光照强度和细胞大小对硅藻的光能利用效率、生长以及化学计量比的影响

摘要

从最小的细胞直径小于2μm的微微型浮游植物（picoplankton）到细胞直径大于2000μm的大型浮游植物，海洋中浮游植物的体积大小跨越9个数量级。目前有两个理论试图解释制约不同物种个体生长的统一规律，一是生态学代谢理论（MTE），探讨个体代谢和个体大小之间的关系；二是生长速率假说（GRH），探讨个体生长速率和个体营养元素比例之间的关系。
　　本研究通过对细胞体积从50μm3到100000μm3跨越4个数量级的5种海洋硅藻分别在光照强度为8，19，45，60，100，150，200μmol photons m-2?s-1的7个光照梯度，光周期为12L:12D，温度为20±1℃的条件下进行培养。通过对5种硅藻的细胞体积、生长速率、光能利用效率、胞内元素组成以及叶绿素含量等的测定，来探究细胞体积和生长速率的关系以及生长速率假说（GRH）和生态学代谢理论（MTE）的关系。获得的主要结果与结论如下：
　　（1）硅藻细胞体积与生长速率的呈负相关相关性（斜率为-0.090，R2=0.762）与多数报道结果相符合。通过文献数据统计分析，当硅藻细胞体积Log V大于3时，细胞体积与生长速率的关系的斜率为-0.224（R2=0.469），与理论值-1/4无显著性差异（P>0.05）。这种现象说明样本大小、实验条件、实验藻种等可能会影响到细胞体积与生长速率的关系。
　　（2）在光照强度为200μmol photons m-2·s-1下，硅藻的N:P随细胞体积的增大依次为23.04±0.45，24.40±1.68，27.53±1.12，13.95±2.00。除前二者（细胞体积接近，分别为46μm3和62μm3）外，不同积大小细胞的N:P之间具有显著性差异P<0.05。硅藻胞内N:P与细胞体积大小呈现出(∩)型的单峰关系，而生长速率和细胞大小的关系呈负相关性（斜率为-0.090，R2=0.762）。当细胞体积Log V小于3时，细胞N:P随体积的增大而增大，说明细胞的生长主要受到N含量的限制；当细胞体积LogV大于3时，N:P随着细胞体积的增大而减小，由于体积限制使得营养物质的胞内的传输受到了限制，细胞的生长主要受到 P限制。
　　（3）随着体积的增大，硅藻的光能利用效率从较小体积的 Thalassiosira pseudonana和Phaeodactylum tricornutum的分别为0.02648，0.0348μmol photons-1 m2 s d-1，Thalassiosira weissflogii的为0.0209μmol photons-1 m2 s d-1，到中等细胞体积的Cyclotella meneghiniana Kiits的为0.0120μmol photons-1 m2 s d-1，最大体积的Thalassiosira punctigera的为0.0359μmol photons-1m2 s d-1，从而光能利用效率表现出了随细胞体积的增大先减小后增加的趋势。这种变化趋势和淡水硅藻的研究结果相一致。然而，硅藻单细胞的的光吸收面积随细胞体积的增大而增大（斜率为0.788，R2=0.988）。这种现象产生的原因需要进一步深入的研究。
　　本研究通过实验阐明了生长速率假说与生态学代谢理论、光能利用效率与细胞体积之间存在紧密联系的关系，并且文献历史数据的统计分析结果也能很好的支持这些研究结果。本工作为后期深入探究浮游植物的细胞体积、生长以及胞内元素组成提供了基础，并且为探究中等尺寸细胞在群落中的竞争优势机制提供了基础。

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第1章 绪论

1.1海洋环境变化

1.2海洋浮游植物与初级生产力

1.3浮游植物化学元素计量比

1.4 生长速率假说

1.5 生态学代谢理论

1.6 硅藻

1.7 研究目的、意义及技术路线图

第2章 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

2.3数据统计与分析

第3章 实验结果

3.1 光照对不同细胞大小藻类生源元素含量和生长的影响

3.2藻类细胞大小同生长速率的关系

3.3细胞大小和光照特性的关系

3.4光照、生长速率以及细胞体积与化学元素计量比的影响

第4章 结果讨论

4.1 细胞大小和生长速率的关系的探讨

4.2 生长速率、细胞体积和元素组成

4.3光照对胞内N、P、chla含量的影响

4.4 细胞大小对光能利用效率的影响

4.5生长速率假说和生态学代谢理论关系的探讨

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

附录

致谢