沙塵和灰霾對西北太平洋浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化的影響?

賀敬怡， 張 潮， 牟英春， 褚 強(qiáng)， 石金輝,， 高會(huì)旺,,3??

(1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071)

大氣沉降可以為上層海洋提供營養(yǎng)鹽和微量元素，因此對海洋中浮游植物的生長及群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響[1-3]，進(jìn)而改變海洋碳(C)、氮(N)、磷(P)等元素的生物地球化學(xué)循環(huán)過程[3-4]。大氣沉降對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響具有復(fù)雜性，一方面，大氣沉降物中包含的N、P等主要營養(yǎng)鹽以及鐵(Fe)、鋅(Zn)等微量元素對海洋浮游植物生長具有促進(jìn)作用[5-6]；另一方面，人為源主導(dǎo)的大氣沉降物中銅(Cu)、鎳(Ni)、鉛(Pb)等重金屬及有毒有機(jī)物(如菲、芘等)含量較高，可能會(huì)對浮游植物生長產(chǎn)生毒性作用[7-8]。近年來，日益增加的人為排放對大氣中的氣體或顆粒物的組成產(chǎn)生重要影響，大氣沉降對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響逐漸得到人們的關(guān)注，但具體機(jī)制尚不明確。

來自中國沙源地的沙塵氣溶膠在大氣環(huán)流的作用下，可以被長距離輸送到中國近海及北太平洋[9]。研究表明，亞洲沙塵每年向北太平洋的輸入量約為480 Tg[10]，占到亞洲沙塵總沉降量的50%左右。隨著亞洲經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人為活動(dòng)對大氣沉降組成及通量的影響日益明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人為排放的N所導(dǎo)致的大氣沉降增加了北太平洋海水中的N存量，并可能使浮游植物的營養(yǎng)鹽限制狀態(tài)發(fā)生改變[11]。而日益增加的Cu的沉降量可能對北太平洋海域浮游植物的生長產(chǎn)生毒性效應(yīng)[8]。

在黃海寡營養(yǎng)區(qū)進(jìn)行的現(xiàn)場培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加沙塵能夠首先促進(jìn)小型浮游植物(>20 μm)生物量的增加，至實(shí)驗(yàn)8天后，微型(2～20 μm)和超微型浮游植物(0.2～2 μm)才出現(xiàn)顯著增長[12]。在南黃海北部的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，灰霾對小型浮游植物生長有明顯抑制作用，灰霾添加組小型浮游植物葉綠素a濃度最大值僅為對照組的50%，至實(shí)驗(yàn)后期，降至對照組的5%左右[13]。東海海域的氣溶膠添加實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，浮游植物對不同來源的氣溶膠的響應(yīng)具有差異，浮游植物葉綠素a濃度與氣溶膠中Fe/Cu比呈顯著正相關(guān)(R2=0.9)[14]。南海進(jìn)行的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，在4 L表層海水中加入5 mL氣溶膠，實(shí)驗(yàn)第3天或第4天后，浮游植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，粒徑大于20 μm葉綠素a濃度快速升高，硅藻成為優(yōu)勢群落[15]。在西北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加2 mg·L-1沙塵至20 L海水的培養(yǎng)系統(tǒng)中，可以使以硅藻為主的小型浮游植物(>5 μm)在5天之內(nèi)達(dá)到最大值，其細(xì)胞豐度是對照組的1.8～3.9倍[16]。

隨著亞洲經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，西北太平洋海域受人為大氣污染的影響日益嚴(yán)重。本文通過4次船基圍隔培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，研究了西太平洋黑潮親潮混合區(qū)和副熱帶寡營養(yǎng)區(qū)浮游植物對大氣沉降的響應(yīng)，重點(diǎn)分析了沙塵和灰霾添加對上述兩個(gè)海域浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響。

1 材料與方法

1.1 沙塵及灰霾的采集及化學(xué)成分分析

研究中添加的沙塵為人工處理沙塵(簡稱沙塵)。沙塵樣品為2011年5月在阿拉善盟左旗騰格里沙漠(38.79°N，105.51°E)采集的表層土壤，帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)20 μm篩網(wǎng)篩選后，經(jīng)過干燥、酸化、風(fēng)干等處理，以模擬沙塵氣溶膠在大氣中長距離傳輸?shù)睦匣^程[16-17]。實(shí)驗(yàn)中添加的灰霾為2015年12月重度灰霾天氣時(shí)采集的總懸浮顆粒樣品(Total suspended particulate,TSP)，采樣地點(diǎn)位于中國海洋大學(xué)嶗山校區(qū)(36.16°N，120.50°E)。采樣設(shè)備為總懸浮顆粒物大流量采樣器(KC-1000)，采樣流量為1.05 m3·min-1，采樣時(shí)間為23 h。

表1 沙塵和灰霾中營養(yǎng)鹽和溶解性金屬的濃度Table 1 Concentration of inorganic nutrients and soluble metals in dust and haze /μg·g-1

1.2 船基圍隔培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2016年3月28日—4年23日，隨“東方紅2號”科學(xué)調(diào)查船在西北太平洋海域開展了現(xiàn)場船基圍隔培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。4個(gè)實(shí)驗(yàn)站位分別為西北太平洋黑潮親潮混合區(qū)E02站位(38.02°N，148.05°E)和E10M站位(38.40°N，148.28°E)，副熱帶寡營養(yǎng)區(qū)M1站位(32.42°N，146.28°E)和M1B站位(32.80°N，144.25°E)(見圖1)，每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行組。利用Sea Bird 911 Plus-CTD采水系統(tǒng)采集表層海水(2～5 m)，經(jīng)200 μm篩絹過濾，去除大型和中型浮游動(dòng)物后，裝入20 L(沙塵和灰霾添加實(shí)驗(yàn))/2 L(營養(yǎng)鹽添加實(shí)驗(yàn))的聚碳酸酯培養(yǎng)桶(Nalgene)中，然后分別按照實(shí)驗(yàn)方案(見表2)添加營養(yǎng)鹽、沙塵(Dust)或灰霾(Haze)(隨沙塵或灰霾進(jìn)入培養(yǎng)體系的N、P營養(yǎng)鹽濃度見表3)。將培養(yǎng)桶置于循環(huán)水槽內(nèi)，進(jìn)行現(xiàn)場表層海水控溫培養(yǎng)。在培養(yǎng)過程中，將水溫和光合有效輻射監(jiān)測儀放置于圍隔系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)記錄培養(yǎng)體系內(nèi)水溫及光照輻射強(qiáng)度的變化。

1.3 樣品的采集與測定

培養(yǎng)期間，每日早晨采集水樣測定葉綠素a濃度。在營養(yǎng)鹽添加實(shí)驗(yàn)的2 L培養(yǎng)桶中取200 mL水樣經(jīng)0.7 μm玻璃纖維濾膜過濾(Whatman GF/F)，用于測定總?cè)~綠素a濃度。在沙塵和灰霾添加實(shí)驗(yàn)的20 L培養(yǎng)桶中取300 mL水樣分別依次通過20、2和0.2 μm聚碳酸酯濾膜過濾(Whatman)，用于測定各粒級浮游植物葉綠素a的濃度。將采集的濾膜樣品裝入15 mL離心管，分別加入10 mL的90%丙酮萃取，并于-20 ℃條件下遮光保存，18 h后取出，使用Trilogy葉綠素?zé)晒夥治鰞x測定葉綠素a濃度[13]。

圖1 2016年春季西北太平洋船基圍隔培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)站位圖Fig.1 Stations for the ship-based incubation experiments in Northwest Pacific in spring of 2016

表2 各站位營養(yǎng)鹽、沙塵和灰霾及營養(yǎng)鹽添加方案Table 2 Dust, haze and inorganic nutrients treatments at all stations

表3 沙塵或灰霾添加組中N、P營養(yǎng)鹽的濃度Table 3 Concentration of N or Pinorganic nutrients in dust treatments or haze treatments /μmol·L-1

文中利用總?cè)~綠素a濃度表示總浮游植物生物量；大于20 μm葉綠素a濃度表示小型浮游植物生物量；2～20 μm葉綠素a濃度表示微型浮游植物生物量；0.2～2 μm葉綠素a濃度表示超微型浮游植物生物量；在沙塵和灰霾添加實(shí)驗(yàn)中，認(rèn)為三個(gè)粒級葉綠素a濃度之和即為總?cè)~綠素a濃度，表示總浮游植物生物量。

利用分級葉綠素a濃度與各粒級葉綠素a濃度之和的比值可分別得出小型、微型和超微型浮游植物葉綠素a對總?cè)~綠素a的貢獻(xiàn)率(分別表示為CMicro、CNano和CPico)。同時(shí)，定義浮游植物葉綠素a貢獻(xiàn)率最后一天的數(shù)值與初始值之差，為浮游植物葉綠素a貢獻(xiàn)率的變化量，即：

ΔC=CL-CF。

其中:ΔC為浮游植物葉綠素a貢獻(xiàn)率的變化量；CL為浮游植物葉綠素a貢獻(xiàn)率最后一天的數(shù)值；CF為浮游植物葉綠素a貢獻(xiàn)率的初始值。研究中以ΔCMicro表示小型浮游植物葉綠素a貢獻(xiàn)率的變化量；ΔCNano表示微型浮游植物葉綠素a貢獻(xiàn)率的變化量；ΔCPico表示超微型浮游植物葉綠素a貢獻(xiàn)率的變化量。

培養(yǎng)期間，于第0天和最后一天取150 mL水樣，通過0.45 μm醋酸纖維膜過濾，所得濾液裝入高密度聚乙烯樣品瓶(Nalgene)中，于-20 ℃條件下保存，帶回陸地實(shí)驗(yàn)室，利用AA3(Auto Analyzer 3)連續(xù)流動(dòng)分析儀測定營養(yǎng)鹽濃度。

培養(yǎng)期間，每組培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)于第0天和最后一天采集超微型浮游植物樣品。用移液槍取1.8 mL水樣置于凍存管，立即加入0.2 mL的10%多聚甲醛，混合均勻后將凍存管置于避光處固定15 min，然后使用液氮快速冷凍，用鋁箔將樣品包裹，于-20 ℃條件下冷凍保存，海上實(shí)驗(yàn)結(jié)束后帶回陸地實(shí)驗(yàn)室，利用BD FACS Calibur流式細(xì)胞分析儀分別測定聚球藻(Synechococcus，Syn)、原綠球藻(Prochlorococcus，Pro)和超微型真核浮游植物(picoeukaryotes，Peuk)的細(xì)胞豐度[15]。

2 結(jié)果

2.1 各站位初始營養(yǎng)鹽與葉綠素a特征及實(shí)驗(yàn)期間溫度和輻射通量密度變化

由圖2可知，實(shí)驗(yàn)期間4個(gè)站位日間輻射通量密度均在300～900 W·m-2范圍內(nèi)波動(dòng)，僅有少數(shù)實(shí)驗(yàn)天數(shù)輻射通量密度較低，為200 W·m-2左右。黑潮親潮混合區(qū)站位(E02和E10M)，表層海水溫度在15 ℃上下浮動(dòng)(見圖3)，且晝夜溫差較大，低溫達(dá)到5～10 ℃。西北太平洋副熱帶寡營養(yǎng)區(qū)站位(M1和M1B)，海表溫度始終在20℃左右，期間僅有小幅波動(dòng)。

表4 各站位地理位置及表層海水的基本特征Table 4 Locations and characteristics of surface seawaters at all stations

圖2 各站位培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)期間輻射通量密度變化Fig.2 Variation of radiation intensity at E02(a), E10M(b), M1(c) and M1B(d)

圖3 各站位培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)期間海水溫度變化Fig.3 Variation of water temperature at E02(a), E10M(b), M1(c) and M1B(d)

2.2 浮游植物粒徑分布的變化

2.2.1 葉綠素a對沙塵和灰霾添加的響應(yīng) 圖4(a)為黑潮親潮混合區(qū)E02站位葉綠素a濃度對N、P營養(yǎng)鹽及沙塵添加的響應(yīng)。葉綠素a對N和P添加的響應(yīng)與對照組基本一致，均無顯著性差異(ANOVA，p>0.05)。沙塵添加對葉綠素a有促進(jìn)作用，Dust-L和Dust-H添加組中葉綠素a濃度最大值分別為2.50和3.65 μg·L-1，是對照組(1.04 μg·L-1)的2.5和3.6倍。圖4(b)為E10M站位綠素a濃度的變化情況，Dust-L和Dust-H添加組中葉綠素a濃度最大值分別為4.06和4.87 μg·L-1，是對照組(1.60 μg·L-1)的2.5和3.0倍。

圖4(c)和4(d)為西北太平洋副熱帶寡營養(yǎng)區(qū)M1和M1B站位葉綠素a濃度的變化情況。M1站位實(shí)驗(yàn)第0天～第2天，N、P添加組葉綠素a濃度與對照組相比，無顯著性差異(ANOVA，p>0.05)，但第3天后N添加組葉綠素a濃度沒有隨P添加和對照組一同下降，這說明該站位浮游植物對N添加有一定響應(yīng)，但響應(yīng)速度較慢。Haze-H添加組葉綠素a濃度快速升高，于第3天達(dá)到最大值1.93 μg·L-1，是對照組(1.33 μg·L-1)的1.5倍。Haze-L添加組葉綠素a濃度相較于對照組無顯著響應(yīng)(ANOVA，p>0.05)。M1B站位N添加組葉綠素a濃度于第2天達(dá)到最大值0.78 μg·L-1，是對照組(0.54 μg·L-1)的1.4倍。P添加相較于對照組無顯著性響應(yīng)(ANOVA，p>0.05)。Dust-L和Dust-H添加組葉綠素a均于第2天達(dá)到最大值，分別為0.95和1.15 μg·L-1，是對照組的1.8和2.2倍。

圖4 各站位營養(yǎng)鹽及沙塵和灰霾添加組中葉綠素a濃度的變化趨勢Fig.4 Response of Chlaconcentrations to addition of inorganic nutrients, dust and haze during the incubation experiments at E02 (a), E10M (b), M1 (c) and M1B (d)

2.2.2 分級葉綠素a對沙塵和灰霾添加的響應(yīng) 西北太平洋黑潮親潮混合區(qū)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)期間三種粒級葉綠素a濃度變化如圖5所示。E02和E10M站位各粒級葉綠素a濃度變化趨勢類似，E02站位Dust-L和Dust-H添加組中大于20 μm葉綠素a濃度明顯增加，至第5天達(dá)到最大值，分別為1.05和1.90 μg·L-1，是對照組(0.17 μg·L-1)的5.9和11倍。E10M站位Dust-L和Dust-H添加組中大于20 μm葉綠素a濃度于第4天達(dá)到最大值，分別為2.00和2.50 μg·L-1，是對照組(0.80 μg·L-1)的2.5倍和3.1倍。沙塵添加組中2～20 μm和0.2～2 μm葉綠素a濃度相比于對照組僅有小幅度增加。

圖5 各粒級葉綠素a濃度的變化趨勢(a～c：E02；d～f：E10M；g～i：M1；j～l：M1B)Fig.5 Response of size-fractionated Chlaconcentrations at E02 (a～c), E10M (d～f), M1 (g～i) and M1B (j～l)

副熱帶寡營養(yǎng)區(qū)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)期間沙塵或灰霾添加對三種粒級葉綠素a均有促進(jìn)作用，且添加量越大，促進(jìn)效果越明顯。M1站位Haze-H添加組中大于20、2～20和0.2～2 μm葉綠素a濃度最大值分別為0.72、0.48和0.90 μg·L-1，是對照組(0.32、0.32和0.64 μg·L-1)的2.2、1.5和1.4倍。M1B站位Dust-H添加組中大于20、2～20和0.2～2 μm葉綠素a濃度最大值分別為0.25、0.32和0.67 μg·L-1，是對照組(0.03、0.14和0.37 μg·L-1)的8.3、2.3和1.8倍。

2.2.3 分級葉綠素a貢獻(xiàn)率的變化 E02和E10M站位各沙塵添加組中浮游植物優(yōu)勢群落的細(xì)胞粒徑均由超微型浮游植物逐漸過渡到小型浮游植物(見圖6)。E02站位Dust-H添加組CMicro由2%上升至58%，CPico由71%下降至19%，ΔCMicro和ΔCPico分別是對照組(由2%上升至45%，由71%下降至26%)的1.3和1.2倍。E10M站位Dust-H添加組中，CMicro由12%上升至51%，CPico由67%下降至17%，ΔCMicro和ΔCPico分別是對照組(由12%上升至38%，由67%下降至49%)的1.5和2.8倍。各實(shí)驗(yàn)組中CNano變化不明顯。

由M1站位灰霾添加組分級葉綠素a的貢獻(xiàn)率變化可知，灰霾添加量越大，浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化越明顯，Haze-H添加組CMicro由14%上升至34%，CPico由64%下降至32%，ΔCMicro和ΔCPico分別是對照組(分別由14%上升至23%，由64%下降至44%)的2.2和1.6倍。M1B站位Dust-H添加組CMicro由7%上升至30%，CPico由71%下降至47%，ΔCMicro和ΔCPico分別是對照組的(分別由7%上升至10%，由71%下降至65%)7.7和4.0倍。CNano變化不明顯。

圖6 各粒級葉綠素a對總?cè)~綠素a的貢獻(xiàn)率(a～c：E02；d～f：E10M；g～i：M1；j～l：M1B)Fig.6 Contributions of size-fractionated Chlato total ChlaatE02 (a～c), E10M (d～f), M1 (g～i) and M1B(j-l)

2.2.4 葉綠素a貢獻(xiàn)率的相對變化量 為了分析實(shí)驗(yàn)中各站位浮游植物的粒徑分布的變化程度，分別計(jì)算了CMicro和CPico的相對變化率，即為葉綠素a貢獻(xiàn)率實(shí)驗(yàn)最后一天的數(shù)值與初始值之差(ΔC)與初始值的比值(CF)(實(shí)驗(yàn)期間CNano變化較小，因此未對其進(jìn)行分析)。黑潮親潮混合區(qū)E02站位對照組及Dust-L和Dust-H添加組中CMicro的相對變化率分別為1 328%、2 217%和2 276%(見表5)，明顯高于其他站位。此外，各站位沙塵或灰霾添加組中CMicro的相對變化率均大于各站位的對照組。在CPico方面，黑潮親潮混合區(qū)E02站位和E10M站位沙塵添加組中CPico的相對變化率均大于西北太平洋副熱帶寡營養(yǎng)區(qū)M1站位和M1B站位(見表6)。同樣地，各站位也存在沙塵或灰霾添加組中CMicro的相對變化率大于各站位對照組的現(xiàn)象。

表5 大于20 μm葉綠素a貢獻(xiàn)率相對變化量Table 5 Relative change amount of CMicro /%

表6 0.2～2μm葉綠素a貢獻(xiàn)率相對變化量Table 6 Relative change amount of CPico /%

2.2.5 浮游植物粒徑分布的變化與沙塵或灰霾添加的關(guān)系 為了探究浮游植物粒徑分布的變化與沙塵或灰霾添加的關(guān)系，利用ΔCMicro(見圖7)和ΔCPico(見圖8)與沙塵和灰霾添加量進(jìn)行了相關(guān)性分析(微型浮游植物實(shí)驗(yàn)期間貢獻(xiàn)率變化不顯著，因此未針對ΔCNano進(jìn)行分析)?？梢园l(fā)現(xiàn)，西北太平洋副熱帶寡營養(yǎng)區(qū)的ΔCMicro和ΔCPico均與沙塵或灰霾的添加量呈線性相關(guān)，而在黑潮親潮混合區(qū)，它們之間的相關(guān)性較小。

圖7 ΔCMicro與沙塵或灰霾添加量之間的關(guān)系Fig.7 The relationship between ΔCMicroandaddition of dust and haze at E02(a), E10M(b), M1(c) and M1B(d)

2.3 實(shí)驗(yàn)期間消耗量

圖8 ΔCPico與沙塵或灰霾添加量之間的關(guān)系Fig.8 The relationship between ΔCPicoand addition of dust and haze at E02(a), E10M(b), M1(c) and M1B(d)

表7 各站位實(shí)驗(yàn)期間營養(yǎng)鹽消耗量Table 7 Consumption ofat all stations during the incubation experiments /μmol·L-1

2.4 超微型浮游植物細(xì)胞豐度的變化

E02站位表層海水中超微型浮游植物以聚球藻(3.0×103cells·mL-1)為主，原綠球藻(9.2×102cells·mL-1)和超微型真核浮游植物(1.2×103cells·mL-1)豐度約為前者的～30%和～40%。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)第0天和最后一天對照組及各實(shí)驗(yàn)組超微型浮游植物細(xì)胞豐度變化如圖9。最后一天對照組中聚球藻和超微型真核浮游植物細(xì)胞豐度分別增加至1.7×104和3.5×103cells·mL-1，是第0天對照組的5.7和2.9倍。添加組中原綠球藻的細(xì)胞豐度增加，Dust-L和Dust-H分別為1.5×103和4.0×103cells·mL-1，是對照組(9.9×102cells·mL-1)的1.5和4.0倍。Dust-L添加組中聚球藻和超微型真核浮游植物的細(xì)胞豐度均低于對照組，分別為8.5×103和2.4×103cells·mL-1。

E10M站位超微型浮游植物也以聚球藻(1.2×103cells·mL-1)為主，原綠球藻(6.8×102cells·mL-1)和超微型真核浮游植物(5.4×102cells·mL-1)豐度均約為前者的～50%。與第0天相比，最后一天對照組中聚球藻、原綠球藻及超微型真核浮游植物細(xì)胞豐度分別增加至1.2×104、3.2×103和2.8×103cells·mL-1，是第0天對照組的10、4.7和5.2倍。沙塵添加實(shí)驗(yàn)中，各藻種細(xì)胞豐度沒有明顯變化。由此可知，該站位超微型浮游植物對沙塵的響應(yīng)并不顯著。

M1站位表層海水中超微型浮游植物以聚球藻為主(3.6×103cells·mL-1)，原綠球藻(1.5×103cells·mL-1)和超微型真核浮游植物(6.2×102cells·mL-1)細(xì)胞豐度約為前者的40%和17%。最后一天對照組中原綠球藻細(xì)胞豐度下降46%，聚球藻與超微型真核浮游植物細(xì)胞豐度增加至7.5×103和7.5×102cells·mL-1，為第0天的2.1和1.2倍。灰霾添加組中聚球藻細(xì)胞豐度隨灰霾添加量增加而減少，Haze-H添加組為3.9×103cells·mL-1，僅為對照組的52%。相反，原綠球藻細(xì)胞豐度隨灰霾添加量增加而增加，Haze-H添加組為3.2×103cells·mL-1，是對照組的4.0倍。

M1B站位表層海水中超微型浮游植物同樣以聚球藻為主(2.9×103cells·mL-1)，原綠球藻(7.0×102cells·mL-1)和超微型真核浮游植物(3.9×102cells·mL-1)細(xì)胞豐度約為前者的24%和13%。最后一天對照組中僅聚球藻細(xì)胞豐度增加至7.1×103cells·mL-1，是第0天的2.4倍。原綠球藻和超微型真核浮游植均無顯著變化。沙塵添加組Dust-L和Dust-H中聚球藻分別增加至1.8×104和1.6×104cells·mL-1，是對照組的2.5和2.3倍。

(其中Control-0表示第0天對照組超微型浮游植物細(xì)胞豐度；*表示與對照組具有顯著性差異。p<0.05；(a)～(c)：E02；(d)～(f)：E10M；(g)～(i)：M1；(j)～(l)：M1B。Control-0 is control at day 0.Asterisks indicate statistically significant mean value(p<0.05)compared with the controls.對照組：Control;低濃度沙塵：Dust-L;高濃度沙塵：Dust-H.)

圖9 各站位聚球藻(Syn)、原綠球藻(Pro)和超微型真核浮游植物(Peuk)細(xì)胞豐度變化
Fig.9 Variation ofSynechococcus(Syn),Prochlorococcus(Pro), andPicoeukaryotes(Peuk)cell abundance at E02 (a～c), E10M (d～f), M1 (g～i) and M1B (j～l)

3 討論

3.1 各實(shí)驗(yàn)站位初始狀態(tài)及溫度和光照條件

E02和E10M站位位于黑潮親潮混合區(qū)海域，北側(cè)臨近北太平洋亞極地海域，海水受親潮影響，具有一定高營養(yǎng)鹽低葉綠素(HNLC)特征。M1和M1B站位比E02和E10M站位偏南，位于西北太平洋中部副熱帶寡營養(yǎng)區(qū)。受黑潮和親潮的共同影響，冷渦、暖渦出現(xiàn)頻率較高，海水常常伴隨著劇烈的垂直和水平混合[18]，營養(yǎng)鹽濃度水平較低。

除營養(yǎng)鹽及浮游植物物種組成外，適宜的溫度和光照條件也是浮游植物生長的重要條件因素[19]。表層海水中浮游植物光合作用效率和營養(yǎng)鹽同化能力對光照有一定的敏感性，且不同藻類的敏感程度不同，因此，光照輻射強(qiáng)度的變化可以影響某些藻種的生長過程，造成不同的群落組成[20]。同時(shí)，在適宜范圍內(nèi)，較高的溫度也有利于浮游植物的生長與繁殖[21]。在地中海的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將水體溫度升高10 ℃，超微型浮游植物的初級生產(chǎn)力可以增加近2倍左右，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)溫度對浮游植物的控制作用極易被水體中營養(yǎng)鹽濃度的變化所掩蓋[22]。

黑潮親潮混合區(qū)實(shí)驗(yàn)期間溫度出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，但在此期間各實(shí)驗(yàn)組中葉綠素a濃度并未發(fā)生特異性變化。同時(shí)，本研究中采用實(shí)驗(yàn)組與對照組對比的分析方法，由于各組受到的光照和溫度條件完全一致，因此溫度和光照不視為實(shí)驗(yàn)中的影響因素。

3.2 營養(yǎng)鹽限制分析

黑潮親潮混合區(qū)E02和E10M站位的沙塵添加實(shí)驗(yàn)表明，沙塵添加組中葉綠素a濃度均迅速升高，且Dust-L和Dust-H添加組中沙塵攜帶的N、P營養(yǎng)鹽均低于營養(yǎng)鹽添加組中N、P的含量(見表3)，這說明沙塵中可能有其他物質(zhì)可以促進(jìn)浮游植物的生長。Tsuda等[23]在亞北極太平洋海域(48°N，165°E)進(jìn)行的SEEDS實(shí)驗(yàn)表明，加Fe可以引起浮游植物顯著增長，說明具有HNLC特征的水體對溶解性Fe具有較高的敏感性。黑潮親潮混合區(qū)受亞北極太平洋水體的影響較大，因此，E02和E10M站位浮游植物生長有可能受到Fe限制。

3.3 浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化

西北太平洋副熱帶寡營養(yǎng)海域浮游植物生長受到明顯的N限制，添加沙塵或灰霾的量越大，浮游植物生物量的增加越明顯，但由于沙塵和灰霾添加后，溶出的N均可以促進(jìn)各粒級浮游植物的生長，因此，M1和M1B站位粒徑分布雖然發(fā)生了變化，但其相對變化量較小(見表5和6)。

有研究顯示，當(dāng)大氣沉降導(dǎo)致海水中營養(yǎng)鹽濃度發(fā)生改變時(shí)，大部分藻種需要一定時(shí)間適應(yīng)新的營養(yǎng)鹽環(huán)境，相比之下，硅藻對于環(huán)境改變的適應(yīng)能力更強(qiáng)[26]，能夠在短時(shí)間內(nèi)快速吸收營養(yǎng)物質(zhì)，并進(jìn)行增長繁殖[27]。Zhang等[16]在黑潮延伸體附近海域的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，表層海水中硅藻在小型浮游植物中的相對細(xì)胞豐度約為95%，向表層海水添加沙塵后，硅藻的細(xì)胞豐度由～400 cells·mL-1增加至～700 cells·mL-1。因此，M1和M1B站位沙塵或灰霾添加組粒徑分布的變化可能是由于與超微型浮游植物相比，硅藻為主的小型浮游植物增殖相對較快，從而在一定程度上使CMicro上升，CPico下降。但由于各粒級浮游植物對N添加均具有敏感性，所以粒徑分布的變化與沙塵或灰霾的添加量呈顯著相關(guān)性。

此外，實(shí)驗(yàn)中同時(shí)發(fā)現(xiàn)，M1站位Haze-L添加組各粒級葉綠素a濃度與對照組相比未出現(xiàn)明顯增長，且超微型浮游植物中聚球藻的細(xì)胞豐度隨灰霾添加量的增加而減少(見圖9)，說明聚球藻的生長受到了灰霾的影響。Mann等[28]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水體環(huán)境中游離的Cu2+濃度大于10-6μmol·L-1時(shí)，將抑制聚球藻的生長及細(xì)胞分裂過程。Jordi等[29]在西地中海的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，水體中的Cu濃度達(dá)到～8×10-8μmol·L-1時(shí)，浮游植物生長會(huì)受到抑制作用。M1站位隨灰霾添加至培養(yǎng)系統(tǒng)中的Cu含量為8.9×10-5～4.5×10-4μmol·L-1，高于以往實(shí)驗(yàn)中得出的Cu毒性作用值，因此聚球藻細(xì)胞豐度的減少極有可能是灰霾中溶出的Cu造成的。由于聚球藻是該站位超微型浮游植物中的優(yōu)勢藻種，所以聚球藻的減少導(dǎo)致了CPico下降。

然而，實(shí)驗(yàn)中同時(shí)發(fā)現(xiàn)，黑潮親潮混合區(qū)ΔCMicro和ΔCPico與沙塵添加量的相關(guān)性較小。由于黑潮親潮混合區(qū)浮游植物生長可能受到Fe限制，Takeda等[30]在SEEDS實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)HNLC海域表層海水中的溶解性Fe濃度僅為0.04 nM。而E02和E10M站位Dust-L和Dust-H添加組中，隨沙塵攜帶的溶解性Fe分別為0.62和1.24 nM。若兩站位存在Fe限制，則沙塵的添加足以快速緩解水體中的Fe限制，所以這可能成為E02和E10M站位浮游植物粒徑分布的變化與沙塵添加量之間沒有呈現(xiàn)出較好相關(guān)性的原因之一，但由于本研究并未進(jìn)行嚴(yán)格的Fe控制實(shí)驗(yàn)，這一推論有待于在后續(xù)的研究中進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本研究通過N、P營養(yǎng)鹽、沙塵和灰霾添加的船基圍隔培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，探究了大氣沉降對西北太平洋不同海域表層海水中浮游植物生長及群落結(jié)構(gòu)變化的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沙塵和灰霾添加均可以促進(jìn)西北太平洋黑潮親潮混合區(qū)和副熱帶寡營養(yǎng)區(qū)各站位浮游植物的生長，但兩個(gè)海域浮游植物粒徑分布及群落結(jié)構(gòu)的變化存在一定差異，且沙塵和灰霾對其影響機(jī)制也不盡相同。

(1)在黑潮親潮混合區(qū)的E02和E10M站位，實(shí)驗(yàn)期間沙塵添加組中CMicro和CPico的相對變化量較大，但ΔCMicro和ΔCPico與沙塵添加量之間并沒有呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，這可能是由于不同量的沙塵均為浮游植物的生長提供了較充足的Fe，緩解該站位可能存在的Fe限制導(dǎo)致的。同時(shí)，相比之下，小型浮游植物增殖速度更快，使得該海域粒徑分布變化更加明顯。

在西北太平洋副熱帶寡營養(yǎng)海區(qū)的M1和M1B站位，沙塵或灰霾添加組浮游植物粒徑分布的變化趨勢相對較平緩，CMicro和CPico的相對變化量較小，但ΔCMicro和ΔCPico與沙塵或灰霾的添加量呈顯著線性相關(guān)。這是由于該站位浮游植物生長存在明顯N限制，沙塵或灰霾添加后，攜帶的N促進(jìn)了浮游植物生長，但不同量的沙塵或灰霾中溶出的N營養(yǎng)鹽含量不同，導(dǎo)致了各實(shí)驗(yàn)組之間粒徑分布變化出現(xiàn)差異，這也表明浮游植物對N的添加具有較強(qiáng)敏感性。

(2)在西北太平洋副熱帶寡營養(yǎng)區(qū)，添加沙塵和灰霾對浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化的影響存在差異。沙塵添加攜帶的N促進(jìn)了各粒級浮游植物的生長，但灰霾添加后，對超微型浮游植物的促進(jìn)作用相對較弱，特別對聚球藻的生長產(chǎn)生了一定程度的抑制作用。與沙塵相比，灰霾一方面能夠溶出N營養(yǎng)鹽促進(jìn)浮游植物的生長，另一方面也有可能同時(shí)導(dǎo)致海水中Cu等毒性物質(zhì)濃度升高，使聚球藻等超微型浮游植物增長緩慢，從而導(dǎo)致了與沙塵添加后不同的浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化。