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

二氧化碳對底棲微藻氧動力學和凈初級生產力的影響：實驗研究  

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

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

 

摘要  

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

 

研究目的  

1. 驗證大氣CO?濃度變化對底棲微藻氧動力學和凈初級生產力（NPP）的影響機制  

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. 評估大氣CO?上升對淺水生態(tài)系統(tǒng)生產力的潛在影響  

 

研究思路  

1. 實驗設計：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薄水層覆蓋的實驗艙內（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：  

   ? 氧剖面：Unisense OX-50微電極（25 μm尖端，響應時間<4秒）以50 μm步進測量沉積物氧垂直分布（圖3）  

 

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

 

   ? 凈初級生產力（NPP）：PROFILE模型解析氧剖面計算（圖3）  

 

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

 

測量的數(shù)據及研究意義  

1. 沉積物氧剖面（圖3）  

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

 

   ? 意義：直接揭示CO?對氧滲透深度的控制——5000 ppm時氧達430 μM（深度>0.08 cm），0 ppm時僅190 μM（深度<0.04 cm），證明CO?增加促進深層光合作用  

 

2. 總光合產氧（GOP）垂直分布（圖4）  

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

 

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

 

3. 生產力參數(shù)整合（圖5）  

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

 

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

 

結論  

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

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

 

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

4. 氣候關聯(lián)：大氣CO?濃度上升（現(xiàn)約420 ppm）將顯著增強淺水生態(tài)系統(tǒng)初級生產力  

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據的研究意義  

丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（OX-50傳感器+電機驅動微操縱器）的應用提供以下不可替代的研究價值：  

1. 亞毫米級時空分辨率：  

   ? 50 μm步進測量（圖3）捕捉沉積物內0.08–0.16 cm的氧梯度劇變，揭示CO?對光合作用深度的控制  

 

   ? 秒級響應（<4秒）實現(xiàn)光-暗切換后1–2秒內的GOP精準測量（圖4），規(guī)避傳統(tǒng)方法的時間滯后  

 

2. 非破壞性原位監(jiān)測：  

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

 

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

 

3. 機制解析關鍵工具：  

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

 

   ? 氧滲透深度量化（0.04 cm→0.08 cm）證實高CO?促進深層Rubisco活性  

 

4. 生態(tài)預測基礎：  

   ? 建立CO?濃度-NPP定量關系（如380→5000 ppm提升5倍），支撐大氣CO?上升對淺水生產力的正向效應預測