一种海洋超微型浮游植物固碳量的估算方法

摘要

本发明涉及一种海洋超微型浮游植物固碳量计算的模型方法。包括如下步骤：分别测定采集样品中聚球藻和超微型真核藻类的丰度；分别计算两者的碳生物量和生长速率，分别得到两者采样点的真光层深度，分别计算两者基于水深的变化对表层光强的反应，分别计算两者的初级生产力，得到采样点超微型浮游植物的初级生产力。通过本方法可以计算近海、陆架海、高纬度开阔大洋(纬度高于40度)超微型浮游植物的固碳量，与基于14C原位测定超微型浮游植物初级生产力相比，本方法省时省力，并且可以在较大的研究区域估算超微型浮游植物的初级生产力。而且经验证，利用该方法计算的初级生产力与基于14C测定的超微型浮游植物初级生产力之间具有较好的线性关系，估算可靠性强，为后期实际研究提供理论基础。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋微生物生态技术领域，具体的说是一种基于细胞碳生物量的海洋超微型 浮游植物固碳量计算的模型方法。

背景技术

海洋超微型浮游植物(0.2-2μm)是海洋中数量最多的初级生产者，在全球海洋中广泛 分布，在某些寡营养大洋海区可以贡献初级生产力的80％以上。海洋超微型浮游植物包括原 核(原绿球藻Pro、聚球藻Syn)和真核(真核超微型浮游植物Euk)类群。原绿球藻集中分 布在南北纬40度之间寡营养的大洋海区。聚球藻和真核超微型浮游植物广布在全球海洋中， 并在近岸、陆架海、高纬度开阔大洋海区对初级生产力有重要贡献。

目前对于超微型浮游植物丰度的研究报道较多，利用流式细胞仪可以精确测定样品中原 核(原绿球藻Pro、聚球藻Syn)和真核(真核超微型浮游植物Euk)的丰度，但关于超微型 浮游植物初级生产力的数据较少。原因之一是超微型浮游植物初级生产力的测定方法复杂、 费时费力，且涉及放射性同位素的使用，对研究人员身体伤害较大。如果能够建立一种数学 模型，利用数据较多的超微型浮游植物丰度的数据来估算超微型浮游生物初级生产力，将有 望大大提高我们对超微型浮游植物固碳能力的认识。

1998年，Field等人在《Science》发表论文《Primaryproductionofthebiosphere:integrating terrestrialandoceaniccomponents》，针对整个浮游植物群落做了初级生产了模型的估算，而对 于不同粒级浮游植物初级生产力估算的工作较少。Uitz等人分别在2006年、2008年和2010 年，利用高效液相色谱得到的不同类群特征色素的组成进行分析，得到了对于不同粒级浮游 植物初级生产力的估算模型。但是，因为高效液相色谱无法根据色素特征将真核超微型浮游 植物与其他粒级真核浮游植物区分，该模型对于超微型浮游植物初级生产力的计算存在不足， 低估了超微型浮游植物对初级生产力的贡献。

目前还没有一种方便有效的对于海洋超微型浮游植物固碳量计算的模型方法。

另一方面，由于聚球藻Syn一般都属于远海区域，很难采集到样本，因此，发明估算模 型只针对于原绿球藻Pro和真核超微型浮游植物Euk。

发明内容

根据上述不足之处，本发明提供一种海洋超微型浮游植物固碳量的估算方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案在于：一种海洋超微型浮游植物固碳量的估算方法， 其特征在于：包括如下步骤：

(1)利用流式细胞仪分别测定采集样品中聚球藻Syn的丰度A_Syn和超微型真核藻类Euk的 丰度A_Euk；

(2)分别计算聚球藻Syn和超微型真核藻类Euk的碳生物量，

C_Syn＝A_Syn×CF_Syn×10⁶/10¹²，

其中，C_Syn为聚球藻碳生物量，单位：毫克·C/立方米；A_Syn为聚球藻丰度，单位：细 胞/毫升；CF_Syn为聚球藻平均单细胞碳量，为255飞克·C/细胞；1立方米＝10⁶毫升；1毫克 ＝10¹²飞克；

C_Euk＝A_Euk×CF_Euk×10⁶/10¹²，

其中，C_Euk为超微型真核藻类碳生物量，单位：毫克·C/立方米；A_Euk为超微型真核藻 类丰度，单位：细胞/毫升；CF_Euk为超微型真核藻类平均单细胞碳量，为2590飞克·C/细胞； 1立方米＝10⁶毫升；1毫克＝10¹²飞克；

(3)分别计算聚球藻Syn和超微型真核藻类Euk的生长速率，

Lnμ_Syn＝-0.55/(kT)+21.5，其中μ_Syn为聚球藻生长速率，单位：/天；Ln为自然对数；k为 玻尔兹曼常数，8.62×10^-5eV·K^-1，1eV＝96.49kJ·mol^-1，T为样品采样点的绝对温度，摄 氏温度+273.15；

Lnμ_Euk＝-0.57/(kT)+22.4，其中μEuk为超微型真核藻类生长速率，单位：/天，Ln为自然 对数；k为玻尔兹曼常数，8.62×10^-5eV·K^-1，1eV＝96.49kJ·mol^-1，T为样品采样点的绝对 温度，摄氏温度+273.15；

(4)分别得到聚球藻Syn采样点的真光层深度Zeu_Syn和超微型真核藻类Euk采样点的真光 层深度Zeu_Euk；

(5)分别计算聚球藻Syn和超微型真核藻类Euk固碳量基于水深的变化对表层光强的反应，

h(I₀)_Syn＝0.66125I_0Syn/(I_0Syn+4.1)，其中I_0Syn是聚球藻Syn根据表层表面光合作用有效辐射， I_0Syn，单位molesphotonsm^-2h^-1；

h(I₀)_Euk＝0.66125I_0Euk/(I_0Euk+4.1)，其中I_0Syn是聚球藻Syn根据表层表面光合作用有效辐射， I_0Syn，单位molesphotonsm^-2h^-1；

(6)分别计算聚球藻Syn和超微型真核藻类Euk的初级生产力NPP，

NPP_Syn＝C_Syn×μ_Syn×Zeu_Syn×h(I₀)_Syn；

NPP_Euk＝C_Euk×μ_Euk×Zeu_Euk×h(I₀)_Euk；

(7)将聚球藻Syn的初级生产力NPP_Syn和超微型真核藻类Euk的初级生产力NPP_Euk相加， 得到采样点超微型浮游植物的初级生产力NPP_Pico，NPP_Pico＝NPP_Syn+NPP_Euk。

优选的是：所述步骤(3)中样品采集点的原位温度是实测数据或者根据采样点的时间和 经纬度从NASA卫星对应的遥感数据月平均值获得。

优选的是：所述步骤(3)中聚球藻Syn和超微型真核藻类Euk的生长速率的计算方法 是当叶绿素浓度超过0.5毫克/立方米时，基于稀释试验得到的原位聚球藻和超微型真核藻类 生长速率与绝对温度之间具有良好的线性关系，利用这两个线性关系和原位温度计算聚球藻 Syn和超微型真核藻类Euk的生长速率，所述的原位聚球藻的生长速率与绝对温度之间的线 性关系为y＝-0.55x+21.5，r²＝0.47，n＝123，所述的超微型真核藻类的生长速率与绝对温度之 间的线性关系为y＝-0.57x+22.4，r²＝0.41，n＝113。

优选的是：所述步骤(4)中聚球藻Syn采样点的真光层深度Zeu_Syn和超微型真核藻类 Euk采样点的真光层深度Zeu_Euk是实测数据或利用采样点对应的漫衰减系数k490计算真光层 深度。

优选的是：所述利用采样点对应的漫衰减系数k490计算真光层深度的公式为： Z_eu＝Ln(0.01)/k490。

优选的是：当应用于不同海域的真光层计算时，计算真光层深度的公式中加入统计系数 m，Z_eu＝Ln(0.01)/(m×k490)。

本发明的有益效果在于：通过本方法可以计算近海、陆架海、高纬度开阔大洋(纬度高 于40度)超微型浮游植物的固碳量(初级生产力)，与基于¹⁴C原位测定超微型浮游植物初 级生产力相比，本方法省时省力，并且可以在较大的研究区域估算超微型浮游植物的初级生 产力。而且经验证，利用该方法计算的初级生产力与基于¹⁴C测定的超微型浮游植物初级生 产力之间具有较好的线性关系，估算可靠性强，为后期实际研究提供理论基础。

附图说明

图1是本发明的操作流程图。

图2是本发明聚球藻的生长速率与绝对温度之间的线性关系图。

图3是本发明超微型真核藻类的生长速率与绝对温度之间的线性关系图。

图4是利用本发明模型估算的超微型浮游植物初级生产力与基于¹⁴C测定的超微型浮游 植物初级生产力之间的关系图，采样地点为：南大洋；北大西洋；南海。

具体实施例

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

模型的建立

一种海洋超微型浮游植物固碳量的估算方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)利用流式细胞仪分别测定采集样品中聚球藻Syn的丰度A_Syn和超微型真核藻类Euk 的丰度A_Euk；

(2)分别计算聚球藻Syn和超微型真核藻类Euk的碳生物量，

C_Syn＝A_Syn×CF_Syn×10⁶/10¹²，

其中，C_Syn为聚球藻碳生物量，单位：毫克·C/立方米；A_Syn为聚球藻丰度，单位：细 胞/毫升；CF_Syn为聚球藻平均单细胞碳量，为255飞克·C/细胞；1立方米＝10⁶毫升；1毫克 ＝10¹²飞克；

C_Euk＝A_Euk×CF_Euk×10⁶/10¹²，

其中，C_Euk为超微型真核藻类碳生物量，单位：毫克·C/立方米；A_Euk为超微型真核藻 类丰度，单位：细胞/毫升；CF_Euk为超微型真核藻类平均单细胞碳量，为2590飞克·C/细胞； 1立方米＝10⁶毫升；1毫克＝10¹²飞克；

(3)分别计算聚球藻Syn和超微型真核藻类Euk的生长速率，

Lnμ_Syn＝-0.55/(kT)+21.5，其中μ_Syn为聚球藻生长速率，单位：/天；Ln为自然对数；k为 玻尔兹曼常数，8.62×10^-5eV·K^-1，1eV＝96.49kJ·mol^-1，T为样品采样点的绝对温度，摄 氏温度+273.15；

Lnμ_Euk＝-0.57/(kT)+22.4，其中μEuk为超微型真核藻类生长速率，单位：/天，Ln为自然 对数；k为玻尔兹曼常数，8.62×10^-5eV·K^-1，1eV＝96.49kJ·mol^-1，T为样品采样点的绝对 温度，摄氏温度+273.15；

聚球藻Syn和超微型真核藻类Euk的生长速率的计算方法是当叶绿素浓度超过0.5毫克/ 立方米时，基于稀释试验得到的原位聚球藻和超微型真核藻类生长速率与绝对温度之间具有 良好的线性关系，利用这两个线性关系和原位温度计算聚球藻Syn和超微型真核藻类Euk的 生长速率，所述的原位聚球藻的生长速率与绝对温度之间的线性关系为y＝-0.55x+21.5， r²＝0.47，n＝123，所述的超微型真核藻类的生长速率与绝对温度之间的线性关系为 y＝-0.57x+22.4，r²＝0.41，n＝113。

(4)分别得到聚球藻Syn采样点的真光层深度Zeu_Syn和超微型真核藻类Euk采样点的 真光层深度Zeu_Euk；聚球藻Syn采样点的真光层深度Zeu_Syn和超微型真核藻类Euk采样点的 真光层深度Zeu_Euk是实测数据或利用采样点对应的漫衰减系数k490计算真光层深度。

其中，样品采集点的原位温度是实测数据或者根据采样点的时间和经纬度从NASA卫星 对应的遥感数据月平均值获得。

利用采样点对应的漫衰减系数k490计算真光层深度的公式为：Z_eu＝Ln(0.01)/k490。当应 用于不同海域的真光层计算时，计算真光层深度的公式中加入统计系数m，Z_eu＝Ln(0.01)/(m ×k490)。

(5)分别计算聚球藻Syn和超微型真核藻类Euk固碳量基于水深的变化对表层光强的 反应，

h(I₀)_Syn＝0.66125I_0Syn/(I_0Syn+4.1)，其中I_0Syn是聚球藻Syn根据表层表面光合作用有效辐射， I_0Syn，单位molesphotonsm^-2h^-1；

h(I₀)_Euk＝0.66125I_0Euk/(I_0Euk+4.1)，其中I_0Syn是聚球藻Syn根据表层表面光合作用有效辐射， I_0Syn，单位molesphotonsm^-2h^-1；

(6)分别计算聚球藻Syn和超微型真核藻类Euk的初级生产力NPP，

NPP_Syn＝C_Syn×μ_Syn×Zeu_Syn×h(I₀)_Syn；

NPP_Euk＝C_Euk×μ_Euk×Zeu_Euk×h(I₀)_Euk；

(7)将聚球藻Syn的初级生产力NPP_Syn和超微型真核藻类Euk的初级生产力NPP_Euk相 加，得到采样点超微型浮游植物的初级生产力NPP_Pico，NPP_Pico＝NPP_Syn+NPP_Euk。

实施例1

如图2所示取值，即A_Syn＝1922，A_Euk＝278，T＝4.9839473℃，I₀＝40.77893，Chl＝4.1153 时(T、I₀、Chl根据样品采集时间和地点：2005年3月，东经121.4833°，北纬40.45°， 从NASAAqua/MODIS卫星的2005年3月平均值得到)，模型计算得到聚球藻的初级生产力 为0.81毫克·C/立方米，超微型真核藻类的初级生产力为1.27毫克·C/立方米，超微型浮游 植物初级生产力为2.08毫克·C/立方米。

实施例2：

取值为A_Syn＝5420，A_Euk＝1472，T＝16.34129℃，I₀＝49.78449，Chl＝3.8289时(T、I₀、Chl 根据样品采集时间和地点：2005年6月，东经121.03°，北纬38.70°，从NASAAqua/MODIS 卫星的2005年6月平均值得到)，模型计算得到聚球藻的初级生产力为5.4毫克·C/立方米， 超微型真核藻类的初级生产力为16.6毫克·C/立方米，超微型浮游植物初级生产力为22.0毫 克·C/立方米。

实施例3：

取值为A_Syn＝24593，A_Euk＝2165，T＝22.85763℃，I₀＝33.25993，Chl＝6.72709时(T、I₀、 Chl根据样品采集时间和地点：2005年9月，东经121.07°，北纬40.73°，从NASAAqua/MODIS 卫星的2005年9月平均值得到)，模型计算得到聚球藻的初级生产力为24.2毫克·C/立方米， 超微型真核藻类的初级生产力为24.3毫克·C/立方米，超微型浮游植物初级生产力为48.5毫 克·C/立方米。

实施例4：

取值为A_Syn＝10566，AEuk＝3774，T＝4.824732℃，I₀＝16.64843，Chl＝4.72373时(T、I₀、 Chl根据样品采集时间和地点：2005年12月，东经119.64°，北纬39.90°，从NASAAqua/MODIS 卫星的2005年12月平均值得到)，模型计算得到聚球藻的初级生产力为4.3毫克·C/立方米， 超微型真核藻类的初级生产力为16.7毫克·C/立方米，超微型浮游植物初级生产力为21.0毫 克·C/立方米。