周慶澔，許曹魯，權 偉

(1.溫州市洞頭區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 溫州 325700；2.浙江安防職業(yè)技術學院，溫州市自然災害遙感監(jiān)測預警重點實驗室，浙江 溫州 325016；3.溫州科技職業(yè)學院，溫州市農(nóng)林漁生態(tài)系統(tǒng)增匯減排重點實驗室，浙江 溫州 325006)

大型藻類是海洋生態(tài)系統(tǒng)中非常重要的初級生產(chǎn)者，因藻體含有葉綠素a而能進行光合作用，把二氧化碳(CO2)固定在藻類體內(nèi)[1]。近年來，從海洋產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展、碳達峰、碳中和、碳匯漁業(yè)、碳匯交易、碳匯市場到藍色糧倉，碳匯理念及相關研究不斷深入，近海養(yǎng)殖大型藻類的碳匯能力得到了越來越多的關注和研究[2-5]。在光暗交替的養(yǎng)殖周期內(nèi)，海藻養(yǎng)殖最終降低了溶解無機碳(Dissolved inorganic carbon，DIC)濃度，能夠促進大氣CO2向海水轉移[6]。作為海洋碳系統(tǒng)的兩種主要的存在形態(tài)之一，DIC也是海洋碳循環(huán)和全球碳循環(huán)中極其重要的一部分[7]。海藻通過光合作用，將大氣中的CO2轉化為海藻藻體中所含的碳及把海洋中的DIC轉化為溶解有機碳(Dissolved organic carbon，DOC)，同時海藻還會通過復雜的生化過程，將部分固碳量以DOC的形式轉移到水體或沉積物中[8]，導致在計算大型藻類的固碳能力過程中，此部分DOC常被漏算了，對核算大型藻類的碳匯量造成偏差。許多研究者在研究中得出，大型海藻的DOC釋放量跟藻種和水動力場等環(huán)境要素有關，而釋放量大小不等，最大釋放量差值可達30%～40%[9]。此外，大部分研究表明：一般情況下DOC的釋放量小于5%[10-11]。在固碳的同時，大型藻類向水體中分泌的DOC未能被準確計算，是目前導致精確核算大藻漁業(yè)的碳匯量及全球碳收支結果不確定性的主要原因之一。

大型經(jīng)濟褐藻羊棲菜(Sargassumfusiforme)具有較高的經(jīng)濟、生態(tài)、營養(yǎng)、藥用等價值[12-13]。我國在大型藻類DOC釋放方面的研究較少，僅有少量關于浮游植物分泌DOC的報道[14-18]。徐智廣等[19]研究了溫度、光照強度和營養(yǎng)史對羊棲菜無機磷吸收的影響以及孫圓圓等[20]研究了溫度對羊棲菜生長的影響，結果表明羊棲菜生長的最適溫度為 14.0～21.6℃，光合作用的適宜承溫約為 15～25℃，以 20℃為最適承溫；在飽和光照強度以內(nèi)，適宜光照強度為(0.4～3.0)×104lx，最適光照強度為(1.0～3.0)×104lx[21]。此外，趙越劍[22]研究了陽光紫外輻射對羊棲菜生長速率的影響；高光等[23]研究了陽光紫外輻射對褐藻羊棲菜生長和光合作用的影響。

有關羊棲菜生長影響因素、營養(yǎng)鹽固定能力等方面的相關研究較多，但未見不同水環(huán)境因子對羊棲菜分泌DOC的影響報道。因此，通過研究光照強度、鹽度、pH、水體中總無機氮濃度、水體中總磷酸鹽濃度對羊棲菜小苗分泌DOC的影響，為精確核算大型海藻的漁業(yè)碳匯能力、探索淺海“遺漏的碳匯”及深入了解大型海藻養(yǎng)殖的碳匯生態(tài)學提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

表1 海水基本理化參數(shù)背景值

1.2 實驗方法

1.2.1 不同生長階段對羊棲菜DOC分泌的影響實驗

養(yǎng)殖實驗在溫州科技職業(yè)學院園林與水利工程學院組培室內(nèi)進行。實驗設置小苗、中苗、大苗3個樣品組及空白對照組，每個樣品組設置4個重復，空白組設置2個重復。小苗取完整的藻體，中苗、大苗羊棲菜取側枝，分別將其放入透明廣口玻璃瓶，加入250 mL海水，高溫高壓滅菌；不加羊棲菜只加海水的廣口玻璃瓶作為空白對照。

1.2.2 不同光照強度對羊棲菜小苗DOC分泌的影響實驗

將羊棲菜小苗放入盛有250 mL海水的透明廣口玻璃瓶內(nèi)養(yǎng)殖。光照強度設置了500、1 700、2 800、4 400 lx四個梯度，光暗交替48 h(光照12 h+黑暗12 h循環(huán))。環(huán)境溫度為25℃，相對濕度為28.6%。自培養(yǎng)瓶放入光照環(huán)境下開始計時，實驗結束時立即用0.45 μm玻璃纖維濾膜進行抽濾，利用島津TOC-LCPH總有機碳分析儀對所得濾液進行DOC、DIC濃度測定。光照養(yǎng)殖實驗之后，將養(yǎng)殖的羊棲菜放入烘箱內(nèi)，在80℃下烘烤24 h至恒重，再稱干重(Dry weight，DW)。

1.2.3 不同鹽度、pH、營養(yǎng)鹽對羊棲菜小苗DOC分泌的影響實驗

取完整的羊棲菜小苗，放入透明廣口玻璃瓶，加入250 mL海水，光暗交替養(yǎng)殖48 h(光照12 h+黑暗12 h循環(huán))，光照養(yǎng)殖光源為日光燈，實驗光照強度為2 800 lx，溫度為 23.1℃，相對濕度為29%。1)鹽度設置了10、20、30(原海水)、40、50共計5個梯度，10、20鹽度的調(diào)節(jié)采用純水稀釋，40、50鹽度通過添加分析純NaCl進行調(diào)節(jié)。2)pH設置了5、6、7、8(原海水)、9共計5個梯度，分別用1.0 mol/L HCl和1.0 mol/L NaOH調(diào)節(jié)。鹽度、pH均采用英國AQUAread Ap 2000水質(zhì)分析儀進行測定。3)水體中總無機氮濃度設置了0.5、1.0(原海水)、2.0、5.0、10.0 mg/L共計5個梯度，通過純水稀釋或添加硝酸鉀進行調(diào)節(jié)。4)水體中總磷酸鹽濃度設置了0.01、0.02(原海水)、0.06、0.18、0.38 mg/L共計5個梯度，通過純水稀釋或添加磷酸二氫鉀進行調(diào)節(jié)。

1.2.4 指標的測定與計算

DOC分泌速率、DIC固定速率、DOC分泌量占固碳量的比例的計算及指標說明參考文獻[24]。

DOC分泌速率指一定質(zhì)量羊棲菜在一定時間內(nèi)引起的水體中DOC含量的變化，計算公式：RDOC[mg/(kg·h)]=(Ct-C0)×V/(DW×t)，式中Ct是t時加羊棲菜的光合作用瓶內(nèi)DOC的濃度(mg/L)；C0是無羊棲菜的空白對照瓶中DOC的濃度(mg/L)；V是水體體積(L)；DW是羊棲菜的干重(kg)，t是處理時間(h)。

DIC固定速率指一定質(zhì)量羊棲菜在一定時間內(nèi)引起的水體DIC含量的變化，計算公式：RDIC[mg/(kg·h)]=(C0’-Ct’)×V/(DW×t)，其中Ct’是t時加羊棲菜的養(yǎng)殖瓶內(nèi)水體DIC的濃度(mg/L)；C0’是無羊棲菜的空白對照瓶中DIC的濃度(mg/L)；V是水體體積(L)；DW是羊棲菜的干重(kg)；t是處理時間(h)。

DOC分泌量占固碳量的比例(P)指在一定時間內(nèi)DOC變化濃度占DIC變化濃度的百分比例，計算公式：P=RDOC/RDIC×100%。

1.3 統(tǒng)計分析

在Excel 2003中對數(shù)據(jù)進行計算并作圖；統(tǒng)計分析使用SPSS 17.0軟件；不同品系羊棲菜各指標之間的差異性采用配對樣本T檢驗法進行分析；不同處理時間、光照強度各指標之間的差異性采用單因素方差分析法進行分析。

2 結果與分析

2.1 生長階段對羊棲菜DOC分泌的影響

實驗結果(圖1、圖2)顯示：1)大苗羊棲菜DOC分泌速率為132.58 mg/(kg·h)；中苗羊棲菜最高，達141.20 mg/(kg·h)；小苗羊棲菜最低，為67.33 mg/(kg·h)。2)小苗羊棲菜DIC固定速率最高，為125.03 mg/(kg·h)；其次為大苗羊棲菜100.6 mg/(kg·h)；最低為中苗羊棲菜39.39 mg/(kg·h)。3)中苗羊棲菜較高的DOC分泌速率和較低的DIC固定速率，使得中苗羊棲菜DOC分泌量占固碳量的比例最高，依次為中苗(382.54%)>大苗(130.64%)>小苗(45.99%)。分析原因可能是中苗羊棲菜生長迅速，生理活動旺盛，因而DOC分泌量較大。

2.2 光照強度對羊棲菜小苗DOC分泌的影響

實驗結果(圖3、圖4)顯示：1)羊棲菜小苗DOC分泌速率在2 800 lx光照強度下最高，達132.58 mg/(kg·h)；1 700 lx光照強度下最低，為62.65 mg/(kg·h)；在500 lx低光照強度條件下，仍有較高的DOC分泌速率，為122.76 mg/(kg·h)。2)羊棲菜小苗DIC固定速率在低光照強度500 lx條件下最低，為51.62 mg/(kg·h)；隨光照強度的增加先升高后下降，在2 800 lx光照強度下最高[100.60 mg/(kg·h)]，在4 400 lx光照強度下降低至89.41 mg/(kg·h) 。這可能是4 400 lx光照強度對羊棲菜小苗光合作用產(chǎn)生了抑制，導致其DOC的分泌速率和DIC固定速率均下降。3)在低光照強度500 lx條件下，羊棲菜小苗DOC分泌量占固碳量的比例最高，達239.02%；1 700 lx光照強度下最低，為83.48%。結果表明，2 800 lx光照強度有利于羊棲菜小苗DOC的分泌和DIC的固定。

2.3 鹽度對羊棲菜小苗DOC分泌的影響

實驗結果(圖5、圖6)顯示：1)羊棲菜小苗DOC分泌速率在10鹽度下為43.61mg/(kg·h)，隨鹽度增加先升高后下降，在30鹽度下最高[132.58 mg/(kg·h)]，在50鹽度下最低[40.18 mg/(kg·h)]。2)羊棲菜小苗DIC固定速率在低鹽度10條件下最低，為22.75 mg/(kg·h)；在30鹽度下最高，達100.60 mg/(kg·h)；在鹽度40和50條件下，保持在較低值，分別為25.47 mg/(kg·h)和45.58 mg/(kg·h)。3)在鹽度40條件下，較高的DOC分泌速率95.60 mg/(kg·h)和較低的DIC固定速率25.47 mg/(kg·h)，使得羊棲菜小苗DOC分泌量占固碳量的比例最高，達423.34%；50鹽度最低，為83.48%。結果表明，30左右的鹽度最有利于DOC的分泌和DIC的固定。這可能是在長期生存進化過程中，羊棲菜適應了自然海水30左右的鹽度，藻體內(nèi)各種酶在此鹽度下活性也最高，因此其正常的新陳代謝也最為旺盛。

2.4 pH對羊棲菜小苗DOC分泌的影響

實驗結果(圖7、圖8)顯示：1)羊棲菜小苗DOC分泌速率在pH 8條件下最高，達132.58 mg/(kg·h)；pH 5條件下最低，為9.61 mg/(kg·h)。2)羊棲菜小苗DIC固定速率在pH 9條件下最高，達230.27 mg/(kg·h)；pH 5條件下最低，為6.43 mg/(kg·h)。3)在pH 5條件下，羊棲菜小苗DOC分泌量占固碳量的比例最高，達174.03%；其次在pH 8時降至130.64%；pH 9時最低，為15.94%。結果表明，微堿環(huán)境有利于DOC的分泌和DIC的固定。

2.5 水體中總無機氮濃度對羊棲菜小苗DOC分泌的影響

實驗結果(圖9、圖10)顯示：1)當總無機氮濃度為0.5 mg/L時，羊棲菜小苗DOC分泌速率最低，為33.23 mg/(kg·h)；隨總無機氮濃度增加，DOC分泌速率先升高后下降，在1.0 mg/L時最高，達132.58 mg/(kg·h)，在10.0 mg/L時降至40.61 mg/(kg·h)。2)羊棲菜小苗DIC固定速率的變化趨勢呈先升高后下降，在總無機氮濃度為2.0 mg/L時最高，達139.04 mg/(kg·h)；在總無機氮濃度為10 mg/L時最低，為47.87 mg/(kg·h)。3)當總無機氮濃度為1.0 mg/L時，羊棲菜小苗DOC分泌量占固碳量的比例最高，達130.64%；在0.5 mg/L時最低，為53.18%。結果表明，1.0 mg/L總無機氮濃度最有利于DOC的分泌，2.0 mg/L總無機氮濃度最有利于DIC的固定。這可能是因為羊棲菜需要一定的無機氮濃度以維持正常新陳代謝，但過高的無機氮濃度又會抑制其DOC的分泌和DIC的固定。

2.6 水體中總磷酸鹽濃度對羊棲菜小苗DOC分泌的影響

實驗結果(圖11、圖12)顯示：1)羊棲菜小苗DOC分泌速率在總磷酸鹽濃度為0.02 mg/L的條件下最高，達132.58 mg/(kg·h)；在0.01、0.06、0.18、0.38 mg/L條件下均保持較低值，分泌速率在23.45～35.01 mg/(kg·h)之間。2)羊棲菜小苗DIC固定速率同樣在總磷酸鹽濃度為0.02 mg/L的條件下最高，達139.04 mg/(kg·h)，在0.01 mg/L、0.06 mg/L、0.18 mg/L條件下均保持較低值[17.59～51.49 mg/(kg·h)]，但在0.38 mg/L條件下有較高值[83.65 mg/(kg·h)]。3)在0.01 mg/L總磷酸鹽濃度條件下，羊棲菜小苗DOC分泌量占固碳量的比例最高，達300.30%；在0.38 mg/L條件下最低，為25.15%。結果表明，0.02 mg/L總磷酸鹽濃度最有利于DOC的分泌和DIC的固定。

3 討論

3.1 DOC分泌速率和DIC固定速率

在海洋中，浮游植物DOC釋放渠道包括整個細胞的直接釋放、細胞解體后的釋放和細胞死亡后原體內(nèi)顆粒有機物的降解[25]。Wiebe W J等[26]利用光合作用產(chǎn)生的光合溶解有機碳 (Photosynthetically produced dissolved organic carbon，PDOC)來歸納藻類釋放的所有溶解態(tài)光合作用的有機產(chǎn)物，此后該定義被多數(shù)研究者采用。PDOC是浮游植物光合產(chǎn)物之中的一部分，其占所有初級生產(chǎn)力的比例是PDOC研究的關鍵內(nèi)容，通常以細胞外釋放比例(Percentage of extracellular release，PER)來代表[27]。Mague T H等[28]提出，對PDOC的研究，除了PER之外，還應報道PDOC的絕對釋放速度。

1)羊棲菜中苗的生理活動旺盛，生長迅速，因此DOC分泌速率和DIC固定速率均最高。2)羊棲菜小苗DOC分泌速率在2 800 lx光照強度下達到最高，這是因為在較高的光照強度下，羊棲菜會更多地合成小分子代謝物，但過高的光照強度會抑制羊棲菜的生長，易對羊棲菜造成生理傷害。在自然界中，過高的光照強度往往伴隨高溫，導致羊棲菜爛菜。而壇紫菜DOC分泌速率在2 000 lx光照強度下達到最高[22]，表明羊棲菜和壇紫菜對光照強度的需求不同，羊棲菜能適應更高強度的光照。3)羊棲菜小苗DOC分泌速率和DIC的固定速率在30鹽度條件下達到最高，表明羊棲菜的生長對鹽度較為敏感，過高或過低的鹽度均不利于羊棲菜的生長，這可能是過高、過低的鹽度均會抑制羊棲菜正常的新陳代謝，降低光合作用過程中各種酶的活性。4)羊棲菜小苗DOC分泌速率和DIC的固定速率在pH 8～9條件下達到最高，說明微堿環(huán)境有利于DOC的分泌和DIC的固定，這與劉春光等[29]的pH值對淡水藻類生長影響的研究結果一致。5)羊棲菜小苗DOC分泌速率和DIC的固定速率在1～2 mg/L總無機氮濃度條件下最高，這可能是過低的總無機氮濃度無法提供氮源，而過高的總無機氮濃度導致藻類細胞分裂減緩，對藻類生長具有抑制作用[30]。6)羊棲菜DOC分泌速率和DIC的固定速率在0.02 mg/L總磷酸鹽濃度條件下最高，這可能因為磷是藻類生長所必需的營養(yǎng)元素，過低的總磷酸鹽濃度無法滿足羊棲菜的生長需要，但過高的總磷酸鹽濃度會造成水體富營養(yǎng)化，反而限制羊棲菜的生長。

上述影響因子對DOC分泌速率和DIC固定速率的影響未考慮交互作用，為獨立單因素實驗。今后將進一步開展雙因素或多因素的交互實驗，以探索不同影響因子之間的交互作用。

3.2 DOC分泌量占固碳量的比例

在實驗室條件下，生長期藻類的PER大多數(shù)在2%～10%之間，而成熟期的藻類往往有更高的PER，大多在10%～60%[25，28，31-33]。本實驗采用的是羊棲菜苗種，PER在2%～10%之間，其中羊棲菜中苗具有較高的DOC分泌速率和較低的DIC固定速率，DOC分泌量超過固碳量。高PER值往往在控制實驗的較低光照強度時出現(xiàn)，或在現(xiàn)場培養(yǎng)的真光層底部出現(xiàn)[28，34-36]。本研究中，在低光照強度500 lx條件下，羊棲菜小苗DOC分泌量占固碳量的比例較高，這與上述研究結果相一致。

在鹽度40、pH 5、總無機氮濃度為1.0 mg/L、總磷酸鹽濃度為0.01 mg/L條件下，羊棲菜具有較高的DOC分泌速率和較低的DIC固定速率，而且DOC分泌量占固碳量的比例較高，均大于1。表明在這些條件下，羊棲菜的DOC分泌量比DIC固定量大，被動擴散機制可能是DOC分泌機制的主要形式，通過釋放出細胞內(nèi)的溶解有機物，特別是小分子代謝產(chǎn)物，被動地經(jīng)由細胞膜向細胞外擴散[25，37]。羊棲菜發(fā)生了自身的消耗，不能凈積累碳水化合物以促進自身的生長，這可能是受環(huán)境因子的影響，也可能是受實驗條件的制約，需進一步開展研究以確定原因。在鹽度50、pH 9、總無機氮濃度為0.5 mg/L、總磷酸鹽為0.38 mg/L條件下，DOC分泌量占固碳量的比例較低，這是因為DOC的分泌機制可能是溢出形式，在固定碳源速度超過細胞自身成分合成的速度時，多余的光合作用產(chǎn)物才采用溢出形式向細胞外釋放[25，38-39]，因此DOC分泌速率較低。

4 小結

羊棲菜中苗的DOC分泌速率最高，達141.20 mg/(kg·h)；在光照強度2 800 lx下，羊棲菜小苗DOC分泌速率和DIC固定速率均最高，分別為132.58、100.60 mg/(kg·h)；在原海水鹽度30、pH 8、總無機氮濃度1 mg/L、總磷酸鹽濃度0.02 mg/L條件下，羊棲菜小苗DOC分泌速率達到最高。原海水的理化性質(zhì)有利于羊棲菜DOC分泌，而高鹽度、強酸度、低總無機氮濃度、高總磷酸鹽濃度均會限制羊棲菜DOC的分泌。DOC分泌量占固碳量的比例大小受DOC分泌速率、DIC固定速率、分泌機制、光合作用、代謝方式等多種因素的影響，難以總結為較簡單的條件或原因，需進一步深入研究。