氧18示踪法在浮游植物生产力监测中的应用❋

曹凌志, 高咏卉

(上海交通大学海洋学院, 上海 200030)

中国东海是重要的碳汇区域,浮游植物对碳的吸收量为222(65.15～821 Tg·a-1),远远高于海气间CO2的吸收量(7～23 Tg·a-1)和河流输入量(17 Tg·a-1)[1]。长江口及其临近海域是赤潮多发区,也是浮游植物的生产力高值区,对于调控东海海域的碳汇规模有重要影响[2]。

海区的净群落生产力(NCP)能衡量营养状态,当浮游植物的总生产力(GPP)大于群落呼吸(Community respiration, CR),即NCP>0,海区呈自养状态,海洋对CO2吸收并形成碳汇;反之呈异养状态,形成向大气释放CO2的碳源[3]。NCP与GPP的比值为周转效率,反映浮游植物从总生产力向固碳量的转化效率,它也是衡量浮游植物传输碳效率的重要指标。

18O示踪法是目前同步测定浮游植物GPP和NCP中最直接有效的方法[4],具有灵敏、精确、无放射性等优点,但它难以像14C法一样广泛使用于海洋、水生环境中。这主要受限于样品处理和分析中存在的技术困难。过去主要通过稳定同位素质谱仪(IRMS,Isotopic-ratio mass spectrometer)测定。虽然仪器精度高,但存在前处理繁琐、培养水体量大、气体从水中向气态置换时易受到大气污染、IRMS造价昂贵,需要配备特制18O16O (m/z=34)的法拉第杯等问题[5]。

四极杆质谱广泛应用于残余气体分析(Residual gas analysis)。该方法将溶于水中的气体和挥发性有机物分离,广泛使用在气体生成机理的研究、水污染检测等领域[6]。结合同位素18O标记,国外陆续有基于四极杆质谱研究光合作用机制的报道。Ferrón等[4]首次利用18O示踪法,结合选择性薄膜分离和四极杆质谱,在寡营养盐水体测定GPP和NCP,取得了与IRMS近似的计算结果(误差低于±0.4‰)。该方法能避免IRMS前处理的繁琐流程,降低误差。

本文探索性地利用配备四级杆质谱的膜进样质谱(Membrane inlet mass spectrometry, MIMS)测定同位素及氧氩比(O2/Ar),通过优化质谱的稳定性和标记物添加量,使得H218O示踪法在近海更为实用。首次将该技术用于东海长江口海域,研究了春季藻华的种类和光合作用,建立GPP和NCP的光响应曲线,对比了浮游植物种类和生理生化过程在最大浑浊带、锋面地带和舟山海域的区域性差异。

1 实验方法

1.1 仪器设置

1.2 模拟实验

1.2.2 示踪剂用量 在模拟实验Ⅰ结束三天后,进行模拟实验Ⅱ。改变H218O浓度,以确保光合产物18O16O含量高于四极杆质谱的检出限。即:在相同培养条件下,将不同体积的储备液加入A.tamarense的培养瓶中,混匀。由于培养时间在0～8 h内该藻种的光合速率保持恒定(详细结果见2.3),选取培养时长为3 h。3 h后加入饱和HgCl2溶液固定,中止光合与呼吸作用,研究H218O初始浓度对光合反应速率GPP和NCP的影响。

1.3 现场实验

1.3.1 采样站位 本次研究区域为受冲淡水、季风、沿岸流以及台湾暖流等多重影响长江口邻近海域 (122.0°E—123.5°E,29.0°N—32.0°N)[7]。在2020年5月,借助“浙渔科2号”科考船,在长江入海口附近选取了三个代表性站位:河口附近的最大浑浊带(A,122.19°E,31.36°N)、北部咸淡水混合的锋面地带(B,122.35°E,31.61°N)和南部舟山群岛附近(C,123.01°E,30.13°N)(见图1)。用装配温度、盐度、浊度、光强、叶绿素荧光等传感器的Seabird-45 CTD和 8L采样瓶采水。根据叶绿素荧光的垂向变化,将叶绿素荧光最大层的海水在不同光照条件下培养,测定生产力。固定浮游植物样品,过滤并冷冻保存了叶绿素和营养盐水样。

图1 航次大面站位(蓝色小圆点)与代表性站位A(黑色圆点)、B(黑色三角形)和C(黑色方块)示意图

1.3.2 培养结果处理 取水样350 mL,使浮游植物适应半小时后,加入17.5 mL H218O储备液,使得δ18Owater达到约600‰。充分摇匀后,迅速分装入18支培养管中并密封。实验包括黑暗和4个光照梯度组,每组3个平行样;在培养初始以HgCl2固定3支培养管,作为反应的初始值。培养实验在甲板循环水水浴槽内进行,定时取样固定。使用MIMS测量16O16O、18O16O和Ar信号,计算GPP和NCP。

1.4 数据处理

1.4.1 水采鉴定结果处理 藻种优势度指数(Y=ni/N×fi),并取Y>0.02的藻种作为优势种[10]。N表示所有藻种密度之和,ni表示第i种藻的密度,fi为该藻种的出现频率。

1.4.2 生产力计算 水中18O16O的相对丰度(18R)、相对于参比样品(Rreference)的δ18O(O2)(‰)和氧氩比过饱和度(Δ(O2/Ar)(%))分别由以下公式计算(式(1)～(3)[5]),其中样品培养结束和零时刻分别用sample和t0标注。

(1)

(2)

(3)

由式4计算NCP(mmol ·m-3·h-1)[5]。

(4)

其中t1和t2分别代表培养的始末时间点,参比样品的O2/Ar用reference标注。

根据式(5),计算GPP(mmol ·m-3·h-1)[5]。

(5)

培养实验前后,溶解氧浓度([O2]: mmol· m-3)和同位素比例 (δ18O) 的变化分别用t1和t2标注。δ18Owater代表加入H218O后培养水样中的H218O所占比例的增量,溶氧饱和浓度按水温和盐度计算[11]。此外,使用平衡水的18O16O、16O16O以及40Ar信号做误差矫正。

利用NASA数据(https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/l3/)得出现场培养的日均光强,并根据式6拟合GPP和NCP的光响应曲线[12]。

(6)

式中:P分别代表GPP和NCP(mmol ·m-3·h-1);E为光强 (μmol·m-2·s-1);Pmax、α和β为拟合系数。现场培养没有出现明显光抑制情形时,β等于0。

根据叶绿素荧光f与Chla实测值的线性关系(Chla=1.119 2f+ 0.206,R2=0.947 8),拟合Chla随深度的变化。结合光响应曲线拟合系数,计算水柱积分GPP(mmol· m-2·h-1, 式(7))与水柱积分NCP(mmol·m-2·h-1, 式(8))。

(7)

(8)

1.4.4 数据汇总统计 对于模拟实验Ⅱ算出的GPP和NCP,利用统计软件SPSS 24做单因素方差分析(One-way ANOVA);将四极杆质谱得出的16O16O、18O16O和Ar信号以及δ18O(O2)、Δ (O2/Ar)、GPP、NCP等参数用绘图软件sigmaplot12.5呈现;使用Ocean Data View 5.1.7 制作盐度、浊度和Chla平面图。

2 结果

2.1 质谱性能测试

分离后的气体总压力保持在10-6mbar以下,在四极杆质谱的检测量程内。通过扫描分析显示, O2(m/z32)、18O16O (m/z34)和Ar (m/z40) 峰型对称,无杂质峰干扰 (见图2)。

图2 氧气(a)、重氧和氩气 (b) 扫描示意图

2.2 现场水文、化学参数特征

温盐垂向剖面(见图3)显示,最大浑浊带表层温度略高于21 ℃、锋面地带和舟山海域海表温度都在20～21 ℃,该温度已达到浮游植物生长条件。其中,锋面地带5～7 m出存在明显温盐跃层;舟山海域温盐跃层在深度15 m处。

图3 站位温度、盐度和叶绿素a的垂向剖面

表1 采样水层的部分物理参数、叶绿素a (mg/m3)和各项营养盐 (μmol/L)含量

在温度、光照与营养盐共同影响下,调查区表层叶绿素分布呈现近岸低,122.5°E—123.0°E处高的特征,变化范围为0～10 mg/m3(见图4(c)),锋面地带表层Chla明显高于舟山海域和最大浑浊带。Chla垂向剖面(见图3)显示,最大浑浊带Chla普遍较低,不足1 mg/m3;锋面地带在温盐跃层以下,Chla逐渐上升,并在底层达到极高值,Chla平均含量高于5 mg/m3;舟山海域Chla在温盐跃层开始迅速下降,在30 m以深降至0.5 mg/m3以下。

图4 长江口表层盐度分布(a), 长江口表层浊度 (NTU)分布(b)及长江口表层叶绿素a (mg/m3)分布(c)

浮游植物种群结构呈现明显空间变化。硅藻是最大浑浊带和锋面地带的优势种,甲藻成为舟山群岛附近的优势种。其中,最大浑浊带的藻密度最低;咸淡水混合的锋面地带藻密度最高,绝大多数为骨条藻,种群结构较单一;舟山海域以东海原甲藻为主,并伴随其它甲藻(见表2)。

表2 各区域采样水层浮游植物优势种

2.3 藻类培养模拟实验

藻液中δ18O(O2)与Δ(O2/Ar)随时间线性增长(见图5)(δ18O(O2)=59.36t-18.93,R2=0.989 2;Δ(O2/Ar)=38.44t+ 9.509,R2=0.986 6)。光合速率稳定,GPP和NCP分别为(19.84±1.38)和(10.33±0.67) mmol·m-3·h-1。

图5 δ18O (O2)与 Δ(O2/Ar) 随培养时间的变化

添加微量H218O做标记(δ18Owater约221‰),MIMS也能灵敏地检出 δ18O(O2)的增加(见图6(a))。 MIMS测得δ18O(O2)与δ18Owater呈线性相关(δ18O(O2)=0.458 δ18Owater+ 2.306,R2=0.958 0)。而δ18Owater对Δ(O2/Ar)几乎没有影响(见图6(b)) (Δ(O2/Ar)=0.006 414 δ18Owater+ 9.034,R2=0.749 2)。GPP、NCP分别为(23.24±1.89) 和(8.64±0.30) mmol· m-3·h-1,实验浓度下18O的添加对GPP和NCP无显著影响(One-way ANOVA,p>0.05)。

图6 (a)δ18O (O2)与Δ (O2/Ar)随δ18Owater的变化和(b) 各实验组GPP与NCP

2.4 现场培养测定结果

在最大浑浊带,随培养光强增加,GPP略微增加(见图7(a)),NCP并未随光强的增大而增加(见图7(b))。生物量高的锋面地带随培养光强增加,GPP和NCP大幅度增加,强光下进入平台期(见图7)。在舟山海域,强光下GPP和NCP出现下降趋势(见图7)。

图7 GPP(a) NCP(b)对光强变化的响应

垂向剖面显示,在真光层浅且生物量低的最大浑浊带,GPP和NCP在各深度均很小(见图8(a))。在锋面地带,GPP与NCP的垂向分布高度一致,从深度约2 m处迅速递减,到10 m以下稳定在较低水平(见图8(b))。在舟山海域,GPP与NCP在混合层0～15 m随深度变化均较小,深度15 m以下才开始降低(见图8(c))。

((a) 最大浑浊带The maximum turbidity zone;(b) 锋面地带The plume front; (c) 舟山海域 The waters of Zhoushan。)

在异养状态的最大浑浊带, 水柱积分GPP最小,水柱积分NCP为负;在水体深且透明度大的舟山海域,水柱积分GPP与NCP均远高于锋面地带,周转效率略低于锋面地带(见表3)。

表3 水柱积分GPP、NCP (mmol·m-2·d-1)及周转效率

3 讨论

本研究使用MIMS检测18O16O、16O16O等信号,约4min达到平衡,精度可达0.3‰,国外相关报道的精度相近[5]。本研究的模拟实验表明,培养时间与18O的添加均未对GPP和NCP造成显著影响。在此基础上设计的现场培养实验中,培养站位的GPP和NCP均出现对光照的响应,且重现性良好(见图7)。另一方面,根据碳和氧Redfield比值,得出长江口春季以碳为单位的水柱积分GPP。鉴于短时间14C培养得到的PP与GPP相近[13],将该GPP结果与往年东海海区PP范围进行比较(见表4),其中往年PP的高值往往出现在锋面或沿岸上升流区,在河口混浊区域出现低值,这些区域GPP与本研究采样区域吻合。综上所述,MIMS与18O培养法联用可精确地研究长江口海域春季浮游植物的光合生产。

表4 历年东海陆架地区积分生产力范围[14-19]

本研究水柱积分GPP和NCP结果差异显著(见表3),该差异源于长江口海域的物理环境。长江径流冲淡水在5月往往由东南转向东北[7],并在122.6°E附近与底部高盐度的台湾暖流相作用,形成表层盐度梯度极大的羽状锋[20]。此处为咸淡水混合锋面地带,光限制减弱,是浮游植物光合生长的理想场所。而在长江口东南部的舟山群岛附近海域,传统观点认为上升流和地形促进了浮游植物的高生产力,形成支持舟山渔场的环境条件[7],近年来的研究指出,尽管冲淡水主体在春末转向北部,南部浙闽沿岸水域仍受一部分冲淡水影响,并形成底层锋面,位于底层和表层锋面之间的等深线30～50 m狭长区域,由于底部锋面的层化能限制沿岸高浊度的水体混合,该区域的光照条件得以改善,是藻华的热点地区[21]。

从种群结构上分析,不难推测锋面水柱积分GPP和NCP主要由表层水体的硅藻贡献,而舟山海域水柱积分GPP和NCP主要由0～15 m水体的甲藻贡献。早先的研究将长江口海域分为淡水、沿岸低盐、外海高盐等不同浮游生物群落[7]。对2009年春季长江口海域浮游植物种群聚类分析显示,长江口海域可分为以河口硅藻为主的混浊区带,122.5°E以西的中肋骨条藻聚集区以及甲藻占比高的外海,孔凡洲等指出,在浑浊带,藻类多样性高,骨条藻、帕拉藻、圆筛藻等并存,但生物量极低;122.5°E以西混合区域多样性最低,骨条藻密度高达3.2×106cells/L,占比高达94%;外海地区东海原甲藻密度可达52.7×104cells/L[22]。除了舟山海域站位的东海原甲藻测得密度偏低以外,本次浮游植物种群调查结果与2009年春季高度吻合(见表2)。综上所述,在长江口物理环境的背景下,不同群落表现出不同的生理活性,从而形成了显著的光合生产空间变化。

4 结语

本研究将18O示踪、MIMS测定的快捷监测方法应用于长江口海域GPP和NCP的评估,发现锋面地带和舟山海域水柱积分GPP和NCP远远大于异养状态的最大混浊带,且周转效率均很高;锋面地带和舟山海域不同的物理环境,使得两区域的浮游植物种群结构不一,锋面地带的光合生产主要来自表层(0～5 m)的硅藻,而舟山海域0～15 m水层的甲藻贡献高生产力。该方法对于研究海洋生态具有重要意义,值得进一步完善。

致谢：该航次(航次编号:NORC2020-03-01)由“浙渔科”2号科考船实施,在此一并致谢。