利用14C標(biāo)記技術(shù)測定海洋初級生產(chǎn)力的縐議

裴紹峰 , Edward A.Laws, 葉思源 , 袁紅明 , 劉海月 , 丁喜桂 ,趙廣明 , 楊士雄 , 王麗莎

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局濱海濕地生物地質(zhì)重點實驗室, 山東 青島 266071; 2.國土資源部 海洋油氣資源和環(huán)境地質(zhì)重點實驗室, 山東 青島 266071; 3.青島海洋地質(zhì)研究所, 山東 青島 266071; 4.Louisiana State University, School of the Coast & Environment, Department of Oceanography and Coastal Sciences, Baton Rouge, LA 70803, USA; 5.中國海洋大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 山東 青島 266100)

海洋初級生產(chǎn)力是指海洋中初級生產(chǎn)者(主要是浮游植物)通過光合作用或化學(xué)合成生產(chǎn)有機物的能力或速率[1-2], 它是海洋生態(tài)系統(tǒng)中其他異養(yǎng)生物的生存基礎(chǔ), 并從根本上影響著全球生物地球化學(xué)循環(huán)[3]與氣候變化[4]。研究表明, 海洋浮游植物通過光合作用不僅貢獻了生物圈內(nèi)的一半凈初級生產(chǎn)力(以碳計約為 5×1013kg/a)[4], 提供了生態(tài)系統(tǒng)中其他有機體生長與新陳代謝所需要的初級有機物能源, 限制了整個生態(tài)系統(tǒng)的總生物量與生產(chǎn)力(包括漁產(chǎn)業(yè)[5]),控制了地球表面的總體生物能源流動[6-7]; 而且通過“生物泵”有效地將大氣中的溫室氣體固化入海底,進而對全球氣候起到調(diào)控作用[8]。因此, 海洋初級生產(chǎn)力的精確估算已成為各國研究活性有機體與無機碳庫之間的碳循環(huán)、海洋固碳能力以及氣候變化的重要樞紐[9-11]。

測定海洋初級生產(chǎn)力技術(shù)有多種, 包括在20世紀(jì)前半葉廣泛使用的黑白瓶測氧法、后期發(fā)展起來的14C標(biāo)記法、18O標(biāo)記法、葉綠素法[12], 以及起源于20世紀(jì)70年代中期的遙感法和近期出現(xiàn)的三氧同位素(17Δ)技術(shù)[13-14]等。其中,14C標(biāo)記法是目前為止最為經(jīng)典與常用的初級生產(chǎn)力標(biāo)準(zhǔn)測試技術(shù)[4],由丹麥科學(xué)家 Steemann Nielsen[15]在 1952年提出,因其精確度高、操作簡單、耗時短且費用低而迅速取代以往流行的黑白瓶測氧法, 被海洋學(xué)家與湖沼學(xué)家廣泛采用[16-17]。我國學(xué)者[16,18-21]針對該方法也進行過深入探討, 并將該方法廣泛應(yīng)用于對我國海域初級生產(chǎn)力和碳同化系數(shù)的測定[22-23]。

14C技術(shù)可簡述為: 在水樣培養(yǎng)瓶中加入示蹤劑(NaH14CO3)后, 置于光照下培養(yǎng); 水中浮游植物通過光合作用吸收同化環(huán)境中的無機碳, 并將其轉(zhuǎn)化為有機物質(zhì); 一定時間后, 過濾出水樣中顆粒有機物質(zhì), 并測定其14C放射性強度, 從而計算出在該環(huán)境下浮游植物的初級生產(chǎn)力。利用該技術(shù), Steemann Nielsen[15]首次報道了在丹麥Galathea海洋調(diào)查中測定的初級生產(chǎn)力結(jié)果, 開啟了精確測定海洋初級生產(chǎn)力的新紀(jì)元。該技術(shù)使得在全球不同區(qū)域測定的初級生產(chǎn)力結(jié)果更具有可比性, 為精確估算全球海洋初級生產(chǎn)力提供了技術(shù)支撐[4,24]。

1 技術(shù)問題及歷史爭議

雖然14C技術(shù)自出現(xiàn)后便迅速成為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù), 被全球廣泛使用, 并基于此積累了龐大的數(shù)據(jù)庫[4], 但一些爭議也伴隨出現(xiàn), 如培養(yǎng)瓶的大小與材質(zhì)、水樣無污染采集技術(shù)及培養(yǎng)技術(shù)[17,19]、培養(yǎng)時間的長短等等[25]。然而, 這些問題并非14C技術(shù)所獨有, 其他培養(yǎng)技術(shù)(如黑白瓶測氧法等)都會遇到類似問題。14C技術(shù)獨有的爭議問題是該技術(shù)究竟在測定凈初級生產(chǎn)力、總初級生產(chǎn)力, 還是一個中間值[25-30]？

為更好地理解該爭議問題, 在此先澄清幾個基本概念。部分學(xué)者認(rèn)為文獻中使用的生產(chǎn)力(productivity)、生產(chǎn)量(production)或生產(chǎn)率(production rate)等術(shù)語是同義的[31], Falkowski[6]則在其專著《Aquatic Photosynthesis》中指出: 嚴(yán)格意義上講, 生產(chǎn)力是包含時間尺度的, 相當(dāng)于生產(chǎn)量在某一定時間內(nèi)的變化率(production rate)。因此, 若僅考慮水體中以浮游植物為主體進行的光合作用, 初級生產(chǎn)力(primary productivity)等同于光合作用率(photosynthetic rate)?？偝跫壣a(chǎn)力(gross primary productivity)指浮游植物在光合作用中生產(chǎn)有機碳的總速率。因浮游植物在光合作用同時, 一直在進行呼吸作用來為細胞活動提供所需能量, 導(dǎo)致部分有機碳會被消耗掉。總初級生產(chǎn)力減去呼吸作用率(respiration rate), 即為凈初級生產(chǎn)力(net primary productivity, 等同于凈光合作用率), 相當(dāng)于浮游植物在單位時間、單位面積的有機碳凈產(chǎn)量[31]。

而關(guān)于14C技術(shù)的爭議和困惑, 并不僅僅源于對基本概念理解, 更源于我們對浮游植物細胞內(nèi)部碳流動途徑與模式、細胞生理特征與代謝機制的理解仍不透徹、不完整[32]。因此, 對14C技術(shù)爭議的探討過程, 也是科學(xué)家對浮游植物細胞活動、光合作用、呼吸作用[33]、有機碳釋放[34]、營養(yǎng)鹽限制、光照效應(yīng)[35-36]、捕食效應(yīng)[25]、晝夜循環(huán)[37]等基礎(chǔ)概念不斷加深理解的過程。那么14C技術(shù)爭議是如何產(chǎn)生的呢？

早期, Ryther[29]在《Nature》上報道了一個有趣的分批培養(yǎng)實驗: 他用14C均勻標(biāo)定了杜氏藻(Dunaliella euchlora)的培養(yǎng)液, 然后將被標(biāo)定的藻細胞再懸浮于不含14C的新培養(yǎng)液中, 均分為兩份分別置于光照下與黑暗中繼續(xù)培養(yǎng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 光照下的細胞在隨后數(shù)天內(nèi)并沒有丟失14C放射性活度, 但黑暗中的細胞卻幾乎每天丟失 20%的14C活度。Ryther[29]提出一個假設(shè)機制, 即“最新呼吸碳的再固定機制”?；谠摍C制, Ryther推斷14C技術(shù)測定的是凈光合作用率, 即凈初級生產(chǎn)力。

無獨有偶, Steemann Nielsen[38]也進行了一個類似實驗, 卻得到了不同的結(jié)果。當(dāng)被14C均勻標(biāo)定的蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)細胞被再懸浮于不含14C的新培養(yǎng)液中并在光照下培養(yǎng)時, 細胞中14C放射性活度減少了一部分, 盡管其減少率并不如經(jīng)相同處理后培養(yǎng)在黑暗中的細胞?；诖? Steeman Nielsen認(rèn)為14C技術(shù)測定的是位于凈光合作用率與總光合作用率之間的一個值。

兩個類似實驗得出的截然不同的結(jié)論, 引發(fā)了關(guān)于14C技術(shù)究竟測定什么的歷史性爭議[27]。隨后,Ryther[28]的研究表明: 盡管沒有校正呼吸作用、暗吸收作用以及同位素差異,14C測定的碳固化率與細胞內(nèi)顆粒碳的凈增長率等同。Ryther[39]對衣藻(Chlamydomonas)進行的分批式培養(yǎng)表明, 無論指數(shù)生長情況下還是營養(yǎng)鹽匱乏條件下, 用14C測定的光合作用率都很好地吻合用黑白瓶測氧法測定的凈光合作用率。Bunt[40]通過用質(zhì)譜儀測定氧的變化, 發(fā)現(xiàn)光照下呼吸作用率降低至黑暗中的 25%, 并認(rèn)為如果溶解有機碳的釋放可以忽略,14C技術(shù)測定的是凈光合作用率。但是, Steemann Nielsen[41]通過比較使用14C與測氧法獲得的磷或氮元素匱乏條件下藻類光合作用率數(shù)據(jù), 卻得出與Ryther與Bunt等不同的結(jié)論, 他認(rèn)為在矯正呼吸作用率后,14C測定結(jié)果與總光合作用率相當(dāng)。

與此同時, 諸多其他科研工作者也為解決此爭議而進行了相關(guān)研究[27], 熱論持久不衰。Peterson[27]在1980年的綜述中, 對與該爭議相關(guān)的諸多研究進行了詳細評述, 但受限于對光抑制作用、光呼吸作用(photorespiration, 這是18O和14C標(biāo)記技術(shù)的共存問題)、暗呼吸作用、細胞內(nèi)碳循環(huán)機制等基礎(chǔ)過程的理解, 所以關(guān)于14C測定結(jié)果的爭議在當(dāng)時未成定論。

2 解決爭議過程中不同測定方法的差異比較

自20世紀(jì)80年代至今, 科學(xué)家針對14C的爭議問題進行了更多其他研究, 這些研究既包括實驗室測試, 也包含野外原位培養(yǎng), 并且與多種其他方法測定結(jié)果進行了比較[30], 除測氧法外, 比較常見的是18O標(biāo)記法和17Δ技術(shù)。18O標(biāo)記法在原理上類似14C方法, 通過標(biāo)記氧元素來測定光合作用產(chǎn)氧量, 進而計算光合作用率; 但不同于14C方法, 由于在培養(yǎng)過程中18O幾乎不受呼吸作用影響, 該法測定的是總光合作用率[42]。17Δ技術(shù)是一種非培養(yǎng)技術(shù), 類似的, 由于呼吸作用對17Δ代表的三氧同位素體系影響微乎其微,該技術(shù)測定結(jié)果往往也近似于總光合作用率[14]。

基于全球海洋通量聯(lián)合研究(JGOFS)公開發(fā)表的數(shù)據(jù), Marra[43]比較了18O標(biāo)記所測的總光合作用率與14C標(biāo)記測定的結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)后者低于前者, 且14C測定結(jié)果更接近凈群落生產(chǎn)力。Laws等[25]則比較了在Arabian海洋調(diào)查中基于14C所測的光合作用率與基于測氧法、18O標(biāo)記所測的總光合作用率, 并通過光深計算了14C測定結(jié)果與總光合作用率的比值; 在綜合考慮Mehler反應(yīng)、光呼吸作用、暗呼吸、細胞分泌、捕食作用與紫外線對測定技術(shù)的影響后,其模型預(yù)測14C測定結(jié)果與總光合作用率的比值可能為0.48。Bender等[35]也比較了全球海洋通量聯(lián)合研究中利用14C測定的生產(chǎn)率與利用測氧法試管培養(yǎng)測定的新生產(chǎn)率, 認(rèn)為24小時14C標(biāo)記培養(yǎng)所得生產(chǎn)率約占測氧法所測總碳生產(chǎn)率的 45%?？紤]到Mehler反應(yīng)、光呼吸作用、細胞分泌和群落線粒體呼吸作用的影響, 該差別似乎與實際相符。

Aristegui等[44]則發(fā)現(xiàn)在南極半島附近沿岸表層水域, 用14C技術(shù)測定的水體每日總顆粒固碳量低于用測氧法同時測定的凈群落生產(chǎn)量 29%~54%。2002~2003期間在夏威夷海洋時間序列(HOT)站點4次巡航調(diào)查中, Juranek[45]發(fā)現(xiàn):18O同位素試管培養(yǎng)測定的總初級生產(chǎn)力(0~100 m水深)平均是14C測定的初級生產(chǎn)力的1.5倍。而2006~2008年間, Quay等[13]在北太平洋 ALOHA時間序列站點分別利用培養(yǎng)方法(14C與18O標(biāo)記)和非培養(yǎng)方法(17Δ技術(shù))測定了海洋初級生產(chǎn)力, 并進行了對比研究, 發(fā)現(xiàn)在可見光層(0~200 m水深),17Δ技術(shù)與18O標(biāo)記所測的總光合作用率約為14C所測結(jié)果的 2~3倍。值得注意的是17Δ技術(shù)目前本身還有一定的不確定性[14], 其測定結(jié)果比18O標(biāo)記所測結(jié)果高出 25%~60%甚至更多, 因此, 利用該技術(shù)對比14C結(jié)果的思路仍待探討。

可見, 目前大部分對比試驗結(jié)果似乎傾向于表明:14C標(biāo)記技術(shù)所測結(jié)果低于總初級生產(chǎn)力。但即便如此,14C標(biāo)記技術(shù)能否精確測定凈初級生產(chǎn)力仍然是個未知問題; 如果14C測定結(jié)果高于凈初級生產(chǎn)力, 這種偏離能有多少？如果基于此類數(shù)據(jù)來校正衛(wèi)星遙感計算模式并在全球尺度上評估海洋初級生產(chǎn)力, 最終會導(dǎo)致怎樣的誤差？目前, 仍未有明確結(jié)論[30]。

綜上可見, 關(guān)于14C技術(shù)究竟在測定凈初級生產(chǎn)力、總初級生產(chǎn)力還是一個中間值的問題, 一直是海洋初級生產(chǎn)力研究中的爭論焦點。受限于對浮游植物細胞內(nèi)部碳流動途徑與模式的認(rèn)知、分析儀器的精度、和測試手段的局限等多種因素, 直至目前, 該爭議問題仍未得到一個毫無疑義的、總結(jié)性的答案。所以, 對該爭議的探討反復(fù)出現(xiàn)在國內(nèi)外各種專著[6,46]、教課書[47]和科技文獻中。

3 解決爭議的可行性假設(shè)

時至今日, 最有希望深入研究或解決14C技術(shù)爭議問題的一個探討模式仍然是由Ryther在1956年首次提出的藻細胞“最新呼吸碳的再固定機制”[25-26,30]。正如Marra[43]所述: “接受最新呼吸碳的再固定機制可以解釋14C技術(shù)中的大多數(shù)理解問題, 且不需要對呼吸碳的損失做特別的解釋?！盬illiams等[32]針對中肋骨條藻(Skeletonema costatum)的研究表明14C標(biāo)定POC和 DOC生產(chǎn)率接近凈光合作用率, 該結(jié)果與Ryther提出的呼出CO2被100%循環(huán)吸收的機制一致。

圖1 A為Marra[26]近期提出的一個關(guān)于“最新呼吸碳的再固定機制”的示意圖。在藻細胞中, 從線粒體呼出的 CO2并未立即被排出細胞外, 而是被細胞內(nèi)的葉綠體再次吸收, 重新進入光合作用循環(huán)中。如果該機制確實存在, 那么利用14C標(biāo)記所測的光合作用率與利用18O標(biāo)記所測的總光合作用率[6]將有必然的差異, 因為在光合作用中, 一部分 CO2可以在細胞中被重復(fù)利用, 而 O2則不可以, 這必然會導(dǎo)致細胞內(nèi)碳吸收與氧釋放的不平衡。

Pei和Laws[30]則擴展了Marra[26]示意圖的適用范圍, 提出了圖1 B, 并用數(shù)學(xué)模型解釋了Ryther的“最新呼吸碳的再固定機制”。由于浮游植物中很多物種并不具備細胞器(如葉綠體和線粒體等)的原核細胞(如藍細菌等), 因此圖1B的適用范圍更大。在該圖中,P是指在光合作用中浮游植物細胞吸收無機碳的效率。細胞中的有機碳經(jīng)呼吸作用后, 或者被排出細胞(即R表示有機碳釋放效率), 或者在細胞內(nèi)循環(huán)并重新進入光合作用(即R′)。因此, 總光合作用率等于P+R′, 而凈光合作用率等于P–R。那么, 細胞對無機14C的凈吸收效率則可用如下公式表示:

圖1 浮游植物細胞光合作用與呼吸作用概念模型簡圖

式中U是指凈14C吸收率, SADIC是指環(huán)境中溶解無機碳(DIC)的比活度, SAR是被呼出細胞外的那部分碳的比活度; 而IDP與IDR則分別為光合作用與呼吸作用的碳同位素判別因子(isotope discrimination factor), 用來對比活度進行修正。因此, 被光合作用同化入細胞的碳比活度在修正后為 SADIC/IDP, 而被呼出細胞外的碳比活度則是 SAR/IDR; IDP一般為1.05。14C技術(shù)測定的光合作用率等于公式(1)右側(cè)除以SADIC/IDP, 因此, 計算所得光合作用率(U′)為:

如果公式(2)中的R＝0, 即圖1 B中所有被呼吸作用釋放出的碳都在細胞內(nèi)循環(huán), 并再次進入光合作用; 或者SAR/IDR＝SADIC/IDP, 即被呼出細胞外的碳與被同化入細胞中的碳具有相同的比活度, 公式(2)計算所得的將是凈光合作用率(P–R)。SAR/IDR＝SADIC/IDP暗示所有被細胞呼出體外的碳其實都是Ryther[29]實驗中的“新”碳, 即先前溶液中被14C均勻標(biāo)定的碳。而Ryther[29]當(dāng)時也是基于與此類似的推理, 而得出14C技術(shù)測定凈光合作用率的推斷。

否則, 如果R′＝0, 即所有被呼吸作用釋放出的碳都脫離了細胞, 并且 SAR＝0, 即所有被呼出的碳是“舊”碳(指 Ryther[29]實驗中原本就存在于細胞中且未被14C標(biāo)定過的那部分碳), 那么公式(2)計算所得的將是總光合作用率。

然而, Ryther所提出的“最新呼吸碳的再固定機制”目前尚未被完全認(rèn)可, 比如Dring和Jewson[48]曾拒絕了該假設(shè), 并且該機制也不能解釋 Williams等[49]和Grande等[50]在船上進行培養(yǎng)后所測的結(jié)果。在最近的研究中, Halsey等[51-52]的實驗結(jié)果也并不完全支持該機制, 他們監(jiān)測了一系列生長率被硝酸鹽限制的杜氏鹽藻(Dunaliella tertiolecta)穩(wěn)態(tài)培養(yǎng), 發(fā)現(xiàn)高生長率(1.2 d–1)下細胞中14C標(biāo)定的碳水化合物固化效率比低生長率(0.12 d–1)高出5倍; 被細胞固定的“新碳”在參與呼吸作用后, 并未進入再循環(huán)體系,而是被釋放至環(huán)境中, 且“新碳”在細胞中的停留時間與生長率有關(guān)。

因此, 關(guān)于“最新呼吸碳的再固定機制”仍存在爭議, 尚未行成定論。而某些其他過程也可能會導(dǎo)致測試結(jié)果的不一致性, 如溶解有機物的釋放[53]、最新固碳與舊碳的不同新陳代謝途徑[43]、培養(yǎng)時間與呼吸作用的影響[25]等等。

4 最新研究進展

在近期的研究中, 利用恒化器進行連續(xù)培養(yǎng)成為解決14C技術(shù)爭議問題的一個值得探索的思路, 因為該套設(shè)置能夠在實驗室精確控制光照、溫度、營養(yǎng)鹽補給或限制、細菌干擾等環(huán)境因素, 可以通過重復(fù)測定細胞顆粒有機碳、溶解有機碳等參數(shù), 利用數(shù)學(xué)模型對藻細胞生長情況進行高精確度的評估[30,54-56]。如 Halsey等[51,52]利用恒化器針對杜氏鹽藻Dunaliella tertiolecta進行了多次硝酸鹽限制條件下的連續(xù)培養(yǎng), 其結(jié)果表明對14C測定結(jié)果的解釋應(yīng)取決于浮游植物的生長率與培養(yǎng)時間的長短。隨后, Halsey等[57]將該藻種與海洋硅藻Thalassiosira weissflogii進行了比較研究, 并發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律, 即細胞中新形成的有機碳產(chǎn)物存在細胞中的時間與細胞生長率大小呈正相關(guān)性;14C標(biāo)記在較短的培養(yǎng)期內(nèi)傾向于測定總初級生產(chǎn)力, 而隨著培養(yǎng)時間增長,14C標(biāo)記將傾向于測定凈初級生產(chǎn)力。但是, 目前他們僅測定了眾多浮游植物中的兩個藻種, 其結(jié)論是否適用于其他藻種仍不明確。

Pei和Laws[30]近期對Ryther的分批培養(yǎng)實驗進行了優(yōu)化和改進, 并以此對 7種常見藻種進行了研究, 從中鑒定出具有不同碳呼吸模式的兩種典型藻種—球等鞭金藻(Isochrysis galbana)和凱氏小球藻(Chlorella kessleri)。根據(jù)Ryther的“最新呼吸碳的再固定機制”初步推測14C技術(shù)能準(zhǔn)確測定前者的凈初級生產(chǎn)力, 但高估后者的凈初級生產(chǎn)力; 該推測在隨后的連續(xù)培養(yǎng)實驗中得以證實。其初步研究結(jié)果表明藻類的物種組成、生長率以及不同藻種細胞的呼吸作用與光合作用比值對判斷14C測定結(jié)果有顯著影響。在機理的解釋上, Pei和Laws[30]將Ryther的“最新呼吸碳的再固定機制”, 與 Halsey等[51,52]提出的生長率影響機制結(jié)合起來, 從而推斷出14C標(biāo)記技術(shù)傾向于高估呼吸作用與光合作用比值較高的藻種細胞的凈初級生產(chǎn)力。

隨后, Pei和Laws[58]繼續(xù)對以上兩種具有不同碳呼吸模式的典型藻種開展了晝夜循環(huán)培養(yǎng), 并以硝酸鹽作為控制生長率的限制因子。發(fā)現(xiàn)在高生長率下,14C標(biāo)記所獲得的有機碳生產(chǎn)率與對照方法所揭示的實際生產(chǎn)率相當(dāng); 但在低生長率下,14C標(biāo)記結(jié)果顯著高估了有機碳生產(chǎn)率, 尤以凱氏小球藻更為明顯。在晝夜24 h培養(yǎng)后14C標(biāo)記結(jié)果與實際生產(chǎn)率偏離程度比白晝培養(yǎng)結(jié)果更為顯著; 由于浮游植物細胞在夜間呼吸作用所消耗的有機碳僅有約73%源于日間的光合作用,14C標(biāo)記方法估算的有機碳暗夜呼吸作用率低于對照方法所揭示的實際呼吸作用率。Pei和Laws[58]初步推測浮游植物細胞在不同生長率下胞內(nèi)呼吸碳的循環(huán)效率差異可能是導(dǎo)致14C標(biāo)記結(jié)果偏離率受生長率影響的原因, 而黑暗條件下呼吸碳組分和光照條件下胞內(nèi)呼吸碳循環(huán)效率則可能對晝夜循環(huán)后14C標(biāo)記結(jié)果高估實際生產(chǎn)率的程度造成影響。

但是, Pei和Laws[30]目前僅研究了自然界眾多藻種中的很小一部分, 藻種分布亦不能囊括全球主要海域和湖泊。因此, 為徹底解決14C技術(shù)中的爭議問題, 未來需要對更多的藻種進行系統(tǒng)研究, 同時需要將室內(nèi)可控性培養(yǎng)結(jié)果與野外實際培養(yǎng)結(jié)果進行統(tǒng)計學(xué)上的對比。毫無疑問, Pei和Laws[30]將分批培養(yǎng)與連續(xù)培養(yǎng)實驗相結(jié)合的思路在解決14C爭議問題上極具可行性和潛力。

5 研究展望

關(guān)于14C技術(shù)究竟在測定什么的爭議, 持續(xù)了半個多世紀(jì)仍未能解決[26,30], 但諸多海洋與湖沼學(xué)家為解決該問題而不懈努力。這不僅因為14C技術(shù)具有諸多優(yōu)點, 更因為半個多世紀(jì)以來, 科學(xué)家已花費大量時間和資源利用14C技術(shù)在全球范圍內(nèi)成千上萬的區(qū)域測定了海洋初級生產(chǎn)力[24], 并構(gòu)建了龐大的海洋初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)庫[59]。這些數(shù)據(jù)正在被用來校正衛(wèi)星遙感計算模式[60-62], 在全球尺度上評估海洋初級生產(chǎn)力, 進而研究其對全球碳循環(huán)以及氣候變化的影響[45]。在大多數(shù)情況下,14C技術(shù)的這些不確定性(包括對測定結(jié)果的解釋)會在測定初級生產(chǎn)力時導(dǎo)致兩倍以內(nèi)的誤差, 但如今全球遙感推斷和生物模型校驗都需要將該誤差控制在20%~50%之內(nèi)[32]。

此外, 考慮到時至今日乃至將來很長一段時間,14C技術(shù)仍是諸多測定初級生產(chǎn)力技術(shù)中不可替代的“標(biāo)準(zhǔn)方法”[4], 探討、解決14C技術(shù)相關(guān)的爭議問題, 極具科學(xué)與現(xiàn)實意義。而且, 對此問題的研究可加深我們對浮游植物細胞內(nèi)部生理特征與代謝機制的理解[52], 有助于深入分析營養(yǎng)鹽限制[63-66]、光照效應(yīng)[35]、捕食效應(yīng)[25]、晝夜循環(huán)[37]等環(huán)境條件對浮游植物生長率及固碳效率的影響, 從而更好地理解水域微生態(tài)結(jié)構(gòu), 探索其在全球碳循環(huán)與氣候變化中的影響[4, 67-69]。

可以預(yù)見, 對14C技術(shù)爭議的探討仍將是今后海洋學(xué)與湖沼學(xué)研究熱點之一。隨著分析儀器和測試技術(shù)的不斷提高, 將14C標(biāo)記技術(shù)測定結(jié)果與其他技術(shù)進行系統(tǒng)比較可能會成為一種比較流行的研究模式, 比如Pei和Laws[30]與Halsey等[51,52]所使用的恒化器連續(xù)培養(yǎng)技術(shù), 或者與經(jīng)過改進后的高精度黑白瓶測氧法[32]、18O標(biāo)記技術(shù)[13]、17Δ技術(shù)[14]等進行比較。

[1]李冠國, 范振剛.海洋生態(tài)學(xué)[M].北京: 高等教育出版社, 2004.

[2]閻希柱.初級生產(chǎn)力的不同測定方法[J].水產(chǎn)學(xué)雜志, 2000, 13(1): 81-86.

[3]楊東方, 高振會, 陳豫, 等.硅的生物地球化學(xué)過程的研究動態(tài)[J].海洋科學(xué), 2002, 26(3): 39-42.

[4]Chavez F P, Messie M, Pennington J T.Marine primary production in relation to climate variability and change[J].Annual Review of Marine Science, 2011, 3: 227-260.

[5]Chassot E, Bonhommeau S, Dulvy N K, et al.Global marine primary production constrains fisheries catches[J].Ecology Letters, 2010, 13(4): 495-505.

[6]Falkowski P G, Raven J A.Aquatic Photosynthesis[M]//2 ed.Princeton, N J.USA: Princeton University Press,2007.

[7]孫軍, 劉冬艷, 柴心玉, 等.1998-1999年春秋季渤海中部及其鄰近海域葉綠素 a濃度及初級生產(chǎn)力估算[J].生態(tài)學(xué)報, 2003, 23(3): 517-526.

[8]Arrigo K R.Carbon cycle: Marine manipulations[J].Nature, 2007, 450(7169): 491-492.

[9]Behrenfeld M J, O’Malley R T, Siegel D A, et al.Climate-driven trends in contemporary ocean productivity[J].Nature, 2006, 444(7120): 752-755.

[10]Klein P, Lapeyre G.The oceanic vertical pump inducedby mesoscale and submesoscale turbulence[J].Annual Review of Marine Science, 2009, 1: 351-375.

[11]傅明珠, 王宗靈, 李艷, 等.膠州灣浮游植物初級生產(chǎn)力粒級結(jié)構(gòu)及固碳能力研究[J].海洋科學(xué)進展,2009, 27(3): 357-366.

[12]孫曉霞, 孫松, 張永山, 等 膠州灣葉綠素a及初級生產(chǎn)力的長期變化[J].海洋與湖沼, 2011, 42(5): 654-661.

[13]Quay P D, Peacock C, Bjorkman K, et al.Measuring primary production rates in the ocean: Enigmatic results between incubation and non-incubation methods at Station ALOHA[J].Global Biogeochemical Cycles,2010, 24: 1-14.

[14]Juranek L W, Quay P D.Using triple isotopes of dissolved oxygen to evaluate global marine productivity[J].Annual Review of Marine Science, 2013, 5(1):503-524.

[15]Steemann Nielsen E.The use of radio-active carbon(14C) for measuring organic production in the sea[J].Journal du Conseil, 1952, 18(2): 117-140.

[16]李永祺.用14C法測定海洋初級生產(chǎn)力[J].海洋科學(xué),1982, 6(6): 51-55.

[17]Laws E A.Evaluation of in situ phytoplankton growth rates: a synthesis of data from varied approaches[J].Annual Review of Marine Science, 2013, 5(1):247-268.

[18]張世強.海洋初級生產(chǎn)力現(xiàn)場測量技術(shù)研究[C]//中國科協(xié).中國科協(xié)2004年學(xué)術(shù)年會14分會論文集.三亞: 中國科協(xié), 2004.

[19]彭興躍, 洪華生, 王海黎, 等.14C標(biāo)記現(xiàn)場測定海洋初級生產(chǎn)力培養(yǎng)方法比較[J].臺灣海峽, 1997, 16(1):67-74.

[20]孫軍.海洋生物的初級生產(chǎn)力[C].相建海.中國國情系列叢書——中國海情.北京: 開明出版社, 2003:197-215.

[21]彭作圣, 李丕廉, 費修綆.14C安瓿的封裝技術(shù)[J].海洋與湖沼, 1964, 6(4): 434-436.

[22]呂瑞華, 夏濱, 李寶華, 等.渤海水域初級生產(chǎn)力 10年間的變化[J].黃渤海海洋, 1999, 17(3): 80-86.

[23]焦念志, 王榮, 李超倫.東海春季初級生產(chǎn)力與新生產(chǎn)力的研究[J].海洋與湖沼, 1998, 2: 135-140.

[24]Behrenfeld M J, Falkowski P G.Photosynthetic rates derived from satellite-based chlorophyll concentration[J].Limnology and Oceanography, 1997, 42(1): 1-20.

[25]Laws E A, Landry M R, Barber R T, et al.Carbon cycling in primary production bottle incubations: inferences from grazing experiments and photosynthetic studies using14C and18O in the Arabian Sea[J].Deep-Sea Research, 2000, 47(7-8): 1339-1352.

[26]Marra J.Net and gross productivity: weighing in with14C[J].Aquatic Microbial Ecology, 2009, 56(2-3):123-131.

[27]Peterson B J.Aquatic primary productivity and the14C-CO2method: a history of the productivity problem[J].Annual Review of Ecology and Systematics, 1980,11: 359-385.

[28]Ryther J H, Menzel D W.Comparison of the14C-technique with direct measurement of photosynthetic carbon fixation[J].Limnology and Oceanography,1965, 10(3): 490-492.

[29]Ryther J H.Interrelation between photosynthesis and respiration in the marine flagellate,Dunaliella euchlora[J].Nature, 1956, 178(4538): 861-863.

[30]Pei S, Laws E A.Does the14C method estimate net photosynthesis? Implications from batch and continuous culture studies of marine phytoplankton[J].Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers,2013, 82(0): 1-9.

[31]沈國英, 黃凌風(fēng), 郭豐, 等.海洋生態(tài)學(xué)[M].第三版.北京: 科學(xué)出版社, 2010: 116-118.

[32]Williams P J L, Robinson C, Sondergaard M, et al.Algal14C and total carbon metabolisms.2.Experimental observations with the diatomSkeletonema costatum[J].Journal of Plankton Research, 1996, 18(10):1961-1974.

[33]Kliphuis A M J, Janssen M, van den End E J, et al.Light respiration inChlorella sorokiniana[J].Journal of Applied Phycology, 2011, 23(6): 935-947.

[34]劉誠剛, 寧修仁, 郝鏘, 等.海洋浮游植物溶解有機碳釋放研究進展[J].地球科學(xué)進展, 2010, 25(2):123-132.

[35]Bender M, Orchardo J, Dickson M L, et al.In vitro O2fluxes compared with14C production and other rateterms during the JGOFS Equatorial Pacific experiment[J].Deep-Sea Research, 1999, 46(4): 637-654.

[36]吳璟瑜, 商少凌, 洪華生, 等.浮游植物光吸收特性研究[J].海洋科學(xué), 2006, 30(6): 77-81.

[37]Lacour T, Sciandra A, Talec A, et al.Diel variations of carbohydrates and neutral lipids in nitrogen-sufficient and nitrogen-starved cyclostat cultures of isochrysis sp.[J].Journal of Phycology, 2012, 48(4): 966-975.

[38]Steemann Nielsen E.The interaction of photosynthesis and respiration and its importance for the determination of14C-discrimination in photosynthesis[J].Physiologia Plantarum, 1955, 8(4): 945-953.

[39]Ryther J H.The ratio of photosynthesis to respiration in marine plankton algae and its effect upon the measurement of productivity[J].Deep Sea Research,1954, 2(2): 134-139.

[40]Bunt J.Measurements of photosynthesis and respiration in a marine diatom with mass spectrometer and with carbon-14[J].Nature, 1965, 207(5004): 1373-1375.

[41]Steemann Nielsen E, Kholy A A A.Use of14C technique in measuring photosynthesis of phosphorus or nitrogen deficient algae[J].Physiologia Plantarum,1956, 9(1): 144-153.

[42]Bender M, Grande K, Johnson K, et al.A comparison of four methods for determining planktonic community production[J].Limnology and Oceanography, 1987,32(5): 1085-1098.

[43]Marra J.Approaches to the measurement of plankton production[C].Williams P J l B, Thomas D N,Reynolds C S.Phytoplankton Productivity: Carbon Assimilation in Marine and Freshwater Ecosystems.Oxford, U.K.: Blackwell Science, 2002: 78-108.

[44]Aristegui J, Montero M F, Ballesteros S, et al.Planktonic primary production and microbial respiration measured by14C assimilation and dissolved oxygen changes in coastal waters of the Antarctic Peninsula during austral summer: implications for carbon flux studies[J].Marine Ecology-Progress Series, 1996,132(1-3): 191-201.

[45]Juranek L W, Quay P D.In vitroandin situgross primary and net community production in the North Pacific Subtropical Gyre using labeled and natural abundance isotopes of dissolved O2[J].Global Biogeochemical Cycles, 2005, 19(3): 1-15.

[46]Fahey T J, Knapp A K.Principles and Standards for Measuring Primary Production[M].Oxford, New York:Oxford University Press, 2007.

[47]Reynolds C S.The Ecology of Phytoplankton[M].New York: Cambridge University Press, 2006: 535.

[48]Dring M J, Jewson D H.What does14C uptake by phytoplankton really measure? A theoretical modeling approach[J].Proceedings of the Royal Society of London Series B-Biological Sciences, 1982, 214(1196):351-368.

[49]Williams P J L, Heinemann K R, Marra J, et al.Comparison of14C and O2measurements of phytoplankton production in oligotrophic waters[J].Nature,1983, 305(5929): 49-50.

[50]Grande K D, Williams P J L, Marra J, et al.Primary production in the North Pacific gyre: a comparison of rates determined by the14C, O2concentration and18O methods[J].Deep-Sea Research, 1989, 36(11):1621-1634.

[51]Halsey K H, Milligan A J, Behrenfeld M J.Linking time-dependent carbon-fixation efficiencies inDunaliella tertiolecta(Chlorophyceae) to underlying metabolic pathways[J].Journal of Phycology, 2011, 47(1):66-76.

[52]Halsey K H, Milligan A J, Behrenfeld M J.Physiological optimization underlies growth rate-independent chlorophyll-specific gross and net primary production[J].Photosynthesis Research, 2010, 103(2):125-137.

[53]Teira E, Pazo M J, Serret P, et al.Dissolved organic carbon production by microbial populations in the Atlantic Ocean[J].Limnology and Oceanography, 2001,46(6): 1370-1377.

[54]Laws E A, Pei S, Bienfang P, et al.Phosphate-limited growth and uptake kinetics of the marine prasinophyteTetraselmis suecica(Kylin) Butcher[J].Aquaculture,2011, 322-323(0): 117-121.

[55]Laws E A, Pei S F, Bienfang P, et al.Phosphate-limitedgrowth ofPavlova lutheri(Prymnesiophyceae) in continuous culture: determination of growth rate limiting substrate concentrations with a sensitive bioassay procedure[J].Journal of Phycology, 2011,47(5): 1089-1097.

[56]Laws E A, Pei S F, Bienfang P.Phosphate-limited growth of the marine diatomThalassiosira weissflogii(Bacillariophyceae): evidence of non-monod growth kinetics[J].Journal of Phycology, 2013, 49(2): 241-247.

[57]Halsey K H, O’Malley R T, Graff J R, et al.A common partitioning strategy for photosynthetic products in evolutionarily distinct phytoplankton species[J].New Phytologist, 2013, 198(4): 1030-1038.

[58]Pei S F, Laws E A.Does the14C method estimate net photosynthesis? II.Implications from cyclostat studies of marine phytoplankton[J].Deep Sea Research Part I:Oceanographic Research Papers, 2014, 91(0): 94-100.

[59]Barber R T, Hiking A K.History of the study of plankton productivity[C].Williams P J lB, Thomas D N,Reynolds C S.Phytoplankton Productivity: Carbon Assimilation in Marine and Freshwater Ecosystems.Oxford, U.K.: Blackwell Science, 2002: 16-43.

[60]Carr M E, Friedrichs M A M, Schmeltz M, et al.A comparison of global estimates of marine primary production from ocean color[J].Deep-Sea Research,2006, 53(5-7): 741-770.

[61]商少凌, 洪華生.海洋初級生產(chǎn)力模式與遙感應(yīng)用研究進展[J].廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2001, 40(3):647-652.

[62]官文江, 何賢強, 潘德爐, 等.渤、黃、東海海洋初級生產(chǎn)力的遙感估算[J].水產(chǎn)學(xué)報, 2005, 29(3):367-372.

[63]沈艷玲, 張洪, 馬興, 等.渤海灣無機氮、活性磷酸鹽的變化對海洋初級生產(chǎn)力(葉綠素)的影響[J].中國環(huán)境監(jiān)測, 2004, 20(1): 52-54.

[64]裴紹峰, 沈志良.長江口上升流區(qū)營養(yǎng)鹽動力學(xué)及其對富營養(yǎng)化的影響[C]//俞志明, 沈志良, 陳亞瞿, 等.長江口水域富營養(yǎng)化.北京: 科學(xué)出版社, 2011: 323-336.

[65]裴紹峰, 沈志良.長江口上升流區(qū)營養(yǎng)鹽的分布及其通量的初步估算[J].海洋科學(xué), 2008, 32(9): 64-75.

[66]欒青杉, 孫軍, 宋書群, 等.長江口夏季浮游植物群落與環(huán)境因子的典范對應(yīng)分析[J].植物生態(tài)學(xué)報,2007, 31(3): 445-450.

[67]殷建平, 王友紹, 徐繼榮, 等.海洋碳循環(huán)研究進展[J].生態(tài)學(xué)報, 2006, 26(2): 566-575.

[68]Gao K, Xu J, Gao G, et al.Rising CO2and increased light exposure synergistically reduce marine primary productivity[J].Nature Clim Change, 2012, advance online publication.

[69]Doney S C, Ruckelshaus M, Emmett Duffy J, et al.Climate change impacts on marine ecosystems[J].Annual Review of Marine Science, 2012, 4(1): 11-37.