硇洲岛岩礁带大型海藻固碳潜能

2019-09-25 09:57刘耀谦张才学孙省利杨国欢
广东海洋大学学报 2019年5期
关键词:岩礁藻类站位

刘耀谦,张才学,孙省利,孙 洁,杨国欢

硇洲岛岩礁带大型海藻固碳潜能

刘耀谦1,2,张才学1,2,孙省利1,2,孙 洁1,2,杨国欢1

(1. 广东海洋大学海洋资源与环境监测中心;2. 广东海洋大学化学与环境学院,广东 湛江 524088)

【】研究大型海藻固碳及氮磷吸收潜能。分析硇洲岛岩礁带19种生物量大于50 g·m-2自然生长的大型海藻固碳量、生产力和TOC,对比分析岩礁带和距岩礁带4 km处海域海水中无机氮和无机磷含量。褐藻门有3种,生物量、固碳量和生产力最大,分别为20 498 g·m-2,550 762 g·a-1,2 466 g·m-2·a-1;其次是红藻门有11种,生物量、固碳量和生产力分别为17 547 g·m-2,138 194 g·a-1,1 872 g·m-2·a-1;绿藻门有5种,生物量、固碳量和生产力分别为3 064 g·m-2,4 827 g·a-1,158 g·m-2·a-1。受人类活动影响最小的博贺兰岛礁区域海藻生物量、固碳量和生产力均为最大。19种海藻中12种海藻TOC超过30%,分别为衫叶蕨藻(M. Vahl) C. Agardh、囊状法囊藻(Roth)C. Ag. [Conterva utricularis]、网球藻(Forssk.) Boerg、珊瑚藻sp.、拟鸡毛菜( Gmelin)Santelices et Hommersand、紫杉状海门冬(Delile)、茎刺藻(Mertens) Kütz、新角石藻sp.、叉节藻sp.、半叶马尾藻(Turn.) var.C. Ag.、囊藻(Mert. ex Roth)、羊栖菜(Harv.) Setch。岩礁带海水中的无机氮和无机磷含量分别在0.17 ~ 0.20 mg·L-1和0. 007 ~ 0. 018 mg·L-1之间,距岩礁带断面4 km左右海域的4个相应站位IN和IP含量分别在0.18 ~ 0.22 mg·L-1和0.016 ~ 0.022 mg·L-1间,均略高于岩礁区相应站位。大型海藻的生物量与岩礁带无机氮和无机磷间Pearson相关系数分别为-0.248和-0.155。19种大型海藻在硇洲岛岩礁带海区生态环境下具有良好的生长适应性,固碳能力强,对氮磷具有吸收作用。

硇洲岛岩礁带;海藻场;大型海藻;固碳;氮磷吸收

海洋是大气中CO2的调节器,全球海洋对CO2的吸收量约占人为释放年总量的25% ~ 50%[1-2],海洋大型水生植物具有较强的光合作用和较高的生产力[3-6],其中大型海藻的固碳和缓解水体富营养化生态功能[7]已引起广泛关注。农业生态系统中不同生长阶段的作物是碳源还是碳汇很难确定[8],植物碳储存期较短,大多数植物会重新将碳释放到大气中[9-10]。而藻类的光合作用和生产力较高,生长周期一般可持续1 a。部分藻类对无机碳的去除效率可达96.98%[11],大陆架生长的大型藻类碳汇能力相当于全球海洋固碳总量的35%[12],基于碳汇核算和情景分析法,预计到2020年我国海藻养殖碳汇总量可达到118.9万t[13]。藻类还可以吸收环境中多余营养盐,有利于修复、改善和保护海洋生态环境[14-19]。目前大型海藻研究主要集中在少数养殖品种类型[21],缺乏对具体某个海区适应种类固碳及氮磷吸收潜能的研究。本研究探讨硇洲岛附近海域自然生长且生物量超过50 g·m-2的19种具有经济意义的大型海藻固碳潜能,研究藻类生物量与海水中无机氮和无机磷含量间的相关关系,以期为今后海洋碳汇、海洋生态修复提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 站位布设

硇洲岛面积约为56 km²,海岸线全长36 km,位于湛江市东南面,其东南面为南海,以西为雷州湾。综合考虑其地形地貌、人类活动以及潮间带断面选择原则,在硇洲岛岩礁带上布设5个断面(图1),以距硇洲岛较远人类活动干扰最小的R5作为对照点。同时,在距岩礁带断面4 km左右海域的4个相应位置布设站位。马尾藻等大型藻类在每年11月水温低于26 ℃时加速生长,到5月上旬藻体长度生长达到最大值,根据藻类生长特性,硇洲岛附近海域大型海藻的调查、分析开展于2014年10月-2015年4月。

图1 硇洲岛采样站位

1.2 样品的采集与处理

大型海藻主要采用定性采集方法,采集工具为集刮刀、剪刀、铲子等,收集工具主要是塑料桶和封口袋。对个体大、不易腐烂的大型海藻,一般可直接放入采集桶内,对易腐烂的大型海藻可直接放入封口袋内。每次采样应尽可能将该站附近出现的大型海藻种类收集齐全,采样结束后及时放入冰箱冷冻。定量样品分别在每个采样断面选取2个25cm×25 cm的样方取样,确定样方位置应在能代表该潮区生物分布特点的区域,海藻湿重生物量用mg/m3来计算。采样时记录各大型海藻垂直方向上的分布及面积大小,使用卷尺测量采样区调查站位和海藻生长区域的大致长宽来计算面积,从而估算海藻的覆盖率。

采集海藻样品同时在大潮退潮时采集潮间带和R6、R7、R8、R9站位的海水样品,分别在每个站位用2 L塑料罐于低潮区水深1 m处采集2 L水样,运回实验室待分析。无机氮为氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的总和,无机磷为海水中磷酸盐,分析方法依照《海洋监测规范》(GB17378.4-2007)(中华人民共和国国家标准)要求。

1.3 大型藻类分类和鉴定

对采集到的各种大型海藻进行分类鉴定,根据传统形态学方法,对大部分藻类进行形态学观察。对传统形态学方法无法鉴定的少数种类,进行海藻18S序列鉴定,取新鲜藻体用于提取DNA,基因组总DNA的提取采取CTAB法,18SrDNA PCR引物为真核生物通用扩增引物18SP1(5′-CCGAATTCG TCGACAACCTGGTTGATCCTGCCACT-3′)和18SP3(5′- CTCCTCGATAAGCTGTTTACCT- 3′) ,送北京三博远志生物技术有限责任公司测序。用Mega 4.0软件构建分子进化树,藻种间系统进化树构建采用Neighbor Joining 法的Complete Deletion模式建树,用Bootstrap进行检验,并重复1 000次。每一对引物组合扩增后得到的片段大小在480 bp左右。鉴定后按照种类分开,准备下一步实验。

1.4 大型海藻干重中的碳含量

使用固碳测定法,将冷冻干燥后的样品粉碎至100目后,使用带TOC固体燃烧装置SSM-5000A的总有机碳分析仪TOC-VCSH,选用无机碳定量的功能,自动完成反应中无机碳浓度的测定。

1.5 大型海藻年固碳量和生产力

大型海藻年固碳量可以用公式(1)和公式(2)估算,生产力用公式(3)估算:

=×(1 -)×, (1)

=××, (2)

, (3)

其中,为单位面积海藻的含碳量,单位: g·m-2;为海藻生物量密度,单位:g·m-2;为含水率;为总有机碳含量;为礁区内海藻总的固碳量,单位:g;为礁区面积,单位:m2;为海藻覆盖率;为生产力,单位:g·m-2·a-1;为时间,单位:a。

1.6 大型海藻样品数据处理和统计分析

通过实验数据和采样时对大型海藻分布面积、覆盖率的估算,对各季节各断面进行固碳量和生产力的估算,分析大型海藻的固碳能力,数据统计分析采用SPSS17.0、Excel2000和Surfer8.0软件完成。

2 结果分析

2.1 大型海藻固碳量和生产力

本研究探讨19种生物量大于50 g·m-2的海藻年固碳量和生产力(表1)。其中,生物量大于50 g·m-2的绿藻在该研究区域有5种,囊状法囊藻(Roth)C. Ag. [Conterva utricularis],斯氏刚毛藻Harv.,衫叶蕨藻(M. Vahl) C. Agardh,条浒苔(Roth) Grev. emend. Bliding,网球藻(Forssk.) Boerg,生物量、固碳量和生产力总值分别为3 064 g·m-2,4 827 g·a-1,158 g·m-2·a-1。囊状法囊藻的固碳量和生产力最大,分别为3 451 g·a-1和97.0 g·m-2·a-1,主要生长于R3、R4、R5站位。红藻有11种,珊瑚藻sp.,小珊瑚藻,拟鸡毛菜(Gmelin) Santelices et Hommersand,多管藻sp.,紫杉状海门冬(Delile),茎刺藻(Mertens) Kütz,新角石藻一种sp.,中间软刺藻(Suringar),纵胞藻(C. Ag.) Montagne,叉节藻一种sp.,叉珊藻一种sp.,生物量、固碳量和生产力总值分别为17 547 g·m-2,138 194 g·a-1和1 872 g·m-2·a-1。R1站位年固碳量和生产力最大的为小珊瑚藻,3 438 g·a-1,42.1 g·m-2·a-1。R2站位年固碳量和生产力最大的红藻为拟鸡毛菜,41 395 g·a-1,363 g·m-2·a-1。R3和R4站位年固碳量和生产力最大的均为拟鸡毛菜,分别为49 337 g·a-1,503 g·m-2·a-1和8 499 g·a-1,106 g·m-2·a-1。R5站位年固碳量最多的为茎刺藻7 042 g·a-1,而生产力最大的为珊瑚藻68.5 g·m-2·a-1,这是由于茎刺藻含水率高于珊瑚藻。褐藻只有三种,半叶马尾藻(Turn.) var.C. Ag.,囊藻(Mert. ex Roth),羊栖菜(Harv.) Setch.。但生物量、总固碳量、生产力最大,20 498 g·m-2,550 762 g·a-1,2 466 g·m-2·a-1。半叶马尾藻为主要优势种,固碳能力最强,年固碳量和生产力分别为542 659 g·a-1,2 181 g·m-2·a-1。三门藻类中,红藻种类数最多,褐藻的生物量、碳汇总量和生产力最大,主要贡献者是半叶马尾藻17 813 g·m-2。

从站位来看,R1站位主要优势种依次为囊藻2 108 g·m-2>小珊瑚藻486 g·m-2>斯氏刚毛藻354 g·m-2;R2站位主要优势种为半叶马尾藻5 782 g·m-2>拟鸡毛菜2 184 g·m-2>紫杉状海门东1 578 g·m-2;R3站位依次为拟鸡毛菜3 028 g·m-2>半叶马尾藻2 368 g·m-2;R4站位除了半叶马尾藻1 843 g·m-2和囊状法囊藻892 g·m-2,其他均为红藻门,红藻门占主要优势;R5站位种类数最多,主要优势种为半叶马尾藻7 820 g·m-2>茎刺藻1 476 g·m-2。R5的生物量、碳汇量和生产力均为最大,其次为R2>R3>R4>R1。

注:生物量单位: g·m-2,固碳量单位: g·a-1,生产力单位:g·m-2·a-1。

总有机碳也是大型海藻碳汇能力的评价指标之一。如表2所示,可以看出衫叶蕨藻、囊状法囊藻、网球藻、珊瑚藻、拟鸡毛菜、紫杉状海门冬、茎刺藻、新角石藻、叉节藻、半叶马尾藻、囊藻、羊栖菜的TOC均超过30%。综合表1,这19种海藻在自然环境下可以生长良好,并且具有较好的固碳能力,尤其是拟鸡毛菜、纵胞藻、半叶马尾藻、囊藻等年生产力与养殖经济藻类接近。

表2 大型藻类的总有机碳

2.2 海水中无机氮和无机磷含量

根据图2海水中无机氮含量和无机磷含量,R1、R2、R3、R4、R5站位IN、IP平均含量分别在0.17 ~ 0.20 mg·L-1和0.007 ~ 0.018 mg·L-1之间,符合Ⅱ类海水水质标准(GB 3097-1997)。其中,无机氮含量在5个站位差异较小,R3>R2>R5>R4>R1,无机磷含量差异较大,R3> R4>R5> R2 >R1,R3站位的无机氮和无机磷含量均为最大,R1站位均为最小。R6、R7、R8、R9站位IN和IP含量分别在0.18 ~ 0.22 mg·L-1和0.016 ~ 0.022 mg·L-1间,均略高于岩礁区相应站位,含量差异趋势与岩礁区相应站位相似。这一结果表明大型藻类生长对海水中氮磷含量无负面影响。

图2 采样站位的海水无机氮和无机磷含量

3 讨论

3.1 大型海藻碳汇能力

本研究中,生物量、碳汇总量和生产力最大的是褐藻,其次是红藻门,绿藻门最小。这可以说明该区域处于一个稳定的状态,有研究提出顶级群落的主要演替顺序为绿藻门-红藻门-褐藻门,褐藻生物量最大说明该岩礁带大型海藻发展趋于成熟[22]。红藻可以吸收蓝光,即使水深较大也可进行光合作用不影响其生长,其种类数最多。其中,碳汇能力最强的为优势种半叶马尾藻(固碳量542 659 g·a-1,生产力2 181 g·m-2·a-1),其次固碳量大于1 000 g·a-1的有拟鸡毛菜>小珊瑚藻>囊藻>珊瑚藻>茎刺藻>纵胞藻>囊状法囊藻>中间软刺藻>新角石藻>紫杉状海门冬>多管藻。由于当地部分渔民以收获海藻为生,特别是春季,低潮时期,渔民大量收获海藻,因此大型海藻生物量、固碳量和生产力的实际数值高于研究结果。海藻TOC值也是碳汇能力的一项指标。衫叶蕨藻、囊状法囊藻、网球藻、珊瑚藻、拟鸡毛菜、紫杉状海门冬、茎刺藻、新角石藻、叉节藻、半叶马尾藻、囊藻、羊栖菜的TOC均超过30%。海带是中国主要养殖海藻品种,总碳含量平均为31.2%[23];裙带菜和紫菜等平均总碳含量为27.39%[24]。因此可以说明本研究中的绝大多数海藻具有很好的固碳能力。

目前,中国藻类养殖的年产量超过110万t,年固碳量基本超过50万t[25],且海藻的产量仍在逐年增加。已有的研究大多是研究养殖藻类的碳汇能力[26-28],而本研究中的天然生长的大型海藻却鲜有报道。19种海藻在自然环境下可以生长良好,并且具有较好的固碳能力,尤其是拟鸡毛菜、纵胞藻、半叶马尾藻、囊藻等年生产力与养殖经济藻类接近。大型海藻不同种类对生存环境的要求具有一定差异,而且在海区引入外来物种也会对本地种及生态环境产生影响。我们的研究结果可以为附近海域及生态环境相似的沿海海藻养殖业提供一些可选海藻种类,通过选择适宜当地生长并且具有较强碳汇能力的大型海藻进行规模化养殖可为增加海洋碳汇做出贡献。

3.2 大型海藻对海水氮磷的影响

海藻在生长过程中吸收海水中的氮和磷,同化成自身需要的营养成分。海藻具有积累营养盐的能力,可以作为海洋生态系统中的氮库和磷库,从而有效抑制水域富营养化,防止赤潮发生[25,29]。本研究对大型海藻的生物量与岩礁区海水中无机氮和无机磷含量进行相关性分析,Pearson相关系数分别为-0.248和-0.155,均呈负相关。距岩礁带断面4 km左右海域的4个相应站位的无机氮和无机磷含量均略高于岩礁区相应站位(图2),且含量差异趋势与岩礁区相应站位相似。这些结果可以说明大型海藻对海水中氮磷含量有正面影响。而且已有研究结果表明,石莼属和江蓠属对氨氮的去除率可以达到90% ~ 99%[30],1 hm2海区每年可通过收获江蓠去除1 020 kg氮和374 kg磷[31],养殖江蓠通过利用虾池排水沟污水中营养物质减轻水污染[32]。

本研究中生物量、碳汇量和生产力最大的站位是R5,其次为R2>R3>R4>R1,但是岩礁区海水中无机氮和无机磷含量在R3站位均为最大,R1站位均为最小。这一结果产生的原因与R3站位附近有养殖排放废水有一定关系,而且通过上面对不同站位藻类生物量分析,也可以发现,R3站位藻类主要优势种为红藻门,区域稳定性略低。R1站位在调查中生物量等较小,营养盐含量也较低,这与人类活动干扰相关,与当地渔民沟通中了解到R1站位人类活动频率最高,这影响到了我们调查时藻类的生物量,这可以说明大量收获海藻可以更有效降低水中营养盐含量。对照点R5虽然海藻生物量最大,四面环海,受人类活动干扰最小,环境最稳定,更利于海藻大量生长,但缺少了被大量收获的机会,因此营养盐含量不是最低的。

由此可见,大型海藻作为营养缓冲器能够有效地吸收海水中的N和P,并且通过被大量收获可以有效降低水中营养盐含量。

4 结论

以硇洲岛岩礁区19种生物量大于50 g·m-2自然生长的大型海藻为研究对象,通过分析其年固碳量、生产力和TOC去探究大型海藻的固碳能力,研究海水中无机氮和无机磷含量及与海藻生物量间的关系,分析大型海藻对海水中氮磷的影响,结论如下:

(1)生物量、碳汇总量和生产力褐藻门>红藻门>绿藻门,该岩礁带处于一个稳定的状态,大型海藻发展趋于成熟。19种海藻在自然环境下生长良好,并且具有较好的固碳能力,其中固碳量大于1 000 g·a-1的有11种,TOC值超过超过30%的有12种,尤其是拟鸡毛菜、纵胞藻、半叶马尾藻、囊藻等年生产力与养殖经济藻类接近。

(2)大型海藻的生物量与岩礁区海水中无机氮和无机磷含量均呈负相关,岩礁区站位海水中的无机氮和无机磷含量均略低于距岩礁带断面4 km左右海域的4个相应相应站位。大型海藻能吸收海水中的N和P,并且通过被大量收获可以降低水中营养盐含量。

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Carbon Sequestration Potential Research of Macroalage in the Intertidal Rocky Zone in Naozhou Island

LIU Yao-qian1,2,ZHANG Cai-xue1,2, SUN Sheng-li1,2, SUN Jie1,2, YANG Guo-huan2

(1.,//2.,524088,)

【】To explore the carbon sequestration and nitrogen and phosphorus absorption potential of macroalgae.【】In this study, solid carbon, production and total organic carbon (TOC) of 19 kinds of naturally growing macroalgae with biomass of more than 50g·m-²were examined in the intertidal rocky zone in Naozhou Island. Meanwhile the content of inorganic nitrogen and inorganic phosphorus of seawater were monitored from cross-sections and sections which were 4km from the intertidal rocky zone.【】This study included 3 species of Brown Algae with largest biomass 20498 g·m-², carbon sink 550762 g·a-1and production 2466g·m-2·a-1, 11 species of Rhodophyta with biomass 17547g·m-², carbon sink 138194g·a-1and production 1872 g·m-2·a-1, 5 species of Chlorophyta with minimum biomass 3064 g·m-², carbon sink 4827 g·a-1and production 158 g·m-2·a-1. The maximum value of biomass, carbon sink capacity and production all appeared in Bohelan submerged rock least affected by human activity. The TOC was greater than 30% for 12 species of seaweeds, including(M. Vahl) C. Agardh,(Roth)C. Ag. [Conterva utricularis],(Forssk.) Boerg,sp.,( Gmelin)Santelices et Hommersand(Delile),(Mertens) Kützsp.,sp.,(Turn.) var.C. Ag.,(Mert. ex Roth) and(Harv.) Setch. The contents of inorganic nitrogen and inorganic phosphorus of seawater in the intertidal rocky zone were between 0.17 mg·L-1and 0.20 mg·L-1and between 0. 007 mg·L-1and 0. 018 mg·L-1respectively. The contents of IN and IP in four corresponding stations about 4 km away from the intertidal rocky zone were in the range of 0.18-0.22 mg·L-1, which were higher than that in the reef. The correlation coefficient between biomass of macroalgae and IN and IP in the intertidal rocky zone were -0.248 and -0.155 respectively.【】Nineteen species of macroalgae have good growth adaptability, strong carbon sequestration ability and nitrogen and phosphorus absorption in this area.

the intertidal rocky zone in Naozhou Island; seaweed field; macroalgae;carbon sequestration; nitrogen and phosphorus absorption

X173

A

1673-9159(2019)05-0078-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2019.05.012

2018-12-24

国家海洋公益性行业科研专项(201105008-5);广东海洋大学创新强校工程科研项目(GDOU2016050212);海洋有机地球化学与气候环境变化研究(R17001);国家海洋公益性行业科研专项(201505027)。

刘耀谦(1990-),女,硕士,教师,研究方向为海洋科学。E-mail: liuyq@ gdou.edu.cn

孙省利(1963-),男,博士,教授,研究方向为海洋科学。E-mail:sunsl@ gdou.edu.cn

刘耀谦,张才学,孙省利,等. 硇洲岛岩礁带大型海藻固碳潜能[J].广东海洋大学学报,2019,39(5):78-84.

(责任编辑:刘岭)

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