西班牙拉斯帕尔马斯大学（ULPGC）海洋生态生理研究组联合德国GEOMAR亥姆霍兹海洋研究中心与阿尔弗雷德·魏格纳研究所（AWI），于2014年秋季在西班牙大加那利岛外海的贫营养亚热带北大西洋近岸海域布放九个大型中型生态系统（mesocosm），模拟深层富营养水上升流事件并叠加400—1400 μatm的CO₂梯度；研究中使用德国HYDRO-BIOS公司的IWS 4积分采水器（Integrating Water Sampler）对0—13 m水柱进行定深积分采集，单次取水5 L，用于测定微浮游生物（0.7—50.0 μm）的潜在呼吸率、叶绿素a与颗粒蛋白生物量。研究发现，潜在呼吸率与叶绿素a的比值（Φ/chl-a）可作为判断群落自养/异养状态的灵敏指标，且在高CO₂处理中呼吸强度与生物量随pCO₂升高而增加。成果2020年发表于《Frontiers in Marine Science》。
研究背景
海洋吸收了人类排放的约三分之一的CO₂，引起海水碳酸盐化学改变与海洋酸化；与此同时，上升流会把富营养的深层水带到表层，触发浮游植物藻华，改变整个微浮游生物群落的组成与代谢方式。在贫营养的亚热带海区，这两种过程常常同时发生，二者叠加后群落究竟更"自养"还是更"异养"，一直缺乏在受控条件下、跨完整藻华周期的定量刻画。
传统上判断浮游群落是自养主导还是异养主导，多依赖叶绿素a或细胞计数，但这些指标难以反映群落的实际代谢活性。研究者因此转而使用"潜在呼吸率"（Φ，由电子传递系统ETS活性测得）与叶绿素a的比值 Φ/chl-a，把群落的分解代谢能力与浮游植物的合成代谢能力放进同一坐标系中比较。
难点在于采样：要连续追踪一个藻华从发生、爆发到衰退的全过程，必须在不破坏群落结构的前提下反复获取覆盖整个水柱的代表性水样。经典的逐层采水再混合方式不仅耗时，而且每次混合比例难以完全一致，会给长期时间序列引入偏差。
研究过程
实验于2014年秋季在西班牙大加那利岛外海的贫营养亚热带北大西洋近岸海域进行，属于KOSMOS Gran Canaria 2014大型中型生态系统实验。九个大型中型生态系统布放于海上，模拟深层富营养水上升流事件，并设置约400至1400 μatm的梯度CO₂处理（分为Atlantic、High、Intermediate、Low等多组）。
对气体交换敏感的参数——溶解无机碳、无机营养盐、pH等——在第I、III阶段每两天采集一次，第II阶段每天采集一次。研究采用德国HYDRO-BIOS公司的IWS 4积分采水器（IWS，HYDRO-BIOS，Kiel），在每个中型生态系统内对0—13 m水柱进行定深积分采集，单次获得5 L均匀混合水样，并在外围大西洋海水中同步取样作为参照。
实验分为三个阶段：第I阶段为贫营养期（24天），第II阶段为深水加入后的藻华期（11天），第III阶段为营养盐耗尽后的藻华后期（20天），全程55天。微浮游生物（0.7—50.0 μm）的潜在呼吸率与生物量样品每4天采集一次（第I、III阶段）或每2天一次（第II阶段），以避免过度消耗生态系统内的群落。样品经50 μm筛网预过滤后收集于GF/F玻璃纤维滤膜上，液氮冷冻后于−80 ℃保存；潜在呼吸率由ETS活性测定获得，生物量以颗粒蛋白表示，叶绿素a以HPLC测定。
图1 德国HYDRO-BIOS公司IWS 4积分采水器（Integrating Water Sampler），可单次完成定深积分采水，并配手持控制单元
图2 九个中型生态系统的pCO₂时间进程（据Taucher等2017重绘），虚线分隔第I、II、III阶段
实验结果
1. Φ/chl-a 可灵敏区分群落营养类型。 当 Φ/chl-a 低于 2.5 μL O₂ h-1 (μg chl-a)-1 时，群落以光合自养生物为主；介于 2.5—7.0 之间时，为浮游植物、微型浮游动物与异养原核生物的混合群落；高于 7.0 时表明微型浮游动物大量繁殖，超过 10.0 则对应异养甲藻的爆发。
2. 生物量峰值早于叶绿素峰值。 通过对颗粒蛋白生物量B求一阶导数（dB/dt），研究者把一条静态的生物量时间曲线转换为生产力曲线：净生物量增长的最大值出现在叶绿素a峰值前24—48小时，而最大净损失出现在峰值后24小时。
图3 各处理组 Φ/chl-a 随实验阶段的变化（第I阶段贫营养期、第II阶段藻华期、第III阶段藻华后期）
3. 高CO₂下群落呼吸与生物量同步升高。 积分分析显示，第II阶段 Φ 与 pCO₂ 呈正相关（α = 230×10⁻⁵ μL O₂ h-1 L-1 (μatm CO₂)-1 (phase-day)-1，R² = 0.30）；第III阶段 chl-a 与 pCO₂ 亦呈正相关（α = 100×10⁻⁵ μg chl-a L-1 (μatm CO₂)-1 (phase-day)-1，R² = 0.84）。而在上升流发生前的营养限制阶段，未观察到显著变化。
图4 各阶段、各处理组潜在呼吸率、叶绿素a与生物量的积分分析
4. 高CO₂下有害藻爆发并改变群落代谢。 第II阶段末，一种有害藻 Vicicitus globosus 在高pCO₂的中型生态系统中爆发，微型浮游动物未能增殖，叶绿素a在水柱中的滞留时间延长；在这些被 V. globosus 扰动的群落中，Φ/chl-a 为 4.1 ± 1.5，更接近混合群落的特征，而非纯自养群落。
研究结论
研究证明，Φ/chl-a 比值能够捕捉微浮游生物群落中"分解代谢能力"与"浮游植物合成代谢能力"之间的动态平衡：随着实验从藻华走向藻华后期，该比值由低于1.7升至约4.3，最终在异养甲藻群落中达到10。作者据此推测，在CO₂升高背景下，混合营养（mixotrophy）可能在微浮游群落中占据更重要的地位；高CO₂还可能通过改变有害藻的竞争优势，间接重塑整个群落的物质与能量流向。
在这项跨越55天、对九个中型生态系统反复取样的实验中，HYDRO-BIOS IWS 4积分采水器承担了全部水柱混合样品的采集。它的核心价值在于"一次下放、一次成型"：不同于传统反复采水再混合的做法，IWS 4在一次投放中即可获得符合水框架指令等规范要求的定深积分水样，单次容积5 L，覆盖0—13 m水柱。每台IWS 4均配手持控制单元，可通过无线、串口线缆或长距离遥测连接，参数与采样协议保存在内部存储器中，无需重新编程即可重复投放，并支持远程操作与实时监控——正是这类需要高度一致、可重复的连续取样所依赖的工具。
参考文献
Tames-Espinosa, M. T., Martínez, I., Romero-Kutzner, V., Coca, J., Algueró-Muñiz, M., Horn, H. G., Ludwig, A., Taucher, J., Bach, L., Riebesell, U., Packard, T. T., Gómez, M. Metabolic Responses of Subtropical Microplankton After a Simulated Deep-Water Upwelling Event Suggest a Possible Dominance of Mixotrophy Under Increasing CO2 Levels. Frontiers in Marine Science 7, 307 (2020). https://doi.org/10.3389/fmars.2020.00307
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