生态学杂志Chinese Journal of Ecology 2003, 22(3) :79~83
海洋浮游动物生物量测定方法概述
左 涛
1, 2**
*
王 荣
1
2
(1中国科学院海洋研究所, 青岛266071;
中国科学院研究生院, 北京100039)
摘 要 浮游动物生物量是海洋生态系研究的重要参数之一。常用生物量的测定方法根据其原理主要可分为4类:生物个体分级数目估算法(Body -sized counting estimation) 、体积法(V olu -metr ic) 、重量法(Gravimetric) , 和生物化学分析法(Biochemical analysis) 。文中介绍了各类常用测定方法, 并对它们的适用性进行了分析。关键词 浮游动物, 生物量, 测定方法
中图分类号:S181 文献标识码:A 文章编号:1000-4890(2003) 03-0079-05Measuring methods of marine zooplankton biom ass. ZU O T ao 1, 2, WAN G Rong 1(1I nstitute of O -2
ceanogr ap hy , Chinese A cademy of Sciences Qingdao 266071, China ; (Gr aduate School of Chinese A cademy of Sciences , Beij ing 100039, China) . Chinese Jour nal of Ecology , 2003, 22(3) :79~83. T he determination o f the zooplankton biomass is the most essential part of the research on mar ine e -colog y. T here are a wide variety of biomass measur ements. A ccording to the principles of these met hods, four ty pes can be classified:body -sized counting est imation, volumetric, g ravimetric, bio -chemical analysis. Furthermore, the advantag es and disadvantages of various methods w er e also dis -cussed.
Key words zooplankton, biomass, measur ing method .
1 引 言
浮游动物生物量(biomass) 是海洋生态系研究中不可缺少的组成部分。在众多的有关浮游动物、
海洋生态系文献中, 都对其进行了不同程度的研究, 这对理解生态系中能量物质的流向有着重要的意义。浮游动物生物量是指单位水体内浮游动物机体所含物质的多少[7], 由于研究者们对于 物质 有着不同的理解, 使用的生物量测定方法、度量单位也各不相同, 因此浮游动物生物量并没有统一的测量标准。浮游动物生物量测定方法很多, 根据测定方法的原理, 大致可分为生物个体分级数目估算法(Body-sized counting estimation) 、体积法(Volumet -ric method) 、重量法(Gravimetric method) 、生物化学分析法(Biochemical method)
[7]
算值。
浮游动物研究中, 生物个体丰度是有别于生物
量的一个重要的定量指标。但若单纯利用生物丰度来衡量生物量, 又具有一定的不合理性。这是因为, 海洋浮游动物的个体大小相差悬殊, 有小于2 m 的原生动物, 也有直径达几米的超大型浮游动物(如某些水母) 。再者, 即使是同一物种, 若处于不同的生活阶段时, 个体的大小也具有相当大的差异, 因此从根本上生物丰度并不能反映 物质 的多少。所以文献中在应用生物丰度这一概念时, 往往都与生物量区别开来。估算法中将采集的样品进行分级, 也就是为了尽可能减少由于个体大小差异过于悬殊造成的估算生物量偏差太大。
生物个体分级数目估算法能够对浮游动物生物量进行粗略的估计, 无需做镜检测量等繁琐的工作。在现场调查中, 应用该法能估算出生物量, 了解生物量的大体分布趋势。3 体积法
浮游动物悬浮于水中, 个体所受的浮力与重力
*国家重点基础研究发展规划资助项目(G19990437) 。**通讯作者
:2002-改回日期:09
四类。
2 生物个体分级数目估算法
所谓分级, 即根据采集的浮游动物个体的大小将之分成几个等级, 计算各级的浮游动物的个体数, 换算成为丰度(abundance, 单位为ind m
-3
) 单
位水体内浮游动物数目, 所得的丰度乘以各相应等(,
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相等, 而生物个体密度可近似认为与生活的水体密度相等, 浮游动物个体近似重量可从个体体积乘以相应的海水密度得到。所以从生物体积(Biovo-l ume, BV) 上能直接反映生物量的大小, 一些体积度量单位, 如ml m -3, mm 3 m -3也在生物量计算中得以采用。体积法主要有沉降求积法(settled volume, SV) 、排水求积法(displacement volume, DV) 、形态求积法(morphological volume estimation) 。另外, 在一些文献中, 也有就生物体形态的某一个或几个参数与体重、含碳量或含氮量的关系建立特殊回归公式后, 再根据这些简化了的参数推算生物量, 如, 体长 体重经验估算法(length -weig ht empirical for -mula estimation) 就是其中应用较多的一种方法。3 1 沉降求积法
将采集固定后的样品静置于带刻度的容器中, 约24h, 待生物体完全沉降下来, 读出所占体积(SV) 。
在各种体积分析法中, SV 法最为简便, 但所得的结果准确性不够。这主要有三方面的因素:首先, 生物个体的排列不很紧密, 个体间隙内水分的充盈、其他附着颗粒的存在使得读数偏高; 其次, 若浮游动物沉降不完全或附肢太长、形状不规则, 也不利于准确读数[7]; 其三, 浮游动物样品固定后, 个体的体积会发生不同程度的皱缩[12]。上述因素的存在使得SV 值与实际生物体积之间存在着不确定的偏差。3 2 排水求积法
该法可采取两种处理过程, 一种是先将样品抽滤, 除尽间隙水分, 再放入已有定量过滤海水的量筒中, 静置, 记录水位上升刻度, 计算前后的差值, 得到的即为生物体的排水体积(DV) 。另一种处理过程是先将样品定容, 抽滤(除尽多余水分) , 得到滤液, 定容液与滤液体积之差也是生物个体的排水量, 该排水量可近似认为是样品的生物体积。
DV 法与SV 法相似, 操作简便, 但它也受上述负面因素的影响, 使结果的准确性降低。
3 3 形态求积法
先测定生物个体形态的几个参数, 再用数学方法求出近似体积。主要有绘图求积法、切片求积法。
3 3 1 绘图求积法 在显微镜下用描图仪画出相应个体的正面、侧面、横截面形态图, 依据适宜的数学计算公式, 测量、计算。如对桡足类进行绘图求积:[1]
为V =4
i=1
n
W i H i D i +d 2l , 其中l 为后体部长
度, d 为后体部宽度, 为前体部宽度, 为前体部厚度, H 为连续截面间高度[1]。
绘图求积法较为简便, 且对样品无任何损害。但若采集的样品数量太多, 且个体大小差别很大, 该法所需工作量倍增, 在实践中具有一定的困难。因此绘图法更为适用于种类少、个体大小较为均一的少量样品。
3 3 2 切片求积法 切片求积法是结合组织学对浮游动物的体积进行估算的一种方法。处理过程是:包埋样品, 连续切片(厚度约为16 m ) , 用描图仪描绘出每个切片的轮廓图, 测出图上的封闭面积, 如此得到各切片面积S 1 S n , 设切片厚度为D , 则总体积(BV) =
i=1
S i D 。
[1]
n
切片求积法能精确地测定任何不规则形体的浮游动物体积。但切片法涉及的步骤繁琐、工作量极大(一个样品至少得切片400余张) , 不适于在野外调查和大样本中应用。但也可利用切片法所得结果, 结合一些易测参数(如体长等) 建立简便的经验体积推导公式来应用。
3 4 体长-体重经验公式估算法
该方法的流程是:首先, 测定足够数量(一般为200个以上) 样品的体长、体重(鲜重或湿重) ; 回归分析、建立可信的回归公式, 目前通用的公式为W =aL b (W 为重量, L 为体长, InW=Ina+bInL) 。这样就可根据已建立的公式, 对其它样品的生物量进行计算。
体长是浮游动物生物个体的重要指标, 它与个体的生长、繁殖以及个体的各种组分都有密切的关系[4~
6, 13]
。大量实验表明, 浮游动物的体长与体重
具有明显的相关性[1, 10, 17]。体长不仅能与体重建立回归关系式, 而且与排水体积、干重、无灰分干重、含碳量、含氮量等均有着较强的相关性, 同样也能建立相应的关系式
[7, 17]
。因此, 体长能对生物量多个
指标进行推算, 是浮游动物生物量研究的重要参数。
在浮游动物形态的各个参数中, 体长也是最易获得的参数。现场调查、采样时, 常常遇到采集个体太小或数量太少, 或样品中包含有其他颗粒物质等问题, 用浮游动物体长估算生物量能避开这些问题, 是最为可行的。另外, 浮游动物的体长在现场调[17]
左 涛等:海洋浮游动物生物量测定方法概述81
品发生皱缩而对生物量测定所带来的某些影响。所以体长经验公式法简便, 特别适合现场调查时, 直接对生物量进行估算。
然而, 必须注意的是, 经验公式的建立具有一定的局限性。体长和体重的关系受各种因素的影响, 不同海区、不同季节、不同种类、同一种类的不同生活阶段都对回归方程的系数产生影响。因此某一经验公式的建立只能适用于特定海区的、一定生活阶段的某个物种的生物量估算, 而且应用之前还需进行适当矫正[3]。尽管如此, 这种方法在众多生物量测定方法中仍较之其他更为便捷、准确, 故而为许多研究者所采用。4 重量法
该类方法对浮游动物个体进行不同处理后称重来确定生物量, 所用的单位为mg m -3, g m -3等。研究者可依据各自的需要, 对浮游动物进行不同的处理, 所得的测量结果可大致分为:活重(live mass, LM ) 、鲜重(fresh mass, FM) 、湿重(w et m ass, WM ) 、干重(dry mass, DM ) 、无灰份干重(ash -free dry mass, AFDM) 4 1 活重
[7]
[2, 3, 6]
都会有不同程度的损失, 湿重结果一般低于其它方法所测得的值。例如, 固定剂对有机质有较强的溶解作用, 固定后的浮游动物有机质的损失程度可达到20%~30%; 生物体积出现不同程度的皱缩, 特别是身体以胶质为主的动物种类, 如毛颚类动物, 这类动物固定后体积皱缩程度至少为原来的20%。当然, 对于固定剂造成的这一影响, 可采取的补救办法是, 先对部分样品固定前后重量变化进行测量, 得到相应的纠正系数, 然后将所得的湿重值乘以该系数, 这样能相对减少结果的偏差。4 4 干重和无灰份干重
测量干重前的预处理过程是先洗净采集样表面的杂物、抽滤、低温保存, 测量时室温解冻、60 烘干或真空冻干, 称重即可。若将干燥样品再置于500 灼烧4h 后, 称取剩余的灰份重量, 将干重减去剩余的灰份重量就可得到无灰分干重。进行干重、无灰分干重测量时, 样品必须是新鲜的。早期研究中, 也有采用贮存于固定剂中的样品进行干重测定, 现已不常用。
干重、无灰份干重是目前测定浮游动物生物量最为流行的方法。其所以能被广泛应用, 是因为样品预处理完全能在现场完成, 而且处理中烘干、灼烧等过程能不同程度地减轻或消除浮游动物身体表面常带有外来颗粒、间隙内海水的负面影响。这两种方法还有一个优点, 就是它和浮游动物的多个参数、指标(如体长、碳和氮含量) 等有很强的相关性[8, 18], 为海洋生态系物质循环分析研究提供了可参照的数据基础。
就干重和无灰份干重两者相比较, 后者结果可能更为准确一些, 特别是测定沿岸海域浮游动物生物量时。因为沿岸浅海区域, 海水内泥沙较多, 拖网采样时容易引起底质颗粒上浮, 以致采集的浮游生物附着很多杂质。测定干重时, 混在样品内的杂质, 不易去除, 造成结果不准确。而无灰分干重等于灼烧前后重量的差值, 不包括含杂质较多的灰份重量, 从而避免了上述因素的干扰, 所以其结果较干重而言更为准确[11]。5 生化分析法
生化分析法是浮游动物生物量测定中的一类新兴方法, 它不仅为浮游动物生物量的测算提供了精确、灵敏的方式, 而且有助于在研究过程中将浮游动[5]
[12]
。
它指的是处于正常生活状态的生物个体的重量。活重最能反映处于生活状态下生物个体实际的物质含量, 是衡量生物量大小的理想指标。但是如
前所述, 浮游动物个体大小变化范围相当大, 相应的个体重量也大不相同, 而且海洋浮游动物又生活于特殊的环境中, 这些问题在实际中都难以解决, 所以基本上无法实现对活重的测定。4 2 鲜重
鲜重即为刚采集, 未固定或做其它处理, 还未变质的新鲜样品重量。浮游动物的采集, 一般都在漂浮的平台或船舶甲板上进行, 在这样的环境下, 一些精密的仪器(如电子天平等) 无法获得稳态, 其工作性能必然较差, 所以采集的样品难以立刻称量, 鲜重的测定也比较困难。4 3 湿重
一般是将样品固定(甲醛或冻干固定) 后, 所称得的生物个体重量称为湿重。它是早期用得最多的生物量指标。湿重法具有较强的可操作性, 可完全在实验室中进行, 因此该法在较长时期内被广泛应用。我国浮游动物研究中生物量的测定绝大多数采
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联系起来, 对生态系进行整体研究。生化分析包括对个体的化学组成、能量、酶活性等分析。在此需要强调的是, 生化分析涉及微量分析, 任何杂质或其他因素的干扰都会直接影响结果的准确度, 因而分析对象必须为新鲜样品。
生化分析又可分为元素分析法(Elements ana-l ysis) , 主要是对C 、N 、P 含量的测定; 化合物分析法(Organic components analysis) , 则是对三大基本物质, 即蛋白质、脂类、碳水化合物的组成含量分析; 能量分析(Energ y content analysis) , 如能量储存单位ATP(Adenosine triphosphate, 三磷酸腺苷) 的含量分析[7]。5 1 元素分析
样品的预处理与测定干重的预处理方法相同, 预处理后的样品置于砖门的元素分析仪内进行分析。在对C 、N 、P 的含量分析中, 最能代表机体生物量的元素是C, 因为C 是机体三大基础物质的主要构成元素, 且在各物质中所占比例较为稳定。N 主要是蛋白质的构成元素, P 主要代表脂类物质的含量。一般来说, 浮游动物干重中包含约40%有机C, 约10%的N 和H , 而有机P 则大多低于1%[15, 16]。5 2 化合物分析
对化合物进行定量分析涉及复杂的物理、化学过程, 研究者可根据研究对象相应的特性采取相应的方法。可采用专门的分析仪器, 如高效液相色谱仪进行三类基本化合物定量分析, 也可通过测定C 、N 、P 含量及比例关系来推算化合物的组成及含量。C N 是机体组织蛋白质和脂肪含量的指标。相近的物种种类机体成分的C N 是稳定的, 变化幅度很小, 如日本内陆海桡足类C N 在3 9左右, 糠虾类为3 7, 毛颚类约为3 8, 而这些系数与温带、亚热带相应的浮游动物C N 值基本相同[17]。5 3 能量分析法
能量分析对于生物量的测定而言, 是一种间接的方法, 它是根据能量与物质的转换系数来对生物量进行测算。对能量的分析方法大致有, 化合物间接测能法, 热容量测定法, 耗氧量测定法。
化合物间接测能法是在元素分析、化合物分析的基础上, 利用物质完全氧化释放能量系数来确定所含能量的多少。一般来说, 1mg 水生生物无灰分重量的能量系数介于21 8~25 1J mg -1[14]
[9]
化、分布的地域等都有密切的关系, 因此能量系数的测定带有很多不定因素。
热容量法、耗氧量的分析等涉及严格的实验条件, 尚未应用于生物量的实际测定中。
能量的测定方法中, 测定ATP 的多少是一个很好的途径。ATP 能灵敏地反映生物体细胞的生活状态, 估算生物量的多少。但AT P 作为能量物质, 只存在于生活细胞中, 生物体中还包含许多不包含AT P 的成分如外骨骼、脂肪细胞, 而它们也同样是生物量的组成部分, 因此如何解决这个问题也是该方法能否进一步推广应用的关键所在
[7]
。
由于相关的实验方法、手段有待于进一步完善, 目前能量分析法并未有效地应用于生物量的测定中, 但它为生物量的测定方法的研究提供了新的思路和导向。
虽然上述生物量的测定方法各不相同, 然而各类方法所得到的结果并不是毫无关系。无水体积、体长、干重、无灰分干重、C 、N 、能量等相互之间具有一定的回归相关性, 对其中一种参数定量后, 在有效的范围内可推算出其他参数, 有着由此及彼的连环推导的效果。因此研究者们可以根据自己的需要和实验条件, 选择其中一种或几种适宜的方法, 同时实现对生物量和多项相关参数的测定, 取得事半功倍的效果。
当然, 浮游动物生物量的测定方法并不仅限本文所述。随着现代生物技术的日新月异, 相应的研究方法也在不断发展。生物细胞死亡率检测、酶活性分析法等现代细胞学、分子技术也逐渐开始应用于测定浮游动物生物量。现代自动化仪器, 如浮游生物光学计数器(Optical Plankton Counter, OPC) 等在浮游生物研究中的应用, 使得浮游生物学家有希望摆脱繁琐的计数工作, 也为浮游动物生物量测定提供了更为便利、客观的研究手段。
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作者简介:左 涛, 女, 1976年生, 在读博士研究生, 主要从事海洋浮游动物学研究。责任编辑:李凤芹
致读者 作者
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