CO2 influence on oxygen dynamics and net primary production of the microphytobenthos: an experimental approach  

二氧化碳對(duì)底棲微藻氧動(dòng)力學(xué)和凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響：實(shí)驗(yàn)研究  

來源：Journal of Research in Ecology， (2020) ，Volume 8, Issue 1, Pages 2702-2712

《生態(tài)學(xué)研究雜志》2020年，第8卷第1期，第2702–2712頁  

 

摘要  

摘要指出底棲微藻和藍(lán)藻在淺水生態(tài)系統(tǒng)中具有重要生產(chǎn)力，但其碳限制機(jī)制研究不足。實(shí)驗(yàn)通過控制覆水層上方空氣中CO?濃度（0–5000 ppm），結(jié)合丹麥Unisense微電極原位測(cè)量沉積物氧剖面，發(fā)現(xiàn)：高CO?（5000 ppm）使凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）提升5倍，氧滲透深度增加；完全移除CO?時(shí)NPP歸零，氧梯度呈線性下降。總光合產(chǎn)氧量（GOP）對(duì)CO?變化響應(yīng)微弱，表明光合電子流從碳固定轉(zhuǎn)向光呼吸。該結(jié)果預(yù)示大氣CO?濃度升高將顯著提升淺水/潮間帶生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力。  

 

研究目的  

1. 驗(yàn)證大氣CO?濃度變化對(duì)底棲微藻氧動(dòng)力學(xué)和凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）的影響機(jī)制  

2. 探究CO?限制條件下光合電子流的重新分配過程（碳固定 vs 光呼吸）  

3. 評(píng)估大氣CO?上升對(duì)淺水生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的潛在影響  

 

研究思路  

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：采集巴西Visgueiro潟湖（鹽度57.4）底棲微藻群落（硅藻+微鞘藻），置于2 mm薄水層覆蓋的實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)（圖2），精確控制空氣中CO?濃度梯度（0/100/380/2000/5000 ppm）  

 

2. 原位監(jiān)測(cè)：  

   ? 氧剖面：Unisense OX-50微電極（25 μm尖端，響應(yīng)時(shí)間<4秒）以50 μm步進(jìn)測(cè)量沉積物氧垂直分布（圖3）  

 

   ? 總光合產(chǎn)氧（GOP）：光-暗切換后1–2秒內(nèi)氧濃度線性下降速率（圖4）  

 

   ? 凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）：PROFILE模型解析氧剖面計(jì)算（圖3）  

 

3. 參數(shù)整合：對(duì)比不同CO?濃度下氧滲透深度、NPP、GOP及呼吸速率的關(guān)聯(lián)（圖5）  

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1. 沉積物氧剖面（圖3）  

   ? 數(shù)據(jù)：不同CO?濃度下0–0.16 cm深度氧濃度分布  

 

   ? 意義：直接揭示CO?對(duì)氧滲透深度的控制——5000 ppm時(shí)氧達(dá)430 μM（深度>0.08 cm），0 ppm時(shí)僅190 μM（深度<0.04 cm），證明CO?增加促進(jìn)深層光合作用  

 

2. 總光合產(chǎn)氧（GOP）垂直分布（圖4）  

   ? 數(shù)據(jù)：光暗切換后1–2秒內(nèi)氧濃度下降速率（nmol cm?3 s?1）  

 

   ? 意義：GOP在0 ppm CO?時(shí)仍維持高值（約3 nmol cm?3 s?1），表明光合機(jī)構(gòu)活性未受抑制，電子流向光呼吸  

 

3. 生產(chǎn)力參數(shù)整合（圖5）  

   ? 數(shù)據(jù)：0–0.04 cm層NPP、呼吸、GOP的深度積分值  

 

   ? 意義：5000 ppm時(shí)NPP≈GOP（呼吸僅占3%），380 ppm時(shí)呼吸消耗70% GOP，證實(shí)CO?充足時(shí)碳固定效率顯著提升  

 

結(jié)論  

1. CO?濃度控制NPP而非GOP：5000 ppm CO?使NPP提升5倍，但GOP對(duì)CO?變化不敏感（圖4/圖5）  

2. 光合電子流重分配：CO?匱乏時(shí)（<380 ppm），電子流從碳固定轉(zhuǎn)向光呼吸維持GOP  

 

3. 雙峰生產(chǎn)層：氧剖面揭示0.04 cm和0.08 cm處存在兩個(gè)NPP峰值（圖3），反映底棲群落垂直異質(zhì)性  

4. 氣候關(guān)聯(lián)：大氣CO?濃度上升（現(xiàn)約420 ppm）將顯著增強(qiáng)淺水生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力  

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義  

丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（OX-50傳感器+電機(jī)驅(qū)動(dòng)微操縱器）的應(yīng)用提供以下不可替代的研究?jī)r(jià)值：  

1. 亞毫米級(jí)時(shí)空分辨率：  

   ? 50 μm步進(jìn)測(cè)量（圖3）捕捉沉積物內(nèi)0.08–0.16 cm的氧梯度劇變，揭示CO?對(duì)光合作用深度的控制  

 

   ? 秒級(jí)響應(yīng)（<4秒）實(shí)現(xiàn)光-暗切換后1–2秒內(nèi)的GOP精準(zhǔn)測(cè)量（圖4），規(guī)避傳統(tǒng)方法的時(shí)間滯后  

 

2. 非破壞性原位監(jiān)測(cè)：  

   ? 薄水層（2 mm）模擬自然條件，電極穿透覆水膜直接測(cè)量沉積物剖面（圖2），保持微生物群落完整性  

 

   ? 同一位點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)（30–60分鐘穩(wěn)態(tài)建立），規(guī)避空間異質(zhì)性干擾  

 

3. 機(jī)制解析關(guān)鍵工具：  

   ? GOP與NPP的解耦數(shù)據(jù)（圖4 vs 圖3）直接驗(yàn)證"電子流重分配"假說  

 

   ? 氧滲透深度量化（0.04 cm→0.08 cm）證實(shí)高CO?促進(jìn)深層Rubisco活性  

 

4. 生態(tài)預(yù)測(cè)基礎(chǔ)：  

   ? 建立CO?濃度-NPP定量關(guān)系（如380→5000 ppm提升5倍），支撐大氣CO?上升對(duì)淺水生產(chǎn)力的正向效應(yīng)預(yù)測(cè)