权伟，应苗苗，王怡娟，周庆澔，许曹鲁

(1.温州科技职业学院 温州碳汇研究院，浙江 温州 325006; 2.洞头区水产科技推广站，浙江 洞头 325700)

海洋是一个非常巨大的碳库，对全球碳循环起着重要作用[1]。溶解有机物是海洋中最大的有机碳储库，据保守估计，海洋中溶解有机碳(DOC)总量在700 Gt[2]，这些溶解有机物绝大部分最初都来源于海藻的光合作用[3-5]。海藻释放的溶解有机物为海洋中的异养细菌提供了主要有机营养物来源，藻类和细菌间通过溶解有机物发生复杂的互相促进、抑制和调控作用[6]。

经联合国粮农组织统计计算，中国藻类产业对全球的贡献率约为72%，中国人工养殖的藻类每年大约能从海水中移出33万t碳，藻类养殖是海洋增加碳汇体现多重价值的重要措施[7]。学者通常以养殖藻体中的碳比例和产量来估算不同藻类的光合固碳强度[8-10]，实际上藻体质量并不能充分表征其光合生产力，有一部分光合生产力会通过复杂的生物化学过程以可溶性有机碳的形式迁移进水体或沉积物中[11]。学界在核算大藻渔业的固碳能力时，此部分固碳量容易被忽略，从而低估了大藻渔业的碳汇能力。目前，不同研究者得出大型海藻的DOC释放量因藻种和水动力场等环境要素不同而存在较大差异，最高可达30%～40%[12]，大部分研究显示，DOC释放量一般小于5%[13-14]。中国藻类养殖以海带、裙带菜、江蓠、紫菜、羊栖菜、麒麟菜等为主[15]，国内对海藻DOC释放的研究起步较晚，仅有少量关于浮游植物分泌DOC的报道[16-20]。

目前，大型藻类生长时向水体中分泌了多少DOC，是精确核算大藻渔业碳汇量的主要因素，其对全球碳收支结果的不确定性也有一定影响。坛紫菜Porphyryhaifanesis被广泛栽培在中国的浙、闽、粤三省沿海，其产量占全国紫菜产量的75% 左右[21]。坛紫菜含有叶绿素a，养殖过程中随着潮汐变化会经历反复干出和沉水循环，在沉水阶段通过光合作用利用水体中的DIC，释放溶解氧(DO)，通过呼吸作用消耗水体DO，释放DIC。大型海藻坛紫菜同化碳的同时，向水体中分泌的DOC占总固碳量的比例如何，分泌能力大小，暗分泌是否存在，DOC的分泌是否与DIC固定(碳同化)或DIC释放同步，以及DOC的分泌是否存在滞后效应，这些都是必须研究清楚的重要问题。为此，本研究中对上述问题进行了探讨，旨在为大藻渔业碳汇能力的精确核算及探索浅海“遗漏的碳汇”问题，以及深入了解全球碳收支平衡提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验用坛紫菜(三水)及海水于2014年12月12日取自洞头区霓屿街道大背澳紫菜养殖海区。“洞头本地菜”坛紫菜种苗为洞头本地传统养殖品系的俗称；“浙东1号”坛紫菜为洞头区从宁波大学引进的品系(俗称木耳菜)。

1.2 方法

表1 养殖试验海水基本理化参数背景值Tab.1 Background values of the basic physicochemical characteristics of seawater in the experiment

1.2.2 试验设计 试验于2014年12月13—14日在温州科技职业学院园林与水利工程学院组培室内进行。试验开始后，在每个盛有250 mL海水的透明广口玻璃瓶内放入完整的坛紫菜，玻璃瓶已经提前经高温高压灭菌，自培养瓶放入光照或黑暗环境下开始计时。

1.2.3 光照养殖试验和黑暗养殖试验 不同光照处理时间的养殖试验中，设置2、4、6 h 3个光照处理时间，光照强度为2800 Lx，光源为日光灯，温度为23.1 ℃，相对湿度为29%；不同黑暗处理时间的养殖试验中，设置2、4、6 h 3个黑暗处理时间，温度为20.5 ℃，相对湿度为30%；不同光照强度试验中，设置1500、2000、3800 Lx 3个光照强度，光照6 h。处理时间到了后立即捞出坛紫菜，养殖用水用0.45 μm玻璃纤维滤膜抽滤，滤液中的DOC、DIC含量用岛津TOC-LCPH总有机碳分析仪测定。所有处理同时设置空白对照，每个处理设3个重复。养殖试验结束后，将养殖的坛紫菜捞出放至80 ℃烘箱内，烘24 h至恒重，称量其干质量WD。

1.2.4 指标的测定与计算 DOC分泌速率[RDOC，mg/(kg·h)]指单位质量(干质量)坛紫菜在单位时间内引起的水体DOC含量的变化，其计算公式为

RDOC=(Ct-C0)×V/(WD·t)。

其中：Ct为试验结束时加坛紫菜的光合作用瓶DOC的浓度(mg/L)；C0为空白对照瓶中(无坛紫菜)DOC的浓度(mg/L)；V为养殖用水体积(L)；WD为试验坛紫菜的干质量(kg)；t为试验处理时间(h)。

DIC固定速率或释放速率[RDIC，mg/(kg·h)]指单位质量(干质量)坛紫菜在单位时间内引起的水体DIC含量的变化，其计算公式为

RDIC=(C0-Ct)×V/(WD·t)。

其中：C0为空白对照瓶中(无坛紫菜)DIC的浓度(mg/L)；Ct为试验结束时加坛紫菜的养殖瓶内水体DIC的浓度(mg/L)；V为养殖用水体积(L)；WD为试验坛紫菜的干质量(kg)；t为试验处理时间(h)。

DOC分泌量占固碳量或释碳量的比例(P,%)指在相同时间内DOC变化浓度占DIC变化浓度的比例(取其绝对值)，其计算公式为

P=△CDOC/ΔCDIC×100%。

其中：△CDOC为DOC的变化浓度[mg/(kg·h)]；△CDIC为DIC的变化浓度[mg/(kg·h)]。

1.3 数据处理

采用Excel 2003软件对试验数据进行计算及作图处理；采用SPSS17.0软件进行统计分析,采用单因素方差分析方法进行不同处理时间、不同光照强度、不同品系坛紫菜间各指标的差异性分析,用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同光环境下坛紫菜DOC分泌速率

2.1.1 不同光照处理时间下的DOC分泌速率 从图1可见：在光照强度为2800 Lx条件下，光照2 h时两种坛紫菜的DOC分泌速率均最高，“浙东1号”DOC分泌速率为303.23 mg/(kg·h)，“洞头本地菜”DOC分泌速率为205.45 mg/(kg·h)；“洞头本地菜”在光照处理6 h时DOC分泌速率最低，为46.67 mg/(kg·h)，随后又升高，而“浙东1号”DOC分泌速率随光照处理时间延长持续降低，在光照处理12 h时DOC分泌速率降至最低，为73.04 mg/(kg·h)。

方差分析表明，不同光照处理时间对“洞头本地菜”DOC分泌速率有显著性影响(P<0.05)，对“浙东1号”DOC分泌速率有极显著性影响(P<0.01)。多重比较结果表明：“洞头本地菜”在光照处理2 h时DOC分泌速率显著高于光照处理6、12 h时(P<0.05)，但光照处理6 h与光照处理12 h时DOC分泌速率无显著性差异(P>0.05)；“浙东1号”在光照处理2 h时DOC分泌速率极显著高于光照处理6、12 h时(P<0.01)，但光照处理6 h与光照处理12 h时无显著性差异(P>0.05)。同一光照时间下，两种坛紫菜的DOC分泌速率间无显著性差异(P>0.05)。

注：标有不同大写字母者表示同一种类不同处理方式组间有极显著性差异(P<0.01)，标有不同小写字母者表示组间有显著性差异(P<0.05)，标有相同小写字母者表示组间无显著性差异(P>0.05),下同Note:The means with different capital letters are very significantly different in different treatment methods in same species at the 0.01 probability level, the means with different letters being significantly different at the 0.05 probability level among groups, and the means with the same letters are not significant differences, et sequentia图1 不同光照时间下坛紫菜DOC分泌速率Fig.1 DOC secretion rate of laver Porphyry haifanesis under different light periods

2.1.2 不同光照处理强度下的DOC分泌速率 从图2可见，在光照6 h条件下，两种品系的坛紫菜在不同光照强度处理下，DOC分泌速率表现出了较为统一的变化趋势，均在光照强度为2000 Lx时DOC分泌速率较高，“洞头本地菜”为130.46 mg/(kg·h)，“浙东1号”为127.22 mg/(kg·h)；两种坛紫菜均在低光照强度1500 Lx时DOC分泌速率较低，“洞头本地菜”最低为30.92 mg/(kg·h)，“浙东1号”最低为70.55 mg/(kg·h)。

方差分析表明，不同光照处理强度对“洞头本地菜”和“浙东1号”两种坛紫菜DOC分泌速率均无显著性影响(P>0.05)，DOC分泌速率在两种品系坛紫菜间亦无显著性差异(P>0.05)。

图2 不同光照强度下坛紫菜DOC分泌速率Fig.2 DOC secretion rate of laver Porphyry haifanesis under different light intensities

2.1.3 不同黑暗处理时间下的DOC分泌速率 从图3可见：黑暗条件下，两种品系的坛紫菜DOC分泌速率表现出较为统一的变化趋势，均在黑暗2 h时DOC分泌速率较高，“浙东1号”为303.93 mg/(kg·h)，“洞头本地菜”为300.93 mg/(kg·h)；两种坛紫菜均在黑暗处理12 h时DOC分泌速率最低，“洞头本地菜”最低为30.02 mg/(kg·h)，“浙东1号”最低为30.58 mg/(kg·h)。

方差分析表明，不同黑暗处理时间对“洞头本地菜”DOC分泌速率有极显著性影响(P<0.01)，对“浙东1号”DOC分泌速率有显著性影响(P<0.05)。多重比较结果表明：“洞头本地菜”在黑暗处理2 h时DOC分泌速率极显著高于光照处理6、12 h时(P<0.01)，但在黑暗处理6 h与黑暗处理12 h时DOC分泌速率无显著性差异(P>0.05)；“浙东1号”在黑暗处理2 h时DOC分泌速率显著高于黑暗处理12 h时(P<0.05)，但在黑暗处理6 h与黑暗处理2、12 h时DOC分泌速率无显著性差异(P>0.05)。同一黑暗时间下，两种坛紫菜的DOC分泌速率间无显著性差异(P>0.05)。

图3 不同黑暗时间下坛紫菜DOC分泌速率Fig.3 DOC secretion rate of laver Porphyry haifanesis under different dark periods

2.2 坛紫菜DOC分泌量占固碳或释碳量的比例

从图4可见，两种品系的坛紫菜DOC分泌量占固碳量的比例，在2800 Lx光照强度下均在光照处理2 h时最高，“洞头本地菜”最高达25.57%，“浙东1号”最高达39.79%。

图4 不同光照时间下DOC分泌量占固碳量比例Fig.4 Proportion of DOC secretion in the carbon sequestration under different light periods

从图5可见，两种品系的坛紫菜的DOC分泌量占固碳量的比例，均是在2000 Lx光照强度时最高， “洞头本地菜”最高达20.77%，“浙东1号”最高达22.74%。

图5 不同光照强度下DOC分泌量占固碳量比例Fig.5 Proportion of DOC secretion in the carbon sequestration under different light intensities

从图6可见，两种品系的坛紫菜的DOC分泌量占释碳量的比例，均在黑暗处理2 h时最高，“洞头本地菜”最高达66.09%，“浙东1号”最高达75.04%。

在上述各条件下，坛紫菜的DOC分泌量占固碳或释碳量的比例，“浙东1号”均高于“洞头本地菜”坛紫菜，“浙东1号”表现出了较强的DOC分泌能力。

图6 不同黑暗时间下DOC分泌量占释碳量比例Fig.6 Proportion of DOC secretion in the released carbon under different dark periods

2.3 DOC分泌与DIC固定或DIC释放的同步性分析

对不同光照时间条件下坛紫菜的DOC分泌速率与DIC固定或DIC释放速率进行线性回归分析，用以探讨DOC的分泌与DIC固定或DIC释放是否同步。如果线性相关系数R2>0.95，则表明DOC的分泌与DIC固定或DIC释放节奏一致，同步性较强，反之较弱。

光照条件下，“洞头本地菜”、“浙东1号”两种品系的坛紫菜的DOC分泌速率与DIC固定速率线性相关系数R2<0.95(图7)，表明光照条件下DOC的分泌与碳同化同步性较弱。黑暗条件下，“洞头本地菜”、“浙东1号”两种品系坛紫菜的DOC分泌速率与DIC释放速率线性相关系数R2>0.99(图8)，表明黑暗条件下DOC的分泌与DIC的释放同步性较强。

3 讨论

3.1 光环境对坛紫菜DOC分泌的影响

在海洋中，浮游植物DOC释放途径包括完整细胞的直接释放、细胞解体后DOC的释放和细胞死亡后颗粒有机物的降解[6]。关于完整细胞溶解有机物直接释放(分泌)的生理机制，有两种主要观点：(1)溢出机制，即当固碳速率大大超过细胞成分合成速率时，过剩的光合产物以溢出的方式主动向细胞外释放[22-23]；(2)被动扩散机制，认为释放是细胞内溶解有机物，特别是小分子代谢产物通过细胞膜向细胞外被动扩散[24]。Mahmood等[25]研究表明，海藻是桑沟湾DOC的主要来源之一，海藻每天大约释放64.81 μmol的DOC。

图7 光照条件下DOC分泌速率与DIC固定速率的相关性Fig.7 Correlation between DOC secretion rate and DIC fixation rate under the light conditions

图8 黑暗条件下DOC分泌速率与DIC释放速率的相关性Fig.8 Correlation between DOC secretion rate and DIC release rate under the dark conditions

“洞头本地菜”、“浙东1号”两种品系坛紫菜的DOC分泌速率均在光照2 h时较高，这可能是由于此时水体中DIC浓度较高，导致坛紫菜的固碳速率较高，同时超过了细胞成分合成速率，促使了溢出机制发挥作用。随着光照时间的延长，养殖瓶中DIC浓度逐渐降低及营养物供给不足，导致了光合作用降低，使得溢出能力逐渐减弱，同时可能与积累的光合有机产物通过被动扩散机制释放DOC能力较弱有关。“洞头本地菜”在光照处理6 h后DOC分泌速率略微升高，这可能是因“洞头本地菜”的DIC固定速率较高，“洞头本地菜”固定DIC时生成了较多的DOC分泌底物，促进了DOC分泌速率的后续升高。“浙东1号”在光照处理12 h时DOC分泌速率最低，这可能是光照12 h时固碳速率降低，溢出机制减弱导致的。

两种品系的坛紫菜在持续12 h黑暗条件下均有DOC分泌，表明坛紫菜DOC暗分泌的存在，这也证实了坛紫菜DOC分泌被动扩散机制的存在。在坛紫菜DOC生成底物较充足的条件下，DOC分泌速率较高，随着体内DOC生成底物的减少，分泌速率会逐渐下降。坛紫菜在黑暗条件下，同时分泌DOC、释放DIC，两者释放速率具有较强的相关性。表明坛紫菜DOC的暗分泌可能伴随呼吸作用进行，呼吸作用释放DIC的同时，按照一定的比例释放了DOC。

3.2 坛紫菜DOC分泌量占固碳量或释碳量的比例分析

Wiebe等[26]用溶解态光合有机碳(PDOC)一词来概括藻类释放的全部溶解态光合有机产物，这一概念被以后的众多研究者所采用。PDOC作为浮游植物光合作用产物的一部分，其占总初级生产力的比例通常用释放百分比(PER)表示[27]，并成为PDOC研究中的核心内容。在实验室培养条件下，快速生长的藻类在指数生长期的PER多数为2%～10%[28-30]，而稳定期的藻类通常具有更高的PER，为10%～60%[28,30-31]。实际上稳定期浮游植物的PDOC释放的绝对量并不比指数生长期多，导致PER升高的原因是由于稳定期藻类光合生产速率下降较大。

低光照强度和高PER间存在一定联系，通常高PER经常出现在控制试验的低光照强度条件下，或出现在现场培养的真光层底部[3,5,29,32]。坛紫菜DOC分泌量占固碳量的比例在光照强度为2000 Lx时最高，“洞头本地菜”最高达20.77%，“浙东1号”最高达22.74%。其原因可能是在光照强度为2000 Lx时，高分子化合物合成速度降低，容易释放的小分子代谢物更多的被合成。在光照强度2000 Lx时，两种品系坛紫菜DOC分泌速率均较高，DIC的固定速率较低，这是导致坛紫菜DOC分泌量占固碳量比例在2000 Lx时最高的原因。

Wyatt等[33]研究表明，藻类生产力与水体DOC浓度间存在正相关关系，藻类向水体中释放了大约19%的固定碳。本研究中在2800 Lx光照2 h时，“浙东1号”DOC分泌量占固碳量的比例最高达39.79%，固定的近40%的碳以DOC的形式重新释放到水体中。黑暗2 h时“浙东1号”DOC分泌量占释碳量最高达75.04%，DOC分泌量占了释碳量的大部分。这充分表明，无论在光照条件还是黑暗条件，坛紫菜均会向水体释放DOC，这部分碳可能就是浅海“遗漏的碳汇”之一。目前，大藻渔业碳汇能力核算通常应用的是生物量法，此方法仅仅考虑了藻类体内固定的碳，而忽视了藻类在生长过程中将固定的水体DIC转换成水体DOC的部分。如果将藻类向水体分泌的DOC量核算到藻体固碳能力中，将有助于大藻碳汇能力的精确核算。

3.3 DOC的分泌滞后效应及同步性分析

大型藻类DOC分泌若有滞后效应，随着光照时间的延续，DOC分泌速率应当有上升趋势。“浙东1号”坛紫菜随光照与黑暗处理时间的延长，DOC分泌速率整体呈现下降趋势，表明“浙东1号”坛紫菜DOC分泌基本未表现出滞后效应。但“洞头本地菜”在光照处理6 h后，DOC分泌速率有微弱升高，可能表现出了一定的滞后效应。

光照条件下，“洞头本地菜”、“浙东1号”两种品系的坛紫菜DOC的分泌与碳同化同步性较弱，黑暗条件下DOC的分泌与DIC的释放同步性较强。这表明，在光照下坛紫菜对水体中DIC固定与DOC的分泌节奏不一致，水体DIC的固定并不会显著影响DOC的分泌，这可能是由于两个过程是相对独立运行的。但是在黑暗条件下，DOC的分泌与DIC的释放同步性较强，这可能是由于这两个作用均为释放过程，共用部分体系或一个体系，两者的释放量存在一定的比例，但DOC的分泌量小于DIC的释放量。Iiguez等[34]发现，Desmarestiaaculeata呼吸作用增强导致DOC的释放量增加，这与本研究结论相一致，共同说明了黑暗条件下呼吸作用的进行促进了DOC的分泌。

综上所述，在光照与黑暗条件下，坛紫菜DOC的分泌过程可能有着不同的机理，光照下以溢出机制为主，黑暗下以被动扩散机制为主。