趙志方 ，秦松 ，劉正一 ，唐君瑋，肖圣志，鐘志海*

(1.中國科學院煙臺海岸帶研究所 海岸帶生物學與生物資源利用重點實驗室，山東 煙臺 264003；2.中國科學院海洋大科學研究中心，山東 青島 266071；3.中國科學院大學 資源與環(huán)境學院，北京 101407；4.長島綜合試驗區(qū)海洋經濟促進中心，山東 煙臺 264003；5.長島東源海產有限公司，山東 煙臺 264003)

1 引言

為了減緩全球變暖的趨勢，各國都在采取以“碳減排和碳吸收”為基礎的碳中和策略[1]。習近平總書記提出我國碳排放力爭于2030 年前達到峰值，2060年前實現碳中和的目標。自工業(yè)革命以來，人類活動所釋放的CO2大約有48%被海洋吸收[2]。因此，海洋是全球氣候變化的一個巨大“緩沖帶”[3]，也是迄今為止最大的碳庫[4]。據報道[5]，海洋碳庫約是大氣碳庫的50 倍，陸地碳庫的20 倍。我國是同時擁有紅樹林、鹽沼、海草床和海藻場的國家之一，其中海藻場是近海的主要初級生產力貢獻者。全球海藻場面積高達3.5×106km2，凈初級生產力（以碳計，下同）約1 521×106t/a[6]。全球陸架區(qū)大型海藻的固碳潛力為0.7×109t/a，約占全球海洋年均凈固碳量的35%[7]。對于生長在松軟沉積物上的大型海藻來說，凈初級生產力的0.4%（6.2×106t/a）被直接埋藏在生境中[8]，而43%則從海藻床中以顆粒有機碳（Particulate Organic Carbon，POC）和可溶性有機碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）的形式輸出[9]，其全球通量（以碳計，下同）約為679×106t/a[8]。綜上，大型海藻對于實現碳中和目標具有重要意義。

大型海藻的光合速率通常通過測定單位時間測量瓶內O2或無機碳（Dissolved Inorganic Carbon，DIC）濃度的變化來計算。在測量過程中，由于藻體體積較大，通常使用打孔器或者刀片獲取藻體的一小部分來測量光合速率[10-11]。然而，大型海藻的不同部位常表現出不同的光合活性，且切割會提高藻體的呼吸速率，降低光合速率[12]。另外，研究發(fā)現，藻體的創(chuàng)傷組織也會導致DOC 的釋放量在短時期內急劇增加[13]。因此，使用部分藻體代替整株藻體的方法不能準確地計算藻體的光合速率。此外，光合速率的測定通常在封閉的狹小系統(tǒng)（測量瓶）內進行，這種傳統(tǒng)的方法常常忽略了流速的影響。Schumacher 和Whitford[14]認為，流速的增加能夠刺激大型植物初級生產力的提高。進一步研究發(fā)現，由驅動槳產生水流的測量系統(tǒng)[15]和流通式藻類固碳測量系統(tǒng)測得的光合速率[16]均比靜置狀態(tài)下要高，且流速對DIC 的攝取有顯著影響[17]，也對無機氮（Dissolved Inorganic Nitrogen，DIN）的吸收以及藻體的生長有顯著影響[18]。另外，在測量過程中，封閉的狹小系統(tǒng)內O2在短時間內可迅速積累，產生的光呼吸會降低其光合速率和固碳能力[19]。Weigel 和Pfister[20]在大型海藻光合固碳速率的測量過程中選擇了體積較大的封閉透明圓柱體（體積：2.6 L），利用同位素13C 或14C 測定細胞同化DIC 的量，推算光合速率，但沒有考慮流速的影響。另外，同位素示蹤法只能測定總光合速率，不能測定呼吸速率，所以具有一定局限性。測定單位時間內培養(yǎng)系統(tǒng)中DIC 濃度的變化也可以推算出光合固碳速率，基本方法是用20%的鹽酸將水體酸化，將所有形式的DIC 轉化成CO2，然后用N2將其排出，利用紅外線氣體分析法測定釋放出的CO2[21]。該方法比直接測量水體溶解O2濃度的變化更加復雜，而且CO2易擴散，導致結果準確性較低。Bao 等[22]根據海水pH 和總堿度(Total Alkalinity,TA)，利用CO2SYS 計算總DIC 變化量來計算海藻的光合固碳能力，但35 mL的石英管并沒有擺脫狹小系統(tǒng)的制約。

鼠尾藻（Sargassum thunbergii）是一種廣泛分布于西北太平洋潮間帶的大型褐藻，具有重要的生態(tài)和經濟價值[23]。在海洋生態(tài)方面，鼠尾藻是修復或者重建海藻場的建群種，具有重要的生態(tài)功能[24]。鼠尾藻不僅為海洋生物提供食物來源和棲息場所[25]，也可通過吸收氮磷等凈化水質，對維持物種豐富度具有重要意義[26]。在水產養(yǎng)殖方面，鼠尾藻是海參、鮑魚等的天然優(yōu)質餌料。本研究設計了一種可調控流速的大型海藻固碳能力測量系統(tǒng)，總體積為3.5 L，并選擇完整的鼠尾藻藻體作為研究對象，避免了創(chuàng)傷帶來的負面影響。研究了流速對鼠尾藻的凈光合速率、呼吸速率、凈初級生產力、DOC 釋放以及對DIN、無機磷（Dissolved Inorganic Phosphorus，DIP）吸收能力的影響，為大型海藻固碳能力的研究提供切實可行的參考。

2 材料與方法

2.1 鼠尾藻的采集與培養(yǎng)

鼠尾藻于2021 年5 月27 日采自山東省煙臺市養(yǎng)馬島潮間帶（37°27'49''N，121°35'54''E），采集過程中保持藻體的完整性，在1 h 內運回實驗室。挑選色澤發(fā)亮、大小均一的藻體作為實驗材料。去除表面附著的小動物和泥土等，按1 g/L 的密度暫養(yǎng)于過濾、滅菌的天然海水（pH 為8.2，鹽度為32）中，暫養(yǎng)溫度為19℃，連續(xù)充氣培養(yǎng)。暫養(yǎng)的時間為晚上，黑暗恢復12 h 進行后續(xù)實驗。

2.2 裝置介紹與實驗設計

本研究設計了一種大型海藻固碳能力測量系統(tǒng)，包括透明的圓柱管道（材質為亞克力，透光性好）、流量計、熒光光纖氧氣測量儀（Fiber-Optic Oxygen Meter）和循環(huán)水泵（圖1）。圓柱管道長為40 cm，直徑為10 cm，連接的透明水管的直徑為19 mm。測量系統(tǒng)的總體積為3.5 L，圓柱管道內鼠尾藻質量（g）與測量系統(tǒng)內海水的體積（L）的比例約為8.57。圓柱管道的進水口一端放置一個十字支架，將鼠尾藻的分枝放在支架的4 個空隙中，使其隨水流能自由舒展。通過圓柱管道兩端的控制閥和循環(huán)水泵控制系統(tǒng)內水的流量和流向，通過流量計進行流量的檢測。本研究設計了3 種流速，分別是靜止（0 m/s）、中流速（0.033 m/s）和高流速（0.094 m/s）。圓柱管道上方的兩個帶塞子的圓柱小孔（高度為2 cm，直徑為1 cm）可以進行水樣的注入和采集，進行pH、DOC、DIN 和DIP 等的測量。熒光光纖氧氣測量儀可以實時測量系統(tǒng)內的溫度和溶解氧濃度。

圖1 大型海藻固碳能力測量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of carbon sequestration capacity measurement system of macroalgae

2.3 鼠尾藻凈光合速率、呼吸速率的測量以及凈初級生產力的計算

本實驗所用材料均為長勢健康的整株鼠尾藻，鮮重為（30±2）g。在圖1 裝置內灌滿過濾、滅菌的天然海水，并置于裝有海水的透明帆布池中控溫（19℃）。調整好控制閥后，打開循環(huán)水泵，使系統(tǒng)內的海水循環(huán)流動。在光強（以光子計，下同）為150 μmol/(m2·s)（白天）和0 μmol/(m2·s)（黑夜）條件下，用熒光光纖氧氣測量儀分別測定3 種流速下的凈光合速率（Pn）和呼吸速率（Rd），測量時間為20 min。按照光合作用熵（Photosynthetic Quotient，PQ）為1，將Pn（單位鮮重釋放的O2量，μmol/(g·h)）轉化為光合固碳速率（Cn）（單位鮮重固定的CO2量，μmol/(g·h)），即Pn與Cn在數值上是相等的。Pn、Rd和凈初級生產力的計算公式如下：

凈初級生產力（單位鮮重生產的碳量，

式中，C0和Cf分別是測量Pn時的初始和最終O2濃度（單位：μmol/L）；和分別是測量Rd時的初始和最終O2濃度；V為系統(tǒng)的總體積（單位：L）；M0為鼠尾藻的鮮重（單位：g）；T為測量時間（單位：h）。

2.4 鼠尾藻DOC 釋放速率的測量

用圖1 裝置在3 種流速和2 種光強下分別培養(yǎng)鼠尾藻20 min。培養(yǎng)前后，分別取10 mL 水樣，所取水樣均在黑暗、4℃下保存。用總有機碳分析儀（TOCVCPH）測量DOC 的濃度，DOC 釋放速率的計算公式為

式中，DOC0和DOCf分別為初始和最終DOC 濃度（以碳計，單位：mg/L）；V為系統(tǒng)的總體積（單位：L）；M0為鼠尾藻的鮮重（單位：g）；T為培養(yǎng)時間（單位：h）。

2.5 鼠尾藻對DIN 和DIP 的吸收速率的測量

用圖1 裝置在3 種流速下分別培養(yǎng)鼠尾藻20 min，培養(yǎng)光強為150 μmol/(m2·s)。培養(yǎng)前后，分別取15 mL水樣，所取水樣均在4℃下保存。用續(xù)流動分析儀（Bran-Lubee AAA3）測量的濃度。DIN 濃度為濃度之和，其計算公式為

式中，DIN0和DINf分別為初始和最終DIN 濃度（以氮計，單位：mg/L）；V為系統(tǒng)的總體積（單位：L）；M0為鼠尾藻的鮮重（單位：g）；T為培養(yǎng)時間（單位：h）。DIP 吸收速率計算公式與DIN 相同。

2.6 大型海藻固碳能力測量系統(tǒng)準確性檢測

將圖1 裝置兩端外接一個海水槽形成一個開放式大型海藻固碳能力測量系統(tǒng)（圖2），測量系統(tǒng)內裝50 L 過濾、滅菌的人工海水，圓柱管道內鼠尾藻質量（g）與測量系統(tǒng)內海水的體積（L）的比例約為0.6。調整好控制閥后，打開循環(huán)水泵，使系統(tǒng)內的海水循環(huán)流動。鼠尾藻在中流速（0.033 m/s）下培養(yǎng)24 h，白天和黑夜各培養(yǎng)12 h，培養(yǎng)溫度為19℃。測量培養(yǎng)24 h前后鼠尾藻的鮮重（培養(yǎng)前：30.52 g、31.73 g 和31.96 g；培養(yǎng)后：30.81 g、31.87 g 和32.34 g），同時將培養(yǎng)后的鼠尾藻置于80℃烘箱中48 h，確認烘干后測量干重（4.91 g、5.25 g 和5.21 g）并研磨，通過比例計算培養(yǎng)24 h 后鼠尾藻增加的干重，記作ΔW1。培養(yǎng)24 h 后，收集整個系統(tǒng)中鼠尾藻的殘枝碎屑，烘干（80℃，48 h），記作ΔW2（0.16 g、0.21 g 和0.12 g）。用小進樣量元素分析儀（Elementar Vario Micro）測量（ΔW1+ΔW2）中所含有的POC 量（記作POC1）。培養(yǎng)24 h 結束時，將測量系統(tǒng)中的50 L 水樣用孔徑為0.45 μm 的玻璃纖維膜過濾，測量膜上的POC 量（記作POC2）。另外，培養(yǎng)前后分別取10 mL 水樣用總有機碳分析儀測量CDOC濃度（單位：mg/L），并計算培養(yǎng)前DOC 量（記作DOC0）和培養(yǎng)后DOC 量（記作DOC1），則DOC 量（24 h釋放）為二者之差。鼠尾藻24 h 的凈固碳量（C凈）公式為

圖2 開放式大型海藻固碳能力測量系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of open carbon sequestration capacity measurement system of macroalgae

2.7 數據分析

使用SPSS 24.0，Oringin 9.0 軟件進行數據處理及統(tǒng)計分析。用One-Way ANOVA 進行顯著性差異分析，設置顯著水平為p＜0.05，重復組n≥3。

3 結果與分析

3.1 大型海藻固碳能力測量系統(tǒng)的準確性檢測

如表1 所示，3 個平行系統(tǒng)內藻體的C凈均大于POC1、POC2和DOC 的總和，C差分別為1.01 mg、0.89 mg和1.39 mg，平均值為（1.10±0.26）mg。3 個系統(tǒng)內C差/C凈分別為2.08%、1.88%和2.18%。

表1 鼠尾藻在中流速培養(yǎng)24 h 的各項有機碳量Table 1 The organic carbon content of Sargassum thunbergii cultured at a medium flow rate for 24 h

3.2 系統(tǒng)內pH 的變化

如圖3 所示，在中流速和高流速情況下，裝置內pH 的變化幅度要大于靜止下的變化幅度，但是3 種情況下的pH 變化幅度均不明顯。流速由低到高，在20 min 內pH 分別僅增加了0.007、0.017 和0.020。

圖3 不同流速下測量系統(tǒng)內pH 隨時間的變化Fig.3 The change of pH in the measurement system with time under different flow rates

3.3 不同流速對鼠尾藻凈光合速率和呼吸速率的影響

如圖4 所示，隨著流速的增加，鼠尾藻的凈光合速率逐步升高。在靜止情況下，鼠尾藻的凈光合速率僅為高流速下的76.90%（p＜0.05）。在中流速和高流速情況下，鼠尾藻的呼吸速率顯著低于靜止下的呼吸速率（p＜0.05），分別為靜止的43.08%和62.01%。

圖4 不同流速下鼠尾藻的凈光合速率和呼吸速率Fig.4 The net photosynthetic rate and respiration rate of Sargassum thunbergii under different flow rates

3.4 不同流速對鼠尾藻凈初級生產力和DOC 釋放速率的影響

在中流速和高流速情況下，鼠尾藻的凈初級生產力分別為靜止下的1.87 倍和2.12 倍（圖5）。鼠尾藻DOC 的釋放速率與晝夜變化有關（圖6），白天DOC釋放速率顯著高于夜間的釋放速率（p＜0.05）。流速由低到高，白天DOC 的釋放速率分別為夜間的2.70 倍、2.68 倍和2.63 倍。在靜止情況下，鼠尾藻的DOC 釋放速率顯著低于中流速和高流速下的釋放速率（p＜0.05）。靜止情況下，白天DOC 釋放速率僅為高流速下的43.64%，而在黑夜這個比例則降至42.44%。

圖5 不同流速下鼠尾藻的凈初級生產力Fig.5 The net primary productivity of Sargassum thunbergii under different flow rates

圖6 不同流速下鼠尾藻的可溶性有機碳（DOC）釋放速率Fig.6 The dissolved organic carbon (DOC) release rate of Sargassum thunbergii under different flow rates

3.5 不同流速對DIN 和DIP 吸收速率的影響

如圖7 所示，鼠尾藻對DIN 和DIP 的吸收速率均隨流速的升高而升高。在中流速和高流速情況下，鼠尾藻DIN 的吸收速率分別為靜止下的1.97 倍和4.02 倍，DIP 的吸收速率分別為靜止下的1.61 倍和2.14 倍。

圖7 不同流速下鼠尾藻對可溶性有機氮（DIN）和可溶性有機磷（DIP）的吸收速率Fig.7 The absorption rates of dissolved inorganic nitrogen (DIN) and dissolved inorganic (DIP) phosphorus by Sargassum thunbergii under different flow rates

4 討論

在封閉系統(tǒng)內，隨著海藻光合作用的進行，海水的碳酸鹽系統(tǒng)會發(fā)生改變，如pH 增加，而碳酸鹽系統(tǒng)的穩(wěn)定對于維持光合速率至關重要[28]。本研究發(fā)現，在3 種流速下，裝置內的pH 在20 min 內分別僅增加了0.007（靜止）、0.017（中流速）和0.020（高流速），說明裝置內的碳酸鹽系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性，不會對光合作用造成負面影響。

在開放式大型海藻固碳能力測量系統(tǒng)中，中流速培養(yǎng)鼠尾藻24 h 后，C差分別為1.01 mg、0.89 mg 和1.39 mg，C差/C凈分別為2.08%、1.88%和2.18%（表1）。C差的形成可能是由于DOC 的性質不穩(wěn)定造成的，在有光的條件下DOC 容易降解[29]。雖然在保存水樣的時候，用錫箔紙對樣品進行了遮光，但是在培養(yǎng)和取樣過程中，還是會短時間暴露于光照下，部分DOC 因此降解。研究表明，光化學反應產生的DOC 中有12%～48%會被太陽光所降解[30]。綜上分析，公式（7）的左右兩邊基本成立，說明該測量系統(tǒng)是可靠的。

本研究發(fā)現，在設置的流速范圍內，鼠尾藻的凈光合速率隨流速的增加而增加，這與Carpenter 等[31]的研究結果基本一致。他們發(fā)現紅藻刺狀魚棲苔（Acanthophora spicifera）和不規(guī)則腔腺藻（Coelothrix irregularis）在0～0.25 m/s 的流速范圍內，凈光合速率隨著流速的增加而增加。水生植物的凈光合速率與植物表面的邊界層擴散有關，營養(yǎng)物質和氣體通過邊界層輸送到植物表面的速率取決于該層的厚度和橫跨該層的濃度梯度[32]，隨著流速的增加，邊界層厚度減小[18]，導致運輸CO2的量增加，從而提高凈光合速率[17]。然而，凈光合速率的升高是具有一定限度的，因為邊界層的厚度不會一直降低[33]。有研究發(fā)現，巨藻（Macrocystis pyrifera）在流速為0.04 m/s 時，其凈光合速率達到最大。與此同時，其邊界層厚度達到最?。? mm）[34]，超過該流速，比如碳酸酐酶的活性，會成為限制光合速率的因素[35]。Gao[36]研究發(fā)現，在960 μmol/(m2·s)光強下，鼠尾藻的凈光合速率隨著水流速度（0.5～1.2 cm/s）的增加而增加，在流速為1.2 cm/s 時，鼠尾藻的凈光合速率為38 μmol/(g·h)，而本研究的最大凈光合速率為16 μmol/(g·h)，僅為其42.1%，差異的主要原因可能是單位水體體積含有的藻體接收的光強不同所致：Gao[36]研究中單位水體體積含有的藻體接收的平均光強是本研究的2.3 倍。此外，隨著流速增加導致的碳酸酐酶活性的降低也可能影響凈光合速率[35]。另外，大型海藻藻體表面微生物群落也與流速有關，大型海藻釋放的DOC 和POC 可以促進附著在其表面的異養(yǎng)微生物的生長[37]，而靜止的水流使微生物更容易附著或停留在海藻周圍，更易攝取這些有機物質，促進其豐度的增加，從而可能導致呼吸速率的升高。本研究中，鼠尾藻在靜止時的呼吸速率要高于中流速（0.033 m/s）和高流速（0.094 m/s）下的呼吸速率，這可能是藻體與微生物相互作用的結果。

在生長階段，大型海藻會持續(xù)以DOC 的形式釋放出一定比例的光合產物[38]。DOC 的釋放可歸因于細胞生長和裂解過程中小分子化合物的被動泄漏或光合產物的主動滲出[39]。水生光合生物產生的DOC改變了全球海洋環(huán)境的碳動力學[40-41]，加速了微生物的分解轉化過程[42]。最近幾年，科學家提倡把大型海藻列入“藍碳”的范疇，使之成為繼紅樹林、海草床和鹽沼之后的第4 類“藍碳”[9]。雖然DOC 的輸出被認為是大型海藻進行碳儲存的主要路徑[9]，但關于光合固碳能力的計算并沒有考慮生長過程中大型海藻DOC 的釋放[43]。所以厘清光合固碳能力和DOC 釋放之間的關系對于計算大型海藻的固碳能力十分重要。本研究發(fā)現，隨著流速的增加，鼠尾藻的凈初級生產力和DOC 釋放速率均有所提高，支持了光合產物的擴散假說—DOC 的釋放速率與凈初級生產力呈正相關，即DOC 的釋放速率會隨凈初級生產力的增加而增加[44]。光合產物以DOC 的形式進行釋放時，無論是被動的還是主動，在一定程度上均依賴于細胞內碳池的濃度[45]，碳池濃度越大，DOC 擴散速率就越快，目前已在淡水和海洋浮游植物中得到驗證[44,46]。另外，在靜止、中流速和高流速下，白天鼠尾藻DOC的釋放速率分別為夜間的2.70 倍、2.68 倍和2.63倍。而Weigel 和Pfister[20]發(fā)現，兩種褐藻Nereocystis luetkeana和巨藻白天DOC 的釋放速率分別是夜間的3.5 倍和4.7 倍。也有研究發(fā)現，有些大型褐藻白天DOC 的釋放速率一般為夜間的1.3～2 倍[47-48]。夜間DOC 釋放速率較白天明顯減少，可能是大型海藻在夜間無法進行光合作用所導致，而釋放的DOC 只能來源于白天積累的光合產物。

N 和P 是藻類生長的重要營養(yǎng)元素，是葉綠素、蛋白質、酶等的重要組成部分[49]，營養(yǎng)物質的可利用性直接影響藻體內物質的積累和元素的比例[50]。本研究發(fā)現，鼠尾藻對DIN 和DIP 的吸收速率均隨著流速的增加而增加。擴散邊界層的厚度是影響營養(yǎng)鹽吸收的關鍵因素，邊界層厚度越厚，無機鹽離子需要移動的距離就越大[51]。有研究表明，巨藻對DIN 和DIP 的吸收速率均隨流速的增加而增加，在流速為0.025 m/s 時達到最大值，隨后呈下降趨勢[52]。營養(yǎng)鹽吸收速率隨著流速的增加是擴散邊界層厚度下降引起的，直到接近最小邊界層厚度0.3 mm[34]，達到這個厚度，其他因素，例如硝酸還原酶等的活性，將成為限制無機鹽吸收的因素[51,53]。與巨藻不同的是，Macrocystis integrifolia在流速為0.04～0.06 m/s 之間才能達到最大值[54]。所以，大型海藻在不同流速下對營養(yǎng)鹽的吸收能力具有物種特異性，對于群落的形成至關重要。研究表明，流速影響了海草床的生態(tài)過程，包括光合作用和營養(yǎng)鹽吸收等[55]。在0.02～0.18 m/s 的流速范圍內，流速提高了泰來草（Thalassia hemprichii）對N、P 等物質的吸收速率[51]。此外，高流速下大型海藻凈初級生產力的提高，也可能是DIN 和DIP 吸收速率提高的一個重要原因。在高流速情況下，初級生產力的提高會促進組織中的C 積累，而在外界環(huán)境營養(yǎng)物質穩(wěn)定的情況下，組織中的C、N 和P 含量會保持在一個穩(wěn)定的比例[56]，比如著名的雷德菲爾德比例（C∶N∶P=106∶16∶1）[57]。當組織內C 含量升高時，為了維持C、N 和P 的比例，便會提高對DIN 和DIP的吸收速率。

5 結論

本大型海藻固碳能力測量系統(tǒng)對于評估流速對大型海藻凈光合速率、凈初級生產力、DOC 的釋放速率以及對營養(yǎng)鹽吸收能力的影響是可行的。與靜止（0 m/s）相比，中流速（0.033 m/s）和高流速（0.094 m/s）均能提高鼠尾藻的凈光合速率、凈初級生產力、DOC 釋放速率以及對DIN、DIP 的吸收速率，且最大值均出現在高流速（0.094 m/s）狀態(tài)下。此外，鼠尾藻DOC 釋放速率隨凈初級生產力的提高而提高?！八{碳”植物的固碳能力評估一直是海洋碳匯研究的熱點和難點之一，關于大型海藻固碳能力的評估并未有統(tǒng)一的標準。大型海藻作為“藍碳”新成員，其固碳量的準確測定更具難度。基于上述結果，本測量系統(tǒng)對大型海藻固碳能力的測定有重要的參考意義。