摘要：

準(zhǔn)確測(cè)定海洋中浮游生物生產(chǎn)與呼吸的平衡對(duì)于碳收支和全球變化預(yù)測(cè)非常重要。在不同尺度（從微生物學(xué)到生物地球化學(xué)）上對(duì)此類平衡測(cè)量的分歧引發(fā)了一場(chǎng)關(guān)于海洋營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的爭(zhēng)議。這在貧營(yíng)養(yǎng)的遠(yuǎn)洋區(qū)域尤為突出，那里24小時(shí)培養(yǎng)中的浮游生物群落耗氧率常常產(chǎn)生凈異養(yǎng)平衡，但類似的困難也出現(xiàn)在沿海系統(tǒng)中。這些結(jié)果受到批評(píng)，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的24小時(shí)體外培養(yǎng)可能存在偏差，原因在于所需的培養(yǎng)時(shí)間過長(zhǎng)以及所謂的"瓶子效應(yīng)"。

為了研究培養(yǎng)時(shí)間和瓶子體積對(duì)浮游生物凈代謝測(cè)量的影響，我們?cè)谖鞅币帘壤麃喲睾Ｏ到y(tǒng)進(jìn)行了一系列時(shí)間序列實(shí)驗(yàn)。本文展示了同時(shí)通過以下兩種方法獲得的浮游生物群落呼吸速率測(cè)量結(jié)果：（1）在不同培養(yǎng)時(shí)間（2至48小時(shí)）和不同瓶子體積（50、125和570毫升）下，通過標(biāo)準(zhǔn)體外溶解氧濃度變化測(cè)量；（2）在48小時(shí)內(nèi)，使用氧微傳感器每20秒測(cè)量一次氧濃度的下降。我們的結(jié)果反駁了關(guān)于24小時(shí)暗培養(yǎng)125毫升瓶子系統(tǒng)存在偏差的論點(diǎn)，并強(qiáng)調(diào)了氧微傳感器在研究天然海洋浮游生物呼吸動(dòng)力學(xué)方面的有效性。

1.引言

歷史上，在生物海洋學(xué)發(fā)展過程中，浮游生物代謝的研究主要集中于光合作用過程，而將呼吸（R）擱置一旁，這既是由于方法和技術(shù)的困難與局限，也是因?yàn)樵缙谘芯扛匾暩∮沃参锷a(chǎn)（P）及其水動(dòng)力控制，將其視為整個(gè)浮游生物動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵控制過程。浮游植物曾被認(rèn)為既支撐又控制著食物網(wǎng)的較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)，包括重要的漁業(yè)資源。即使在水生食物網(wǎng)新范式出現(xiàn)和鞏固之后，呼吸的研究仍然相對(duì)不足。在過去五年中，ISI Web of Knowledge中以"浮游植物/浮游植物生產(chǎn)"為主題的出版物數(shù)量是以"浮游植物/浮游植物呼吸"為主題的七倍。用來解釋呼吸數(shù)據(jù)庫貧乏的原因之一是難以測(cè)量稀釋海洋生態(tài)系統(tǒng)中通常存在的低速率，因?yàn)楝F(xiàn)有各種方法的精度相對(duì)較低。這一點(diǎn)，加上基于氧濃度變化的標(biāo)準(zhǔn)方法所需時(shí)間較長(zhǎng)，降低了任何采樣策略與例如基于碳14的生產(chǎn)測(cè)量相比的時(shí)空分辨率。然而，氧濃度變化測(cè)量的精度與用于測(cè)量生產(chǎn)的碳14技術(shù)相似。因此，呼吸測(cè)量相對(duì)較少的原因可能不僅僅是精度問題，而是繁瑣的方法論、過去對(duì)該變量缺乏興趣以及學(xué)界共識(shí)的總和：盡管不知道碳14培養(yǎng)測(cè)量的是什么，但它們是生產(chǎn)的有價(jià)值的替代指標(biāo)。對(duì)于呼吸則不存在這種隱含的共識(shí)，因此方法論仍然是一個(gè)爭(zhēng)論的問題。

估算浮游生物群落呼吸和凈群落生產(chǎn)（凈群落生產(chǎn)=總初級(jí)生產(chǎn)-群落呼吸）最廣泛使用的方法是量化暗瓶和明瓶培養(yǎng)后溶解氧濃度的變化，并使用溫克勒方法，通過高精度自動(dòng)滴定系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。然而，也應(yīng)用其他方法，基于原位氧質(zhì)量平衡計(jì)算、溶解氧的三氧同位素組成和氧/氬比值比、酶促呼吸活性估算（體外或體內(nèi)）、以及通過極譜和光學(xué)電極在暗培養(yǎng)期間連續(xù)測(cè)量氧濃度的下降。所有這些方法都能獲得可靠的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生合理、可重復(fù)的模式，但在進(jìn)行比較時(shí)會(huì)出現(xiàn)困難，因?yàn)檫@些估算的原理、假設(shè)和范圍存在顯著差異。首先，它們的時(shí)空尺度差異巨大，從分鐘和毫升到月和海洋盆地，并且允許在不同尺度之間直接外推估算速率的縮放規(guī)則是未知的。培養(yǎng)技術(shù)假設(shè)群落在實(shí)驗(yàn)過程中不發(fā)生變化，因此難以外推到動(dòng)態(tài)的、時(shí)空異質(zhì)的真實(shí)海洋群落；另一方面，質(zhì)量平衡計(jì)算整合了較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不同群落和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的貢獻(xiàn)，從而使理解和預(yù)測(cè)觀察到的生物地球化學(xué)模式背后的生態(tài)過程復(fù)雜化。這些差異反映在海洋某些區(qū)域經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的矛盾平衡中。

這些分歧引發(fā)了對(duì)明暗瓶培養(yǎng)的批評(píng)，因?yàn)榕c任何浮游生物群落的體外培養(yǎng)一樣，它們無法精確模擬群落在自然水體中經(jīng)歷的每一種環(huán)境條件或生物相互作用。然而，盡管經(jīng)常聲稱此類偏差具有相關(guān)性，但它們?cè)诋?dāng)前關(guān)于浮游生物凈代謝的辯論中的實(shí)際作用仍然是一個(gè)難以解決且未解決的問題。Robinson和Williams回顧了明暗瓶培養(yǎng)的潛在局限性，區(qū)分了影響精度的誤差和影響準(zhǔn)確度的誤差。在后者中，他們確定了程序誤差和限制誤差。程序誤差包括忽略光呼吸和氧消耗的非線性。在24小時(shí)暗培養(yǎng)中，假設(shè)光呼吸與暗呼吸相同，但情況并非總是如此。氧下降的線性是另一個(gè)可能無法滿足的假設(shè)，只要培養(yǎng)樣品中的有機(jī)物或氧氣耗盡。幾項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在24小時(shí)培養(yǎng)過程中，每小時(shí)呼吸速率會(huì)發(fā)生變化，而其他研究則發(fā)現(xiàn)氧濃度呈線性下降。非線性既破壞了24小時(shí)培養(yǎng)的結(jié)果，也破壞了通過較短培養(yǎng)估算具有生態(tài)意義的每日群落呼吸速率的可能性。

限制誤差包括那些與樣品大小和所謂的"瓶子效應(yīng)"相關(guān)的誤差。任何樣品都排除了部分自然群落，這可能會(huì)改變營(yíng)養(yǎng)級(jí)室和相互作用。考慮到生物體大小與豐度之間普遍存在的反比關(guān)系，以及大小與營(yíng)養(yǎng)級(jí)的關(guān)系，任何群落樣品培養(yǎng)的一個(gè)普遍問題是降低了對(duì)群落較低營(yíng)養(yǎng)級(jí)的捕食壓力。在浮游生物群落中，這可能導(dǎo)致浮游植物和細(xì)菌種群增加，而這并不反映自然群落的動(dòng)態(tài)。此外，采集小體積水樣可能會(huì)排除群落中的某些生物體，這也排除了它們對(duì)群落呼吸的貢獻(xiàn)。"瓶子效應(yīng)"被Robinson和Williams定義為容器對(duì)封閉種群的影響，無論原因?yàn)楹巍Ｔ谌魏吻闆r下，限制誤差都受樣品大小、浮游生物群落的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的影響。

所有這些問題對(duì)于任何基于培養(yǎng)的群落速率測(cè)量以及任何生態(tài)系統(tǒng)都是常見的。然而，貧營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)中低的總初級(jí)生產(chǎn)和群落呼吸速率意味著微小的偏差不僅可能改變總初級(jí)生產(chǎn)/群落呼吸平衡的大小，還可能改變其符號(hào)（從自養(yǎng)到異養(yǎng)或反之亦然）。因此，方法學(xué)偏差在貧營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)中受到了更多關(guān)注，在那里觀察到的凈異養(yǎng)現(xiàn)象難以解釋。然而，富營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)中較高的總初級(jí)生產(chǎn)和群落呼吸速率，加上它們較高的溶解物質(zhì)負(fù)荷，以及較大浮游植物和捕食者的普遍存在，意味著此處潛在方法學(xué)偏差的絕對(duì)幅度應(yīng)該更大。

這項(xiàng)工作的目標(biāo)是同時(shí)研究在沿海富營(yíng)養(yǎng)化地點(diǎn)通過24小時(shí)暗瓶培養(yǎng)進(jìn)行呼吸測(cè)量時(shí)準(zhǔn)確度的潛在偏差。光呼吸對(duì)于溫克勒方法來說仍然是一個(gè)難題，因?yàn)楹粑鼫y(cè)量本身要求氧濃度的同時(shí)變化不是由總初級(jí)生產(chǎn)引起的，這阻礙了從體外氧變化評(píng)估光呼吸。具體來說，我們旨在檢驗(yàn)以下假設(shè)：（i）樣品大小：培養(yǎng)瓶體積一個(gè)數(shù)量級(jí)的差異應(yīng)導(dǎo)致呼吸估算的顯著差異；（ii）"瓶子效應(yīng)"：瓶子表面積/體積比2.5倍的差異應(yīng)導(dǎo)致呼吸估算的顯著差異；（iii）非線性：氧濃度隨時(shí)間變化的斜率以及估算的呼吸速率將取決于培養(yǎng)長(zhǎng)度；（iv）偏差將取決于群落結(jié)構(gòu)和呼吸速率的大小。為了檢驗(yàn)這些假設(shè)，我們使用50、125和570毫升的瓶子進(jìn)行了一系列時(shí)間序列培養(yǎng)，并通過使用極譜傳感器測(cè)定連續(xù)氧下降來補(bǔ)充這些測(cè)量。