龍須菜養(yǎng)殖對深澳灣表層水體pCO2的影響

王首吉, 杜虹, 張清芳, 陳洋, 梅志平, 陳偉洲

1.汕頭大學海洋生物研究所, 汕頭 515063 2.汕頭大學生物系, 汕頭 515063

龍須菜養(yǎng)殖對深澳灣表層水體pCO2的影響

王首吉1, 杜虹2*, 張清芳2, 陳洋2, 梅志平1, 陳偉洲1

1.汕頭大學海洋生物研究所, 汕頭 515063 2.汕頭大學生物系, 汕頭 515063

根據(jù)2014年2—5、7 月在深澳灣獲得的表層海水總堿度和pH值, 結(jié)合水文、天氣、海灣養(yǎng)殖情況等因素, 以探討海區(qū) CO2收支計算方法為主要目的, 研究了汕頭市南澳縣龍須菜(Gracilaria lemaneiformis)養(yǎng)殖對深澳灣表層水CO2體系空間分布特征的影響。結(jié)果顯示: 2014年2、4、7月深澳灣為CO2的匯區(qū), 3、5月為CO2的源區(qū)。相比浮游植物, 2014年2、3、5 月龍須菜對CO2吸收貢獻率分別為62.90%、71.19%和52.20%。4月赤潮爆發(fā), 葉綠素a含量高達16.65 μg·L–1, 此時龍須菜光呼吸作用變強, 吸收O2同時釋放CO2, 浮游植物成為深澳灣主導生物, 對CO2的吸收占主導地位。通過區(qū)域?qū)Ρ? 發(fā)現(xiàn)龍須菜養(yǎng)殖區(qū)水體的pCO2和DIC都比非養(yǎng)殖區(qū)的低, 相比魚、貝養(yǎng)殖區(qū), 藻類養(yǎng)殖區(qū)更有可能成為CO2的匯區(qū)。

龍須菜; 浮游植物; 海水pH值; 海水總堿度; 表層二氧化碳分壓

1 前言

全球近岸每年從大氣中吸收的 CO2總量達到0.33—0.36 Pg·Cyr–1, 占開放海域每年吸收 CO2的27%—30%[1]。但由于邊緣海的復雜性, 碳循環(huán)過程難以準確估算, 這一直是困擾大多學者的問題。研究表明邊緣海是大氣 CO2的匯, 有些沿海區(qū)域至少是碳的弱匯[2–4]。目前人工海洋增匯主要途徑是增加海洋生物固碳, 經(jīng)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(Food and Agriculture Organization, FAO)統(tǒng)計, 全球藻類產(chǎn)業(yè)中中國占到了72%, 中國近岸每年約有33萬噸碳通過海藻養(yǎng)殖從海區(qū)移去[5]。但目前關(guān)于海藻碳匯的基礎(chǔ)研究并不多, 尤其海灣特殊的地理位置是否真的是大氣 CO2的匯區(qū)尚未得知, 大型海藻如何影響近岸表層海水pCO2也未見報道, 海洋碳匯的估算方式也不盡相同, 這都需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為理論支持。而龍須菜作為中國重要的經(jīng)濟海藻之一[6]。在廣東省汕頭市南澳島養(yǎng)殖已有十余年[7]。深澳灣作為我國龍須菜養(yǎng)殖的主要海灣之一, 以2011年為例, 龍須菜養(yǎng)殖面積為 731 hm2, 產(chǎn)量為 27217 t[8],該區(qū)域龍須菜養(yǎng)殖對表層水 pCO2的影響尚未見報道。本研究通過2014年2—5、7月對深澳灣表層海水理化因子的跟蹤調(diào)查, 利用的新的估算方法, 探討龍須菜養(yǎng)殖對表層海水 pCO2變化的影響, 旨在從新的角度去理解經(jīng)濟海藻在海灣養(yǎng)殖中的固碳作用。

2 調(diào)查海域與方法

2.1 采樣布點及采樣方法

深澳灣水域面積13.3 km2, 水深1.1—6.3 m, 平均水深1.9 m, 泥質(zhì)水底[9]。調(diào)查海區(qū)范圍及站點參照圖1, 共設(shè)置18個采樣站點, 分別于2014年2、3、4、5、7 月進行五次取樣調(diào)查, 采樣時間為 7:00—12:00, 其中 S8站點為非養(yǎng)殖區(qū), S1—S7和 S9—S16站點為龍須菜養(yǎng)殖區(qū), S17站點為牡蠣掛養(yǎng)區(qū), S18站點為魚類養(yǎng)殖區(qū), 采樣同時用GPS定位各養(yǎng)殖區(qū)域的外圍點, 計算養(yǎng)殖面積, 試驗期間深澳灣降雨量如圖2。

樣品采集和分析調(diào)查方法均參照《海洋調(diào)查規(guī)范》[10]與《海洋監(jiān)測規(guī)范》[11]規(guī)定方法進行, 分別監(jiān)測了總堿度(Total alkalinity, TA)、硝酸鹽氮(NO3–)、磷酸鹽(PO43–)、葉綠素a(Chl-a)。pH的測定使用瑞士 METTLER TOLEDO便攜式 pH計(相對精度±0.001)。利用美國In-Situ Inc SMARTROLL 便攜式水質(zhì)分析儀測定表層海水水溫(Sea Surface Temperature, SST)、鹽度(salinity, Sal)、溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)。

圖1 深澳灣調(diào)查站點分布圖Fig.1 Survey stations in Shenao Bay

圖2 深澳灣 1 月至 7 月降雨量Fig.2 Precipitation in Shenao Bay from Jun to July

2.2 無機碳體系計算

當海水的 CO2體系處于平衡時, 如果海水的水溫、鹽度和壓力已經(jīng)測定, 那么pH、TA、溶解無機碳(Dissolved inorganic carbon, DIC)和表層二氧化碳分壓(pCO2)就可以任意測定兩個, 然后計算出其余的參數(shù)[12], 本研究通過測定 pH和 TA數(shù)據(jù), 利用CO2SYS軟件, 計算DIC及其他CO2體系參數(shù)。

2.3 固碳比例計算

海水中溶解氧濃度會隨風速的增加而增大, 一般情況下, 其主要影響因素是水溫和鹽度[13]。根據(jù)熊孝先、鮑永恩的經(jīng)驗公式(1)、公式(2), 可將不同月份DO值換算成同水溫18 ℃、同鹽度30‰ 的DO值[13–14]。之后再利用統(tǒng)一標準下的數(shù)據(jù)進行計算。

注:S‰: 實際測得的鹽度值,Cl‰: 換算的氯度值,Qt: 欲換算的溶解氧濃度,Om: 實際測得的溶解氧濃度, Δt: 水溫實際值與欲換算值差值,t: 欲換算水溫值, ΔCl‰: 實測與欲換算的氯度差值。

在不考慮外部因素的前提下, 每年12月到次年5月深澳灣水體中的溶解氧變化主要由浮游植物和龍須菜產(chǎn)生, 而每年的6月到11月無龍須菜, 此時DO濃度僅由浮游植物生物量決定。通過計算無龍須菜養(yǎng)殖月份(每年6—11月)的DOx/Chl-ax值, 利用歷年實際測得的DO值和Chl-a值, 求出浮游植物貢獻的DO濃度。然后根據(jù)海水實際DO值與微藻貢獻的DO的差值, 求出由龍須菜貢獻的DO百分比(公式4)。

注:DOx: 每年6—11月(無龍須菜養(yǎng)殖)的DO濃度。Chl-ax: 每年 6—11月(無龍須菜養(yǎng)殖)的 Chl-a濃度(其中有赤潮的月份:DOx/Chl-ax=1.343, 無赤潮月份:DOx/Chl-ax=3.082)。n: 代表2、3、4、5月(其中 4月代入DOx/Chl-ax=1.343, 其他月份代入DOx/Chl-ax=3.082), 數(shù)據(jù)來源于謝玲(2014)和鄭兵(2010)[15]。DO龍須菜: 由龍須菜引起的水體溶解氧變化。DO微藻: 由浮游植物引起的水體溶解氧變化。DO總: 實際測得的海水溶解氧。

植物光合作用對CO2的吸收和O2的釋放比例是1:1的關(guān)系, 所以DO濃度的大小可以表征CO2的吸收情況, 即可以用產(chǎn)氧比例代表固碳比例, 公式(5)。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用SPSS 21.0軟件進行線性相關(guān)分析,α=0.05水平下,p＜0.05視為差異顯著,p＜0.01視為差異極其顯著, 利用Surfer 9.0和Adobe Photoshop CS3進行地圖和等值線圖繪制, 利用Origin 8.0進行圖表繪制。

3 結(jié)果與討論

3.1 表層海水環(huán)境參數(shù)的空間分布特征

經(jīng)調(diào)查2014年2—5月龍須菜掛養(yǎng)面積為分別為7.79、8.85、9.74、12.0 km2。2—5、7月平均水溫依次為13.63 ℃、13.81 ℃、21.22 ℃、21.57 ℃、30.15 ℃,鹽度保持在33‰左右, 總體變化不大。由圖3可見2月份 DO的高值中心和 pCO2的低值中心均出現(xiàn)在龍須菜掛養(yǎng)的區(qū)域, pCO2的高值中心出現(xiàn)在牡蠣掛養(yǎng)區(qū)。3月份整個海區(qū)的pCO2變化浮動不大, 并由內(nèi)向外遞減。4月DO平均飽和度為(194±17)%(表2), S18最低為 161%, S11最高為 232%, Chl-a平均濃度為16.65 μg·L–1, 由岸邊向外遞增。5月份的DO飽和度只有92%, 高值中心在近岸, Chl-a、pCO2由內(nèi)向外遞增, 最低值在龍須菜掛養(yǎng)區(qū)。7月份 Chl-a平均濃度為 14.33 μg·L–1, 高值中心出現(xiàn)在牡蠣掛養(yǎng)區(qū)域, 此處也是DO的高值中心和pCO2的低值中心。

由上可見, 龍須菜、牡蠣、魚類的養(yǎng)殖, 會使海區(qū)的DO和pCO2產(chǎn)生明顯的區(qū)域劃分。此外赤潮對海區(qū)pCO2的影響也非常明顯, 赤潮的爆發(fā), 會使這種區(qū)域劃分格局更為顯著。

3.2 不同養(yǎng)殖區(qū)pCO2的變動情況

由表1可見, 龍須菜養(yǎng)殖區(qū)的pCO2和DIC比非養(yǎng)殖區(qū)低, 牡蠣與魚類養(yǎng)殖區(qū)的pCO2比非養(yǎng)殖區(qū)高,相比魚、貝養(yǎng)殖區(qū), 海藻養(yǎng)殖區(qū)更有可能成為 CO2匯區(qū)。此外, 牡蠣養(yǎng)殖區(qū)的ΔpCO2: 2月＞3月＞4月＞5月, ΔDIC: 2月＞4月＞3月＞5月, 魚類養(yǎng)殖區(qū)ΔpCO2: 2月＞3月＞5月＞4月, ΔDIC: 2月＞4月＞5月＞3月, 可見牡蠣和魚類養(yǎng)殖區(qū)的ΔpCO2和ΔDIC基本逐月減小,推斷這可能是因為龍須菜養(yǎng)殖面積逐月擴大, 龍須菜養(yǎng)殖區(qū)域水體流動影響了牡蠣、魚類養(yǎng)殖區(qū)域, 龍須菜以匯的角色影響著牡蠣、魚類養(yǎng)殖區(qū)域(源角色)。

戴民漢[16]研究表明夏季臺灣海峽南側(cè)海區(qū)為CO2顯著的源區(qū), 張遠輝[17]研究表明臺灣海峽表層水 CO2略呈飽和。本研究通過大氣 pCO2與海水pCO2(圖4)的比較: 3、5月深澳灣表現(xiàn)為CO2的源區(qū),2、4、7月表現(xiàn)為CO2的匯區(qū)。本實驗結(jié)果顯示: 除了4月(赤潮爆發(fā))深澳灣作為強匯區(qū)外, 3、5月份仍作為CO2的源區(qū), 2月僅作為CO2的弱匯區(qū)。據(jù)報道深澳灣 2014 年春季龍須菜總固碳總量約為 631.9 t[18],可見龍須菜的養(yǎng)殖能在一定的程度上改變海區(qū)源的角色, 但由于龍須菜養(yǎng)殖面積相對于整片海區(qū)較小,使深澳灣作為匯的角色不顯著。

圖3 2014年2—5、7月深澳灣表層海水與溶解無機碳系統(tǒng)相關(guān)的環(huán)境參數(shù)的空間分布Fig.3 Spatial distribution of parameters related to DIC system of surface water in Shenao Bay from Feb to May and July 2014

表1 不同養(yǎng)殖區(qū)域pCO2和DIC與空白養(yǎng)殖區(qū)pCO2和DIC差值Tab.1 D-value of pCO2 and DIC between cultivation area and blank area

3.3 CO2體系參數(shù)與環(huán)境因子關(guān)系

研究表明海藻的光合作用速率主要決定于水溫[19], 但同時受營養(yǎng)限制。4月赤潮爆發(fā)(表2), 硝酸鹽氮最低值只有 0.611 μmol·L–1, 磷酸鹽僅為0.124 μmol·L–1, 此時龍須菜出現(xiàn)大面積的黃化現(xiàn)象。據(jù)報道, 龍須菜的這種“黃化”現(xiàn)象是由環(huán)境缺氮造成的[20–21], 由此可見, 龍須菜光合作用受到營養(yǎng)鹽的限制, 固碳能力不高。

圖4 深澳灣不同養(yǎng)殖區(qū)表層水pCO2分壓的變化Fig.4 Seasonal variation of pCO2 of different maricultural areas in Shenao Bay

表層海水的pCO2受到物理、化學、生物等外部條件的影響, 如水溫、鹽度等的影響[22]。其中水溫是主要因素, 據(jù)報道夏季東海西部表層海水水溫與pCO2呈負相關(guān)關(guān)系[23], 本實驗逐步回歸分析顯示(表3): pCO2與水溫并無相關(guān)關(guān)系(除 5月), 而與chl-a和DO有相關(guān)性, 可見初級生產(chǎn)者光合作用更可能是造成 DO過飽和的主要原因, 說明海區(qū)的浮游植物對 pCO2的影響較大。此外 CO2體系參數(shù)與Sal沒有相關(guān)性, 說明深澳灣海水的物理混合過程對CO2影響不明顯, 排除了物理過程對pCO2的影響作用。7月份CO2體系參數(shù)僅與DO相關(guān), 7月沒有龍須菜, 此時 chl-a濃度達到(12.32±3.88) μg·L–1, 說明浮游植物對CO2的吸收貢獻所占比例很大。綜上說明海區(qū)pCO2變化受外部環(huán)境因子影響不明顯, 雖然深澳灣作為匯的角色不顯著, 但這個變化是由生物過程的引起的。

3.4 龍須菜和浮游植物產(chǎn)氧量計算及固碳分析

藻類光合作用過程會吸收 CO2, 同時釋放 O2,海水中 CO2減少會使 HCO3–和 CO32–的比例增加,DIC和pCO2下降[24], 本實驗中DO與CO2參數(shù)表現(xiàn)出強的負相關(guān)性(y=–40.13x+ 680.32,r=0.8359)。通過對溶解氧的定量分析, 估算藻類單位時間內(nèi)的產(chǎn)氧量, 進而表征光合作用速率[25]。

開闊的海域, 溶解氧濃度的影響因素較多, 物理過程和生物過程都會影響海區(qū)溶解氧濃度。本文將影響溶解氧濃度的主要因素(溫度、鹽度)歸一化,同時忽略不同季節(jié)藻種類不一樣而引起的誤差, 用葉綠素a濃度表征微藻數(shù)量, 大致估算深澳灣浮游植物和龍須菜的產(chǎn)氧比例, 進而用產(chǎn)氧比例表示固碳比例。

根據(jù)公式(1)、(2)將不同月份的DO濃度值換算成統(tǒng)一條件下的DO濃度值, 如表4。

表2 深澳灣表層海水中環(huán)境因子平均濃度的季節(jié)變化Tab.2 Seasonal variation of average value of different environmental parameters in Shenao Bay

表3 深澳灣CO2體系各參數(shù)與環(huán)境因子空間分布數(shù)據(jù)的逐步回歸分析結(jié)果Tab.3 Stepwise regression analyses results of CO2 system parameters with environmental factors of spatial distribution data

表4 換算成水溫為18 ℃, 鹽度為30‰時的DO濃度Tab.4 The value of DO when temperature converts to 18℃and salinity converts to 30‰

根據(jù)公式(3)、公式(4)和表4的計算結(jié)果, 計算出不同月份由浮游植物和龍須菜產(chǎn)生的DO比例如表5。結(jié)果顯示: 2—5月龍須菜的產(chǎn)氧比例占海區(qū)總產(chǎn)氧量的百分比分別為: 62.90%、71.19%、-27.56%和52.20%。其中4月爆發(fā)赤潮, 此時龍須菜的產(chǎn)氧量表現(xiàn)為負值, 分析是由于龍須菜生物量增加, 養(yǎng)殖深度加深(實際的養(yǎng)殖深度從2月的0.3—0.5 m到5月的1—1.8 m), 光合作用減弱造成的。與此同時4月DO%達到194%, 顯著高于其他月份, DIC濃度為(1589±540 μmol·L–1, pCO2為(100±18) μatm顯著低于其他月份。研究表明, 在高O2、低CO2的條件下, 植物會進行光呼吸作用, 吸收 O2同時釋放 CO2[26–27],所以在這樣高O2、低CO2的條件下, 海區(qū)龍須菜更可能是通過光呼吸維持生長。本課題組前期研究表明, 龍須菜在缺氮48 h之后光呼吸作用增強, 補氮過程龍須菜的光呼吸作用更加顯著[28]。通過 Chl-a和營養(yǎng)鹽的對比, 說明此時是赤潮爆發(fā)后期, 即前期赤潮爆發(fā)期間, 大量營養(yǎng)被吸收, 赤潮后期營養(yǎng)快速釋放, 造成此時的龍須菜光呼吸作用強烈。

計算結(jié)果顯示 4月龍須菜的產(chǎn)氧比例為負值,說明此時龍須菜的光呼吸作用比光合作用強。但此時的溶解氧含量高, 說明海區(qū)浮游植物光合作用產(chǎn)生的O2既承擔了龍須菜吸收的那一部分, 又補充了海水中的溶解氧, 可見浮游植物在此時的光合作用是非常強烈的。

根據(jù)表5浮游植物與龍須菜的產(chǎn)氧比例和植物光合作用原理式(5)。說明在 2、3、5月份中, 深澳灣龍須菜對CO2的固定分別占總固定量的: 62.90%、71.19%和52.20%, 4月浮游植物成了優(yōu)勢種, 龍須菜在低CO2, 高O2的條件下, 進行光呼吸作用, CO2的固定由浮游植物起主導作用。

表5 2015年2—5月深澳灣浮游植物和龍須菜產(chǎn)氧量Tab.5 Oxygen produced by phytoplankton and G.lemaneiformis from Feb to May 2014 in Shenao Bay

雖然龍須菜的生物量是逐月增長的, 但 5月產(chǎn)氧貢獻率比3、4月都少。龍須菜掛養(yǎng)深度會隨生物量的增加而自動加深, 接收的光照變?nèi)? 且團簇的龍須菜僅表面接收到光照, 團簇內(nèi)部藻體同樣進行光呼吸作用, 這影響后期龍須菜的固碳貢獻率。從圖4可見2月深澳灣作為CO2的匯區(qū), 但是強度很低, 3、5月作為CO2的源, 強度也較弱, 4月發(fā)生赤潮, 浮游植物數(shù)量多, 面積廣, 使深澳灣變?yōu)镃O2的強匯區(qū)。

4 總結(jié)

本文著重于對海藻碳匯估算方法的摸索討論,嘗試用新的途徑解釋海區(qū) CO2的變動情況, 這將為我們在大面積評價海區(qū)是CO2的源區(qū)或匯區(qū)提供一個可借鑒的方法。根據(jù)2014年2—5、7月深澳灣的調(diào)查結(jié)果, 表明深澳灣的龍須菜以匯的角色存在,使海區(qū)pCO2分區(qū)明顯, 同時龍須菜養(yǎng)殖對pCO2的作用效果會影響到其他養(yǎng)殖區(qū)域, 但由于外部環(huán)境的干擾, 龍須菜作用下的深澳灣作為匯的角色并不十分顯著。據(jù)報道在實際的海藻生態(tài)系統(tǒng)中, 附生生物的貢獻在海藻場生態(tài)系統(tǒng)中僅次于支持生物,可以為海藻場生態(tài)系統(tǒng)提供高達 30% 的生物生產(chǎn)力和30%的生物多樣性[29]。本實驗中赤潮爆發(fā)時浮游植物對 CO2的吸收上遠超過龍須菜, 但是龍須菜的后期會被從海區(qū)移走而浮游植物則會死亡分解,所浮游植物固定的 CO2又會重新回到海區(qū), 因此還需從龍須菜自身角度去評估碳匯作用。

雖然龍須菜的養(yǎng)殖能夠固定 CO2, 并在收獲的時候從海區(qū)移走, 但由于深澳灣面積小, 空氣、海水的流動性較強, 難以直接從海區(qū)的檢測數(shù)據(jù)估算龍須菜養(yǎng)殖對大氣 CO2的影響, 該碳匯估算方法還需從物理、化學、生物等多方面做進一步研究和優(yōu)化。

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The influence of the cultivation of Gracilaria lemaneiformis on the pCO2in surface waters of Shenao Bay

WANG Shouji1, DU Hong2,*ZHANG Qingfang2, CHEN Yang2, MEI Zhiping1, CHEN Weizhou1
1.Marine Biology Institute,Shantou University,Shantou515063,China2.Biology Department,Shantou University,Shantou515063,China

Based on the investigation of total alkalinity (TA) and pH in the surface waters from in Shenao Bay Feb to May 2014 and July 2014, combined with hydrological characteristics, weather conditions, cultivation environment and other parameters, the influence of the cultivation ofGracilaria lemaneiformison spatial distribution characteristics of the parameters of CO2in Shenao Bay was discussed.The main purpose of this paper is to discuss the calculation method of CO2balance in sea area.The results showed that Shenao Bay was a CO2sink area in Feb, April and July 2014, and a CO2source region in March and May.In comparison to phytoplankton, the rates of contribution to absorb CO2byG.lemaneiformiswere respectively 62.90%, 71.19% and 52.20% in Feb, March and May.When red tide occurred in April, the content of chl-awas as high as 16.65 μg·L–1.Meanwhile, the photorespiration ofG.lemaneiformisbecame stronger.G.lemaneiformisabsorbed O2and released CO2.Phytoplankton became the dominant creatures.The contribution of phytoplankton to absorb CO2was significantly bigger than that ofG.lemaneiformis.Through regional comparison, it is found that the pCO2and DIC inGlemaneiformisculture zones were lower than those in non-culture zones.Compared with fish, shellfish culture zones, algae culture zones are more likely to be CO2sink area.

Glemaneiformis; phytoplankton; pH of sea water; total alkalinity of sea water; surface CO2partial pressure

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.05.020

P76, Q178.1

A

1008-8873(2017)05-152-08

王首吉, 杜虹, 張清芳, 等.龍須菜養(yǎng)殖對深澳灣表層水體pCO2的影響[J].生態(tài)科學, 2017, 36(5): 152-159.

WANG Shouji, DU Hong, ZHANG Qingfang, et al.The influence of the cultivation ofGracilaria lemaneiformison the pCO2in surface waters of Shenao Bay[J].Ecological Science, 2017, 36(5): 152-159.

2016-09-01;

2017-03-03

廣東省海洋與漁業(yè)局科技推廣專項項目(A201405B06); 海洋公益性行業(yè)科研專項(201105008-9)

王首吉(1990—), 男, 碩士, 主要從事海洋生態(tài)研究, E-mail: 13sjwang2@stu.edu.cn

*通信作者:杜虹, 女, 博士, 教授, 主要從事海洋學研究, E-mail: hdu@stu.edu.cn