[发明专利]利用黑白瓶法测定海洋初级生产力的模拟现场培养系统

说明书

技术领域

本发明涉及浮游植物和海洋初级生产力的培养系统，具体涉及一种利用黑白瓶测氧法测定海洋初级生产力的模拟现场培养系统。

背景技术

海洋初级生产力是指海洋中初级生产者(主要是浮游植物)通过光合作用或化学合成生产有机物的能力或速率，它是海洋生态系统中其他异养生物的生存基础，并从根本上影响着全球生物地球化学循环与气候变化。因此，海洋初级生产力的精确测试已成为各国研究活性有机体与无机碳库之间的碳循环、海洋固碳能力以及气候变化的重要枢纽。测定海洋浮游植物初级生产力的方法有很多，目前在海洋与湖泊应用最广泛的是C-14示踪法和黑白瓶测氧法。相比于C-14示踪法对实验条件和设备要求较高的特点，黑白瓶测氧法具有操作简易、费用低、无放射性污染等优点，从20世纪前半叶一直使用至今。而且，黑白瓶测氧法通过培养前后水样中溶解氧变化，可以同时计算出净初级生产力、总初级生产力和呼吸作用率，这是C-14示踪法难以做到的。该方法的原理是基于光合作用反应公式：H₂O+CO₂→(CH₂O)_n+O₂↑，该反应的逆反应即为呼吸作用；由于氧生成量与有机物质生成量之间或氧消耗量与有机物质消耗量之间均存在一定的当量关系，所以通过测定水体中溶解氧含量的变化，可以间接计算有机物质的生成量和消耗量，进而计算出光合作用率和呼吸作用率及总初级生产力。

该技术在实际操作中可分为两种方法：“原位”现场培养法和“模拟”现场培养法，前者要求将培养瓶在加入水样后放置在预定的水下深度，并且要求考察船抛锚等待24小时(甚至更长时间)直至培养结束，所以难度高、耗时且费力；而后者则通过工程技术来模拟现场条件，从而实现模拟原位的培养过程。

以往虽然有一些“模拟”现场培养的技术方法，但这些技术存在如下几个方面的不足之处：

(1)难以精确控制培养过程中的温度。海洋水体温度始终处于变化中，这不仅表现在大尺度的季节变化，还表现在一日内昼夜交替的周期变化。而且，海洋水体具有垂向立体维度，不同水深温度也不同。以往模拟培养技术在将水样取出后，就再也难以控制水体的温度变化，更难以将水样温度严格控制在其原本所在的深度的温度。以往研究表明，温度对浮游植物初级生产力和碳同化系数影响极大，这势必导致初级生产力测试结果的误差。

(2)难以精确控制培养过程中的光照强度。光照是影响海洋初级生产力的关键因素，因为光照是浮游植物通过光合作用产生有机碳的原动力。以往部分模拟培养技术虽然采用了日光灯等模拟太阳光照条件，但往往难以精确控制器光照的强度，难以与水样原深度的光照强度统一起来；即使部分培养技术能调整日光灯光照强度，但由于不是完全密封的环境，导致周围自然光照对浮游植物产生难以预期的影响，进而导致测试结果的误差。

(3)难以模拟物理水动力环境。海洋水体时刻处于运动中，而这种物理运动对浮游植物初级生产力具有较大影响。以往模拟培养技术在把水样从深海中取出后，往往再也难以模拟浮游植物原本所具备的海洋动力环境。这必将使得所测初级生产力与真实结果有难以预期的偏差。

(4)难以同时对多个水层的水样进行模拟培养。海洋水体具有垂向立体维度，不同水深的光照、温度和物理环境等均不同；相应的，浮游植物的生物量、物种组成和生理特征等也会发生变化；因此，从原水深获取水样后，最好能在与原水深类似生态环境中对水样进行培养。而后期计算区域初级生产力，则需要对不同水层所获生产力值在真光层深度上进行积分，一般而言所获水层生产力值越多，所得最终区域初级生产力值越准确。然而，在实际操作中，科学考察船的有限空间和海洋水体动荡环境均给多层原位培养带来了极大的操作难度。

(5)难以准确测定培养水样中溶解氧的精确变化。目前测定溶解氧常用的方法有碘量法(即Winkler法)、氧电极法等等。前者虽然测量准确度高，但是一种纯化学检测方法，不仅耗时长、程序繁琐，而且需要将密闭培养瓶打开取样，才能观测到培养过程中的溶解氧变化。氧电极法是一种电化学检测方法，可实现现场连续测量，具有方便、快速的特点。此外，还有一些新开发的分光光度法和荧光淬灭法等。因此，如何将既简便快捷、同时又精确度高的测氧方法灵巧地应用于实际操作中也是一个有待解决的难点。