研究簡介:海洋浮游生物是海洋生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，它們通過光合作用和呼吸作用參與碳的循環(huán)。浮游生物的生產(chǎn)（P）和呼吸作用（R）之間的平衡對(duì)于理解海洋的碳預(yù)算至關(guān)重要。然而，對(duì)于這種平衡的準(zhǔn)確測量存在困難，尤其是在不同尺度上，從微生物到生物地球化學(xué)的測量結(jié)果存在分歧，導(dǎo)致了對(duì)海洋營養(yǎng)狀態(tài)的爭議。早期的海洋生物學(xué)研究主要集中在光合作用上，而對(duì)呼吸作用的研究相對(duì)較少，部分原因是測量方法的局限性和對(duì)生產(chǎn)過程的重視。盡管隨著新的水生食物網(wǎng)范式的出現(xiàn)，呼吸作用開始受到更多關(guān)注，但其測量方法仍然是一個(gè)討論的焦點(diǎn)。最常用的方法是通過Winkler方法測量暗瓶和光瓶孵化后溶解氧的變化，但這種方法可能受到所謂的“瓶子效應(yīng)”的影響，即樣本與自然環(huán)境隔離可能帶來的偏差。

為了研究孵化時(shí)間和瓶子體積對(duì)浮游生物凈代謝測量的影響，在西北伊比利亞沿海系統(tǒng)進(jìn)行了一系列時(shí)間序列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)包括不同孵化時(shí)間（2至48小時(shí)）和不同瓶子體積（50、125和570毫升）的測量，以及使用氧氣微電極連續(xù)監(jiān)測氧濃度的變化。研究結(jié)果表明，24小時(shí)暗瓶孵化法在125毫升體積下并不存在系統(tǒng)性的偏差，并且氧氣微電極是研究自然海洋浮游生物呼吸動(dòng)態(tài)的有效工具。這項(xiàng)研究反駁了之前關(guān)于暗瓶孵化可能存在偏差的觀點(diǎn)，并強(qiáng)調(diào)了在動(dòng)態(tài)海洋生態(tài)系統(tǒng)中測量浮游生物呼吸率時(shí)需要考慮的尺度依賴性和方法學(xué)問題。強(qiáng)調(diào)了對(duì)海洋浮游生物呼吸作用更深入理解的重要性，這對(duì)于預(yù)測氣候變化對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響和制定相應(yīng)的環(huán)境政策具有重要意義。

Unisense微呼吸系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微呼吸系統(tǒng)被用來連續(xù)監(jiān)測在實(shí)驗(yàn)過程中溶解氧濃度的變化，以測定海洋浮游生物的暗社區(qū)呼吸率（DCR）。使用80毫升的硼硅酸鹽玻璃呼吸室，這些呼吸室被填充來自50升大瓶的海水。呼吸室的蓋子設(shè)計(jì)有一個(gè)毛細(xì)孔，允許氧氣微傳感器進(jìn)入，同時(shí)孔的大小足夠小，以最小化樣品與水浴中的水之間的氧氣交換。在每次測量之前，使用兩點(diǎn)校準(zhǔn)法對(duì)微電極進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)使用的是0%飽和溶解氧濃度（抗壞血酸和氫氧化鈉的溶液）和100%飽和溶解氧濃度（過濾并劇烈通氣的海水）作為校準(zhǔn)點(diǎn)，校準(zhǔn)在原位溫度下進(jìn)行。將呼吸室放置在溫度控制的水浴中，并確保完全黑暗。由于傳感器對(duì)溫度變化非常敏感，水浴設(shè)定的溫度比原位溫度高0.2°C，以避免孵化開始時(shí)可能的急劇溫度下降。在樣品穩(wěn)定之后（60-90秒），將微電極插入呼吸室蓋子的毛細(xì)孔中，開始測量。每20秒記錄一次溶解氧濃度，連續(xù)監(jiān)測48小時(shí)。通過計(jì)算溶解氧濃度隨時(shí)間下降的斜率來確定氧氣消耗率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究結(jié)果表明24小時(shí)的暗瓶孵化實(shí)驗(yàn)在125毫升的樣本量下，并沒有顯示出系統(tǒng)性的偏差，無論是由于樣本大小、所謂的“瓶子效應(yīng)”還是氧氣消耗率的非線性變化。通過將Unisense微電級(jí)系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)與Winkler方法得到的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，研究發(fā)現(xiàn)兩種方法在測量海洋浮游生物的暗社區(qū)呼吸率（DCR）方面是一致的，且微電級(jí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)上與Winkler方法的數(shù)據(jù)沒有顯著差異。大多數(shù)情況下，從最小孵化時(shí)間到24小時(shí)，實(shí)驗(yàn)觀察到的氧氣消耗保持線性，這支持了之前研究中關(guān)于較長孵化時(shí)間內(nèi)氧氣消耗率恒定的發(fā)現(xiàn)。強(qiáng)調(diào)了浮游生物群落結(jié)構(gòu)和呼吸率變化之間的復(fù)雜關(guān)系，并表明呼吸率的變化更多地受到生態(tài)因素的影響，而不是群體的遺傳組成。

圖1、里亞德維戈地圖上的采樣點(diǎn)位置。

圖2.不同時(shí)間序列實(shí)驗(yàn)中的葉綠素a濃度和細(xì)菌豐度。

圖3、不同時(shí)間序列實(shí)驗(yàn)中最常見的微型浮游生物群落的貢獻(xiàn)。

圖4、每個(gè)瓶子體積內(nèi)的累積呼吸量以及不同孵化周期。

圖5.使用氧氣微電極測量的暗孵化期間（TS3n-TS5n）的連續(xù)氧減少。

結(jié)論與展望

海洋中浮游生物的生產(chǎn)與呼吸平衡的準(zhǔn)確測定對(duì)于碳預(yù)算和全球變化預(yù)測非常重要。由于在不同尺度上測量這種平衡存在分歧，導(dǎo)致了對(duì)海洋營養(yǎng)狀態(tài)的爭議。尤其是在寡營養(yǎng)的開放海域中，24小時(shí)的孵化實(shí)驗(yàn)經(jīng)常顯示出凈異養(yǎng)平衡，但類似的困難也出現(xiàn)在沿海系統(tǒng)中。這些結(jié)果因?yàn)榭赡艽嬖诘拈L期孵化時(shí)間和所謂的“瓶子效應(yīng)”而受到批評(píng)。為了研究孵化時(shí)間和瓶子體積對(duì)浮游生物凈代謝測量的影響，在西北伊比利亞沿海系統(tǒng)進(jìn)行了一系列時(shí)間序列實(shí)驗(yàn)。通過標(biāo)準(zhǔn)體外溶解氧濃度變化和(2)氧氣微傳感器每20秒測量一次的氧濃度下降，同時(shí)獲得了浮游生物群落呼吸率的測量結(jié)果。本研究結(jié)果反駁了24小時(shí)暗瓶孵化在125毫升體積下系統(tǒng)性偏見的說法，并強(qiáng)調(diào)了氧氣微傳感器在研究自然海洋浮游生物呼吸動(dòng)態(tài)方面的有效性。本研究結(jié)果對(duì)支持使用unisense氧氣微呼吸系統(tǒng)作為測量沿海海洋生態(tài)系統(tǒng)中浮游生物DCR的準(zhǔn)確工具，并表明它們是評(píng)估呼吸率線性的可行選項(xiàng)。對(duì)于改進(jìn)海洋生態(tài)系統(tǒng)中浮游生物呼吸作用的測量方法和理解其在全球碳循環(huán)中的作用具有重要意義。