C-14示踪技术测定海洋初级生产力的相关问题研究

It has been six decades since the extensive application of the C-14 method for estimating the primary productivity of natural planktonic communities. The large database of C-14 measurements that now exists is the ground truth with which satellite algorithms for estimating marine photosynthetic rates and studying their response to carbon cycling and climate change on a basin and global scale have been calibrated. However, disconcerting discrepancies still remain, especially the question of whether and under what circumstances the C-14 method provides an estimate of net or gross primary productivity, or something in between. Our inability to answer these questions reflects in part the fact that our understanding of intracellular carbon flow within algal cells is incomplete. These uncertainties, under most conditions, give rise to errors less than a factor of two in the estimation of plankton production; however, with current requirements for extrapolations to global scales and verification of biological models, such error should be within a factor of 20-50%. Concerning the significant impact of accurate measurements of marine primary productivity on the understanding of global carbon cycling, and the extensive application of this method in our country, we improve the previous batch culture experiment and apply the continuous culture methodology to address the question of what the C-14 method measures and its related issues. The results of the proposed work will enable a much more informed interpretation of historical C-14 measurements and much more accurate measurements of marine primary productivity in the future.

六十多年来，C-14示踪技术被广泛用来测定自然界中浮游植物群落的初级生产力并积累了庞大的数据库，这些数据正在被用来校正卫星遥感计算模式，并在全球尺度上研究海洋初级生产力对全球碳循环以及气候变化的影响。但关于该方法的争议却一直存在，特别是：C-14方法究竟测定净初级生产力、总初级生产力还是中间值？什么因素显著影响该方法的精确度？我们目前仍不能完善地回答这些问题，表明对于浮游植物细胞内部碳流动途径与模式的理解仍不透彻。大多数情况下C-14方法的不确定性会导致两倍以内的误差，但如今全球遥感推断、生物模型校验都需将该误差控制在20～50%内。考虑到精确无误地测定海洋初级生产力对理解全球碳循环至关重要，及C-14方法在国内的广泛应用前景，本课题改进以往的分批培养实验，并将连续培养技术引入解决C-14方法中的争议问题，为更好地理解初级生产力历史数据，及今后更精确地测定海洋初级生产力提供有价值的参考。

六十多年来，C-14示踪技术被广泛用来测定自然界中浮游植物群落的初级生产力并积累了庞大的数据库，这些数据正在被用来校正卫星遥感计算模式，并在全球尺度上研究海洋初级生产力对全球碳循环以及气候变化的影响。但关于该方法的争议却一直存在，特别是：C-14 方法究竟测定净初级生产力、总初级生产力还是中间值？什么因素显著影响该方法的精确度？我们目前仍不能完善地回答这些问题。本项目改进以往的分批培养实验，并将连续培养技术引入解决C-14方法中的争议问题，为更好地理解初级生产力历史数据，及今后更精确地测定海洋初级生产力提供有价值的参考。. 研究结果表明，C-14方法能准确测定以球等鞭金藻Isochrysis galbana为代表的藻类净初级生产力，而高估以凯氏小球藻Chlorella kessleri为代表的藻类净初级生产力。根据优化后的分批培养实验所探测到的藻类究竟是损耗旧碳还是新碳，我们能够利用Ryther提出的“最新呼吸碳的再固定机制”来初步判断C-14方法究竟测定其净初级生产力、总初级生产力抑或中间值。而随后的连续培养实验很好地验证了该假设和判断结果。以硝酸盐为限制因子来控制生长率的连续培养实验还表明，浮游植物生长率及昼夜培养模式等对C-14测定初级生产力结果有显著影响。以上结果表明本项目所设计的利用分批培养与连续培养相结合的方法来解决C-14测初级生产力争议问题是可行的。这也表明，在了解相关海域优势种或藻类群落结构的情况下，可以通过区分藻种的细胞内碳循环模式，来更好地解释C-14示踪技术所测初级生产力结果。而基于Ryther提出的“最新呼吸碳的再固定机制”假设的优化分批培养技术，也可以用于对目标水域进行快速鉴定和分析，来快速判断C-14方法所测结果是净初级生产力、总初级生产力还是中间值。