摘要：

準確測定海洋中浮游生物生產(chǎn)與呼吸的平衡對于碳收支和全球變化預測非常重要。在不同尺度（從微生物學到生物地球化學）上對此類平衡測量的分歧引發(fā)了一場關(guān)于海洋營養(yǎng)狀態(tài)的爭議。這在貧營養(yǎng)的遠洋區(qū)域尤為突出，那里24小時培養(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，因為標準的24小時體外培養(yǎng)可能存在偏差，原因在于所需的培養(yǎng)時間過長以及所謂的"瓶子效應"。

為了研究培養(yǎng)時間和瓶子體積對浮游生物凈代謝測量的影響，我們在西北伊比利亞沿海系統(tǒng)進行了一系列時間序列實驗。本文展示了同時通過以下兩種方法獲得的浮游生物群落呼吸速率測量結(jié)果：（1）在不同培養(yǎng)時間（2至48小時）和不同瓶子體積（50、125和570毫升）下，通過標準體外溶解氧濃度變化測量；（2）在48小時內(nèi)，使用氧微傳感器每20秒測量一次氧濃度的下降。我們的結(jié)果反駁了關(guān)于24小時暗培養(yǎng)125毫升瓶子系統(tǒng)存在偏差的論點，并強調(diào)了氧微傳感器在研究天然海洋浮游生物呼吸動力學方面的有效性。

1.引言

歷史上，在生物海洋學發(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，也是因為早期研究更重視浮游植物生產(chǎn)（P）及其水動力控制，將其視為整個浮游生物動力學的關(guān)鍵控制過程。浮游植物曾被認為既支撐又控制著食物網(wǎng)的較高營養(yǎng)級，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量稀釋海洋生態(tài)系統(tǒng)中通常存在的低速率，因為現(xiàn)有各種方法的精度相對較低。這一點，加上基于氧濃度變化的標準方法所需時間較長，降低了任何采樣策略與例如基于碳14的生產(chǎn)測量相比的時空分辨率。然而，氧濃度變化測量的精度與用于測量生產(chǎn)的碳14技術(shù)相似。因此，呼吸測量相對較少的原因可能不僅僅是精度問題，而是繁瑣的方法論、過去對該變量缺乏興趣以及學界共識的總和：盡管不知道碳14培養(yǎng)測量的是什么，但它們是生產(chǎn)的有價值的替代指標。對于呼吸則不存在這種隱含的共識，因此方法論仍然是一個爭論的問題。

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，通過高精度自動滴定系統(tǒng)進行測量。然而，也應用其他方法，基于原位氧質(zhì)量平衡計算、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電極在暗培養(yǎng)期間連續(xù)測量氧濃度的下降。所有這些方法都能獲得可靠的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生合理、可重復的模式，但在進行比較時會出現(xiàn)困難，因為這些估算的原理、假設和范圍存在顯著差異。首先，它們的時空尺度差異巨大，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)假設群落在實驗過程中不發(fā)生變化，因此難以外推到動態(tài)的、時空異質(zhì)的真實海洋群落；另一方面，質(zhì)量平衡計算整合了較長時間內(nèi)不同群落和營養(yǎng)狀態(tài)的貢獻，從而使理解和預測觀察到的生物地球化學模式背后的生態(tài)過程復雜化。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)了對明暗瓶培養(yǎng)的批評，因為與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，但它們在當前關(guān)于浮游生物凈代謝的辯論中的實際作用仍然是一個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小時暗培養(yǎng)中，假設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可能無法滿足的假設，只要培養(yǎng)樣品中的有機物或氧氣耗盡。幾項研究發(fā)現(xiàn)，在24小時培養(yǎng)過程中，每小時呼吸速率會發(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"相關(guān)的誤差。任何樣品都排除了部分自然群落，這可能會改變營養(yǎng)級室和相互作用。考慮到生物體大小與豐度之間普遍存在的反比關(guān)系，以及大小與營養(yǎng)級的關(guān)系，任何群落樣品培養(yǎng)的一個普遍問題是降低了對群落較低營養(yǎng)級的捕食壓力。在浮游生物群落中，這可能導致浮游植物和細菌種群增加，而這并不反映自然群落的動態(tài)。此外，采集小體積水樣可能會排除群落中的某些生物體，這也排除了它們對群落呼吸的貢獻。"瓶子效應"被Robinson和Williams定義為容器對封閉種群的影響，無論原因為何。在任何情況下，限制誤差都受樣品大小、浮游生物群落的結(jié)構(gòu)和動力學的影響。

所有這些問題對于任何基于培養(yǎng)的群落速率測量以及任何生態(tài)系統(tǒng)都是常見的。然而，貧營養(yǎng)系統(tǒng)中低的總初級生產(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生產(chǎn)/群落呼吸平衡的大小，還可能改變其符號（從自養(yǎng)到異養(yǎng)或反之亦然）。因此，方法學偏差在貧營養(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，富營養(yǎng)系統(tǒng)中較高的總初級生產(chǎn)和群落呼吸速率，加上它們較高的溶解物質(zhì)負荷，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偏差的絕對幅度應該更大。

這項工作的目標是同時研究在沿海富營養(yǎng)化地點通過24小時暗瓶培養(yǎng)進行呼吸測量時準確度的潛在偏差。光呼吸對于溫克勒方法來說仍然是一個難題，因為呼吸測量本身要求氧濃度的同時變化不是由總初級生產(chǎn)引起的，這阻礙了從體外氧變化評估光呼吸。具體來說，我們旨在檢驗以下假設：（i）樣品大小：培養(yǎng)瓶體積一個數(shù)量級的差異應導致呼吸估算的顯著差異；（ii）"瓶子效應"：瓶子表面積/體積比2.5倍的差異應導致呼吸估算的顯著差異；（iii）非線性：氧濃度隨時間變化的斜率以及估算的呼吸速率將取決于培養(yǎng)長度；（iv）偏差將取決于群落結(jié)構(gòu)和呼吸速率的大小。為了檢驗這些假設，我們使用50、125和570毫升的瓶子進行了一系列時間序列培養(yǎng)，并通過使用極譜傳感器測定連續(xù)氧下降來補充這些測量。