中国近海浮游植物光合作用研究——初级生产力模型计算与活体叶绿素荧光测量

本文的研究内容是初级生产力模型计算方法以及活体叶绿素荧光测量方法在我国近海浮游植物光合作用研究中的应用。 论文对在我国近海实测的1321 组叶绿素垂直分布数据以及84 组初级生产力数据进行了非线性拟合分析，得出了描述叶绿素和初级生产力垂直变化规律的相应参数。结合光合参数——初始斜率α 的平面分布将我国近海分为9 个光合作用特征相对独立的分区。以光强和遥感叶绿素为输入变量，以各分区实测参数的平均值为模型参数，首次建立了分海区的时间－深度积分初级生产力计算模型。 对拟合参数的分析表明：我国近海深水叶绿素峰（DCM）在夏季最明显而在冬季则不明显，这与夏季温跃层的形成和冬季温跃层消失的规律相符合。最大光合速率参数主要受温度和营养盐状况的影响，但整体而言各个季节的变化不大。光合作用初始斜率参数主要受浮游植物光照条件和光照历史的影响，从春季到冬季持续增加，基本与光照强度的变化刚好相反。光抑制参数反映着浮游植物对高光强伤害的敏感性，它在夏、秋季较低而在冬季较高。 模型计算结果表明我国近海初级生产力规模约为6.4±1.0×108tC/a。总体来说我国近海海域初级生产力北方高于南方，西部高于东部。北方初级生产力高峰期大都出现在夏季而南方出现在冬季，中部则高峰期出现在春秋两季，与温跃层出现和消失的规律有一定的相关性。与由实测生产力推算的初级生产力相比，本模型的计算结果较高，误差产生的原因包括二类水体遥感叶绿素浓度偏高、地形因素等。与VGPM相比较，本模型的计算结果更接近于实测结果。模型中云覆盖度参数的变化可能引起计算结果约25％的变化，当取云覆盖度参数为0.5 时的计算结果与用实际天气状况数据的计算结果较为接近。制作了基于分区模型的水柱初级生产力计算软件，可在仅测量叶绿素浓度的情况下进行水柱初级生产力的计算。 模型准确度的进一步提高的途径主要包括实测参数数量的增加以及遥感叶绿素浓度准确性的提高。 与初级生产力相比，活体叶绿素荧光测量可以更快速、简便地跟踪浮游植光合作用动态。本研究首次将活体叶绿素荧光测量方法应用于野外浮游植物光合作用状态研究。通过暗驰豫实验，建立了使用OS5－AFM藻类荧光仪现场测定活体叶绿素荧光参数——Fv/Fm（光化学效率）的操作方法，并对胶州湾海域浮游植物光化学效率进行了高时空分辨率的调查，对相关因素进行了分析，并尝试通过Fv/Fm进行初级生产力计算。 结果表明，胶州湾海域表层Fv/Fm值的全年平均值约0.37，处于中等偏低水平。Fv/Fm值在秋季最高而春季最低，其平面分布在夏季较均匀而在春季则有较大的区域差异。湾东部Fv/Fm值变化幅度较大，一年中有4 个高峰期；而湾西部Fv/Fm值变化幅度较小，一年中有3 个高峰期。光合作用最活跃的海区随季节更替而变化，其年变化模式可能具有一定的重复性。不同深度上Fv/Fm值的海区平均值没有显著差异，但底层Fv/Fm值的空间差异较小。 通过对营养盐和Fv/Fm值时间变化的分析，首次发现了自然水体中Fv/Fm值变化对氮盐浓度变化响应的滞后效应，在不同的站点，影响Fv/Fm值的氮盐种类有所不同，湾西部海域与NH4+相关性较高而湾东部海域与NO3-的相关性较高，P、Si等则与Fv/Fm值基本无相关性。滞后期的长度并不稳定，1 旬和2 旬的滞后现象都可观察到。Fv/Fm值变化率与氮盐浓度变化率之间的相关性高于Fv/Fm值与氮盐浓度之间的相关性。这表明即使在胶州湾这样无机氮浓度很高、浮游植物生长基本不受氮源限制的水体，氮源浓度的变化仍然影响着浮游植物的光合作用状态。 初步建立了由Fv/Fm测量结果计算初级生产力的方法。模型的计算结果与文献资料中胶州湾水域初级生产力的时空分布趋势基本一致，但在数量上明显低于传统估算的结果。获得更多同步测量的初级生产力和Fv/Fm值数据可逐渐改善这一方法计算结果的准确性，并可籍次方法更快更方便地进行初级生产力的测算。