光照與氮磷營養鹽的協同作用對海帶幼苗釋放可溶性有機碳的影響

尼志杰 張永生 褚洪永 李 斌 張明亮 孫琰晴 胡順鑫

(1.上海海洋大學水產與生命學院, 上海 201306; 2.山東省海洋資源與環境研究院, 煙臺 264006; 3.榮成市海洋與漁業執法大隊, 威海 264300; 4.煙臺市海洋經濟研究院, 煙臺 264003)

海帶(Saccharina japonicaJ.E.Areschoug)是褐藻綱海帶屬的一種藻類, 原產于東北亞地區(日本、朝鮮北部沿海和俄羅斯太平洋沿岸), 后來在我國遼東半島和山東沿海地區廣泛分布, 逐漸成為我國海水養殖規模最大的海藻物種。據世界糧農組織(FAO)的數據統計, 2017年我國貢獻了全球海帶產量的18%[1,2]。目前, 我國養殖海帶的主要品種包括“大連無邊”“東方5號”“愛倫灣”和“901海帶”等[3—5]。

近海大型藻類養殖碳匯是漁業碳匯的重要組成部分[6], 大型藻類的規模化養殖促進了海洋對大氣CO2的吸收[7], 這一觀點已經在不同海藻種類中得到證實。狐尾藻(Myriophyllum spicatum)在杭州灣的固碳效率為1.25 mg/(g DW?h)[8], 龍須菜(Gracilaria lemaneiformis)在鹽田灣的固碳效率最高達到了9.25 mg/(g DW·h)[9]。據估計我國每年養殖藻類固碳量約達3.52 Tg/Ca[10], 其中海帶對碳匯漁業的貢獻約占總養殖海藻的73%[11]。大型藻類作為海洋生態系統的初級生產者, 能夠通過光合作用將海水中的溶解無機碳(Dissolved Inorganic Carbon,DIC)轉化為有機碳, 并顯著降低海水二氧化碳(CO2)分壓, 促進了海洋對大氣CO2吸收[12]。不僅如此, 大型海藻還能夠將20%—30%光合作用產物以可溶性有機碳(Dissolved Organic Carbon, DOC)的形態釋放到海水中[13]。據估算, 我國海藻養殖每年釋放DOC總量約為(82.2—91.5)×107kg, 海藻釋放的DOC經海洋微型生物碳泵(Microbial Carbon Pump,MCP)作用, 每年可生成60×107kg以上的惰性溶解有機碳(Recalcitrant Dissolved Organic Carbon,RDOC), 該碳匯量約為我國海岸帶“藍碳”埋藏量的1.7倍[10,13]。由此可見, 海藻養殖在碳匯漁業中起到重要作用。

但關于光照與營養鹽的協同作用對海藻釋放DOC的影響機制仍存在爭議。目前主要存在兩種假說, 一種是“溢出”假說, Fogg[14]認為藻類釋放DOC與光照強度呈正相關, 光強促進了溶解態大分子物質的釋放。在Cherrier等[15]的室內和海區實驗中,浮游藻類的DOC釋放速率均與光照強度呈正相關;Barr?3n等[16]對多個關于底棲藻類的實驗數據研究后, 同樣發現底棲海藻DOC凈通量隨光強增加而增大, 這些報道都表明光照強度與DOC釋放速率有顯著的相關性。另一種是“擴散”假說, Bjornsen[17]認為藻類釋放DOC的速率與光照強度無關, 與營養鹽含量密切相關, 營養鹽促進了藻類中溶解態小分子物質的釋放。在Mara?ón等[18]的藻類培養實驗中, 沒有發現DOC釋放與光照強度有相關性, 且在Mueller等[19]開展的光照與營養鹽的交叉實驗中, 珊瑚共生藻DOC釋放與光照強度的相關性在營養加富后消失。以上研究表明, 光照與營養鹽是調節藻類釋放DOC的兩種重要環境因素。基于此, 本研究以海帶幼苗為研究材料, 基于光照和營養鹽濃度兩個因素設置室內交叉實驗, 探究光照與營養鹽的協同作用對大型海藻釋放DOC的影響機制, 以期為海藻增養殖提供理論與技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2020年12月從山東省榮成市東楮島附近的海帶養殖區(E 122°56′, N 37°05′)采集鮮活海帶樣品,樣品平均體長(34.26±8.99)cm, 平均濕重為(5.25±1.86)g。在實驗開始前, 于室內循環水養殖系統中暫養5d, 暫養期間光合有效輻射(Photosynthetically Active Radiation, PAR)為(63±9)μmol photons/(m·s),水溫為(13.5±0.5)℃。

1.2 試驗方法

設置了自然海水+50%海面光強、自然海水+100%海面光強、營養鹽加富海水+50%海面光強、營養鹽加富海水+100%海面光強4個實驗組,每組設置5個平行樣。光照強度的設置參照曹昀等[20]和孫百曄等[21]的研究方法, 其中100% PAR和50%PAR分別為(102±5)和(51±5)μmol photons/(m·s)。實驗使用的自然海水中的磷酸鹽、無機氮濃度分別為4.2和101 μg/L, 氮磷加富海水是在自然海水的基礎上, 使用磷酸氫二鉀、硝酸鉀分析純試劑分別配制成的100和1000 μg/L標準液進行加富, 使海水中營養鹽的濃度達到藻類生長飽和濃度[22], 加富后各組氮、磷營養鹽摩爾比分別為50%光強+自然海水(0.97﹕0.03)、100%光強+自然海水(0.92﹕0.06)、50%光強+氮磷加富(11.35﹕0.31)和100%光強+氮磷加富(11.42﹕0.81)。實驗過程為從暫養的海帶幼苗中挑選健康且規格相近的單株海帶幼苗放入2 L經過酸洗的玻璃瓶中, 將海帶幼苗按照上述4種不同的處理分別在光照培養箱中進行8h培養, 培養時水溫保持在(14±0.5)℃。

1.3 海帶幼苗釋放DOC的速率檢測

在培養開始和結束時, 分別取50 mL水樣, 使用孔徑0.45 μm濾膜進行抽濾, 抽濾后的水樣于零下20℃冷藏柜(SC/SD-332)冷凍保存。使用島津TOCLCPH總有機碳分析儀測定樣品DOC含量, 具體操作參照Mueller[19,26]的方法。DOC釋放速率[RDOC,μmol/(g·h)]指單位質量海帶幼苗(干重)在單位時間內引起的水體DOC含量的變化,RDOC的計算公式為:

式中,Ct為實驗組培養結束時的DOC濃度(mg/L),C0為對照組培養結束時的DOC濃度(mg/L),V為養殖用海水體積(L),WD為試驗海帶幼苗的干質量(kg),MC為碳的相對分子質量,t為試驗處理時間(h)。

1.4 海帶幼苗氧氣釋放速率檢測

在培養開始前和結束時, 分別取100 mL水樣,使用碘量法測定樣品中溶解氧含量, 具體操作參照《海洋調查規范: 海水化學要素觀測》(GB/T 12763.4-1991)。海帶幼苗氧氣釋放速率[ΔCO2, μmol/(g·h)]是單位質量(干重)海帶幼苗在單位時間內引起的水體溶解氧含量的變化。ΔCO2的計算公式為:

式中,C(O)t為試驗結束時的氧氣濃度[μmol/(g·h)],C(O)0為實驗開始時的氧氣濃度[μmol/(g·h)];V為養殖用海水體積(L);WD為試驗海帶幼苗的干質量(kg);t為試驗處理時間(h)。

1.5 海帶幼苗釋放DOC占凈初級生產力的比例檢測

釋放DOC占凈初級生產力比重(Net Primary Productivity, NPP)比例(P, %), 是在假設碳固定與凈產氧的摩爾比平衡(即1 mol碳固定等于1 mol氧氣(O2)釋放)條件下[19], 相同時間內海帶幼苗釋放DOC占凈初級生產力比例。計算公式為:

式中, ?CDOC為單位時間內DOC濃度變化[μmol/(g·h)]; ΔCO2為單位時間內O2濃度變化[μmol/(g·h)]。

1.6 海帶幼苗釋放DOC的光譜斜率檢測

在培養開始前和結束時, 分別取50 mL水樣, 使用0.45 μm濾膜進行過濾, 抽濾后的水樣于零下20℃冷藏柜(SC/SD-332)冷凍保存。使用UV-5100B紫外可見分光光度計測定水樣的紫外可見吸收光譜, 具體操作參照陳昭宇等[24]的方法。吸收系數a(λ)的計算公式為:

式中,A(λ)為吸光度,b為光程路徑(m)。S275—295反映DOC相對分子質量與光反應活性, 相對分子質量越小值越大[25], 光譜斜率S的計算公式為:

式中,a(λ)是DOM吸收系數(/m ),λ是波長(nm),λ0是參照波長(nm)。

1.7 數據分析

實驗數據通過Excel 2019進行整理, 使用SPSS 26.0進行單因素方差分析, 差異顯著水平設置為P＜0.05, 用LSD法進行多重比較, 圖中不同字母表示差異水平為P＜0.05, 相同字母表示差異水平為P＞0.05, 使用OriginLab OriginPro 2021b SR1 v9.8.5.204進行作圖。

2 結果

2.1 不同實驗條件下海帶幼苗的DOC釋放速率

在自然海水條件下, 100%光強條件下海帶幼苗DOC釋放速率顯著高于50%光強條件(P＜0.05),表明此條件下光強與海帶幼苗釋放DOC速率呈正相關性。在加富海水條件下, 100%光強與50%光強釋放DOC速率差異不顯著(P＞0.05), 表明此條件下光強與海帶幼苗釋放DOC無相關性。但在同等光照強度條件下, 加富海水組釋放DOC速率顯著高于自然海水組(P＜0.05), 表明營養加富顯著提升了海帶幼苗DOC釋放速率(圖1)。

圖1 不同實驗條件下海帶幼苗DOC釋放速率Fig.1 DOC secretion rate of juveniles of S.japonica under different experimental conditions

2.2 不同實驗條件下的海帶幼苗釋放DOC的光譜斜率

在自然海水條件下, 100%光強S275—295顯著低于50%光強S275—295(P＜0.05), 表明此條件下隨著光強增加, 海帶幼苗釋放的DOC相對分子量增大(表1)。但在加富海水條件下, 100%光強S275—295與50%光強S275—295差異不顯著(P＞0.05), 表明此條件下光照強度并沒有改變海帶幼苗釋放DOC的相對分子量。加富條件下的海帶幼苗在100%光強時S275—295顯著高于自然海水條件下100%光強S275—295(P＜0.05), 表明在同等光照條件下, 營養鹽加富顯著降低了海帶幼苗釋放DOC的相對分子量(表1)。

表1 不同實驗條件下海帶幼苗釋放DOC的S275—295值Tab.1 S275—295 values of DOC released from juveniles of S.japonica under different experimental conditions

2.3 不同實驗條件下海帶幼苗氧氣釋放速率

在自然海水、加富條件下, 100%光強組氧氣釋放速率均顯著高于50%光強組(P＜0.05), 表明海帶幼苗不管處于何種營養水平, 光照強度提升均能顯著促進氧氣釋放。但在同等光照水平下(100%光強、50%光強), 營養鹽加富組氧氣釋放速率與自然海水組差異不顯著(P＞0.05), 表明海帶幼苗不管處于何種光照水平, 營養鹽加富未能顯著促進氧氣釋放(圖2)。

圖2 不同實驗條件下海帶幼苗氧氣釋放速率Fig.2 Oxygen production of juveniles of S. japonica under different experimental conditions

2.4 不同實驗條件下海帶幼苗釋放DOC占凈初級生產力(NPP)比重

在自然海水條件下, 100%光強組與50%光強組釋放DOC占NPP比例差異不顯著(P＞0.05), 表明在此條件下, 光照提升并未顯著改變海帶幼苗的DOC凈釋放率。在加富條件下, 50%光強組釋放DOC占NPP比例顯著高于100%光強組(P＜0.05), 表明在此條件下, 光照強度提升反而降低了海帶幼苗的DOC凈釋放率。在同等光照強度水平下(100%光強、50%光強), 加富組釋放DOC占NPP比例均顯著高于自然海水組(P＜0.05), 表明通過營養鹽加富促進了海帶幼苗的DOC凈釋放率(圖3)。

圖3 不同實驗條件下海帶幼苗DOC釋放量占NPP比例Fig.3 Proportion of DOC secretion in NPP of juveniles of S.japonica under different experimental conditions

3 討論

盡管光照與營養鹽的協同作用對藻類釋放DOC的影響機制尚不明確, 但似乎“溢出”“擴散”兩種假說均不足以解釋其全部過程, 各有大量研究結果支持某一項“假說”也間接說明了這一點。如在Mueller等[19]的光照與營養鹽交叉實驗中發現, 在寡營養鹽條件下, 珊瑚藻(Coralline algae)釋放DOC與光強具有正相關性, “溢出”機制起作用; 但在添加氮磷營養鹽后, 釋放DOC與光強差異不顯著, 表明在營養充足的條件下, “擴散”機制起作用。結合已有研究結果, 我們發現往往是在寡營養條件下,DOC釋放與光照強度呈正相關, 表現為“溢出”機制。如前人對浮游藻類、珊瑚藻(Coralline algae)和巨藻(Macrocystis pyrifera)等藻類的研究發現, 當藻體處在營養鹽濃度較低的自然海水中時, DOC釋放隨光強的增大而升高, 與“溢出”機制相符[15,26,27]。而在營養充足的條件時, “溢出”機制消失, 表現為“擴散”機制占主導。在Mara?ón[18]的研究中, 富營養條件下浮游藻類的DOC釋放與光強沒有顯著相關性, 在Wyatt[22]對剛毛藻[Cladophora glomerata(L.)Kütz.]的研究中也有相同現象。為此有研究提出, 很有可能“溢出”“擴散”2種機制均存在, 只是在特定條件下某項機制占主導。在本研究中, 我們發現在自然海水(寡營養)條件下, 海帶幼苗釋放DOC與光照強度呈正相關, 且釋放DOC相對分子量也隨光強上升而提高, 表明在寡營養條件下, 海帶幼苗釋放DOC受“溢出”機制調節(圖1)。在加富條件下, 海帶幼苗釋放DOC與光強無相關性, 表明“溢出”機制消失; 但在同等光照強度條件下, 加富組釋放DOC速率顯著高于自然海水組(圖1), 不僅如此,加富還顯著提升了DOC凈釋放率(圖2), 且加富顯著降低了釋放DOC相對分子量(表1), 表明“擴散”機制占主導。

本研究推測海帶幼苗釋放DOC過程中“溢出”“擴散”機制均存在。在寡營養條件下, “溢出”機制占主導; 而營養鹽水平一旦超過藻類生長飽和濃度, 此時“溢出”機制消失, “擴散”機制占主導。研究推測, 藻類光合作用受光照強度調節, 而細胞的生長則受無機營養鹽限制。在N、P營養鹽限制條件下, 隨著光照強度升高, 藻類細胞光合作用產出將超過細胞生長對有機質的需求。此時細胞光合固定有機碳的速率將超過N、P供給速率, 從而導致細胞內C元素大量富集, 細胞內C﹕N﹕P比上升, 生成的有機質主要以高分子量物質為主。此時藻類表現為光強的增加促進有機質生成, 從而加劇DOC的釋放, “溢出”機制占主導。當環境中N、P營養鹽富集時, 此時藻類細胞內C﹕N﹕P比下降, 因此生成的有機質主要以低分子量物質為主。低分子量的DOC跨膜運輸受細胞膜內外濃度差控制, 表現為“擴散”機制占主導。

本研究發現, 海帶幼苗在100%光強+氮磷加富條件下DOC釋放速率最高(圖1)。為提升養殖海帶碳匯效率, 可適當調整養殖模式, 通過同時提升海區營養鹽及光照強度以促進養殖海帶DOC的釋放。海帶養殖區往往營養鹽含量較低, 呈現氮磷營養鹽限制的狀態, 為促進海帶釋放DOC, 可在海帶養殖區進行N、P營養鹽的緩釋。雖然大型海藻對赤潮微藻生長具有一定的抑制作用[28,29], 但也應注意N、P營養鹽的緩釋可能引發微藻暴發性增殖造成的赤潮風險。在進行營養鹽緩釋的同時, 適當降低海帶養殖密度,使海帶葉片在單位面積上能夠接收到更多光照。房景輝等[30,31]的研究表明, 降低養殖密度的標準化養殖同時也能提升養殖海帶品質與產量。本研究可以為養殖海帶增匯提供一定的理論依據與技術參考。