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　　研究人员重新审视了水运动在测量藻类生长和光合速率中的关键重要性，解决了传统静态培养方法的一个显著局限性。本文提出了一个动态测量方法的综合框架，该框架能更好地模拟大型藻类和其他底栖自养生物所经历的自然水动力条件。研究人员考虑了藻类周围扩散边界层（DBL）对气体和

　　研究人员重新审视了水运动在测量藻类生长和光合速率中的关键重要性，解决了传统静态培养方法的一个显著局限性。本文提出了一个动态测量方法的综合框架，该框架能更好地模拟大型藻类和其他底栖自养生物所经历的自然水动力条件。研究人员考虑了藻类周围扩散边界层（DBL）对气体和营养物质跨细胞膜通量的屏障效应，并整合了研究结果，表明通过扩散边界层的营养盐、无机碳和O

　　的流动增强传质可以提高大型藻类（包括测试的马尾藻属（Sargassum）、紫菜属（Porphyra）和巨藻属（Macrocystis）物种）的光合性能。研究人员提供了定量比较，表明与静止条件相比，增加水流速度可以增强光合作用和/或营养盐吸收速率。对比分析凸显了流动水系统在减少扩散限制和更好地模拟自然环境方面的优势，相较于静态方法的技术简单性。研究人员详细介绍了实用方法学，包括用于大型藻类的流通式系统设置和带磁力搅拌的密封室技术，以及用于底栖硅藻的刷式基质。这些方法能够实现昼夜生理追踪，并揭示对增加水流速度的饱和响应。该方法学框架为研究人员在实验和应用领域（如水产养殖、碳封存和生态监测）更准确地评估藻类光合作用和初级生产力提供了可靠的方案。

　　藻类及其他水生植物在海洋和淡水生态系统的初级生产和全球碳循环中扮演关键角色。准确测量其生长和光合作用速率是理解水生生态过程、评估生态系统生产力以及预测水生系统对环境变化响应的基础。传统上，大多数生长和光合作用测量是在静态封闭系统或封闭系统中进行的，通常使用大型个体的一部分，如打孔圆盘或大型藻类的“叶片”或分支。然而，自然水生环境大多处于流动或混合状态，这与静态封闭条件显著不同。此外，大型藻类的不同部位具有不同的光合特性，这进一步增加了准确测量整个大型藻类个体光合性能的复杂性。

　　早期对大型藻类巨藻属（Macrocystis）、马尾藻属（Sargassum）和紫菜属（Porphyra）的研究表明，水流速度通过搅拌或循环封闭系统中的水流，或通过流通式系统，影响其光合作用和营养盐吸收速率。另一种大型藻类刚毛藻属（Cladophora sp.）的生长因流动水而增强。此外，增强的水流处理导致更高的底栖物种密度和丰富度。这些发现表明，这些植物的光合速率和生长随水流速率的增加而增加，直至达到饱和。水运动作为海洋大型藻类生产的关键决定因素的作用已被Hurd全面综述，但不同测量方法之间的系统性方法学比较仍然缺乏。虽然水生植物的光合作用可以用封闭系统或流通式系统测量，但它们的优缺点尚未被系统分析。研究表明，在饱和光照水平下，流动条件导致石莼（Ulva lactuca）的光合速率增强约41%，而水运动增加5倍提高了溶解无机碳（DIC）吸收效率。最近，研究表明，与静态条件相比，在流速为3和9 cm s-1时，鼠尾藻（Sargassum thunbergii）的生产力显著增加。这些工作证明了在流动水中测量大型藻类生长和光合作用的独特优势。

　　尽管扩散边界层（DBL）和水流在调节藻类光合作用中的重要性已被认识数十年，但在藻类研究中并未得到足够重视。有许多报告显示，由于忽略扩散边界层或通气速率而导致的非可视化选择性偏差，引起了有争议的结果。因此，迫切需要一种系统比较不同测量方法并附有定量数据的综合方法学综述。本综述通过以下方式解决这一问题：(1) 首次对流通式系统、带磁力搅拌的密封室和静态培养方法进行系统定量比较；(2) 将来自多项研究的分散定量数据整合到一个统一框架中；(3) 提出适用于不同藻类群的标准方案。本综述为研究人员选择适当的测量方法提供了基于证据的指导，并指出了值得未来研究的知识空白。此外，本文比较了在流动水体与静止水体中测量的优缺点，从而为未来的研究活动提供理论和方法学基础。

　　影响藻类生长和光合作用的一个关键因素是来自周围环境的营养盐和无机碳（如CO2和HCO3-）的供应。在水生环境中，植物或细胞表面存在一个扩散边界层（DBL）。该层作为营养盐和CO2扩散的屏障，限制了藻类和其他海洋自养生物（包括海草）的摄取。由于CO2和O2在海水中扩散比在空气中慢得多（约9000倍），藻类表面的DBL在静水中相对较厚，容易导致营养盐和CO2限制以及高O2诱导的光呼吸，从而抑制水生藻类的生长和光合作用。因此，虽然DBL厚度主要由大型藻类形态和水流速度决定，但高流速的水流，包括波浪和洋流，也可能通过诱导过度的拖曳力导致组织断裂、变形和从基质上脱落，从而对大型藻类造成物理损伤。

　　在流动海水中，水流产生的剪切力能有效减少藻体或细胞周围的DBL厚度。这种DBL厚度的减少显著增强了营养盐和CO2从主体水向藻类表面的扩散速率，确保这些基本物质对藻类生理活动的充足供应。大型藻类和浮游植物的生长和光合作用可能受自然海水中CO2的限制，尤其是在种群密度高且水运动缓慢的情况下。这进一步证实，增强的水流可以通过促进CO2供应来缓解碳限制。对于马尾藻属（Sargassum）和紫菜属（Pyronia spp.）等大型藻类，这种增强的物质交换是它们在流动海水中生长和光合作用更快的主要原因。

　　扩散边界层（DBL）的厚度与水流速度呈负相关。当水流过大型藻类、底栖生物或像石头这样的固体物时，由于摩擦阻力，流速向它们表面方向减小，并在表面处接近零。因此，表面上方存在速度边界层（VBL），影响底栖自养生物上方的DBL。DBL与VBL厚度的比值是一个常数系数，即施密特数（Schmidt number, Sc），通常描述为Sc = ν/D（ν = 运动粘度，D = 流体中溶质的分子扩散系数）。应注意，Sc值随盐度和温度水平以及不同分子而异。海水较高的Sc意味着在相同温度水平下，气体/营养盐的分子扩散在海洋中比在湖泊/河流中更慢。这对于海洋浮游植物和大型藻类更慢的扩散性营养盐吸收很重要。围绕生物体或沉积物-水界面的边界层内的分子传输在海洋环境中受到更多约束。因此，对特定分子扩散的流速比较应在相同的物理化学条件下进行，否则应进行相应校准。然而，可以简化为更快的海水流速导致更薄的DBL，这可以通过使用染料可视化。因此，藻类代谢过程中的离子或气体交换可能受水流速度影响。测试的带有共生微藻的珊瑚的光合速率在流动水中比在静水中快2-3倍。绿色大型藻类石莼属（Ulva sp.）随着水流速度增加，特别是在有波浪涌浪的情况下，生长更快。这些现象是由流动或混合条件下分子或离子交换的促进引起的。

　　阳光对藻类光合作用和生长至关重要。在自然水生环境中，光强和光谱组成除了随水透明度变化外，还在时间和空间上动态变化。水流和混合可以改变藻类受到的光照，从而调节其光合效率。对于浮游植物，混合引起水体扰动，影响其上下运动。这种运动改变了它们暴露在太阳辐射下的持续时间和强度，也影响了浮游植物细胞周围的DBL。适度的混合可以帮助浮游植物避免长时间暴露在高的光合有效辐射（PAR）或紫外辐射（UVR）下，从而减轻UV或高PAR诱导的光损伤。一项对南海沿岸浮游植物群落的研究表明，在静止条件下，太阳UVR抑制了浮游植物的光合作用，但在快速混合条件下则刺激了光合作用。这是因为适度的混合允许浮游植物在高光和低光或弱光环境之间交替，为修复由UVR或高PAR诱导的光合装置光损伤提供了足够的时间，从而增强了光合固碳。大约半个世纪前就已证明，浮游植物光合固碳在适度模拟混合条件下高于静态和快速混合条件。这种混合对浮游植物的调节效应主要可归因于太阳暴露模式的改变，因为在搅动的水中，像浮游植物这样的小细胞的DBL可以忽略。

　　对于大型藻类或其他底栖自养生物，如上所述，在流动海水中生长使它们能够比在静态条件下更快地光合作用和生长，这主要是由于白天营养盐和CO2的传输和随后摄取增强。然而，水动力学的这种效应在不同光照、温度和营养盐水平下会有所不同，因为它们的调节效率会影响大型藻体周围的DBL厚度。

　　尽管水流通常促进藻类光合作用，但这种促进作用并非无限。测试的大型藻类的光饱和光合作用或生长随流速增加而增加，但在3-9 cm s-1的流速下趋于饱和。对于裂叶马尾藻（Sargassum siliquastrum）冠层，总光合速率随水流速度增加而增加，但在受控水槽条件下，超过9 cm s-1后开始下降。这种饱和效应可能与藻类的最大营养盐吸收速率和光合能力有关。当流速达到一定阈值时，营养盐和CO2的供应已满足藻类的最大需求，进一步增加流速不会显著提高光合速率。也就是说，水流可以通过减轻DBL的传质限制，在低到中等速度下影响底栖藻类的净初级生产力。然而，藻类形态的可塑性以及这些形态类型与流的相互作用可能代表了在最大化光合同化和降低藻体对水动力引起的机械损伤和/或脱落易感性之间的权衡。潮间带大型藻类皱波角叉菜（Chondrus crispus）的形态受水动力影响，在水运动较强的区域更呈扁平状。生长在水运动最大和最小区域的掌状海带（Laminaria digitata）种群表现出最低的生长速率，表明水运动或水动力强迫的增强和抑制效应是速度依赖性的。

　　水流应被视为与光和营养盐等同的基本因素，用于确定海洋底栖自养生物的光合速率。此外，在流通式系统中用新鲜海水培养大型藻类，可以进行从日出到日落的昼夜生理性能观察，这有助于更好地理解它们在变化的流速水平和/或不同环境情景下对自然光变化的动态响应。总结了在流动水中测量底栖自养生物生长、光合作用或其他生理参数的基本方法。

　　测量大型藻类光合作用的基本方法先前已发表，为相关测量提供了基础框架。在此，研究人员重新审视了已报道的方法，并试图对其进行优化，用于在流动海水条件下测量大型藻类的光合作用和/或营养盐吸收。除了流通式系统，配备磁力搅拌器的密封室也可用于产生水运动并减少DBL厚度。关键步骤如下：

　　(1) 样品准备：选择健康且均匀的大型藻类藻体或其它底栖自养生物，用过滤海水冲洗以去除表面附着物。虽然出于逻辑原因可以使用部分大型藻类植物，但建议使用完整个体，因为大型藻类的不同部位表现出不同的光合活性。

　　(2) 流通式系统设置：使用由蠕动泵、反应室、流量计和氧电极组成的流通式或循环流系统来设置系统。反应室由透明材料制成，以确保充足的光穿透。蠕动泵用于控制海水流速，并安装流量计以实时监测实际流速。这里，将反应室命名为同化管（AT），其直径和长度可根据实验需求改变。管内的水流速度可根据流速和直径估算。应注意，同化管体积越大，海水周转率越慢。在使用循环流系统的情况下，水不更新，因此营养盐、CO2和溶解无机碳（DIC）减少，而溶解氧（DO）随时间增加。

　　(3) 带磁力搅拌的密封室：作为流通式系统的替代方案，光合测量可在配备磁力搅拌器的密封室中进行，该搅拌器产生内部水循环并减少DBL厚度。与流通式系统相比，该方法具有若干优点，包括更简单的设备设置和封闭系统，在测量期间具有良好的信号积分。密封搅拌室方法特别适用于光合作用或呼吸的短期测量。然而，一个关键限制是藻类样品通常需要破碎以适合腔室，这种物理损伤可能会降低光合活性，难以反映完整个体的光合能力。当封闭系统中的水被混合时，对于不超过数小时的培养，流通式系统和封闭系统给出相似的结果。然而，随着培养时间延长或生物量负荷高，封闭系统中的生产力会因营养盐/DIC耗尽或氧气积累而降低。因此，密封搅拌室方法更适用于短期测量，而流通式系统更适合长期、昼夜或近自然条件的测量。因此，这两种方法应被视为互补而非互斥。直接对同一藻类样品在流通式系统和密封搅拌室之间进行配对比较仍很罕见，值得未来研究。

　　(4) 测量过程：在维持已知量的大型藻类或其他底栖自养生物于管中，并让过滤海水以恒定流速连续流过反应室的同时，使用相同的氧传感器监测入口和出口侧的溶解氧（DO），以便利用DO的变化估算光合O2释放速率。入口和出口之间DIC的变化也可用于估算从水中去除的光合碳量。

　　(5) 昼夜观测：为实现大型藻类生理性能的昼夜观测，可将流通式系统置于自然阳光下。从日出到日落，以固定时间间隔测量上述光合O2释放或无机碳去除速率。出口DO测量的初始点需要10到20分钟，因为海水的周转率取决于容纳藻体的管子大小。生长速率可以通过在几天时间跨度内测量大型藻类的鲜重或干重来计算，具体取决于可测量的生物量增加。

　　(6) 光合速率的计算：对于流通式系统，净光合速率（Pn）可估算为Pn = (Cout- Cin) × f / w，其中Pn以μmol O2g(W)-1h-1表示，w是管中样品的鲜重或干重，f是流速（升/分钟）。对于循环流系统，表观光合O2释放或DIC去除可估算为 Pn′ = (C1- C2)/(T2- T1)/w，其中C1在T1和C2在T2代表DIC或DO水平随时间的变化。这里，循环系统的总体积通常未知，需要通过两次测量同一样品来估算：V = V0× r1/ (r2- r1)，其中V0是第一次测量后加入系统的已知体积，r1是添加V0前DIC（或DO）浓度随时间变化的斜率，r2是添加已知体积后的斜率。然后，净光合速率可计算为Pn = (C0- Ct) × Vt/ (t × w)。

　　(7) 底栖硅藻的测量：底栖硅藻附着在基质表面，其生长和光合作用与上覆水的流动条件密切相关。研究人员构思了一种测量底栖硅藻光合作用和/或生长的方法：通过使它们脱离并重新附着和生长在刷毛上，让它们附着在刷子的刷毛上，然后将刷子视为上述大型藻类的一个个体。这种方法简化了测量过程，同时模拟了底栖硅藻的自然附着环境。然而，其有效性需要测试。

　　自然水生环境大多是流动或混合的，在流动海水中测量藻类生长和光合作用可以更好地模拟藻类的自然栖息地条件。与静水测量相比，这种方法可以避免或最小化“瓶效应”，该效应会导致营养盐浓度、pH、pCO2和DO的不可忽略的变化，从而影响藻类生理活动。

　　通过海水流通式系统，可以实现在近岸或海洋站对藻类进行长期连续观测和昼夜动态监测。对于大型藻类，这可以研究昼夜光周期内生理性能的变化，有助于全面理解藻类在波动光照和温度条件下对环境驱动因子的动态适应机制。

　　本研究建立的方法适用于不同的藻类群，包括大型藻类以及底栖硅藻和海草。通过调整实验装置，可以满足不同藻类类型的测量要求。例如，针对底栖硅藻的刷子方法和针对浮游植物的透析袋方法，是基于大型藻类测量方法的创新改进，扩展了流动水测量技术的应用范围。

　　流动水体包括两种动态系统：(1) 流通式系统，海水不断更新；(2) 循环流系统，固定体积的海水在封闭回路中循环。这些类型的优缺点如下：

　　优点：(1) 高生态相关性：实验条件接近自然环境，避免瓶效应，确保测量结果的线) 能够研究动态响应：可以模拟自然水体中环境因素的动态变化，揭示藻类的动态适应机制。(3) 广泛适用性：该方法适用于多种藻类群，包括大型藻类、浮游植物和底栖硅藻。(4) 促进物质交换：增强营养盐和CO2的供应，避免营养盐限制，更准确地反映藻类在自然条件下的最大光合能力。

　　缺点：(1) 实验设置复杂：流通式系统需要精确控制流速，且需要相对更先进的仪器，如灵敏的氧电极。(2) 操作困难：实验过程中需要确保流动系统的稳定性，防止泄漏，并定期校准仪器，增加了操作难度和实验人员的工作量。(3) 技术要求高：对于底栖硅藻的测量，需要特殊方法，并且应进行预测试以确认其适用性。(4) 虽然该流通式系统可在室外或室内使用，但应考虑水流的模式。

　　作为流通式系统的替代方案，光合测量可在配备磁力搅拌器的密封室中进行。与流通式系统相比，该方法具有若干优点，包括更简单的设备设置和封闭系统，在测量期间具有良好的信号积分。然而，这种方法有显著的缺点：(1) 大型藻类个体的藻体需要破碎以适合腔室。如果不破碎或打孔，可能导致藻体缠绕；如果破碎或打孔，由于伤口引起的损伤和/或不同部位不同的光合活性，破碎的藻体圆盘或部分很难反映完整个体的光合能力。(2) 在封闭系统中，营养盐/DIC耗竭和O2积累会在长时间培养或高藻类生物量与水体积比下抑制光合生产力。

　　优点：(1) 实验设置简单：仅需要培养箱和试管等基本设备，实验成本低，易于推广。(2) 操作简便：实验过程简单，参数易于控制。(3) 便于单因素控制。(4) 实验条件稳定：静止水系统相对封闭，通过控制生物量密度，环境参数可以在一定范围内保持相对稳定。

　　缺点：(1) 生态相关性低：封闭环境与自然流动水环境差异很大，瓶效应明显，可能导致结果偏差。(2) 无法模拟动态环境变化：无法反映自然环境中流速、光照等因素的动态变化，测量结果可能无法真实反映藻类在自然环境中的生理状态。(3) 营养盐限制：静止水中藻类表面DBL较厚，导致营养盐和CO2供应不足，可能低估藻类的光合能力，尽管摇动可以在一定程度上减少DBL的影响。(4) 适用性有限：难以模拟大型藻类和底栖硅藻的生长环境。

　　在流通式海水系统中测量大型藻类生长和光合作用具有重要的理论和实践意义。其依据是水流对物质交换的促进、对光利用的调节以及流速对光合作用的饱和效应。然而，应注意以下注意事项：

　　(1) 同化管（或反应容器）的材料类型会影响太阳光照射；只有石英管允许太阳辐照的全光谱穿透。

　　(3) 可以通过改变管径和流速来实现不同的水流速度，但需要确保入口和出口水之间的DO或DIC差异足够大，以评估光合或呼吸速率。