夏季北極斯瓦爾巴群島周邊海域微型浮游生物群落分布特征及環(huán)境影響初探＊

石涵琨，羅 瑋，高 穎，何劍鋒

（1.北京第八中學 北京 100032；2.中國極地研究中心 上海 200136）

海洋浮游生物泛指生活在海水中但缺乏有效移動能力的漂流生物。微型浮游生物是以粒徑為標準的生態(tài)學概念，是指單細胞粒徑小于20μm的浮游生物，它們包含浮游細菌、浮游植物及原生動物等［1］。微型浮游生物是地球上最重要的初級生產(chǎn)者，是海洋固碳過程中最為關鍵的角色，也是北冰洋生態(tài)系統(tǒng)豐度和生物量最高的生物類群；與此同時，微型浮游生物的群落結構和生物量對環(huán)境變化的反應極為敏感［1］。而近年來，北極的環(huán)境正在發(fā)生著深刻的變化：氣溫升高、夏季海冰覆蓋面積快速下降、淡水輸入增加等［2］。探索北極微型浮游生物群落特征及其與海洋環(huán)境因子之間的相關性，對于了解北極海洋生態(tài)系統(tǒng)及其對北極環(huán)境快速變化的響應具有重要意義。

斯瓦爾巴群島是一個北極群島，也是我國北極黃河站的所在地，位于挪威和北極點之間，60%的面積被冰川所覆蓋。盡管受大西洋暖流的影響，氣溫要明顯高于同緯度的其他地區(qū)，但仍屬北極氣候。近年來，受全球氣候環(huán)境變化的影響，氣溫的上升導致夏季冰川消退、近岸海域淡水輸入和無機懸浮顆粒物增加以及水溫和鹽度的劇烈波動，進而影響海洋浮游生態(tài)系統(tǒng)［3－5］。盡管對該海域的微型浮游生物已有研究［6－7］，但主要集中在該群島新奧爾松地區(qū)（黃河站以及其他國家北極考察站所在地）的王灣海域［3－7］，對于環(huán)群島不同近岸海域以及與北部冰緣區(qū)的對比研究，尚未見報道。

筆者利用環(huán)繞斯瓦爾巴群島考察航行的機會，采集群島沿岸及北冰洋中心區(qū)不同生境的海水溫、鹽數(shù)據(jù)和樣品，通過熒光顯微分析和分子生物學分析方法，分析它們的分布和優(yōu)勢種組成特征，研究它們與海水環(huán)境之間的關系，初步探討全球變化對北極海洋生物群落的潛在影響。

1 采樣站位與現(xiàn)場工作

2012年7月19日—8月3日，利用乘荷蘭“奧特留斯”號船在斯瓦爾巴群島（74°N～81°N，10°E～35°E）周邊海域進行考察航行的機會，根據(jù)經(jīng)緯度、離岸的遠近、冰川或海冰分布等環(huán)境因素，共選擇了6個采樣站位，其中站位1、4、5、6位于斯瓦爾巴近岸海域，而站位2和站位3則位于斯瓦爾巴北部海冰冰緣附近的無冰海域。

每個站位用采樣桶采集表層海水，立刻用溫度計和鹽度計測量并記錄海水的溫度和鹽度，同步記錄站位經(jīng)緯度以及采樣站位的基本環(huán)境描述并拍照。取其中的300ml水樣，用經(jīng)0.2μm孔徑聚碳酸酯膜過濾的甲醛溶液固定（最終濃度1%）。取50ml經(jīng)固定的樣品利用真空過濾器過濾在0.2μm的聚碳酸酯黑膜上，用4′，6－二脒基－2－苯基吲哚（4′，6－diamidino－2－phenylindole，DAPI）進行染色。濾膜用鋁箔包好，－20℃低溫冷凍保存。另取200ml海水直接過濾在0.2μm的濾膜上，0℃低溫保存。樣品用保溫箱低溫保存帶回國內(nèi)，分別用于微型浮游生物群落豐度熒光顯微分析和優(yōu)勢種群分析。

2 實驗室分析

2.1 浮游細菌及微型浮游植物的顯微觀測和豐度統(tǒng)計

用Nikon 80i型倒置熒光顯微鏡進行DAPI染色樣觀察。用無熒光鏡油（OPTON518C）將經(jīng)DAPI染色的濾膜固定在載玻片上，滴上無熒光鏡油，用蓋玻片封存。用100x油鏡在藍色激發(fā)光（B－2A，Ex450－490，DM505，BA520）進行微型浮游植物觀察分析，在紫外激發(fā)光（UV－2A，Ex330－380，DM440，BA420）下進行浮游細菌的觀察和分析。分別進行20個隨機視野的拍照，細胞的數(shù)量統(tǒng)計和大小測定采用JD801形態(tài)學圖像分析系統(tǒng)進行處理、400個以上個體數(shù)量的統(tǒng)計。

2.2 微型浮游植物優(yōu)勢種群篩選與分析

2.2.1 優(yōu)勢種群的預篩選

將濾膜貼在海水培養(yǎng)基f／2上放入光照培養(yǎng)箱進行培養(yǎng)（表1）。培養(yǎng)溫度為6℃，光暗周期為12h∶12h，一個月后獲得具有顯著培養(yǎng)生長優(yōu)勢的活體藻落。挑取優(yōu)勢單一藻落轉(zhuǎn)入新鮮培養(yǎng)基，兩周后進行光學顯微鏡觀察，電鏡觀察委托上海交通大學測試中心完成。同時對分離獲得的微型綠藻，進一步進行分子測序鑒定。

表1 f／2培養(yǎng)基組成成分

2.2.2 硅藻顯微制片與分析

（1）樣品的前處理。吸取少量標本，離心，去上清液，加蒸餾水并離心洗掉溶解性鹽類，通常清洗2～3次。清洗后的樣品加蒸餾水，使其體積等同于所取樣品的原體積，加入等量體積的濃硫酸。將酸化的樣品放在酒精燈上微微加熱，直至標本變白、溶液呈透明棕黃色。若標本未能變白，加幾滴濃硝酸或幾粒硝酸鉀。

（2）硅藻殼體標本的清洗、保存及制片。把經(jīng)酸化處理的硅藻標本離心并倒去上清液，用蒸餾水清洗并離心，倒去上清液，重復數(shù)次。經(jīng)清洗的標本中加入數(shù)滴95%濃度的酒精。將標本取出放在蓋玻片上，并在酒精燈上烤干。烤干后的蓋玻片上加一滴二甲苯，隨即加一滴封片用的膠，然后將有膠的一面蓋在準備好的載玻片正中。待膠風干后，在顯微鏡下觀察。

2.2.3 微胞藻的分子生物學鑒定

對該藻樣進行普通光學顯微鏡觀察（Nikon 80i）。將藻樣離心收集、利用試劑盒抽提脫氧核糖核酸（DNA），用Euk328f及Euk329r進行聚合酶鏈式反應（PCR）反應；對PCR產(chǎn)物進行膠回收純化，克隆測序；將測序結果在美國國立生物技術信息中心（NCBI）中進行BLAST。系統(tǒng)發(fā)育樹用Phylip3.67構建［8］。

3 研究結果與分析

3.1 站位周邊海冰和冰川分布狀況

各站位基本環(huán)境見表2的描述。本次考察的6個采樣站位中，站位2和站位3位于北冰洋高緯冰緣區(qū)無冰水域，其中站位3離冰緣更近；站位1、4、5和6位于斯瓦爾巴群島近岸海域，其中，站位1周邊可見延伸至海邊的較大冰蓋；站位4被該區(qū)域最大的冰川所環(huán)繞；站位5周邊的大型冰川融化顯著，有大量的冰川融水入海；站位6處于較封閉海域，與外界水體交換不充分，且該站位遠離該島冰川融水入海處。

表2 站位經(jīng)緯度及基本特征描述

3.2 水溫和鹽度分布

表層海水溫度為－1.5℃～0.5℃，其中站位1、4、5、6溫度接近0℃，站位2和3位于北冰洋高緯冰緣區(qū)無冰海域，溫度最低，為－1.5℃，接近海水冰點溫度－1.9℃。鹽度在26～33.5之間波動，站位5鹽度最低，為26；站位6最高，為33.5（表2）。

3.3 海水浮游細菌及微型浮游植物豐度

在紫外光激發(fā)下，細菌等異養(yǎng)細胞呈藍色；在藍光激發(fā)下，浮游植物由于葉綠素的存在呈紅色熒光。其中，浮游細菌的豐度為4.2×105～1.2×106cells／ml，而微型浮游植物的豐度為2.7×103～4.1×104cells／ml。一個有趣的現(xiàn)象是，在溫度最低的站位2和站位3，其浮游細菌（豐度分別為6.16×105和4.2×105cells／ml）和微型浮游植物（豐度分別為2.7×103和3.06×103cells／ml）的豐度是本次考察的兩個低值；在鹽度最低的兩個站位——站位4和站位5，浮游細菌（豐度分別為1.2×106和9.2×105cells／ml）和微型浮游植物（豐度分別為4.1×104和2.1×104cells／ml）的豐度為本次考察的兩個最大值；鹽度最高的站位6，浮游細菌（豐度為6.2×105cells／ml）和微型浮游植物（豐度為3.1×103cells／ml）的豐度僅略高于最低值。

3.4 海水優(yōu)勢微型浮游植物種群

3.4.1 微胞藻（Micromonas sp.）

微胞藻是一種單細胞粒徑僅為1～2μm的帶鞭毛綠藻，細胞呈球形或橢圓形。隸屬綠藻門（Chlorophyta），青綠藻綱（Prasinophyceae），Mamiellales目，Mamiellaceae科，微胞藻屬（Micromonas）。它是北冰洋最常見的浮游生物類群，也是真核藻類個體最小的種類之一，具單根鞭毛，能快速游動。在本次考察的高緯度海水中微胞藻豐度最高，為0.864×103～1.073×104cells／ml。

3.4.2 微型海鏈藻（Thalassiosirasp.）

微型海鏈藻隸屬硅藻門（Bacillariophyta）、中心硅藻綱（Centriae）、圓篩藻目（Coscinodiscaceae）、圓篩藻科（Thalassiosira）、海鏈藻屬（Thalassiosira）。微型海鏈藻細胞呈圓盤狀，粗硅質(zhì)化，貫殼軸約6～10μm。殼面圓形，粒徑為12～18μm。微型海鏈藻除具有1～2個唇形突外，還具有數(shù)量較多的支持突，少數(shù)種類具有閉合突，篩膜位于殼面內(nèi)側(cè)，中孔在殼面外側(cè)?？疾炱陂g在斯瓦爾巴群島周邊海域的豐度為0.2×102～1.0×103cells／ml。

3.4.3 微型角毛藻

微型角毛藻為隸屬硅藻門（Bacillariophyta）、中心硅藻綱（Centriae）、盒型藻目（Biddulphiales）、角毛藻科（Chaetoceroceae）、角毛藻屬（Chaetoceros）。微型角毛藻細胞聚合成硬直的鏈。殼環(huán)面呈矩形。粒徑12～20μm，側(cè)面腰間帶清晰可見。殼面長橢圓形。殼面平滑，邊緣略彎曲，殼面中部延伸出一短小刺。刺毛具明顯的條狀分布點紋和小刺毛。葉綠體小而多，球形，也分布在角刺中。本次考察中，微型角毛藻豐度為0.2×102～0.8×103cells／ml，略低于微型海鏈藻。

4 研究結論與討論

4.1 浮游細菌豐度

浮游細菌在海水中大量存在，它們通過微食物環(huán)為海洋生態(tài)系統(tǒng)提供碳源和能量。已有的研究表明，北冰洋異養(yǎng)細菌與低緯度海域類似，同樣具有很高的豐度和生物量，并存在明顯的季節(jié)演替［1］。表3顯示了北冰洋各海域已有的細菌豐度研究資料，北極楚科奇海北部浮游細菌豐度較低，而與本次考察一樣位于斯瓦爾巴群島的王灣近岸海域，其豐度則較高，表明離海岸越近，浮游細菌的豐度越高。

表3 北冰洋各海域細菌豐度分布［1］

本次考察在斯瓦爾巴群島周邊海域獲得的浮游細菌豐度為4.2×105～1.2×106cells／ml。其中斯瓦爾巴北部冰緣站位2和站位3的細菌豐度與楚科奇海北部的類似，而斯瓦爾巴近岸海域測得的豐度要低于在該地區(qū)近岸王灣海域浮游植物的豐度。如，2006年夏季北極王灣浮游細菌豐度為2.23×106cells／ml。在斯瓦爾巴地區(qū)，近岸海域浮游細菌豐度受夏季冰川融水的影響明顯。浮游細菌豐度差異應與調(diào)查海域受冰川融水的影響程度有關。

4.2 微型浮游植物豐度與優(yōu)勢種

本次考察微型浮游植物的豐度為2.7×103～4.1×104cells／ml。與2006年夏季北極斯瓦爾巴島王灣的豐度值6.43×103cells／ml相比［1］，斯瓦爾巴北部冰緣豐度較低，而斯瓦爾巴近岸海域則明顯高于2006年該地區(qū)王灣海域的豐度。在王灣海域的研究顯示，冰川融水對浮游植物的影響明顯。本次考察微型浮游植物豐度較高，而浮游細菌的豐度較低，可能源于相對王灣海域而言，受冰川融水的影響程度較少。

本次考察通過培養(yǎng)獲得了幾株優(yōu)勢種，其中最具優(yōu)勢的為微胞藻，它在世界各海域微型浮游真核生物群落中普遍存在［8－10］。同北冰洋各海域獲得的歷史資料相比（表4），同樣證明本次考察海域微胞藻是占絕對優(yōu)勢的浮游植物種群［11］。通過富集培養(yǎng)獲得的另外兩株優(yōu)勢硅藻：微型海鏈藻和微型角毛藻，也是北冰洋海域的常見種。

表4 微微型青綠藻（Picoprasinophytes）在北冰洋的分布的歷史資料［11］

4.3 微型浮游生物與環(huán)境相關性

本次考察所選取的6個站位中，有4個站位為斯瓦爾巴群島沿岸海域，兩個為北冰洋開闊海域。研究顯示，表層海水溫鹽受環(huán)境影響明顯。斯瓦爾巴群島遍布山地冰川，夏季氣溫升高，大量冰川融水攜帶泥沙注入沿岸海域，使得表層海水的鹽度降低。受顯著冰川融水的影響，站位4和站位5表層海水鹽度顯著低于其他站位，而站位6因相對封閉，水體交換不充分，又遠離冰川融水入海區(qū)域，鹽度值為33.5，是所有站位中鹽度最高的。溫度方面，斯瓦爾巴北部冰緣海域，受海冰融化過程的影響，水溫要明顯低于斯瓦爾巴沿岸海域。

從各站位的豐度可見，斯瓦爾巴北部冰緣站位2和3受低溫的影響，無論是浮游細菌還是微型浮游植物豐度均為最低，表明北冰洋高緯海域，緯度越高，溫度越低，豐度也越低。同時，站位4和站位5鹽度最低，表明冰川融水對該站點海域的影響也最為顯著，說明淡水輸入會帶入陸源微生物、并促進微型浮游植物的生長。

4.4 全球變化對北極浮游生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響

北極海域是目前受全球變暖影響最深的海域，北冰洋在最近幾十年發(fā)生了明顯的異常變化：北極海冰面積以每10年約3%的速率減少；永久性海冰的覆蓋面積和厚度發(fā)生了顯著減少［12］。北極陸地冰川融化、降雨增加，徑流加大，使北冰洋的淡水增多，表層鹽度降低；大西洋水的溫度在升高，北冰洋海盆中大西洋暖水入侵的增加造成了北冰洋中層水的增暖［13］。已有研究表明，正經(jīng)歷著海水持續(xù)快速升溫、海冰融化、冰蓋迅速消失這些顯著變化的北極環(huán)境，將對北冰洋海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠的影響［14－15］。

北冰洋氣候的快速變化使其生態(tài)系統(tǒng)正在發(fā)生深刻的變化，而微型浮游生物作為高緯度浮游生態(tài)系統(tǒng)中最為脆弱環(huán)節(jié)之一，可能更容易受到?jīng)_擊［14］。本考察研究證實，北極增溫將導致輸入近岸海域的冰川融水增加，能促進微型浮游生物的生長；而夏季海冰消退和海水增溫，同樣會促進微型浮游生物的生長。因而，目前北極地區(qū)的變化趨勢將導致海洋微型浮游生物生物量的增加，與加拿大在加拿大海盆的監(jiān)測研究結果一致［14］。對已有研究的綜合分析顯示，北冰洋氣溫上升導致海冰融化和淡水輸入的增加、溫鹽躍層增強、中下層營養(yǎng)鹽對上表層的輸送減少，進而影響上表層的產(chǎn)量以及對中下層的輸送。上表層浮游游生物的微型化會進一步導致向中下層食物輸出的減少，對大型海洋生物產(chǎn)生負面影響［15］。鑒于其在生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用以及對環(huán)境變化的極度敏感，有必要對該類群進行長期監(jiān)測和分析。

5 結論

（1）北極環(huán)斯瓦爾巴群島周邊海域的水溫和鹽度受周邊冰川或海冰分布影響明顯；冰川融水注入會顯著降低海水鹽度，而海冰會明顯影響附近海水的溫度。

（2）冰川融水會給附近海域帶來陸源微生物，并在一定程度上促進微型浮游植物的生長，而海冰的存在和低溫則會導致微型浮游生物豐度較低。

（3）北極環(huán)斯瓦爾巴群島海水優(yōu)勢微型浮游植物種群顯示了較為豐富的多樣性，其中微胞藻為最為優(yōu)勢的種群，與北冰洋其他海域的報道一致。

（4）北冰洋升溫和海冰消融會導致海冰浮游生物群落的微型化，這種趨勢會影響大型海洋生物對它們的利用，進而影響整個海洋生態(tài)系統(tǒng)；對該類群的持續(xù)監(jiān)測與分析是必需的。

6 展望

北冰洋是全球海域最具特色、變化最快的海域之一。受全球變化的影響，北冰洋海冰覆蓋面積持續(xù)減少，2012年夏季的海冰覆蓋面積達到有歷史記錄以來的新低。北冰洋生態(tài)系統(tǒng)與冰雪的關系密切，北冰洋的快速變化會對海洋生態(tài)系統(tǒng)，包括從食物網(wǎng)最底層的浮游生物群落到最頂端的北極熊等大型哺乳動物，產(chǎn)生深遠的影響。與此同時，上表層海洋浮游生物的微型化，除對海洋生態(tài)系統(tǒng)有明顯的影響外，沉降能力的減弱意味著生物碳輸出能力和海洋對大氣CO2吸收能力的減弱［16］，將對碳的生物地球化學循環(huán)產(chǎn)生深遠的影響。微型浮游生物群落研究將是未來北冰洋海洋生態(tài)系統(tǒng)研究的一個熱點。

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