基于形态的功能群与光合性能的关联：光化学效率作为热带城市池塘的监测工具

《Hydrobiologia》：Linking morphology-based functional groups to photosynthetic performance: photochemical efficiency as a monitoring tool in tropical urban ponds

　　

浮游植物光系统II有效量子产额（Fv’/Fm’）是水生生态系统健康的敏感指标，但在热带淡水中仍未得到充分利用。研究人员在15个月期间，在一个超富营养热带城市池塘中评估了Fv’/Fm’的昼夜和季节变化及其与基于形态的功能群（Morphology-Based Functional Groups, MBFGs）的关系。每天五次记录Fv’/Fm’（无需暗适应）和湖泊学参数的原位测量，同时进行浮游植物群落采样。在整个研究期间，Fv’/Fm’值持续偏低，表明存在慢性生理胁迫。线性混合效应模型和冗余分析确定电导率和光合有效辐射（Photosynthetically Active Radiation, PAR）是生理效率的主要负向驱动因子，也是群落结构的主要决定因素。季节性水文变化而非短期昼夜变化主导了群落动态。小型生物（Group I）在高PAR条件下主导旱季，而大型水华蓝藻（Groups VII/VIII）和鞭毛藻（Group V）则在电导率升高的驱动下主导雨季。这些发现确立了主动荧光作为热带淡水一种稳健、实时监测工具的地位，表明慢性环境胁迫因子，特别是电导率，在塑造浮游植物群落的生理极限和功能结构方面超过了传统因子。

**论文解读：基于形态功能群与光合性能的关联——热带城市池塘中光化学效率的监测应用**

浮游植物在能量传递中扮演核心角色，对环境波动响应迅速，已被广泛用于环境监测。光合效率，尤其是光系统II（Photosystem II, PSII）的光化学效率，能反映浮游植物的生理状态和群落健康。最大量子产额（Fv/Fm）和有效量子产额（Fv’/Fm’）是常用的量化指标，其中Fv’/Fm’可在环境光下直接测量，无需暗适应。然而，此类研究以往多集中于海洋和温带地区，热带淡水系统中应用有限。本研究针对这一空白，在巴西东南部维多利亚市一个超富营养热带城市池塘中，开展了长达15个月的监测，旨在评估Fv’/Fm’的昼夜与季节变化，检验其作为实时监测指标的敏感性与可靠性，并分析环境变量和浮游植物群落形态功能结构对光化学效率的影响。

研究人员于2023年4月至2024年6月，在巴西圣埃斯皮里图联邦大学校园内一个人工热带城市池塘（面积约1.4公顷，平均深度1.0米）进行采样。每月连续5天，每天按太阳周期进行5次采样（S1至S5），共获得25个日间观测值。原位测量了Fv’/Fm’（使用AquaFlash便携式调制荧光仪，无暗适应）以及溶解氧（DO）、pH、氧化还原电位（ORP）、水温（WT）、盐度、电导率、浊度、叶绿素a（Chl-a）、藻红蛋白（PE）和光合有效辐射（PAR）。浮游植物定量样品用Lugol溶液固定，采用Uterm?hl倒置显微镜计数，基于几何形状估算生物体积，并按Kruk等提出的基于形态的功能群（MBFG）框架将物种划分为8个功能群。统计方法包括线性混合效应模型（LMM）、冗余分析（RDA）、Mann-Whitney U检验和基于AICc的模型选择。样本队列来自1月（雨季）和6月（旱季）的密集采样。

**结果**

**非生物变量**：通过描述统计和Mann-Whitney U检验发现，雨季电导率、Chl-a和PE显著升高。Fv’/Fm’在整个研究期间处于极低水平（0.01–0.11），且旱季显著低于雨季（P<0.001），表明浮游植物群落长期处于慢性生理胁迫状态。

**浮游植物群落**：共鉴定61个分类单元，其中绿藻纲和蓝藻纲是持续存在的优势类群。总生物体积波动显著，最低值出现在2023年4月（71.97×10⁶ μm³ ml^-1），最高值出现在2024年6月（398.51×10⁶ μm³ ml^-1）。多样性和均匀度无明确的季节规律。功能群组成呈现明显的季节性演替：Group I（高表面积/体积比的小型生物）在旱季占绝对优势，在2024年5月贡献达89.0%；Group VII（大型黏液性群体）在雨季初期成为优势群，2023年11月和12月分别占71.9%和79.3%；Group VIII（固氮蓝藻）在2024年2月雨季占71.6%。

**浮游植物与环境变量的关系**：冗余分析（RDA）前两轴解释了约束方差的94.61%。雨季样本与电导率显著正相关，旱季样本则与溶解氧和PAR显著相关。Group V（单细胞鞭毛藻）、Group VII和Group VIII与雨季关联，Group IV（小型非鞭毛生物）与旱季关联。不同日间采样时刻（S1–S5）在排序图中重叠，说明昼夜变化对群落结构影响微弱，而季节性驱动因子占主导。

**浮游植物PSII光化学效率**：线性混合效应模型结果显示，电导率是Fv’/Fm’的最强负向预测因子（β=-0.0283，P<0.001），ORP（β=0.007，P=0.003）和pH（β=0.013，P=0.011）为显著正向预测因子，PAR为负向预测因子（β=-0.005，P=0.027）。模型的条件R2为68.0%，边际R2为20.2%，表明环境参数和季节时间因素共同影响光化学效率。

**讨论与结论**

讨论部分指出，尽管PAR通常被视为光合效率的主要驱动因子，但本研究中电导率的作用更为突出，可能反映了离子胁迫对光合机构的直接损害。在超富营养条件下，表层浮游植物持续暴露于高光强，导致严重的光抑制，这与低Fv’/Fm’值相符。鞭毛藻（Group V）在雨季高电导率、低光的条件下，借助运动能力获得竞争优势。pH的正向关系与光合作用消耗CO₂导致的碱性环境一致，而ORP的正向关系则表明氧化性条件有利于光合电子传递。RDA与LMM结果共同确认了电导率和PAR是群落结构和生理功能的核心驱动因子，且长期季节性胁迫压倒了短期昼夜波动的影响。

研究结论翻译如下：本研究表明，有效量子产额（Fv’/Fm’）是热带淡水环境生态监测中稳健且敏感的指标，特别强调了电导率是生理抑制的主要驱动因子，可超越光照等传统因子。通过整合基于形态的功能群（MBFG）框架，研究人员揭示，虽然特化类群如Group V以及形成水华的Group VII和Group VIII随季节性水文变化强烈波动，但Group I的高表面积与体积比提供了生态系统光合能力的一致功能锚点。至关重要的是，在这个超富营养热带系统中，不同昼夜采样时间下持续较低的Fv’/Fm’的稳定性证实，该指标反映的是长期慢性环境胁迫而非短暂日变化。这确立了主动荧光作为检测生理限制并指导高影响热带淡水生态系统管理的可靠早期预警工具。