廣西近岸強(qiáng)額孔雀水蚤對(duì)球形棕囊藻的下行控制*

陸家昌，李 杰，賴俊翔，王英輝，姜發(fā)軍，許銘本，莊軍蓮

(1.廣西科學(xué)院，廣西北部灣海洋研究中心，廣西近海海洋環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530007；2.廣西大學(xué)海洋學(xué)院，廣西南寧 530004)

0 引言

球形棕囊藻(Phaeocystisglobosa，下文簡(jiǎn)稱棕囊藻)赤潮多以囊體形式存在[1]。大量囊體漂浮水中，會(huì)堵塞魚(yú)類的腮，導(dǎo)致魚(yú)類缺氧死亡，給海水養(yǎng)殖業(yè)帶來(lái)危害[2]。棕囊藻赤潮消退時(shí)，囊體死亡分解，在海水表面形成大量泡沫，破壞近岸海洋景觀，給海洋旅游業(yè)帶來(lái)不利影響[3]。近年來(lái)，棕囊藻赤潮多次在廣西近海爆發(fā)，棕囊藻赤潮形成的大量囊體還可能堵塞防城港核電站冷源取水口的篩網(wǎng)，從而對(duì)核電安全造成威脅。赤潮的發(fā)生是上下行控制之間的平衡被打破，浮游植物生物量爆發(fā)性增殖的結(jié)果[4]。因此，研究捕食者的下行控制對(duì)揭示棕囊藻赤潮的發(fā)生機(jī)制具有重要意義。棕囊藻具有復(fù)雜的異型生活史，可以在單細(xì)胞和囊體之間轉(zhuǎn)換[5]。一旦形成囊體，棕囊藻便可以躲避絕大部分捕食者的捕食[6]。因此，研究捕食者對(duì)棕囊藻的下行調(diào)控作用，最優(yōu)的選擇是研究其對(duì)單細(xì)胞棕囊藻的攝食。對(duì)單細(xì)胞棕囊藻的攝食調(diào)控可能抑制棕囊藻赤潮的形成[7,8]。然而，單細(xì)胞棕囊藻粒徑只有3 μm到9 μm，個(gè)體微小，一般認(rèn)為這樣微小的個(gè)體只能被原生動(dòng)物利用[7]。以往的研究也確實(shí)表明橈足類不能高效地?cái)z食單細(xì)胞棕囊藻，但是他們的研究多以寬水蚤、紡錘水蚤作為捕食者[9-11]，這些橈足類粒徑大于強(qiáng)額孔雀水蚤。根據(jù)甲殼動(dòng)物攝食棕囊藻的粒徑理論預(yù)測(cè)，強(qiáng)額孔雀水蚤等更小的小型橈足類也可以單細(xì)胞棕囊藻為食[12]，而且強(qiáng)額孔雀水蚤高效攝食3 μm至9 μm浮游植物已被證實(shí)[13-15]。另外，小型橈足類還大量攝食原生動(dòng)物，引發(fā)營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)，從而調(diào)控原生動(dòng)物對(duì)單細(xì)胞棕囊藻的攝食[16，17]。綜上所述，強(qiáng)額孔雀水蚤等小型橈足類的下行控制可能在棕囊藻赤潮的形成中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。由于小型橈足類種類眾多，很難對(duì)每一種都進(jìn)行研究，一般的處理方式是選擇其中的優(yōu)勢(shì)種進(jìn)行深入研究。強(qiáng)額孔雀水蚤是近岸海區(qū)廣布種，其適合的鹽度為3.4到55.0，溫度為5℃到33℃[18]?？墒且酝恼{(diào)查卻發(fā)現(xiàn)，北部灣近岸強(qiáng)額孔雀水蚤密度的數(shù)量級(jí)僅為101到102[19，20]。這是因?yàn)橐酝趶V西近岸的浮游動(dòng)物調(diào)查多采用大孔徑浮游生物網(wǎng)進(jìn)行采樣(孔徑505 μm)。大孔徑浮游生物網(wǎng)采樣會(huì)在數(shù)量級(jí)上低估小型橈足類的豐度[21]。王榮等[22，23]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)額孔雀水蚤在黃海有很高的密度分布，但由于采用大網(wǎng)孔浮游生物網(wǎng)進(jìn)行采樣，導(dǎo)致其密度被低估2個(gè)數(shù)量級(jí)。如果廣西近岸強(qiáng)額孔雀水蚤的豐度被嚴(yán)重低估，那么其在棕囊藻赤潮形成中的調(diào)控作用也可能被忽略。本研究通過(guò)野外調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，闡明廣西近岸橈足類優(yōu)勢(shì)種——強(qiáng)額孔雀水蚤對(duì)單細(xì)胞棕囊藻的下行控制潛力，對(duì)揭示廣西近岸棕囊藻赤潮發(fā)生機(jī)制具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查海區(qū)及采樣方法

于2017年到2019年在廣西近岸S1到S11站位，以淺水Ⅱ型浮游生物網(wǎng)(孔徑160 μm)對(duì)浮游動(dòng)物進(jìn)行垂直拖網(wǎng)采樣(圖1)。將拖網(wǎng)樣品小心沖洗到2 L樣品瓶中，甲醛固定后帶回實(shí)驗(yàn)室濃縮，于倒置顯微鏡下對(duì)強(qiáng)額孔雀水蚤進(jìn)行鑒定并計(jì)數(shù)。強(qiáng)額孔雀水蚤豐度的變化調(diào)查每月采樣一次，但由于人力物力有限，并非連續(xù)逐月采樣，而是在3年內(nèi)完成12個(gè)不同月份的樣品采集工作。由于項(xiàng)目的不延續(xù)性，有些月份會(huì)有3—4個(gè)站位的缺失。

圖1 采樣站位Fig.1 Sampling stations

1.2 不同網(wǎng)具的比較

于2016年6月、8月、9月和11月，在S11站和S9站用淺水Ⅰ型(孔徑505 μm)和淺水Ⅱ型浮游生物網(wǎng)進(jìn)行垂直拖網(wǎng)，采集強(qiáng)額孔雀水蚤，比較不同網(wǎng)具采樣的區(qū)別。為避免連續(xù)采樣造成的偏差，同一站位不同網(wǎng)具采樣時(shí)間相差30 min，且每次采樣所使用的網(wǎng)具順序是隨機(jī)的，不分先后。樣品的固定和分析同1.1節(jié)所述。

1.3 棕囊藻囊體及強(qiáng)額孔雀水蚤的豐度調(diào)查

于2015年9月到2016年3月在S7站和S8站,使用手持式采水器對(duì)棕囊藻囊體樣品進(jìn)行采樣。將表、中、底層采集的水樣混勻后倒入白色托盤中，現(xiàn)場(chǎng)計(jì)數(shù)囊體的個(gè)數(shù)。采集囊體的同時(shí)，以淺水Ⅱ型浮游生物網(wǎng)對(duì)強(qiáng)額孔雀水蚤進(jìn)行垂直拖網(wǎng)采樣，并計(jì)數(shù)其豐度。

1.4 攝食實(shí)驗(yàn)

于2018年6月以淺水Ⅱ型浮游生物網(wǎng)在S8站位附近垂直拖網(wǎng)，收集浮游動(dòng)物樣品并帶回實(shí)驗(yàn)室。在解剖鏡下分離強(qiáng)額孔雀水蚤成體，然后分別在16，20，24，28℃條件下暫養(yǎng)3 d以適應(yīng)環(huán)境，暫養(yǎng)時(shí)期以球等鞭金藻作為餌料。攝食實(shí)驗(yàn)以單細(xì)胞棕囊藻作為食物，投喂單細(xì)胞棕囊藻前先通過(guò)10 μm篩絹過(guò)濾以去除囊體。解剖鏡下挑選健康的強(qiáng)額孔雀水蚤成體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前24 h不投喂，在經(jīng)0.22 μm濾膜過(guò)濾的自然海水中暫養(yǎng)以排空腸道。攝食實(shí)驗(yàn)在250 mL燒杯中進(jìn)行，每個(gè)燒杯放養(yǎng)5只強(qiáng)額孔雀水蚤成體，培養(yǎng)體積150 mL，實(shí)驗(yàn)時(shí)間24 h，設(shè)4個(gè)溫度梯度(16，20，24，28℃)，每個(gè)梯度5組平行。實(shí)驗(yàn)同時(shí)設(shè)置不含捕食者組作為控制組，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校正。攝食率通過(guò)食物差減法獲得，按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，I表示橈足類的攝食率，cells·ind.-1·h-1；V表示實(shí)驗(yàn)瓶?jī)?nèi)水體體積，mL；N表示橈足類的個(gè)數(shù)，ind.；C0表示食物初始濃度，cells·mL-1；Ct表示控制組實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)食物濃度，cells·mL-1；Ctf表示實(shí)驗(yàn)組實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)細(xì)胞的濃度，cells·mL-1；t表示實(shí)驗(yàn)時(shí)間，h。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同網(wǎng)具采樣獲得的強(qiáng)額孔雀水蚤豐度

調(diào)查結(jié)果表明，小型網(wǎng)采集獲得的強(qiáng)額孔雀水蚤豐度比大型網(wǎng)高出2個(gè)數(shù)量級(jí)(表1)。以小型網(wǎng)進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)額孔雀水蚤豐度數(shù)量級(jí)在103時(shí)候，大型網(wǎng)調(diào)查所獲得的豐度只有101。調(diào)查期間，小型網(wǎng)捕獲的強(qiáng)額孔雀水蚤豐度是大型網(wǎng)的209倍到523倍(表1)。以往廣西近岸浮游動(dòng)物樣品的獲取多使用大型網(wǎng)采集(淺水Ⅰ型)。較之小型網(wǎng)(淺水Ⅱ型)，大型網(wǎng)采集嚴(yán)重低估強(qiáng)額孔雀水蚤的豐度。

表1 大型網(wǎng)和小型網(wǎng)拖網(wǎng)獲得的強(qiáng)額孔雀水蚤豐度Table 1 Abundance of P.crassirostris collected from small and big mesh-sized plankton net

2.2 廣西近岸強(qiáng)額孔雀水蚤的豐度

調(diào)查期間，廣西近岸強(qiáng)額孔雀水蚤豐度的最低值出現(xiàn)在1月份，為(1 005±886) ind.·m-3；最高值出現(xiàn)在2月份，為(10 723±5 168) ind.·m-3；年平均值為(5 878±3 373) ind.·m-3(圖2)。從折線圖看，從5月到12月，水體中強(qiáng)額孔雀水蚤的豐度變化與水溫變化趨勢(shì)類似，但從1月到4月則并不完全匹配。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，2月份的強(qiáng)額孔雀水蚤豐度與7月、9月的無(wú)顯著差異(P>0.05)，但2月份的水溫顯著低于7月和9月(P<0.05)。而1月和2月的水溫并無(wú)顯著差異(P>0.05)，但2月的豐度顯著高于1月(P<0.05)。

圖2 廣西近岸強(qiáng)額孔雀水蚤豐度的月變化Fig.2 Monthly variations of P.crassirostris abundance in coastal water of Guangxi

2.3 強(qiáng)額孔雀水蚤對(duì)單細(xì)胞棕囊藻的攝食

在16，20，24，28℃條件下，強(qiáng)額孔雀水蚤對(duì)單細(xì)胞棕囊藻的攝食率分別為(63.53±27.73)×103cells·ind.·h-1、(61.55±44.65)×103cells·ind.·h-1、(73.92±4.66)×103cells·ind.·h-1和(68.07±21.75)×103cells·ind.·h-1。雖然從平均值上看，24℃條件下強(qiáng)額孔雀水蚤對(duì)單細(xì)胞棕囊藻的攝食率最高，其次是28℃條件下，但是統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，不同溫度條件下強(qiáng)額孔雀水蚤對(duì)單細(xì)胞棕囊藻的攝食率并無(wú)顯著差異(P>0.05，圖3)。

圖3 不同溫度條件下強(qiáng)額孔雀水蚤對(duì)單細(xì)胞棕囊藻的攝食Fig.3 Ingestion rate of P.crassirostris on solitary cells of P.globosa under different temperature

2.4 強(qiáng)額孔雀水蚤豐度與棕囊藻囊體密度的關(guān)系

棕囊藻赤潮高發(fā)時(shí)候，在固定站位加密觀測(cè)強(qiáng)額孔雀水蚤豐度和棕囊藻囊體密度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)強(qiáng)額孔雀水蚤豐度峰值和棕囊藻囊體密度峰值錯(cuò)峰出現(xiàn)，棕囊藻囊體密度峰值出現(xiàn)在強(qiáng)額孔雀水蚤豐度的低值區(qū)。在強(qiáng)額孔雀水蚤豐度明顯降低1個(gè)多月后，棕囊藻囊體開(kāi)始形成。此后，強(qiáng)額孔雀水蚤豐度繼續(xù)降低，而棕囊藻囊體密度繼續(xù)增加，并達(dá)到峰值。而當(dāng)強(qiáng)額孔雀水蚤豐度再次到達(dá)峰值時(shí)，棕囊藻囊體完全消失(圖4)。

圖4 強(qiáng)額孔雀水蚤豐度和棕囊藻囊體密度的變化Fig.4 Variations of P.crassirostris abundance and colonies density of P.globosa

3 討論

3.1 網(wǎng)具對(duì)浮游動(dòng)物采樣結(jié)果的影響

海洋中型浮游動(dòng)物(Mesozooplankton)的數(shù)量很大一部分由橈足類貢獻(xiàn)[24]。然而在溫帶和熱帶海區(qū)的浮游生態(tài)系統(tǒng)中，小型橈足類(<1 mm)發(fā)揮著更加重要的作用[25]。由于網(wǎng)具選擇不恰當(dāng)，小型橈足類的作用常被忽略。有研究報(bào)道，如果用網(wǎng)孔大于200 μm的浮游生物網(wǎng)進(jìn)行采樣，將有92%的小型橈足類在拖網(wǎng)過(guò)程中逃逸，從而嚴(yán)重低估小型橈足類的豐度，進(jìn)而忽略其在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的作用[25,26]。當(dāng)前，我國(guó)近岸浮游動(dòng)物調(diào)查主要有淺水Ⅰ型(孔徑505 μm)和淺水Ⅱ型(孔徑160 μm)這兩種浮游生物網(wǎng)。雖然早有學(xué)者注意到網(wǎng)具的選擇對(duì)浮游動(dòng)物采樣的影響，然而廣西近岸的大部分海洋調(diào)查還是繼續(xù)采用大網(wǎng)孔的浮游生物網(wǎng)(505 μm)對(duì)浮游動(dòng)物進(jìn)行調(diào)查[19-20,22，23]。強(qiáng)額孔雀水蚤成體體長(zhǎng)為500-600 μm，屬于小型橈足類[18]。王榮等[22，23]在黃海的調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，用大型網(wǎng)采樣將低估2個(gè)數(shù)量級(jí)的強(qiáng)額孔雀水蚤等中小型橈足類的豐度。本研究的調(diào)查也證實(shí)，以淺水Ⅱ型浮游生物網(wǎng)采樣所獲得的強(qiáng)額孔雀水蚤豐度比淺水Ⅰ型高2個(gè)數(shù)量級(jí)(表1)。另外，本研究大型網(wǎng)和小型網(wǎng)調(diào)查中強(qiáng)額孔雀水蚤的豐度均比王榮等[22，23]的調(diào)查結(jié)果高幾倍，這表明廣西近岸強(qiáng)額孔雀水蚤的豐度高于黃海。同時(shí)，本研究大型網(wǎng)調(diào)查所獲得的強(qiáng)額孔雀水蚤豐度與其他學(xué)者以大型網(wǎng)在廣西近岸調(diào)查獲得的強(qiáng)額孔雀水蚤豐度結(jié)果類似，其豐度的數(shù)量級(jí)僅為101到102 [19，20]，這說(shuō)明以往的調(diào)查嚴(yán)重低估了廣西近岸強(qiáng)額孔雀水蚤的豐度。由于廣西近岸浮游動(dòng)物主要由小型浮游動(dòng)物組成[27]，為此，作者呼吁廣大海洋工作者，在對(duì)廣西近岸浮游動(dòng)物進(jìn)行調(diào)查時(shí)應(yīng)根據(jù)調(diào)查目的，選擇合適的網(wǎng)具。

3.2 強(qiáng)額孔雀水蚤對(duì)單細(xì)胞棕囊藻的攝食

浮游動(dòng)物的攝食受到其自身粒徑和食物顆粒大小的制約。根據(jù)Nejstgaard等[12]建立的甲殼動(dòng)物粒徑和棕囊藻攝食關(guān)系理論預(yù)測(cè)，從粒徑大小上看，單細(xì)胞棕囊藻粒徑3—9 μm[7]，強(qiáng)額孔雀水蚤是單細(xì)胞棕囊藻的最優(yōu)捕食者。大量的研究也已證明，強(qiáng)額孔雀水蚤可高效攝食3—9 μm的浮游植物[13-15]。本研究也表明，強(qiáng)額孔雀水蚤可高效攝食單細(xì)胞棕囊藻，從16℃到28℃，強(qiáng)額孔雀水蚤對(duì)單細(xì)胞棕囊藻的攝食率從(61.55±44.65)×103cells·ind.·h-1到(73.92±4.66)×103cells·ind.·h-1(圖3)，與其他研究者報(bào)道的強(qiáng)額孔雀水蚤攝食球等鞭金藻、威氏海鏈藻等大小接近的浮游植物的攝食率相當(dāng)[13-15]。雖然有研究認(rèn)為，某些棕囊藻株系可產(chǎn)生對(duì)捕食者有毒害作用的二甲基硫(DMS)和丙烯酸[28，29]，影響捕食者的攝食，但是筆者研究發(fā)現(xiàn)，北部灣株系并不會(huì)對(duì)捕食者的攝食造成影響(結(jié)果另文報(bào)道)。一般認(rèn)為單細(xì)胞棕囊藻主要被原生動(dòng)物攝食，不能被寬水蚤、紡錘水蚤和胸刺水蚤等橈足類大量攝食[7,9-11]。本研究結(jié)果表明，強(qiáng)額孔雀水蚤對(duì)單細(xì)胞棕囊藻的攝食率是寬水蚤、紡錘水蚤和胸刺水蚤的3—8倍。鞭毛蟲(chóng)和纖毛蟲(chóng)是海洋中主要的原生動(dòng)物，強(qiáng)額孔雀水蚤對(duì)單細(xì)胞棕囊藻的攝食率是腰鞭毛蟲(chóng)的153倍，是纖毛蟲(chóng)的7倍[16，17]。更重要的是，強(qiáng)額孔雀水蚤的壽命遠(yuǎn)長(zhǎng)于原生動(dòng)物，對(duì)棕囊藻造成持續(xù)的攝食壓力。另外，強(qiáng)額孔雀水蚤等小型橈足類還是原生動(dòng)物的主要捕食者[16，17,30]。由于營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)的存在，強(qiáng)額孔雀水蚤等小型橈足類不僅直接攝食單細(xì)胞棕囊藻，還控制著原生動(dòng)物對(duì)單細(xì)胞棕囊藻的攝食。由于本研究在攝食實(shí)驗(yàn)中沒(méi)考慮原生動(dòng)物的作用，這可能高估強(qiáng)額孔雀水蚤的攝食能力。

3.3 廣西近岸強(qiáng)額孔雀水蚤對(duì)棕囊藻的下行控制

赤潮的發(fā)生是浮游植物上行控制和下行控制之間的平衡被打破，浮游植物生物量迅速累積的結(jié)果[4]。棕囊藻形成囊體后可逃避絕大多數(shù)捕食者的捕食[1,31]，因此認(rèn)識(shí)捕食者對(duì)單細(xì)胞棕囊藻的下行控制對(duì)揭示棕囊藻赤潮的發(fā)生機(jī)理具有重要意義。由于以往的調(diào)查網(wǎng)具選擇不恰當(dāng)，廣西近岸強(qiáng)額孔雀水蚤豐度被低估(表1)。實(shí)際上，強(qiáng)額孔雀水蚤在廣西近岸常年存在，且除個(gè)別月份外，其密度均大于3 000 ind.·m-3，甚至在某些站位高達(dá)50 000 ind.·m-3(圖2)。強(qiáng)額孔雀水蚤不僅密度大，而且對(duì)單細(xì)胞棕囊藻的攝食率也高(圖3)。單就大小而言，根據(jù)攝食粒徑理論，從無(wú)節(jié)幼體到成體，強(qiáng)額孔雀水蚤都是最優(yōu)的捕食單細(xì)胞棕囊藻的甲殼動(dòng)物[12]。雖然強(qiáng)額孔雀水蚤只攝食單細(xì)胞棕囊藻而不直接攝食囊體，但是在棕囊藻赤潮高發(fā)季節(jié)的加密觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，棕囊藻的囊體密度最高值與強(qiáng)額孔雀水蚤豐度的高值錯(cuò)峰出現(xiàn)(圖4)。在不考慮囊體碎片重新形成囊體的情況下，棕囊藻囊體由單細(xì)胞發(fā)展而成，因?yàn)樗w中單細(xì)胞密度與囊體密度是相互關(guān)聯(lián)的，所以即便不是直接攝食，強(qiáng)額孔雀水蚤豐度與棕囊藻囊體密度的關(guān)系曲線依然與熱帶捕食者與被捕食者的豐度關(guān)系曲線類似。棕囊藻是適應(yīng)性很強(qiáng)的廣布種，在高溫季節(jié)也可以形成囊體[32-36]。但到目前為止，廣西近岸的棕囊藻赤潮只在冬春兩季發(fā)生，這可能與高溫季節(jié)小型浮游動(dòng)物的密度更高，從而下行控制加強(qiáng)有關(guān)。強(qiáng)額孔雀水蚤是近岸廣布種，其適應(yīng)的溫度范圍從5℃到33℃[18]，調(diào)查海區(qū)的水溫度變化不足以對(duì)其生長(zhǎng)造成影響。而調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雖然5月到12月的強(qiáng)額孔雀水蚤豐度變化趨勢(shì)與水溫的變化趨勢(shì)類似，但其豐度變化趨勢(shì)在1月到4月卻與水溫不匹配(圖2)。這一趨勢(shì)可能是水溫對(duì)強(qiáng)額孔雀水蚤的食物和捕食者共同影響的結(jié)果。相似的，在廣西近岸水溫范圍內(nèi)，溫度的變化并不會(huì)對(duì)強(qiáng)額孔雀水蚤攝食單細(xì)胞棕囊藻產(chǎn)生顯著的影響(圖3)。綜上所述，以強(qiáng)額孔雀水蚤為代表的小型橈足類可能在廣西近岸單細(xì)胞棕囊藻的下行控制中發(fā)揮重要的作用，應(yīng)在后續(xù)的研究中給予重視。

4 結(jié)論

由于采樣網(wǎng)具選擇不恰當(dāng)，以往的調(diào)查低估廣西近岸強(qiáng)額孔雀水蚤的豐度。實(shí)際上，有大量豐度的強(qiáng)額孔雀水蚤在廣西近岸常年存在。鑒于強(qiáng)額孔雀水蚤對(duì)單細(xì)胞棕囊藻的高效攝食，推測(cè)其可能在棕囊藻的下行控制中發(fā)揮著重要的作用。建議海洋工作者在研究廣西近岸棕囊藻赤潮的發(fā)生機(jī)理時(shí)，應(yīng)重視以強(qiáng)額孔雀水蚤為代表的小型橈足類的下行控制作用。