利用特征色素研究長江口海域浮游植物對營養(yǎng)鹽加富的響應(yīng)

賴俊翔, 俞志明, 宋秀賢, 韓笑天, 曹西華, 袁涌銓

(1. 中國科學(xué)院 海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院 研究生院,北京 100049)

利用特征色素研究長江口海域浮游植物對營養(yǎng)鹽加富的響應(yīng)

賴俊翔1,2, 俞志明1, 宋秀賢1, 韓笑天1, 曹西華1, 袁涌銓1

(1. 中國科學(xué)院 海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院 研究生院,北京 100049)

于2009年5月和11月, 在長江口鄰近海域通過現(xiàn)場營養(yǎng)鹽加富實驗, 研究了浮游植物對營養(yǎng)鹽添加的響應(yīng)。應(yīng)用高效液相色譜技術(shù)分析培養(yǎng)樣品中的特征色素組成, 通過CHEMTAX軟件估算了硅藻、甲藻、隱藻、定鞭藻、金藻、綠藻、青綠藻和藍(lán)藻 8個浮游植物類群對葉綠素 a生物量的貢獻(xiàn)(μg/L)。加富實驗結(jié)果顯示： 不同海區(qū)或同一海區(qū)不同季節(jié)的浮游植物生長對營養(yǎng)鹽響應(yīng)不盡相同, 這與培養(yǎng)實驗水樣采集時浮游植物所處的 N、P限制狀態(tài)有著密切的關(guān)系。營養(yǎng)鹽的加富不僅能夠促進(jìn)浮游植物生物量的增加, 也可能引起浮游植物的群落結(jié)構(gòu)的變化。不同浮游植物類群對營養(yǎng)鹽添加的敏感性不同, 培養(yǎng)實驗開始后營養(yǎng)鹽的輸入使得硅藻在競爭中取得了優(yōu)勢, 硅藻所占比重明顯上升;但隨著培養(yǎng)的進(jìn)行, 營養(yǎng)鹽逐漸消耗, 一些在低營養(yǎng)條件下競爭能力強(qiáng)的浮游植物類群比如甲藻、藍(lán)藻、隱藻等對生物量的貢獻(xiàn)逐漸上升; 同時, 培養(yǎng)海水中初始浮游植物群落組成對營養(yǎng)鹽加富后群落結(jié)構(gòu)的變化有著重要的影響。

光合色素; 浮游植物; 營養(yǎng)鹽加富; 長江口

浮游植物的生長受到多種環(huán)境因素的影響比如鹽度、溫度、光照、營養(yǎng)鹽等, 其中營養(yǎng)鹽主要是N、P營養(yǎng)元素是控制浮游植物生長最重要的環(huán)境因子之一, 它和人類活動有著密切的關(guān)系。近年來, 隨著長江流域社會、經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展將大量營養(yǎng)物質(zhì)從陸地帶入長江口海域, 使得長江口及鄰近海域營養(yǎng)鹽濃度不斷升高、營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)發(fā)生變化, 長江口海域富營養(yǎng)化程度和范圍也在逐年加重和擴(kuò)大[1]。長江口海域富營養(yǎng)化在導(dǎo)致浮游植物生物量大幅升高、藻華災(zāi)害頻發(fā)的同時, 也改變了水體中浮游植物的群落結(jié)構(gòu)組成[2-3]。浮游植物群落結(jié)構(gòu)的改變, 能夠?qū)φ麄€河口的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重要影響, 比如引起有害藻華、水體缺氧、降低透明度、改變水體營養(yǎng)結(jié)構(gòu)以及損害漁業(yè)生產(chǎn)等[4]。因此, 研究長江口海域浮游植物生長和群落結(jié)構(gòu)對營養(yǎng)鹽變化的響應(yīng)特點具有重要的意義。

目前, 許多研究者在長江口及鄰近海域開展了相關(guān)研究, 蒲新明等[5]利用現(xiàn)場加富培養(yǎng)實驗的方法對春季長江口海域浮游植物營養(yǎng)鹽限制狀況進(jìn)行了研究。趙衛(wèi)紅等[6]通過同樣的方法發(fā)現(xiàn), 夏季在長江口沖淡水域磷為浮游植物生長的顯著潛在限制因子, 離岸較遠(yuǎn)的遠(yuǎn)河口海域氮是潛在限制因子, 中間海域是磷、氮潛在限制過渡區(qū)。劉媛等[7]指出營養(yǎng)鹽的添加一定程度上改變了浮游植物的粒級結(jié)構(gòu)。李雁賓等[8]通過對東海赤潮高發(fā)區(qū)現(xiàn)場培養(yǎng)實驗樣品的顯微鏡鏡檢分析發(fā)現(xiàn), 中肋骨條藻、米氏凱倫藻和東海原甲藻等對營養(yǎng)鹽需求不同。但由于許多微型浮游植物缺少明顯的分類學(xué)形態(tài)特征, 很難在顯微鏡下鑒定和計數(shù); 一些種類很脆弱, 無法固定保存或固定后易變形, 也進(jìn)一步增加了分類難度[9], 因此以往的研究主要關(guān)注硅藻、甲藻等少數(shù)類群對營養(yǎng)鹽變化的響應(yīng)。隨著高效液相色譜色素分析技術(shù)的發(fā)展, 利用光合色素來分析浮游植物群落組成的方法逐漸發(fā)展起來, 成為從宏觀上研究浮游藻群落組成和豐度的良好工具[10], 并已應(yīng)用到東海海域的研究中[11-12]。

本文利用特征色素通過現(xiàn)場培養(yǎng)實驗研究了NO3-N和PO4-P加富對長江口浮游植物生長和群落組成的影響, 分析了不同藻類類群對不同營養(yǎng)鹽添加水平的響應(yīng), 為確定長江口浮游植物對營養(yǎng)鹽輸入的響應(yīng)閾值和解釋富營養(yǎng)化所導(dǎo)致的群落組成變化提供實驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗站位

2009年5月和11月, 在長江口及鄰近海域使用“科學(xué)1號”調(diào)查船進(jìn)行現(xiàn)場培養(yǎng)實驗。5月份實驗站位為3100-2、3100-4和3150-2, 11月份實驗站位為3100-2和3100-4(圖1)。各實驗站位的營養(yǎng)鹽和水文狀況見表1。

圖1 長江口實驗站位Fig. 1 Sampling sites at the Changjiang Estuary and adjacent area

表1 實驗站位表層海水中營養(yǎng)鹽和水文狀況Tab. 1 Nutrient and hydrological factors in surface water at investigation stations

1.2 現(xiàn)場培養(yǎng)方法

于設(shè)定站位取表層海水, 經(jīng)200 μm篩絹濾除大型浮游動物干擾后, 分裝到8 L透明培養(yǎng)桶中。根據(jù)已有往年數(shù)據(jù)估計各個測站的營養(yǎng)鹽濃度, 將實驗站位分成兩類： 渾濁區(qū)和外海區(qū)。由于兩個區(qū)浮游植物對營養(yǎng)鹽增加敏感性不同, 并參照海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置了不同的營養(yǎng)鹽濃度梯度組, 分別添加硝酸鹽和磷酸鹽。實驗組的設(shè)計和培養(yǎng)時間見表2。

表2 現(xiàn)場培養(yǎng)實驗中營養(yǎng)鹽添加量Tab. 2 Nutrients in the field experiment

在各瓶瓶蓋扎了通氣孔并外加一層紗布, 扎緊后置培養(yǎng)箱中培養(yǎng), 通循環(huán)海水以維持現(xiàn)場溫度條件, 每天搖動培養(yǎng)瓶若干次, 以保持培養(yǎng)介質(zhì)空氣溶解量和防止生物聚集, 在自然光照條件下培養(yǎng)4～6 d, 定期取樣(根據(jù)不同實驗, 取樣時間有所差別)。

1.3 樣品采集與分析

定期采集水樣, 用于營養(yǎng)鹽分析的樣品, 經(jīng)47 mm的 GF/F玻璃纖維濾膜過濾后, 加入氯仿-20℃下保存。回到實驗室應(yīng)用SKALAR SANplus營養(yǎng)鹽自動分析儀測定。

用于分析色素的樣品, 水樣在弱真空(＜0.03 MPa＝過濾到47mm Whatman GF/F玻璃纖維濾膜上,將濾膜折疊用錫紙包裹迅速置于液氮中保存以減少色素轉(zhuǎn)化, 回到實驗室進(jìn)行分析。將冷凍的濾膜解凍,吸取多余水分, 剪成細(xì)條, 置于離心管中, 加入 5 mL 100 %甲醇研磨并在冰水浴中超聲提取5 min, 然后通過尼龍濾膜針筒濾器(0.22 μm孔徑)以除去細(xì)胞和濾膜碎屑, 后將1 mL的提取液和200 μL的超純水混合后, 吸取100 μL注入高效液相色譜(HPLC)測定。HPLC色素分析方法是參照 Zapata等[13]的方法。分析系統(tǒng)為Waters Alliance 2695液相色譜系統(tǒng)。通過二極管陣列檢測器 DAD來檢測洗出峰。色譜柱為Waters Symmetry C8 柱。流動相 A： 甲醇： 乙腈： 吡啶水溶液=50：25：25(體積比); 流動相 B： 甲醇： 乙腈：丙酮=20：60：20(體積比)。梯度洗脫程序： 流速為1 mL/min, 22 min內(nèi)流動相B由初始0%上升至40%,到 28 min的時候升到 95%, 并保持 10 min, 然后2 min內(nèi)返回初始條件。色素的鑒定是通過色素標(biāo)準(zhǔn)、二級陣列檢測器獲得的光譜圖、保留時間以及文獻(xiàn)資料比較得出, 色素定量采用內(nèi)標(biāo)法。

1.4 利用特征色素分析浮游植物群落組成

由于不同浮游植物類群具有不同色素組成和色素比值, 因此可以利用色素的這種特性來研究和表征浮游植物的群落結(jié)構(gòu)。根據(jù)檢測的特征色素種類,本文分析了硅藻(Diatoms)、甲藻(Dinoflagellates)、隱藻(Cryptophytes)、定鞭藻(Prymnesiophytes)、金藻(Chrysophytes)、綠藻(Chlorophytes)、青綠藻(Prasinophytes)和藍(lán)藻(Cyanobacteria)8個浮游植物類群。浮游藻類各類群豐度是通過CHEMTAX軟件[7]分析得來, 表示為葉綠素a生物量(μg/ L), 相對豐度則通過各類群對總?cè)~綠素 a的貢獻(xiàn)比例來表示。CHEMTAX是Mackey等在1996年研制出的一個矩陣因子化程序, 它是從藻類初始特征色素與葉綠素a比值出發(fā), 再根據(jù)由 HPLC分析所得的原始色素數(shù)據(jù), 通過最速下降算法反復(fù)地優(yōu)化一個包含每一個藻種的色素比率矩陣, 來定量地確定浮游藻類種群組成和豐度。各浮游植物類群的特征色素與葉綠素a初始比值參用 Mackey等[14-15]和 Furuya等[11]所報道的。

2 結(jié)果

2.1 現(xiàn)場培養(yǎng)期間理化性質(zhì)的變化

培養(yǎng)期間培養(yǎng)瓶的水溫在不同站位和季節(jié)存在差異, 5月份 3個培養(yǎng)站位水溫差異不大19.75～20.56°C, 而11月份3100-2站水溫要顯著低于3100-4站(表 1); 在整個培養(yǎng)期間, 各培養(yǎng)瓶水溫的變化小于5°C。受長江沖淡水的影響, 3100-2站鹽度要顯著低于3100-4和3150-2站, 但在培養(yǎng)期間各培養(yǎng)瓶的鹽度無顯著變化。

兩個航次調(diào)查結(jié)果顯示, 位于長江口鄰近海域的3100-2站其本底硝酸鹽和活性磷酸鹽的濃度均高于離岸較遠(yuǎn)的3100-4和3150站, 因此, 在3100-2站選擇了較高的加富濃度。由圖2和圖3可見, 在兩個航次的培養(yǎng)實驗中, 各培養(yǎng)組硝酸鹽和活性磷酸鹽的濃度都隨培養(yǎng)時間的延長呈明顯下降趨勢, 一些組在實驗結(jié)束時NO3-N和PO4-P幾乎被浮游植物消耗殆盡。

2.2 浮游植物生長對營養(yǎng)鹽加富的響應(yīng)

2.2.1 5月份現(xiàn)場培養(yǎng)實驗

2009年5月3100-2站、3100-4和3150-2站的葉綠素a初始濃度分別為2.92、1.90和1.51 μg/L。圖4描述的是5月份各站培養(yǎng)實驗中葉綠素a生物量對營養(yǎng)鹽加富的響應(yīng)變化趨勢。

在 3100-2站, 對照組和各營養(yǎng)加富組在培養(yǎng)的第 2天葉綠素 a濃度與初始時刻相比均出現(xiàn)顯著升高, 其中PO4-P加富組葉綠素a的增加更顯著為初始濃度的5倍以上要明顯高于NO3-N加富組; 而在培養(yǎng)結(jié)束時, 各培養(yǎng)組的葉綠素 a生物量也都出現(xiàn)了不同程度的下降, 但營養(yǎng)鹽加富組的最終葉綠素 a濃度均高于初始水平。

3100-4站表層海水的溶解無機(jī)氮和活性磷酸鹽濃度均較低, 限制了浮游植物的生長, 對照組培養(yǎng)介質(zhì)中葉綠素a濃度在培養(yǎng)開始后有所下降, 在第6天又有所上升; N-10組和N-20組葉綠素a濃度第4天與初始水平相比略有上升, 在實驗結(jié)束時又下降,但N-10組和N-20組培養(yǎng)結(jié)束時葉綠素a濃度均明顯高于對照組; 而添加P組葉綠素a的響應(yīng)較NO3-N加富組更明顯, 葉綠素a濃度最高值分別達(dá)到3.65、5.59、6.77和6.47 μg/L, 說明磷酸鹽的加富顯著的促進(jìn)了浮游植物的生長。

圖2 2009年5月現(xiàn)場培養(yǎng)實驗中NO3-N和PO4-P濃度的變化Fig. 2 Changes of NO3-N and PO4-P in field culture experiments conducted in May 2009

圖3 2009年11月現(xiàn)場培養(yǎng)實驗中NO3-N和PO4-P濃度的變化Fig. 3 Changes of NO3-N and PO4-P in field culture experiments conducted in November 2009

在 3150-2站, 與對照組相比, NO3-N加富組和PO4-P加富組在第4天均出現(xiàn)了明顯的葉綠素a峰值,與其他站實驗結(jié)果相似的是, PO4-P加富組培養(yǎng)介質(zhì)中浮游植物生物量響應(yīng)更明顯, 且葉綠素 a濃度隨PO4-P添加濃度升高而升高, 但在第4天達(dá)到最高值后到實驗結(jié)束時, NO3-N加富組和PO4-P加富組的培養(yǎng)介質(zhì)中葉綠素 a濃度均顯著下降, 說明在培養(yǎng)開始時, 營養(yǎng)鹽的加富顯著的促進(jìn)了浮游植物的生長,導(dǎo)致葉綠素 a濃度升高, 浮游植物的大量繁殖消耗了培養(yǎng)體系中的營養(yǎng)鹽, 導(dǎo)致在實驗結(jié)束時浮游植物開始死亡, 葉綠素a濃度隨之下降。

2.2.2 11月份現(xiàn)場培養(yǎng)實驗

11月份秋季, 長江口海域沖淡水的影響逐漸減弱, 這個季節(jié)的浮游植物生物量較 5月份有所下降,3100-2站和 3100-4站的葉綠素 a初始濃度分別為0.61和1.24 μg/L。圖5是11月份各站培養(yǎng)實驗中葉綠素a生物量對營養(yǎng)鹽加富的響應(yīng)變化圖。

圖 4 2009年 5月現(xiàn)場培養(yǎng)實驗中葉綠素 a對營養(yǎng)鹽加富的響應(yīng)Fig. 4 Response of chlorophyll a to nutrient additions in field culture experiments conducted in May 2009

3100-2站培養(yǎng)實驗結(jié)果顯示, 各營養(yǎng)鹽加富組的葉綠素 a濃度在培養(yǎng)開始后迅速升高, 在實驗結(jié)束的第6天葉綠素a濃度并未出現(xiàn)下降, 對照組也表現(xiàn)出相同的變化趨勢, 這說明在 3100-2站浮游植物的生長不存在顯著的營養(yǎng)鹽限制, 浮游植物的生長對營養(yǎng)鹽的加富有顯著的響應(yīng); 而 PO4-P加富組葉綠素a的濃度要明顯高于 NO3-N加富組, 且培養(yǎng)瓶中葉綠素a濃度隨添加PO4-P濃度的升高而升高, 在P-2.0培養(yǎng)組葉綠素a濃度達(dá)到12.16 μg/L。

3100-4站培養(yǎng)實驗結(jié)果顯示, 對照組葉綠素 a生物量的波動幅度較小, 實驗結(jié)束時葉綠素 a濃度與初始水平差不多; 經(jīng)過4天的培養(yǎng), 各營養(yǎng)鹽加富組培養(yǎng)介質(zhì)中葉綠素 a的含量與初始水平相比都有了顯著增加, 但3個PO4-P加富組之間增加程度的差別不大, 而NO3-N加富組和PO4-P加富組增加的程度有較大差別, NO3-N加富組的葉綠素a濃度更高,因此3100-4站葉綠素a對硝酸鹽的加富響應(yīng)更明顯;此外, 各培養(yǎng)瓶在實驗結(jié)束時, 培養(yǎng)介質(zhì)中葉綠素 a濃度與第4天相比均有顯著下降。

圖 5 2009年 11月現(xiàn)場培養(yǎng)實驗中葉綠素 a對營養(yǎng)鹽加富的響應(yīng)Fig. 5 Response of chlorophyll a to nutrient additions in field culture experiments conducted in November 2009

2.3 浮游植物群落組成對營養(yǎng)鹽加富的響應(yīng)

調(diào)查發(fā)現(xiàn)在不同站位采集的海水中, 浮游植物的群落組成存在很大的差異(圖 6)。HPLC色素分析結(jié)果顯示, 5月份3100-2站海水中含量最高的是巖藻黃素, 其次是別黃素(隱藻)和多甲藻素(甲藻), 19’-己?；趸瘞r藻黃素、19’-丁?；趸瘞r藻黃素、玉米黃素、青綠素和葉綠素 b含量均較低; 利用CHEMTAX軟件對色素數(shù)據(jù)分析表明, 初始浮游植物群落組成包括硅藻、甲藻、隱藻、綠藻、藍(lán)藻、定鞭藻、金藻和青綠藻, 它們對葉綠素a的貢獻(xiàn)分別為49%、8.05%、36%、2.26%、0.23%、0.2%、0.38%和 3.8%; 3100-4站的生物量(Chl a, μg/L)要低于3100-2站, 初始浮游植物組成為硅藻(25%)、甲藻(3.75%)、隱藻(17.1%)、藍(lán)藻(3.93%)、定鞭藻(37.72%)、金藻(9.4%)和青綠藻(2.73%), 在海水樣品色素檢測時新黃素和紫黃素含量較低低于檢測限,因此培養(yǎng)實驗開始時綠藻的比重非常低; 3150-2站硅藻和甲藻是主要優(yōu)勢類群, 兩者貢獻(xiàn)了 82%的生物量, 其次是隱藻(6.1%)、綠藻(4.8%)、藍(lán)藻(0.96%)、定鞭藻(0.58%)、和青綠藻(3.52%)。11月份 3100-2站主要類群是硅藻、綠藻和隱藻, 分別貢獻(xiàn)了60.9%、16.1%和10.4%的生物量, 其他類群所占比重較小, 比重最大的是青綠藻(7.7%); 3100-4站初始浮游植物群落中硅藻占絕對優(yōu)勢, 占總?cè)~綠素 a的比重為 66.7%, 其次是甲藻(6.6%)、隱藻(7.8%)、綠藻(8.2%)和藍(lán)藻(6.7%), 定鞭藻、金藻和青綠藻含量較低。

圖6 2009年5月和11月各站位培養(yǎng)實驗初始浮游植物群落組成Fig.6 Phytoplankton community composition at the investigation sites on Day 0 of field culture experiments conducted in May and November 2009

2.3.1 5月份現(xiàn)場培養(yǎng)實驗

不同站位的培養(yǎng)實驗其浮游植物群落組成對營養(yǎng)鹽加富表現(xiàn)出不同的響應(yīng)特征。如圖 7所示,3100-2站, 在培養(yǎng)實驗第2天對照組和各營養(yǎng)鹽加富組硅藻的相對豐度顯著上升, 由初始的 49%上升到 80%左右, 顯示了其對外來營養(yǎng)鹽的競爭優(yōu)勢; 此外, 青綠藻所占比重也略有上升, 甲藻和隱藻所占比重則明顯下降, 其他類群對總?cè)~綠素 a生物量的貢獻(xiàn)基本無變化仍然占了很小的比重; 然而第 6天實驗結(jié)束時, 硅藻對總?cè)~綠素 a的貢獻(xiàn)有所下降但依然是最主要的類群, 甲藻、隱藻、綠藻和藍(lán)藻的所占比重均有所上升, 其中甲藻比重上升最大, P-0.5組在實驗結(jié)束時甲藻所占比重達(dá)到25.7%。

在 3100-4站, 對照組在培養(yǎng)過程中浮游植物主要類群未發(fā)生較大變化, 硅藻和隱藻相對豐度略有下降, 而甲藻和藍(lán)藻的所占比重上升了。同時, 結(jié)果顯示與PO4-P加富組相比, NO3-N加富組在培養(yǎng)實驗結(jié)束時硅藻和甲藻對總?cè)~綠素 a的貢獻(xiàn)率更高, 而藍(lán)藻和定鞭藻的貢獻(xiàn)率要低于 PO4-P加富組; 綠藻雖然在初始時刻所占的比重非常小, 但是隨著培養(yǎng)的進(jìn)行綠藻在各營養(yǎng)鹽加富組的比重有了明顯上升(圖 7)。

3150-2站對照組在培養(yǎng)實驗的第4天和第6天浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化不大, 硅藻和甲藻仍然是主要優(yōu)勢類群, 兩者貢獻(xiàn)了 75%以上的生物量, 但藍(lán)藻所占比重明顯上升, 由初始的不足 1%上升到 15%;其他營養(yǎng)鹽加富組, 在實驗開始后到第4天, 硅藻對浮游植物生物量的貢獻(xiàn)明顯增加占絕對優(yōu)勢地位,但到第 6天硅藻所占比重有所下降; 在培養(yǎng)實驗結(jié)束時, 浮游植物群落組成對添加NO3-N與PO4-P的響應(yīng)出現(xiàn)差異, 與第4天結(jié)果相比, 在NO3-N加富組甲藻相對豐度上升較明顯而在 PO4-P加富組則是藍(lán)藻的相對豐度有了大幅的上升(圖7)。

2.3.2 11月份現(xiàn)場培養(yǎng)實驗

圖 8是 11月航次現(xiàn)場培養(yǎng)實驗 3100-2站和3100-4站營養(yǎng)鹽加富后各浮游植物類群的相對豐度變化趨勢。3100-2站對照組在培養(yǎng)實驗的第4天其硅藻、綠藻和藍(lán)藻對總?cè)~綠素a的貢獻(xiàn)下降, 硅藻由初始的60.9%下降到45.5%, 同時甲藻、隱藻和青綠藻所占比重上升了, 分別為10.5%、30.8%和11.2%;到第6天硅藻所占的比重進(jìn)一步下降為30.3%, 甲藻和青綠藻的比重上升為15.1%和18.3%。而第4天各營養(yǎng)鹽加富組的硅藻比重均明顯上升, 直到培養(yǎng)結(jié)束, 硅藻一直保持著優(yōu)勢地位。

3100-4站對照組在培養(yǎng)實驗開始后, 硅藻對總?cè)~綠素 a的貢獻(xiàn)就開始下降, 一直保持在 35%左右;藍(lán)藻和青綠藻所占比重到實驗結(jié)束時則上升到21.6%和 15.5%。添加營養(yǎng)鹽后經(jīng)一段時間的培養(yǎng),營養(yǎng)鹽加富組硅藻所占比重也有所下降, 在43%～47%之間, 青綠藻的比重均明顯上升。3100-4站浮游植物群落組成對硝酸鹽和磷酸鹽加富產(chǎn)生不同的響應(yīng), 在 NO3-N加富組甲藻對總?cè)~綠素 a的貢獻(xiàn)顯著升高, 而在PO4-P加富組藍(lán)藻對總?cè)~綠素a的貢獻(xiàn)則更大。

圖7 2009年5月現(xiàn)場培養(yǎng)實驗中浮游植物群落組成對營養(yǎng)鹽加富的響應(yīng)Fig. 7 Responses of phytoplankton community composition nutrient additions in field culture experiments conducted in May 2009

3 討論

海水中浮游植物的生長有其最適宜的營養(yǎng)條件,研究表明浮游植物按 Si、N、P營養(yǎng)元素 16：16：1這一恒定的比例從海水中吸收營養(yǎng)元素, 偏離該比值過高或過低, 均可導(dǎo)致浮游植物的生長受到某一相對含量較低的營養(yǎng)元素的限制, 并改變水體中浮游植物的群落組成[16-17]。

圖8 2009年11月現(xiàn)場培養(yǎng)實驗中浮游植物群落組成對營養(yǎng)鹽加富的響應(yīng)Fig. 8 Responses of phytoplankton community composition nutrient additions in field culture experiments conducted in November 2009

3100-2站位于長江口近河口區(qū)域, 受長江口沖淡水的影響其鹽度較低, 5月份其本底DIN和PO4-P分別為52.81和0.87 μmol/L, N/P比高達(dá)60, 遠(yuǎn)高于Redfield比值, 此時浮游植物處于相對磷限制狀態(tài),但此時磷并未低于生長閾值(PO4-P=0.1 μmol/L)[18],因此對照組Chl a濃度也有明顯上升, 從營養(yǎng)鹽加富結(jié)果來看, 無論是NO3-N加富組還是PO4-P加富組到第4天都出現(xiàn)了Chl a的峰值, 但絕對量上PO4-P加富組要顯著高于 NO3-N加富組, 這也證明了在該站 P是浮游植物生長主要的限制因子; 到了實驗結(jié)束時Chl a濃度大幅下降, 這是由于此時培養(yǎng)介質(zhì)中磷酸鹽濃度均低于0.1 μmol/L, 限制了浮游植物的生長。11月份3100-2站N/P＞30, 處于相對磷限制的狀態(tài), 培養(yǎng)實驗結(jié)果也顯示 PO4-P加富組浮游植物生物量的絕對值要高于其他組; 但可能由于此時該站的初始生物量較低而本底營養(yǎng)鹽濃度較高到實驗結(jié)束時除對照組外各培養(yǎng)組的營養(yǎng)鹽均未耗盡, 因而并未觀察到Chl a濃度下降的過程, 由此可見在營養(yǎng)鹽充足的情況下, 營養(yǎng)鹽的絕對濃度要比 N/P對浮游植物的生長影響更大。

3100-4站離長江河口距離增加, 受長江沖淡水的影響減小, 環(huán)境本底硝酸鹽和磷酸鹽濃度均顯著低于 3100-2站, 磷酸鹽濃度更是接近生長閾值; 因此, 由于磷酸鹽的限制 NO3-N加富并未引起浮游植物生物量的顯著提高, 而 PO4-P加富顯著的促進(jìn)了浮游植物的生長, 但是隨著浮游植物大量繁殖, 培養(yǎng)介質(zhì)中的硝酸鹽大量消耗, 無法繼續(xù)維持浮游植物的生長, 大量浮游植物開始死亡, 說明在 3100-4站N和 P都有可能是潛在的限制因子。從11月份3100-4站培養(yǎng)實驗結(jié)果來看, N是最主要的限制因子,其次才是 P, 這是因為 11月份該海域受長江沖淡水影響較小, 主要受外海低營養(yǎng)鹽水影響, N/P降低。

3150-2站其本底的磷酸鹽濃度為 0.12 μmol/L,已經(jīng)非常接近生長閾值, 因此與 3100-4的加富實驗類似, PO4-P加富顯著的促進(jìn)了浮游植物的生長; 但是不同的是NO3-N加富組的Chl a濃度與對照組相比有了顯著的提高, 這可能的解釋是： 一方面,3150-2站懸浮物含量較高, 一些吸附在其上的 P可能在培養(yǎng)期間釋放到培養(yǎng)介質(zhì)中支持了浮游植物的生長; 另一方面, 培養(yǎng)介質(zhì)中有機(jī)磷可能在細(xì)菌或浮游植物酶的作用下轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷被浮游植物利用[19]。

以上結(jié)果表明, 長江口鄰近海域的浮游植物生物量能夠?qū)I養(yǎng)鹽輸入做出迅速的響應(yīng), Chl a生物量基本上隨營養(yǎng)鹽初始濃度的增加而增加; 然而,不同站位或同一站位不同季節(jié)進(jìn)行的營養(yǎng)鹽加富實驗, 其浮游植物生長對營養(yǎng)鹽響應(yīng)不同, 這與該站位培養(yǎng)實驗水樣采集時的N、P限制狀態(tài)有著密切的關(guān)系, 而長江口海域的N、P限制存在著明顯的空間變化和季節(jié)性變化[6,20-21]。

營養(yǎng)鹽的輸入, 能夠引起水體中營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)發(fā)生變化, 由于不同類群的浮游植物適應(yīng)新的營養(yǎng)環(huán)境的能力不同, 浮游植物群落結(jié)構(gòu)也就在不同類群的浮游植物競爭中發(fā)生變化[22]。許多研究[22-25]表明,在營養(yǎng)鹽豐富的水體中, 硅藻具有更高的競爭力能夠迅速繁殖在浮游植物群落中占據(jù)優(yōu)勢地位; 而當(dāng)營養(yǎng)鹽缺乏時, 對營養(yǎng)鹽利用能力強(qiáng)的浮游植物類群比如甲藻、藍(lán)藻等會形成優(yōu)勢。從5月份的3100-2和3150-2站以及11月份的3100-4站培養(yǎng)實驗結(jié)果可以看出, 營養(yǎng)鹽的加富使培養(yǎng)海水中浮游植物群落組成發(fā)生變化, 當(dāng)NO3-N和PO4-P加富后, 硅藻所占的比重迅速上升, 但到了實驗后期營養(yǎng)大量消耗,這時甲藻、隱藻、藍(lán)藻和青綠藻等類群的比重開始上升。在PO4-P加富組實驗后期, 由于P的加入而使N處于相對短缺的狀態(tài), 這時在 N限制狀態(tài)下有更強(qiáng)競爭力的藍(lán)藻貢獻(xiàn)明顯上升。在NO3-N加富組實驗后期則出現(xiàn)磷的相對短缺, 甲藻的比重上升較明顯, 這可能是由于許多甲藻能夠在營養(yǎng)鹽豐富時過量吸收磷, 在營養(yǎng)鹽缺乏時加以利用, 從而維持生長[26,27], 這也為解釋近年來長江口海域甲藻在群落中的比重呈上升趨勢提供一定的依據(jù); 受大量使用氮肥流失的影響, 長江沖淡水輸入 DIN含量大幅增加, 而PO4-P濃度偏低, 營養(yǎng)鹽的補(bǔ)充引起浮游植物生物量的增加進(jìn)一步消耗水體中較低的 PO4-P, 在P限制條件下甲藻更具競爭優(yōu)勢, 豐度上升。培養(yǎng)實驗結(jié)果顯示, 浮游植物群落組成還受到培養(yǎng)海水透明度的影響, 3100-2站靠近最大渾濁帶, 水體懸沙含量較高, 硅藻、隱藻和綠藻能夠適應(yīng)高渾濁度的類群在群落中所占比重要高于3100-4站。從季節(jié)差異來看,5月份3100-2和3100-4站培養(yǎng)實驗中, 甲藻和定鞭藻在群落結(jié)構(gòu)中所占的比重要顯著高于11月份; 而與5月份相比, 11月份培養(yǎng)實驗在添加營養(yǎng)鹽之后,青綠藻所占的比例有了顯著提高, 這可能是受到 11月份水溫較低的影響。

此外, 通過營養(yǎng)鹽加富實驗發(fā)現(xiàn), 培養(yǎng)海水中初始浮游植物群落組成對營養(yǎng)鹽加富實驗的結(jié)果有著重要的影響。如果初始浮游植物群落是由一種或少數(shù)類群占優(yōu)勢地位, 這些類群在營養(yǎng)鹽輸入時就擁有初始優(yōu)勢, 當(dāng)營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的改變正好是這些類群喜好的環(huán)境時, 它們很快就能夠在與其他類群競爭中占據(jù)絕對優(yōu)勢, 其他類群豐度下降, 5月份3100-2和3150-2以及11月份3100-2培養(yǎng)實驗就表現(xiàn)出相似的規(guī)律; 與此相反, 如 5月份 3100-4站培養(yǎng)實驗中其初始浮游植物群落組成有幾個類群均占有較大的比重, 群落組成較均衡, 營養(yǎng)鹽加富后群落組成結(jié)構(gòu)的變化較緩慢并未出現(xiàn)某一類群迅速增值而形成優(yōu)勢, 但是隨著培養(yǎng)時間的延長最適應(yīng)環(huán)境營養(yǎng)狀況變化的類群仍然會逐漸占據(jù)優(yōu)勢地位。

以往在研究營養(yǎng)鹽加富對自然水體中浮游植物種群組成的影響時, 主要是采用顯微鏡計數(shù)的方法,這往往只能提供硅藻、甲藻等少數(shù)浮游植物類群的信息, 而定鞭藻和青綠藻等在海洋中具有比較重要的生態(tài)功能, 通過傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡鏡檢很容易被忽略。與以往長江口現(xiàn)場培養(yǎng)實驗結(jié)果相比, 利用色素分析的方法發(fā)現(xiàn)一些粒徑較小的浮游植物類群(隱藻、藍(lán)藻、定鞭藻、青綠藻)在群落組成中有著重要的貢獻(xiàn), 這些類群能夠?qū)Νh(huán)境營養(yǎng)鹽條件的變化產(chǎn)生顯著的響應(yīng), 進(jìn)而改變水體中浮游植物群落組成。

4 結(jié)論

長江口鄰近海域的浮游植物生物量對營養(yǎng)鹽輸入能夠做出迅速的響應(yīng), 但不同海區(qū)浮游植物生長對營養(yǎng)鹽的輸入做出不同響應(yīng), 即便在同一海區(qū)不同季節(jié)間也是不盡相同的, 這與培養(yǎng)實驗水樣采集時浮游植物所處的N、P限制狀態(tài)有著密切的關(guān)系。水體中營養(yǎng)鹽供應(yīng)狀況的變化能夠引起浮游植物群落結(jié)構(gòu)組成的變化, 培養(yǎng)實驗開始后營養(yǎng)鹽的輸入使得硅藻在競爭中取得了優(yōu)勢, 但隨著培養(yǎng)的進(jìn)行,營養(yǎng)鹽逐漸消耗, 一些在低營養(yǎng)條件下競爭能力強(qiáng)的浮游植物類群比如甲藻、藍(lán)藻、隱藻等對生物量的貢獻(xiàn)逐漸上升。當(dāng) N營養(yǎng)輸入, 使培養(yǎng)實驗后期水體處于P限制狀態(tài)時, 甲藻更具競爭力, 在群落中的比重明顯上升; 而當(dāng)P營養(yǎng)的輸入, 使培養(yǎng)實驗后期水體處于 N限制狀態(tài)時, 藍(lán)藻則更具競爭力, 在群落中的比重明顯上升。培養(yǎng)海水中初始浮游植物群落組成對營養(yǎng)鹽加富后群落結(jié)構(gòu)的變化有著重要的影響。

在長江口海域以往現(xiàn)場培養(yǎng)實驗研究中, 通常采用顯微鏡計數(shù)和測定葉綠素 a的方法來分析浮游植物, 顯微鏡計數(shù)或多或少都會對一些粒徑較小的類群有所低估, 而如果僅僅通過測定葉綠素 a生物量又無法提供各浮游植物類群生物量的動態(tài)信息。因此, 以特征色素作為標(biāo)志物結(jié)合 HPLC和CHEMTAX軟件分析為研究長江口海域富營養(yǎng)化對浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響特別是為研究微微型浮游植物類群豐度對富營養(yǎng)化的響應(yīng)提供了一個新的途徑。

致謝： 衷心感謝劉云、張德強(qiáng)、付梅、于海燕、林勇新、王志富、盧光遠(yuǎn)和吳在興等同學(xué)在野外和實驗室的測定工作, 感謝鹿琳同學(xué)在浮游植物分析上給予的幫助以及俞立東老師在色素分析工作中給予的熱情幫助。

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Pigment-based assessment of the response of phytoplankton to nutrient addition at the Changjiang Estuary

LAI Jun-xiang1,2, YU Zhi-ming1, SONG Xiu-xian1, HAN Xiao-tian1, CAO Xi-hua1,YUAN Yong-quan1
(1. Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Mar.,29,2011

Photopigments; phytoplankton; nutrient enrichments; Changjiang Estuary

In situ nutrient enrichment experiments were conducted in May and November, 2009 in the Changjiang River Estuary and adjacent areas to investigate phytoplankton growth and composition response to nutrient addition.Phytoplankton samples from the field experiments were analyzed by RP-HPLC to determine pigments composition,and CHEMTAX was used to estimate the contribution of eight algal groups to total chlorophyll a. Results showed that the responses of phytoplankton to nutrients were closely related to the nutrient limitation status of phytoplankton at sampling. Nutrient additions to natural water not only stimulated phytoplankton growth but also potentially altered the phytoplankton community structure. Due to the fact rapid growth depleted nutrients, diatom had more sensitivity response to nutrient input than other phytoplankton groups, shifting the community composition toward higher relative abundance of diatoms during the early stage of incubation. However, with the nutrient consumed by phytoplankton, algal groups growing better under the condition with lower nutrients concentrations comprised more portion of the total community biomass (μg/ L) at the end of incubation. The results suggested that the effect of changing concentrations of nitrate and phosphate depends on the initial phytoplankton community present at the time of nutrient addition.

P76

A

1000-3096(2012)05-0042-11

2011-03-29;

2011-04-28

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“973項目”(2010CB428706);國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究團(tuán)體項目(40821004); 國家863計劃專題項目(2008AA09Z107)

賴俊翔(1984-), 男, 廣西柳州人, 博士研究生, 主要從事海洋環(huán)境科學(xué)研究, E-mail： laijunxiang@qdio.ac.cn; 俞志明, 通信作者, 研究員, E-mail： zyu@qdio.ac.cn

(本文編輯：康亦兼)