不同條件下羊棲菜溶解有機碳(DOC)分泌特征

周慶澔，許曹魯，權 偉

(1.溫州市洞頭區農業農村局，浙江 溫州 325700；2.浙江安防職業技術學院，溫州市自然災害遙感監測預警重點實驗室，浙江 溫州 325016；3.溫州科技職業學院，溫州市農林漁生態系統增匯減排重點實驗室，浙江 溫州 325006)

大型藻類是海洋生態系統中非常重要的初級生產者，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[1]。近年來，從海洋產業綠色發展、碳達峰、碳中和、碳匯漁業、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]。在光暗交替的養殖周期內，海藻養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]。作為海洋碳系統的兩種主要的存在形態之一，DIC也是海洋碳循環和全球碳循環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。

大型經濟褐藻羊棲菜(Sargassumfusiforme)具有較高的經濟、生態、營養、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，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、營養鹽固定能力等方面的相關研究較多，但未見不同水環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碳匯能力、探索淺海“遺漏的碳匯”及深入了解大型海藻養殖的碳匯生態學提供參考。

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

養殖實驗在溫州科技職業學院園林與水利工程學院組培室內進行。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養殖。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)。環境溫度為25℃，相對濕度為28.6%。自培養瓶放入光照環境下開始計時，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。光照養殖實驗之后，將養殖的羊棲菜放入烘箱內，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，光暗交替養殖48 h(光照12 h+黑暗12 h循環)，光照養殖光源為日光燈，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鹽度的調節采用純水稀釋，40、50鹽度通過添加分析純NaCl進行調節。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調節。鹽度、pH均采用英國AQUAread Ap 2000水質分析儀進行測定。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節。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節。

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分泌速率指一定質量羊棲菜在一定時間內引起的水體中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固定速率指一定質量羊棲菜在一定時間內引起的水體DIC含量的變化，計算公式：RDIC[mg/(kg·h)]=(C0’-Ct’)×V/(DW×t)，其中Ct’是t時加羊棲菜的養殖瓶內水體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 統計分析

在Excel 2003中對數據進行計算并作圖；統計分析使用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顆粒有機物的降解[25]。Wiebe W J等[26]利用光合作用產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光合作用的有機產物，此后該定義被多數研究者采用。PDOC是浮游植物光合產物之中的一部分，其占所有初級生產力的比例是PDOC研究的關鍵內容，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，或在現場培養的真光層底部出現[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，通過釋放出細胞內的溶解有機物，特別是小分子代謝產物，被動地經由細胞膜向細胞外擴散[25，37]。羊棲菜發生了自身的消耗，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。