春季西沙永樂龍洞浮游植物的晝夜垂直分布特征*

葛汝平， 傅 亮， 畢乃雙， 陳 暢， 劉光興， 莊昀筠， 楊作升， 范德江， 姚 鵬， 陳洪舉**

(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. 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266200；3. 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； 4. 三沙航跡珊瑚礁保護(hù)研究所， 海南 三沙573199；5. 中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島266100；6. 中國海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島266100)

海洋藍(lán)洞是與外界水體隔絕的寡營養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)，表層通過潮汐作用與海水進(jìn)行微弱的水體交換[1]。藍(lán)洞內(nèi)部由于光照不足、營養(yǎng)物質(zhì)缺乏及水體動(dòng)力學(xué)交換水平低[2]，初級(jí)生產(chǎn)力水平較低。藍(lán)洞溫度和鹽度層化現(xiàn)象明顯[3]，而溫、鹽躍層是影響浮游植物垂直分布的重要因素[4]，藍(lán)洞內(nèi)部溫鹽層化現(xiàn)象也可能對(duì)浮游植物的垂直分布產(chǎn)生顯著的影響。

海洋藍(lán)洞深層無光、寡營養(yǎng)及水體動(dòng)力學(xué)交換水平低等特殊的環(huán)境特征，形成特殊的棲息地和生態(tài)位[5]。Garrabou等[6]在地中海藍(lán)洞(Medes Island cave)發(fā)現(xiàn)，浮游生物物種豐富度和生物量隨深度增加逐漸下降。硅藻對(duì)尤卡坦半島藍(lán)洞(Casa cenote)浮游植物的物種豐富度貢獻(xiàn)最大，占總種類數(shù)的75%[7]。Iliffe等[8]發(fā)現(xiàn)在藍(lán)洞深層無光環(huán)境中沒有浮游植物生存，無光合作用產(chǎn)生氧氣。而藍(lán)洞內(nèi)部穩(wěn)定且層化的水體限制了深層水和表層水的垂直混合及氧氣交換，導(dǎo)致藍(lán)洞下層缺氧形成無氧層。此外，水體層化會(huì)成為生物垂直移動(dòng)的物理屏障，導(dǎo)致藍(lán)洞不同水層的浮游植物粒徑不同[7]。

雖然國外學(xué)者對(duì)海洋藍(lán)洞的浮游植物開展了許多研究，但針對(duì)藍(lán)洞浮游植物晝夜變化及與外礁坡區(qū)別的研究尚未見報(bào)道。南海西沙永樂龍洞是世界上最深的海洋藍(lán)洞，內(nèi)部水體存在多個(gè)溫鹽躍層，且90 m以下水體為無氧環(huán)境[9]。永樂龍洞內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)海洋生物群落的分布及其與南海開闊水域的差異目前尚不了解。浮游植物(包括微微型、微型和小型浮游植物)作為海洋生態(tài)系統(tǒng)主要的生產(chǎn)者，在其能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)過程中起著至關(guān)重要的作用[10]。永樂龍洞浮游植物如何分布、晝夜變化及與外礁坡和潟湖中浮游植物分布有何異同，都值得深入分析和研究。

為了解南海永樂龍洞浮游植物的群落特征和晝夜垂直分布，本研究分別在日間和夜間通過采水的方式對(duì)永樂龍洞、潟湖及外礁坡的微微型浮游植物、微型和小型浮游植物及葉綠素a進(jìn)行樣品采集，研究龍洞浮游植物的晝夜垂直分布及其與潟湖和外礁坡的差異性，以期為南海龍洞浮游植物生態(tài)學(xué)研究提供基礎(chǔ)性資料。

1 材料與方法

2017年3月在三沙永樂龍洞(14日夜間、17日白天)、澙湖(13日)及外礁坡(22日)乘漁船進(jìn)行浮游生態(tài)調(diào)查(見圖1)。樣品的保存、分析均按照《海洋調(diào)查規(guī)范》[11]進(jìn)行。溫度、鹽度及水深等環(huán)境因子采用SBE 19 plus型(溫、鹽、深和濁度)和JFE-Advantech公司ASTD 102型(溫、鹽、深、溶解氧、葉綠素、濁度)CTD的聯(lián)合觀測(cè)獲得。

圖1調(diào)查站位圖Fig.1 Map of sampling stations

使用5 L Niskin采水瓶于龍洞(0、5、10、20、40、60、80、90、100、150 m)、潟湖(0 m)及外礁坡(0、10、150、200 m)采集海水。每層海水采集1 L水樣，避光保存于終濃度為2%的中性魯哥氏液中，用于微型和小型浮游植物形態(tài)鑒定與計(jì)數(shù)。分級(jí)過濾(5和0.45 μm)500 mL的海水，過濾后將濾膜包裹于鋁箔包內(nèi)，置于液氮中避光保存用于測(cè)定葉綠素a(日間10 m層、20 m層、150 m層和夜間150 m層5 μm濾膜采集的葉綠素a樣品缺失；夜間150 m層0.45 μm濾膜采集的樣品缺失；潟湖表層樣品僅使用0.45 μm濾膜過濾)。微微型浮游植物樣品，取10 mL海水加入2 mL多聚甲醛溶液，避光固定15 min，液氮保存。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)微型和小型浮游植物樣品進(jìn)行濃縮處理，使用0.1 mL計(jì)數(shù)框于Nikon YS100生物顯微鏡下進(jìn)行種類鑒定并計(jì)數(shù)。

葉綠素a樣品采用熒光分析儀測(cè)定。在低溫避光的條件下將濾膜浸泡于10 mL濃度為90%的丙酮中萃取24 h。離心機(jī)離心后取其上清液，使用熒光光度計(jì)(F-4500)進(jìn)行測(cè)定。

采用流式細(xì)胞儀(BD FACSCalibur, 488 nm)對(duì)微微型浮游植物進(jìn)行分析。將深度冰凍的樣品放置在冰水浴中緩慢解凍，取995 μL樣品加入內(nèi)標(biāo)5 μL熒光小球(Polysciences Co.，USA)，混勻后注入流式細(xì)胞測(cè)定儀，激發(fā)光波長為488 nm。通過CellQuest軟件(BDCo.)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

葉綠素a濃度、微微型浮游植物、微型和小型浮游植物豐度的垂直分布圖均采用Origin8.5繪制。

2 結(jié)果

2.1 葉綠素a

龍洞日間和夜間葉綠素a濃度均呈現(xiàn)隨深度先增加后減小的趨勢(shì)。龍洞日間葉綠素a濃度最大值(0.42 μg/L)出現(xiàn)在40 m層；龍洞夜間葉綠素a濃度最大值(0.59 μg/L)出現(xiàn)在20 m層；龍洞日間和夜間90 m水層均未檢測(cè)到葉綠素a。潟湖表層葉綠素a濃度0.09 μg/L，略高于龍洞表層葉綠素a濃度(日間：0.04 μg/L；夜間：0.08 μg/L)。0.45～5 μm粒徑范圍的葉綠素a濃度高于粒徑大于5 μm的葉綠素a濃度(見圖2)。

圖2 葉綠素a垂直分布Fig.2 Vertical distribution of chlorophyll a

2.2 微微型浮游植物

龍洞日間微微型浮游植物豐度最大值層出現(xiàn)在表層，豐度高達(dá)3.2×104cells/mL；最小值出現(xiàn)在60 m層，豐度僅為1.6×103cells/mL。夜間微微型浮游植物的豐度最大值層出現(xiàn)在20 m水層，豐度高達(dá)5.1×104cells/mL；最小值出現(xiàn)在100 m水層，豐度為1.1×103cells/mL。外礁坡微微型浮游植物豐度隨水深呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。其豐度最大值(3.0×104cells/mL)出現(xiàn)在表層；最小值(4.6×103cells/mL)出現(xiàn)在200 m層。潟湖表層微微型浮游植物豐度為1.3×103cells/mL，低于龍洞及外礁坡(見圖3a)。

龍洞日間聚球藻(Synechococcus)主要集中在0～40 m水層，40 m以下水層豐度較低。聚球藻豐度最大值層出現(xiàn)在20 m層，豐度為1.4×104cells/mL；豐度最小值出現(xiàn)在150 m層，豐度僅為0.4×103cells/mL；夜間聚球藻主要出現(xiàn)在0～20 m水層，20 m以下水層豐度低。其豐度最大值層出現(xiàn)在10 m層，豐度為4.1×104cells/mL；豐度最小值出現(xiàn)在150 m層，豐度為0.6×103cells/mL。外礁坡聚球藻豐度隨水深呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，表層是豐度最大值層，豐度為1.5×104cells/mL。潟湖表層聚球藻豐度為1.7×103cells/mL，遠(yuǎn)低于龍洞夜間和外礁坡表層聚球藻豐度。

龍洞日間原綠球藻(Prochlorococcus)表層豐度為2.9×104cells/mL，是其豐度最大值層；豐度最小值層出現(xiàn)在60 m層，豐度為0.6×103cells/mL。夜間原綠球藻豐度最大值層出現(xiàn)在40 m層，豐度為1.8×104cells/mL，最小值出現(xiàn)在100 m層，豐度為0.3×103cells/mL。外礁坡原綠球藻最大值層出現(xiàn)在10 m層，豐度為1.7×104cells/mL；最小值層為200 m層，豐度為4.5×103cells/mL。潟湖表層原綠球藻豐度為4.0×103cells/mL，低于龍洞日間和外礁坡表層原綠球藻豐度。

龍洞內(nèi)微微型真核浮游植物(Picoeukaryotes)主要集中在0～60 m水層，下層水體豐度低。日間微微型真核浮游植物豐度最大值層出現(xiàn)在40 m層，豐度為2.7×103cells/mL；夜間豐度最大值層出現(xiàn)在20 m層，豐度為9.5×103cells/mL。外礁坡微微型真核浮游植物主要出現(xiàn)在上層(0～10 m),而下層水體(150和200 m)豐度極低。潟湖微微型真核浮游植物的豐度為0.7×102cells/mL，低于龍洞內(nèi)部和外礁坡微微型真核浮游植物豐度(見圖3)。

2.3 微型和小型浮游植物

本研究共記錄微型和小型浮游植物5門41屬55種(含未定種)，其中，硅藻(34種)和甲藻(15種)物種最多，分別占總種類數(shù)的63.0%和27.8%。龍洞日間與夜間微型和小型浮游植物總種類數(shù)均為34種，潟湖種類數(shù)僅有18種，外礁坡總種類數(shù)為24種(見表1)。雙鞭毛藻、菱形藻、藍(lán)藻及隱藻是本研究中豐度較高的種類，束毛藻僅在外礁坡表現(xiàn)出較高的豐度，石囊藻僅在龍洞日間豐度較高。

龍洞日間浮游植物豐度最大值出現(xiàn)在40 m層(9.8×104cells/L)，豐度最小值出現(xiàn)在100 m層(0.4×103cells/L)。夜間浮游植物豐度隨水深增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在20 m層(4.1×104cells/L)，最小值出現(xiàn)在150 m層(0.3×103cells/L)。外礁坡浮游植物豐度最大值出現(xiàn)在表層(6.8×104cells/L)，潟湖表層浮游植物豐度為1.3×103cells/L(見圖4)。

龍洞日間硅藻豐度最大值出現(xiàn)在5 m層(1.6×103cells/L)，夜間最大值出現(xiàn)在表層(1.7×103cells/L)。外礁坡硅藻豐度最大值出現(xiàn)在200 m層(4.2×103cells/L)。潟湖內(nèi)硅藻豐度為0.7×103cells/L，低于龍洞和外礁坡表層硅藻豐度。

甲藻在龍洞日間豐度均較低，最大值出現(xiàn)在10 m層(1.2×103cells/L)，夜間甲藻主要集中在20和80 m層，20 m層是其豐度最大值層(2.8×104cells/L)。外礁坡甲藻豐度最大值出現(xiàn)在表層(2.1×104cells/L)，高于其它層甲藻豐度。潟湖甲藻表層豐度為0.6×103cells/L，與龍洞表層豐度相近，小于外礁坡表層甲藻豐度。

龍洞日間隱藻在各層分布較均勻，最大值層出現(xiàn)在150 m層(0.7×103cells/L)；夜間主要集中在20 m層(1.3×104cells/L)，高于其他水層隱藻豐度。外礁坡隱藻主要出現(xiàn)在下層水體，上層水體未采集到隱藻。潟湖表層也未采集到隱藻。

藍(lán)藻日間主要出現(xiàn)在龍洞的40 m層，豐度為9.8×104cells/L，其他水層均未出現(xiàn)藍(lán)藻；夜間主要集中在40 m層，豐度為1.9×104cells/L。外礁坡藍(lán)藻主要集中在表層，豐度為4.6×104cells/L，下層水體未采集到藍(lán)藻。潟湖表層水體未采集到藍(lán)藻。

(a.總豐度；b.聚球藻；c.原綠球藻；d.微微型真核浮游植物。a. Total abundance; b. Synechococcus; c. Prochlorococcus; d. Picoeukaryotes.)

類群Taxa種類數(shù) Species number豐度Abundance/cells·L-1龍洞夜間Blue hole nighttime龍洞日間Blue hole daytime潟湖Lagoon外礁坡Outer reef slopes總種類數(shù)Total species龍洞夜間Blue hole nighttime龍洞日間Blue hole daytime潟湖Lagoon外礁坡Outer reef slopes硅藻①2121813345.5×1035.4×1030.7×1036.0×103甲藻②11937155.0×1044.6×1030.6×1032.3×104隱藻③110111.6×1042.5×1030.00.8×103藍(lán)藻④120232.0×1049.8×1040.04.6×104金藻⑤010110.00.1×1030.00.6×102合計(jì)⑥34341124559.1×1041.1×1051.3×1037.6×104

Note:①Bacillariophyta;②Dinophyta;③Cryptophyta; ④Cyanophyta;⑤Chrysophyta;⑥Total

2.4 永樂龍洞理化參數(shù)

永樂龍洞水體理化參數(shù)由同航次CTD采集獲得，水體多參數(shù)剖面顯示：洞內(nèi)存在多個(gè)溫鹽躍層，其中50 m水深處躍層最強(qiáng)；葉綠素a濃度垂向分布表現(xiàn)為多峰特征，90 m水層是其濃度最大值層；溶解氧垂向變化頗為復(fù)雜，在溫鹽躍層處迅速降低，且在90 m水層處降至0，即無氧狀態(tài)。

(a.總豐度；b.硅藻；c.甲藻；d.隱藻; e.藍(lán)藻。 a.Total abundance; b.Bacillariophyta; c.Dinophyta; d.Cryptophyta; e. Cyanophyta.)

3 討論

南海由于受到上升流、內(nèi)波等影響，葉綠素a濃度垂直梯度明顯[12]，垂向變化多為單峰型，最大值常出現(xiàn)在次表層(春、夏季為75 m；冬季為50 m)，表層和深層(>100 m)濃度都較低[13-14]。與南海開闊水域相比，龍洞葉綠素a濃度最大值出現(xiàn)的水層較淺，日間葉綠素a濃度最大值出現(xiàn)在40 m層(0.42 μg/L)，夜間出現(xiàn)在20 m層(0.59 μg/L)，高于南海開闊水域葉綠素a濃度(0.24 μg/L)[14]。與潟湖表層相比，龍洞表層葉綠素a濃度更低，其原因可能是潟湖內(nèi)水深較淺，浮游植物都集中在表層。龍洞90 m水層處日間和夜間均未檢測(cè)到葉綠素a(見圖2)，而微微型、微型及小型浮游植物均在90 m層出現(xiàn)，其產(chǎn)生原因目前尚不明確，有待進(jìn)一步研究。

南海原綠球藻平均豐度高于聚球藻和微微型真核浮游植物，原綠球藻和微微型真核浮游植物主要分布在100 m以淺的水層，聚球藻則分布在75 m以淺的水層[15-16]。永樂龍洞微微型浮游植物與南海存在顯著差異：龍洞夜間上層(5～20 m)聚球藻豐度比原綠球藻和微微型真核浮游植物高出1個(gè)數(shù)量級(jí)，而原綠球藻豐度在40 m以下的水層高于聚球藻和微微型真核浮游植物(見圖3)。相較于聚球藻和原綠球藻，微微型真核浮游植物在洞內(nèi)豐度最低，這與南海的研究結(jié)果一致[15]。其原因可能是微微型真核藻對(duì)營養(yǎng)的吸收、利用及環(huán)境承受能力相對(duì)較差，在競(jìng)爭(zhēng)中不占優(yōu)勢(shì)，豐度較低[17]。

永樂龍洞微微型浮游植物晝夜變化顯著。日間微微型浮游植物豐度最大值出現(xiàn)在表層，原綠球藻對(duì)其貢獻(xiàn)率最高，聚球藻豐度較低；而夜間最大值轉(zhuǎn)移至20 m層，原綠球藻豐度明顯降低，聚球藻成為其豐度貢獻(xiàn)率最大的類群。聚球藻豐度明顯的晝夜變化主要集中在龍洞上層水體(0～20 m)，20 m以下水層變化微小。原綠球藻日間豐度最大值出現(xiàn)在表層，遠(yuǎn)高于其他水層，夜間豐度最大層則下移至40 m。微微型真核浮游植物夜間豐度最大值出現(xiàn)在20 m層，而40 m層是其日間豐度最大層。外礁坡聚球藻和原綠球藻的垂直分布與龍洞也存在明顯不同。外礁坡聚球藻豐度最大值出現(xiàn)在表層，而龍洞內(nèi)豐度最大值出現(xiàn)在次表層(日間：20 m層；夜間：10 m層)；外礁坡原綠球藻最大值出現(xiàn)在10 m層，而龍洞表層原綠球藻豐度最高。潟湖表層微微型浮游植物豐度低于龍洞和外礁坡，原綠球藻是其豐度最高的類群，聚球藻次之，這與龍洞和外礁坡表層微微型浮游植物的組成相似。

本研究共鑒定微型和小型浮游植物5門41屬55種(含未定種)，總種類數(shù)遠(yuǎn)小于南海觀測(cè)資料[18-19](見表2)。永樂龍洞浮游植物硅藻的種類數(shù)最多，其次為甲藻(見表1)，這與南海的研究結(jié)果相吻合[18-20]。龍洞微型和小型浮游植物的生物多樣性高于潟湖和外礁坡，與浮游動(dòng)物的同步觀測(cè)結(jié)果一致[21]。其原因可能是龍洞內(nèi)部空間異質(zhì)性更高，從而提高了生物多樣性[22]。

南海浮游植物以硅藻為主，其豐度占浮游植物總豐度的90%以上；甲藻次之，其豐度約占浮游植物總豐度的5%以內(nèi)；金藻和藍(lán)藻豐度較低[18, 23-24]。本研究中硅藻豐度未表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，甲藻對(duì)浮游植物總豐度的貢獻(xiàn)高于硅藻，與南海歷史研究資料存在顯著差異。此外，龍洞浮游植物主要集中在20～80 m層，而表層和底層豐度低，這與南海浮游植物在上層水體豐度高的結(jié)論[25-26]也存在明顯的差別。與南海北部浮游植物的研究[18-19, 25]比(見表2)，龍洞內(nèi)浮游植物豐度處于較高水平。

外礁坡浮游植物豐度最大值層出現(xiàn)在表層，且甲藻和藍(lán)藻對(duì)其豐度貢獻(xiàn)率最高，與龍洞內(nèi)浮游植物的垂直分布存在顯著差異。龍洞內(nèi)硅藻主要集中在80 m以上的水層，80 m以下水層豐度較低，而外礁坡硅藻集中在200 m層，其原因可能是龍洞內(nèi)水體層化嚴(yán)重，垂向混合作用微弱，上層硅藻難以通過垂向混合作用進(jìn)入下層水體。外礁坡和龍洞內(nèi)的甲藻和藍(lán)藻均集中在單一水層，且垂向分布差異明顯。潟湖表層浮游植物主要以硅藻和甲藻為主，與龍洞表層浮游植物組成相似。

表2 永樂龍洞浮游植物與南海相關(guān)研究的比較Table 2 Comparison of phytoplankton in Yongle blue hole and South China Sea

微型和小型浮游植物豐度最大值出現(xiàn)在20～40 m層，晝夜變化顯著，這與浮游動(dòng)物的分布趨勢(shì)類似[21]。硅藻和甲藻作為微型和小型浮游植物的重要類群，也表現(xiàn)出明顯的晝夜變化。硅藻日間主要分布在上層水體(0～20 m)，而夜間集中在0～5 m水層和60～80 m水層。夜間甲藻在龍洞20和80 m水層處豐度極高，而日間甲藻在各水層豐度均較低(見圖4c)。本研究中藍(lán)藻的晝夜變化較為特殊，日間藍(lán)藻僅出現(xiàn)在40 m層，且豐度極高，夜間集中出現(xiàn)在60 m層，其具體成因還有待于進(jìn)一步的調(diào)查和研究。隱藻雖然在之前南海的研究中很少提及[18, 20]，但本次研究中隱藻也表現(xiàn)出明顯的晝夜變化，且與葉綠素a晝夜變化存在較高的一致性(見圖2、4d)。

Iliffe等[8]發(fā)現(xiàn)在藍(lán)洞深層的無光環(huán)境中沒有浮游植物生存，無法光合作用產(chǎn)生氧氣。本研究在溶解氧降至0的90 m及以下水層，仍然檢測(cè)到浮游植物(見圖3、4)，但其是否在90 m以下水層存活目前尚未可知，有待后續(xù)的觀測(cè)和驗(yàn)證。南海龍洞作為目前世界上最深的藍(lán)洞，其水深與外界水體的交換量及水體理化環(huán)境等因素與其他海洋藍(lán)洞必然會(huì)存在差異，而這些差異都可能會(huì)對(duì)藍(lán)洞內(nèi)部浮游植物的分布產(chǎn)生影響。產(chǎn)生該差異的原因尚不明確，有待進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

(1)本研究共記錄微型和小型浮游植物5門41屬55種(含未定種)。其中，硅藻(34種)和甲藻(15種)種類數(shù)最多，分別占總種類數(shù)的63.0%和27.8%。日間龍洞豐度最高的類群為甲藻(5.0×104cells/L)，而夜間藍(lán)藻豐度最高(9.8×104cells/L)。

(2)永樂龍洞浮游植物垂直分布晝夜變化明顯。微微型浮游植物日間豐度最大值出現(xiàn)在表層，而夜間轉(zhuǎn)移至20 m層；微型和小型浮游植物日間豐度最大值層出現(xiàn)在40 m層，夜間則上移至20 m層。

(3)龍洞內(nèi)微微型浮游植物豐度的垂向分布與外礁坡具有一定的相似性，上層豐度均高于下層；而潟湖表層微微型浮游植物豐度低于龍洞內(nèi)。龍洞內(nèi)微型和小型浮游植物生物多樣性高于潟湖和外礁坡。

致謝：感謝三沙航跡珊瑚礁保護(hù)研究所瓊瓊海漁03138號(hào)考察船船長陳宜川及全體船員在調(diào)查過程中提供了后勤支持和協(xié)助，馬洪林、陳霖、楊迪松等協(xié)助采樣，在此一并致謝。