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(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院, 上海 201306; 2.山東省海洋資源與環(huán)境研究院, 煙臺 264006; 3.榮成市海洋與漁業(yè)執(zhí)法大隊, 威海 264300; 4.煙臺市海洋經(jīng)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(chǎn)于東北亞地區(qū)(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(qū)廣泛分布, 逐漸成為我國海水養(yǎng)殖規(guī)模最大的海藻物種。據(jù)世界糧農(nóng)組織(FAO)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計, 2017年我國貢獻了全球海帶產(chǎn)量的18%[1,2]。目前, 我國養(yǎng)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(yǎng)殖碳匯是漁業(yè)碳匯的重要組成部分[6], 大型藻類的規(guī)?；B(yǎng)殖促進了海洋對大氣CO2的吸收[7], 這一觀點已經(jīng)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(jù)估計我國每年養(yǎng)殖藻類固碳量約達3.52 Tg/Ca[10], 其中海帶對碳匯漁業(yè)的貢獻約占總養(yǎng)殖海藻的73%[11]。大型藻類作為海洋生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者, 能夠通過光合作用將海水中的溶解無機碳(Dissolved Inorganic Carbon,DIC)轉(zhuǎn)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?qū)?0%—30%光合作用產(chǎn)物以可溶性有機碳(Dissolved Organic Carbon, DOC)的形態(tài)釋放到海水中[13]。據(jù)估算, 我國海藻養(yǎng)殖每年釋放DOC總量約為(82.2—91.5)×107kg, 海藻釋放的DOC經(jīng)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(yǎng)殖在碳匯漁業(yè)中起到重要作用。

但關(guān)于光照與營養(yǎng)鹽的協(xié)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(guān), 光強促進了溶解態(tài)大分子物質(zhì)的釋放。在Cherrier等[15]的室內(nèi)和海區(qū)實驗中,浮游藻類的DOC釋放速率均與光照強度呈正相關(guān);Barr?3n等[16]對多個關(guān)于底棲藻類的實驗數(shù)據(jù)研究后, 同樣發(fā)現(xiàn)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(guān)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(guān), 與營養(yǎng)鹽含量密切相關(guān), 營養(yǎng)鹽促進了藻類中溶解態(tài)小分子物質(zhì)的釋放。在Mara?ón等[18]的藻類培養(yǎng)實驗中, 沒有發(fā)現(xiàn)DOC釋放與光照強度有相關(guān)性, 且在Mueller等[19]開展的光照與營養(yǎng)鹽的交叉實驗中, 珊瑚共生藻DOC釋放與光照強度的相關(guān)性在營養(yǎng)加富后消失。以上研究表明, 光照與營養(yǎng)鹽是調(diào)節(jié)藻類釋放DOC的兩種重要環(huán)境因素?；诖? 本研究以海帶幼苗為研究材料, 基于光照和營養(yǎng)鹽濃度兩個因素設(shè)置室內(nèi)交叉實驗, 探究光照與營養(yǎng)鹽的協(xié)同作用對大型海藻釋放DOC的影響機制, 以期為海藻增養(yǎng)殖提供理論與技術(shù)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(yǎng)殖區(qū)(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(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中暫養(yǎng)5d, 暫養(yǎng)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(shè)置了自然海水+50%海面光強、自然海水+100%海面光強、營養(yǎng)鹽加富海水+50%海面光強、營養(yǎng)鹽加富海水+100%海面光強4個實驗組,每組設(shè)置5個平行樣。光照強度的設(shè)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(chǔ)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(yǎng)鹽的濃度達到藻類生長飽和濃度[22], 加富后各組氮、磷營養(yǎng)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(yǎng)的海帶幼苗中挑選健康且規(guī)格相近的單株海帶幼苗放入2 L經(jīng)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(yǎng)箱中進行8h培養(yǎng), 培養(yǎng)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(yǎng)開始和結(jié)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(zhì)量海帶幼苗(干重)在單位時間內(nèi)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(yǎng)結(jié)束時的DOC濃度(mg/L),C0為對照組培養(yǎng)結(jié)束時的DOC濃度(mg/L),V為養(yǎng)殖用海水體積(L),WD為試驗海帶幼苗的干質(zhì)量(kg),MC為碳的相對分子質(zhì)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(yǎng)開始前和結(jié)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(diào)查規(guī)范: 海水化學(xué)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(zhì)量(干重)海帶幼苗在單位時間內(nèi)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(jié)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(yǎng)殖用海水體積(L);WD為試驗海帶幼苗的干質(zhì)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(chǎn)力的比例檢測

釋放DOC占凈初級生產(chǎn)力比重(Net Primary Productivity, NPP)比例(P, %), 是在假設(shè)碳固定與凈產(chǎn)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(nèi)海帶幼苗釋放DOC占凈初級生產(chǎn)力比例。計算公式為:

式中, ?CDOC為單位時間內(nèi)DOC濃度變化[μmol/(g·h)]; ΔCO2為單位時間內(nèi)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(yǎng)開始前和結(jié)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(shù)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(zhì)量與光反應(yīng)活性, 相對分子質(zhì)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(shù)(/m ),λ是波長(nm),λ0是參照波長(nm)。

1.7 數(shù)據(jù)分析

實驗數(shù)據(jù)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(shè)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(jié)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(guān)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(guān)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(chǎn)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(yǎng)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(yǎng)鹽的協(xié)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(jié)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(yǎng)鹽交叉實驗中發(fā)現(xiàn), 在寡營養(yǎng)鹽條件下, 珊瑚藻(Coralline algae)釋放DOC與光強具有正相關(guān)性, “溢出”機制起作用; 但在添加氮磷營養(yǎng)鹽后, 釋放DOC與光強差異不顯著, 表明在營養(yǎng)充足的條件下, “擴散”機制起作用。結(jié)合已有研究結(jié)果, 我們發(fā)現(xiàn)往往是在寡營養(yǎng)條件下,DOC釋放與光照強度呈正相關(guān), 表現(xiàn)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(fā)現(xiàn), 當藻體處在營養(yǎng)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(yǎng)充足的條件時, “溢出”機制消失, 表現(xiàn)為“擴散”機制占主導(dǎo)。在Mara?ón[18]的研究中, 富營養(yǎng)條件下浮游藻類的DOC釋放與光強沒有顯著相關(guān)性, 在Wyatt[22]對剛毛藻[Cladophora glomerata(L.)Kütz.]的研究中也有相同現(xiàn)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(dǎo)。在本研究中, 我們發(fā)現(xiàn)在自然海水(寡營養(yǎng))條件下, 海帶幼苗釋放DOC與光照強度呈正相關(guān), 且釋放DOC相對分子量也隨光強上升而提高, 表明在寡營養(yǎng)條件下, 海帶幼苗釋放DOC受“溢出”機制調(diào)節(jié)(圖1)。在加富條件下, 海帶幼苗釋放DOC與光強無相關(guān)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(dǎo)。

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(yǎng)條件下, “溢出”機制占主導(dǎo); 而營養(yǎng)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(dǎo)。研究推測, 藻類光合作用受光照強度調(diào)節(jié), 而細胞的生長則受無機營養(yǎng)鹽限制。在N、P營養(yǎng)鹽限制條件下, 隨著光照強度升高, 藻類細胞光合作用產(chǎn)出將超過細胞生長對有機質(zhì)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(dǎo)致細胞內(nèi)C元素大量富集, 細胞內(nèi)C﹕N﹕P比上升, 生成的有機質(zhì)主要以高分子量物質(zhì)為主。此時藻類表現(xiàn)為光強的增加促進有機質(zhì)生成, 從而加劇DOC的釋放, “溢出”機制占主導(dǎo)。當環(huán)境中N、P營養(yǎng)鹽富集時, 此時藻類細胞內(nèi)C﹕N﹕P比下降, 因此生成的有機質(zhì)主要以低分子量物質(zhì)為主。低分子量的DOC跨膜運輸受細胞膜內(nèi)外濃度差控制, 表現(xiàn)為“擴散”機制占主導(dǎo)。

本研究發(fā)現(xiàn), 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(yǎng)殖海帶碳匯效率, 可適當調(diào)整養(yǎng)殖模式, 通過同時提升海區(qū)營養(yǎng)鹽及光照強度以促進養(yǎng)殖海帶DOC的釋放。海帶養(yǎng)殖區(qū)往往營養(yǎng)鹽含量較低, 呈現(xiàn)氮磷營養(yǎng)鹽限制的狀態(tài), 為促進海帶釋放DOC, 可在海帶養(yǎng)殖區(qū)進行N、P營養(yǎng)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(yīng)注意N、P營養(yǎng)鹽的緩釋可能引發(fā)微藻暴發(fā)性增殖造成的赤潮風(fēng)險。在進行營養(yǎng)鹽緩釋的同時, 適當降低海帶養(yǎng)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(yǎng)殖密度的標準化養(yǎng)殖同時也能提升養(yǎng)殖海帶品質(zhì)與產(chǎn)量。本研究可以為養(yǎng)殖海帶增匯提供一定的理論依據(jù)與技術(shù)參考。