chǎn)力、群落呼吸速率和群落凈生產(chǎn)力及其與環(huán)境因子的關系

調(diào)查期間紅樹林灘涂生境底棲微藻總初級生產(chǎn)力(GPP)和葉綠素a(Chla)含量變化見圖4.在調(diào)查期間，GPP變化范圍是1.2～3.8 mmol C/(m2·h)，調(diào)查期間平均GPP為(2.4±0.8)mmol C/(m2·h)，

圖4 紅樹林灘涂底棲生境微藻葉綠素a生物量和總初級生產(chǎn)力變化Fig.4 Change of Chl a and gross primary production of microphytobenthos at the intertidal mudflat of mangrove forest

最高值出現(xiàn)在夏季6月份，最低值出現(xiàn)在冬季的12月份，呈夏季>秋季>春季>冬季的特點，季節(jié)變化明顯.底棲微藻Chla生物量變化范圍是26.3～58.1 mg/m2，變化趨勢大體上與初級生產(chǎn)力相同，呈夏季高于冬季的特征.同時群落呼吸率(CR)也呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化特征(圖5)，CR變化范圍是0.1～4.0 mmol C/(m2·h)，平均CR為(1.9±1.4)mmol C/(m2·h)，其中最高值出現(xiàn)在在冬季1月份，最低值出現(xiàn)在夏季8月，且大致呈春季和冬季高，夏季和秋季低的特點，與GPP的季節(jié)變化相反.圖6展示了NCP，其變化范圍是-2.8～3.2 mmol C/(m2·h)，平均NCP為(0.5±1.8)mmol C/(m2·h)，最大值出現(xiàn)在9月份，最低值出現(xiàn)在1月份，且冬季和春季NCP為負數(shù)，表現(xiàn)為二氧化碳的源，而夏季和秋季月份為正數(shù)，表現(xiàn)為二氧化碳的匯.相關性分析結(jié)果顯示(表1)，紅樹林生境底棲微藻群落Chla與底質(zhì)中DIN含量顯著正相關(r=-0.539,p<0.01)，與其他環(huán)境因子(溫度、鹽度、pH、DIP等)均無顯著相關性.而GPP與溫度顯著正相關(r=0.815，p<0.01)，也與DIP呈正相關關系(r=0.400，p<0.05)，但與其他環(huán)境因子均無顯著相關性(p>0.05).而CR與各環(huán)境因子均無顯著相關系(p>0.05).NCP與溫度顯著正相關(r=0.672，p<0.01)，與其他環(huán)境因子無顯著相關性(p>0.05).

圖6 紅樹林灘涂生境底棲微藻群落凈初級生產(chǎn)力變化Fig.6 Change of net community production of microphytobenthos at the intertidal mudflat of mangrove forest 表1 紅樹林生境底棲微藻生物量、總初級生產(chǎn)力、群落呼吸速率和群落凈生產(chǎn)力與環(huán)境因子相關性分析Tab.1 Correlation analysis of biomass (Chl a), total primary production, community respiration rate and community net productivity of microphytobenthos with environmental factors at the intertidal mudflat of mangrove forest

項目微藻生物量(Chl a)總初級生產(chǎn)力群落呼吸速率群落凈生產(chǎn)力rprprprPCDIN-0.539**0.0040.1910.3400.0030.9890.1090.588CDIP-0.2730.1690.400*0.0390.0470.8150.1980.322N/P0.2840.151-0.3470.0760.0700.730-0.2540.202溫度-0.1660.4070.815**0.000-0.2670.1780.672**0.000鹽度0.2470.215-0.1900.3430.2390.229-0.2870.146pH0.0310.879-0.2980.1310.2690.175-0.3720.056

注：“**”表示p<0.01，相關性極為顯著； “*”表示p<0.05，相關性顯著

2.5 討論

以往對底棲微藻初級生產(chǎn)力的測量主要采用放射性碳同位素示蹤法[10-11].但由于放射性物質(zhì)的環(huán)境危害性，這種方法不適合于在紅樹林開展研究.本研究采用測量土壤大氣界面二氧化碳交換速率的方法[18]，雖然有同時測樣量低的缺點，但其優(yōu)點突出：① 測量步驟簡單，且安全可靠；② 可同時獲得總初級生產(chǎn)力、群落呼吸速率和群落凈生產(chǎn)力，更適合于紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)研究.

在研究期間，測定的紅樹林生境土壤溫度的季節(jié)變化(圖1)與亞熱帶地區(qū)氣溫的變化相一致.作為光合作用的三要素(光照、溫度和營養(yǎng)鹽)之一，溫度是影響固碳酶活性的關鍵因素，進而調(diào)控底棲藻類的總初級生產(chǎn)力[19].Blanchard等(1997)研究認為25℃是底棲微藻光合作用的最適溫度[20]，也有研究認為底棲微藻光合作用的最佳溫度在10～20℃之間[21]，穆文華等(2014)應用脈沖振幅調(diào)制葉綠素熒光技術研究廈門大嶝島潮間帶底棲微藻的光合活性，發(fā)現(xiàn)27℃時光合電子傳遞速率達到最高，高溫如35℃則會傷害底棲微藻光合活性[22].本研究結(jié)果顯示，紅樹林潮間帶灘涂底棲微藻的GPP與溫度呈顯著正相關(p<0.01)，溫度的升高促進了底棲微藻群落的整體初級生產(chǎn)力，同時Chla與溫度無顯著相關關系且r為負值，說明單位Chla初級生產(chǎn)力也隨著溫度的升高而增加.值得注意的是，當土壤溫度達到35℃時，如2014年10月份或2015年6月份的測點，GPP并未受到抑制.穆文華等(2014)也認為底棲微藻光合活性的最適溫度與環(huán)境溫度是一致的，體現(xiàn)了底棲微藻對環(huán)境的適應性，他們研究中發(fā)現(xiàn)的27℃最適溫度與廈門區(qū)域5月份潮間帶土壤溫度是相當?shù)模虼水斖寥罍囟壬仙?7℃以上，底棲微藻可通過自身的適應或群落演替，以適應溫度的變化，同時提高GPP[22].

由于福建漳江口紅樹林調(diào)查區(qū)處于東山灣靠里的位置，鹽度變化相對較小(圖1)，對初級生產(chǎn)和底棲微藻生物量均無顯著影響(表1).而營養(yǎng)鹽是生物體生長繁殖的重要限制因子，雖然有研究指出沉積物中的營養(yǎng)鹽較為豐富，一般不會成為底棲微藻的限制因子[23]，但需要根據(jù)現(xiàn)實情況進行分析，漳江口紅樹林潮間帶灘涂的N/P 比值大部分時間都大于16(圖3)，一般認為16∶1是最適宜藻類生長的 Redfield比值，因而本研究中的底棲微藻的生長可能受到磷限制[24]，這與本研究結(jié)果中GPP與DIP顯示出顯著的正相關關系相符(表1).有研究發(fā)現(xiàn)在營養(yǎng)鹽輸入增強時，底棲微藻的生物量及生產(chǎn)力會增加[25].

沉積物粒徑在紅樹林灘涂生境中的變化會受到很多因素的影響，包括沉積物來源、水動力條件和一些生物因素的擾動等[26].沉積物的粒徑也有可能對近岸淺水系統(tǒng)中底棲初級生產(chǎn)力的分布造成影響[27]，漳江口紅樹林生境潮間帶灘涂底質(zhì)沉積物主要由粉砂和黏土構(gòu)成(圖2)，有研究發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)底質(zhì)中的底棲微藻生物量顯著高于砂質(zhì)底質(zhì)[28].紅樹林是生產(chǎn)力極高的生態(tài)系統(tǒng)，紅樹生境凋落物是形成紅樹林土壤的重要來源，為底棲生態(tài)系統(tǒng)提供了豐富的營養(yǎng)來源，也促進了土壤里微生物活動的發(fā)展，因而群落呼吸作用強.本研究結(jié)果顯示，秋、冬和春季的CR較高(圖5)，于是這幾個季節(jié)出現(xiàn)較多NCP為負的情況.從全年的情況看，平均CR為(1.9±1.4)mmol C/(m2·h)，平均NCP雖然為正，但數(shù)值較小，二氧化碳的收支接近于平衡.

Migné等(2016)在法國Arcachon灣用土壤大氣界面二氧化碳交換速率法測量底棲藻類初級生產(chǎn)力和底棲群落呼吸速率，結(jié)果顯示瀉湖潮間帶灘涂以自養(yǎng)為主且是二氧化碳的匯，尤其是在中潮帶，在無海草覆蓋的采樣點，其NCP在春季和夏末達到高值，最高達到9.9 mmol C/(m2·h)，若干倍于本研究的測值，與Chla生物量之間的差異相當.同時他們還歸納了過去十多年來在法國沿海不同潮間帶灘涂測量得到的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在不同地點、不同底質(zhì)條件(泥質(zhì)和砂質(zhì))、不同潮間帶位置(高、中、低潮帶)和有無海草覆蓋情形下，最大CR范圍是0.1～7.0 mmol C/(m2·h)，時空變異性極大[29]；本研究結(jié)果中漳江口紅樹林潮間帶灘涂的最大CR為4.0 mmol C/(m2·h)，處于他們數(shù)據(jù)中較高的水平.更為關鍵的是，在他們的數(shù)據(jù)集中，多數(shù)采樣點都是高度自養(yǎng)狀態(tài)即強的二氧化碳的匯，最大NCP范圍是-0.1～14.6 mmol C/(m2·h)，而漳江口紅樹林潮間帶最大NCP是3.2 mmol C/(m2·h)，平均值是0.5 mmol C/(m2·h)，基本上處于二氧化碳收支平衡的狀態(tài).但值得注意的是，他們的研究只有冬末、春季和夏末幾個時間段，對于本研究而言，在夏季和初秋這個時間段，漳江口紅樹林潮間帶灘涂也是屬于強的二氧化碳的匯.因此，完整的季節(jié)分布數(shù)據(jù)對于是否能較準確地衡量一個系統(tǒng)全年平均NCP是非常關鍵的.此外，在國內(nèi)山東的乳山灣和浙江的象山港潮灘也開展了底棲藻類GPP的研究[10-11]，最大GPP分別為7.7 mmol C/(m2·h)和3.8 mmol C/(m2·h)(僅中潮區(qū))，與本研究結(jié)果基本上數(shù)量級一致.目前，對潮間帶灘涂生產(chǎn)力的已有研究多集中于溫帶區(qū)域，熱帶和亞熱帶區(qū)域的研究較少.在撒哈拉沙漠區(qū)域沿海灘涂的研究發(fā)現(xiàn)，十一月份和一月份光灘的全天NCP都為負值[30].這些數(shù)據(jù)顯示，潮間帶灘涂生產(chǎn)力可能存在緯度上的變化規(guī)律，研究和發(fā)現(xiàn)這種規(guī)律需要在熱帶和亞熱帶開展更多類似的研究.

3 結(jié)論

本研究表明，福建漳江口紅樹林潮間帶灘涂生境底質(zhì)的環(huán)境因子均有顯著的季節(jié)變化，其中溫度是影響紅樹林灘涂生境底質(zhì)中底棲微藻總初級生產(chǎn)力的主要環(huán)境因子，營養(yǎng)鹽也是影響底棲微藻生物量和總初級生產(chǎn)力的重要因素.紅樹林濕地是重要的碳庫之一，但由于功能的區(qū)別，紅樹樹冠和其外圍底質(zhì)有著自養(yǎng)作用和異養(yǎng)作用的明顯區(qū)分.本研究發(fā)現(xiàn)，在紅樹林外圍的光灘生境，底棲微藻的光合作用平衡了異養(yǎng)作用，使全年的群落凈生產(chǎn)略高于零，進而影響紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳的源匯格局.