南亞熱帶磷限制水庫(kù)中浮游植物群落對(duì)氮磷比變化的響應(yīng)

潘靜云, 楊陽(yáng), 韓博平

南亞熱帶磷限制水庫(kù)中浮游植物群落對(duì)氮磷比變化的響應(yīng)

潘靜云1, 楊陽(yáng)2*, 韓博平1

(1. 暨南大學(xué)水生生物研究所, 廣州 510632; 2. 貴州師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025)

為了解P限制水體中浮游植物群落對(duì)N、P營(yíng)養(yǎng)鹽的響應(yīng)，通過(guò)添加N、P營(yíng)養(yǎng)鹽設(shè)置N/P梯度，對(duì)廣東省流溪河水庫(kù)中的浮游植物群落進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，添加N、P顯著促進(jìn)浮游植物的生長(zhǎng)，浮游植物群落受P鹽的影響比N鹽顯著;藻類的種屬特異性導(dǎo)致浮游植物群落對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的響應(yīng)不一致，浮游植物總豐度與N/P比值不相關(guān)，其中隱球藻(sp.)、擬柱胞藻()和假魚腥藻(sp.)等藍(lán)藻適合在高N高P條件下生長(zhǎng), 雙對(duì)柵藻()等綠藻優(yōu)勢(shì)種偏好中N高P環(huán)境，而曲殼藻(sp)、小環(huán)藻(sp.)等硅藻在低N低P的環(huán)境下占據(jù)優(yōu)勢(shì)；P濃度為0.8~2.0mol/L時(shí)存在誘導(dǎo)浮游植物堿性磷酸酶活性的閾值，當(dāng)P濃度大于2.0mol/L時(shí)則抑制酶活性; P濃度為2.0mol/L可能是浮游植物維持生長(zhǎng)的最適濃度，浮游植物N/P維持動(dòng)態(tài)平衡；藻細(xì)胞N/P、C/P與水體P濃度、N/P呈顯著正相關(guān)，而藻細(xì)胞C/N受N影響更明顯(<0.05)。這為熱帶亞熱帶水庫(kù)的水質(zhì)管理提供了理論參考。

浮游植物群落；氮磷比；堿性磷酸酶；藻；元素

Redfield比值[1]是指養(yǎng)分不受限制時(shí)，藻類健康生長(zhǎng)和生理平衡的元素比值關(guān)系為C/N/P=106/ 16/1。然而，許多研究[2–3]表明，有機(jī)體的化學(xué)計(jì)量C/N/P比值在不同的環(huán)境中存在差異。N和P是浮游植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，不僅絕對(duì)濃度能夠影響藻類的生長(zhǎng)，其比率(N/P)也直接影響藻類生長(zhǎng)、細(xì)胞組成及其對(duì)營(yíng)養(yǎng)的攝取效率。宋玉芝等[4]報(bào)道N/P為25時(shí)浮游藻類及附著植物的生物量隨水體N濃度的升高而顯著增加；Stockner等[5]報(bào)道，N/P比值從15提高到25時(shí)水體中的優(yōu)勢(shì)種從魚腥藻(sp.)逐漸發(fā)展為聚球藻(sp.)；純種或混合培養(yǎng)體系中，N/P比不僅影響藻類的最大現(xiàn)存量，還影響藻類種間競(jìng)爭(zhēng)的抑制參數(shù)、比生長(zhǎng)速率等[6–7]。研究表明，在一定范圍內(nèi)，N/P的降低有利于甲藻占優(yōu)勢(shì)，高N/P (256/1)則對(duì)硅藻生長(zhǎng)有明顯促進(jìn)作用[8]，而藍(lán)藻水華更容易出現(xiàn)在低N/P下的超富營(yíng)養(yǎng)水庫(kù)中[9–10]。因此水體N、P供應(yīng)及其比率影響著浮游植物種間競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)浮游植物群落的結(jié)構(gòu)和演替有重要的決定作用[11]。

廣東省地處熱帶亞熱帶北沿，區(qū)域季節(jié)性降雨較充足，水體常年溫度較高，輻射較強(qiáng)，有助于浮游植物的全年生長(zhǎng)，同時(shí)也提高了浮游植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的需求[12]。然而，熱帶亞熱帶水庫(kù)中磷酸鹽長(zhǎng)期維持在低濃度水平，P成為浮游植物生長(zhǎng)的限制因子[13–15]。浮游植物在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中可以通過(guò)調(diào)整其化學(xué)計(jì)量比(C/N/P)來(lái)改變生長(zhǎng)速率，從而適應(yīng)營(yíng)養(yǎng)鹽限制環(huán)境[16–17]，還能通過(guò)分泌胞內(nèi)外堿性磷酸酶，通過(guò)裂解水體中的有機(jī)磷為無(wú)機(jī)磷[18], 供自身生長(zhǎng)所需；此外，一些水華藻類如擬柱胞藻[19]對(duì)低磷環(huán)境有著特殊的適應(yīng)機(jī)制，能超額富集水體中較低濃度的P，這些特性使得這些水華藍(lán)藻能夠在P限制的水體中大量生長(zhǎng)。本研究選取了一座典型低磷水平的南亞熱帶水庫(kù)，其全年水體的平均N/P比接近90/1[20]，通過(guò)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的添加試驗(yàn)來(lái)探究自然磷限制水體中浮游植物群落對(duì)不同氮磷比營(yíng)養(yǎng)鹽的響應(yīng)。本研究從群落水平研究了營(yíng)養(yǎng)鹽的相對(duì)濃度對(duì)浮游植物的影響，為廣東省熱帶亞熱帶水庫(kù)的湖沼學(xué)研究和水質(zhì)管理提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)藻種來(lái)源和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019年2月20日于廣東省流溪河水庫(kù)取表層原水，經(jīng)60m濾網(wǎng)過(guò)濾浮游動(dòng)物以及懸浮大顆粒物后，置于容量桶中帶回實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定原水的溶解態(tài)N濃度、溶解態(tài)P濃度、堿性磷酸酶活性(APA)、藻細(xì)胞C、N、P等指標(biāo)作為初始值；原水為試驗(yàn)培養(yǎng)用水，原水中的浮游植物即為試驗(yàn)浮游植物群落的來(lái)源。取搖晃均勻的原水400 mL分裝于T175細(xì)胞培養(yǎng)瓶(TC-Flasche T175，Stand，Vent. Cap), 為避免其他營(yíng)養(yǎng)元素限制，事先已加入無(wú)N、P的WC培養(yǎng)基[21]。

基于經(jīng)典的Redfield比值，即N/P比為16的閾值，我們認(rèn)為該水庫(kù)浮游植物主要受到P鹽的限制，N鹽十分充足。處理組N/P濃度的設(shè)置中N最低為原水本身的濃度，即N1濃度(41.1mol/L)，N絕對(duì)濃度以20mol/L為梯度增加，而P最低是高于原水的P3濃度(0.8mol/L)，P絕對(duì)濃度以1.2mol/L為梯度增加，共設(shè)計(jì)9組N/P處理組, 1組空白對(duì)照(表1)。每組設(shè)3個(gè)平行, 試驗(yàn)期間不再添加營(yíng)養(yǎng)元素。培養(yǎng)條件：溫度為(25±1)℃、光周期為12 h/12 h、光照強(qiáng)度為40mol/(m2·s)，每天定時(shí)搖動(dòng)藻液1次，隨機(jī)移動(dòng)藻瓶位置，避免光照不均勻。

1.2 生長(zhǎng)時(shí)期確定

隔天搖勻藻液，并移取于離心管中，用分光光度計(jì)在680 nm波長(zhǎng)下測(cè)定OD值，以天數(shù)為橫坐標(biāo)、OD值為縱坐標(biāo)繪制浮游植物生長(zhǎng)曲線來(lái)確定浮游植物生長(zhǎng)時(shí)期，最終確定試驗(yàn)開(kāi)始的第1天為初始期,第13天為指數(shù)期，第21天為穩(wěn)定期。

1.3 藻細(xì)胞胞內(nèi)C、N、P含量測(cè)定

藻液過(guò)濾到酸化預(yù)處理后的玻璃纖維濾膜(Whatman GF/C，孔徑1.2m)上，烘干儲(chǔ)存于干燥器中。使用元素分析儀(型號(hào)Vario EL)進(jìn)行C、N含量分析；藻細(xì)胞P含量采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893-89)。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的N、P濃度和N/P

1.4 堿性磷酸酶活性的測(cè)定

采用對(duì)硝基磷酸苯二鈉法[22]測(cè)定水樣堿性磷酸酶活性(APA)，反應(yīng)條件為pH 8.4、溫度35℃、反應(yīng)體積2 mL、反應(yīng)時(shí)間4 h、測(cè)量波長(zhǎng)410 nm。依據(jù)對(duì)硝基苯酚的標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算水解反應(yīng)產(chǎn)生的對(duì)硝基苯酚的量。計(jì)算公式：APA=/(×), 式中，APA為堿性磷酸酶活性[nmol/(L·min)]；為對(duì)硝基苯酚的變化量(nmol)，即水解反應(yīng)的產(chǎn)生對(duì)硝基苯酚量；為水解反應(yīng)的時(shí)間(min)；為測(cè)試水樣的體積(L)。

水樣不經(jīng)過(guò)過(guò)濾測(cè)定的酶活性值為總的堿性磷酸酶活性(TAPA)，經(jīng)Whatman GF/C濾膜(孔徑1.2m)過(guò)濾后測(cè)定的酶活值為細(xì)菌+溶解性堿性磷酸酶活性(BAPA+DAPA)，則浮游植物的堿性磷酸酶活性為PAPA=TAPA-(BAPA+DAPA)。為校正因生物量的增加引起的總體活性增長(zhǎng)，PAPA與生物量指標(biāo)的比值即浮游植物單位生物量所表現(xiàn)的酶活性，也稱作酶的特異性活性(specific activity)，能更好地反映酶的內(nèi)在催化效力[23]。本試驗(yàn)中，單位生物量酶活性(單位生物量APA)=PAPA/藻類總生物量，以nmol/(min·mg)表示。

1.5 浮游植物的種類和定量分析

采用Uterm?hl計(jì)數(shù)法于倒置顯微鏡下對(duì)浮游植物進(jìn)行分類鑒定和計(jì)數(shù)[24]，每個(gè)樣品分別鏡檢多于400個(gè)浮游植物個(gè)體，其豐度計(jì)算公式為：=(×2)/(××),式中，為藻細(xì)胞豐度(cells/L)，為沉降水樣的體積(L)，為載玻片直徑(mm)，為計(jì)數(shù)鏡頭直徑(mm)，為計(jì)數(shù)鏡頭數(shù)，為計(jì)數(shù)細(xì)胞數(shù)(cells)。浮游植物種類鑒定主要參照《中國(guó)淡水藻類——系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[25]和有關(guān)文獻(xiàn)。根據(jù)浮游植物形態(tài)和大小計(jì)算各種浮游植物對(duì)應(yīng)的生物量，本文選擇粗分法進(jìn)行生物量計(jì)算[26]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用IBM SPSS Statistics 22S統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析(One-Way ANONA)，采用LSD法進(jìn)行驗(yàn)后比較，差異顯著性水平設(shè)為=0.05，兩個(gè)變量之間進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 浮游植物群落的組成

試驗(yàn)共觀察到浮游植物6門72種(屬)，其中綠藻門47種(屬)、硅藻門10種(屬)、藍(lán)藻門9種(屬)、甲藻門2種(屬)、金藻門2種(屬)、隱藻門2種(屬)，浮游植物群落主要以藍(lán)藻、綠藻和硅藻為主。原水浮游植物群落經(jīng)培養(yǎng)后發(fā)生了變化(圖1)。初始期原水中的浮游植物較少，總豐度為1.11×106cells/L, 優(yōu)勢(shì)類群為硅藻門，占51.50%，其次為藍(lán)藻門31.60%；指數(shù)期，浮游植物總豐度下降到0.89×106cells/L,而穩(wěn)定期總豐度上升為1.23×106cells/L。指數(shù)期和穩(wěn)定期群落主要以綠藻、硅藻為主，在穩(wěn)定期金藻豐度明顯上升。原水浮游植物總豐度先降低后升高，逐漸由硅、藍(lán)藻轉(zhuǎn)變?yōu)榫G、硅藻為優(yōu)勢(shì)的群落結(jié)構(gòu)。

添加N、P營(yíng)養(yǎng)鹽后，浮游植物總豐度均顯著上升(圖2)。指數(shù)期，浮游植物總豐度為2.93×107~ 1.22×108cells/L，以N2P1處理的豐度最高、N2P3的最低；在N1水平下，不同P濃度的浮游植物總豐度差異不大，而在N2、N3水平下，P1的總豐度顯著高于P2，稍高于P3，表明N、P鹽越高，浮游植物的生長(zhǎng)越快。穩(wěn)定期，浮游植物總豐度為3.33× 107~1.19×108cells/L，N3P2處理的豐度最高，N2P2的最低，且大多組比指數(shù)期有明顯上升，而N2P1、N2P2和N3P1總豐度降低，這可能是營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高促進(jìn)浮游植物迅速生長(zhǎng)，提前進(jìn)入了衰亡期，導(dǎo)致豐度出現(xiàn)下降。Pearson相關(guān)分析表明，指數(shù)期、穩(wěn)定期浮游植物總豐度與N/P比值的相關(guān)性不顯著(> 0.05)。

不同營(yíng)養(yǎng)條件下，浮游植物豐度組成有明顯差異(圖2)。指數(shù)期，在N1水平下，藍(lán)、綠藻占比為P1>P2>P3，硅藻占比則相反，藍(lán)、綠藻優(yōu)勢(shì)隨P的增加更為明顯；在N2水平下，藍(lán)藻占比以P1> P2>P3，硅藻占比則相反，綠藻占比P2、P3均大于N1、N3水平下的P2、P3，表明相比于低、高N環(huán)境，中N水平下綠藻優(yōu)勢(shì)更大；在N3水平下, 綠藻占比以P1>P2>P3，硅藻占比以P2>P3>P1, 藍(lán)藻占比均高于N1、N2水平的同P水平。穩(wěn)定期, 相同N水平下綠藻占比均為P1>P2>P3，硅藻占比則相反，而藍(lán)藻在N3水平下均高于N1、N2水平下的各處理，與指數(shù)期一樣，表明藍(lán)藻在高N條件下的優(yōu)勢(shì)，而綠藻在高P下占比更大。

圖1 原水中的主要浮游植物豐度

圖2 不同N/P處理對(duì)浮游植物豐度的影響。A: 指數(shù)期; B: 穩(wěn)定期; N1P1~N3P3見(jiàn)表1。下圖同。

不同時(shí)期的藍(lán)藻、綠藻和硅藻豐度存在差異(圖3)。指數(shù)期時(shí)，同一N水平下，P1的藍(lán)藻豐度明顯高于P2、P3；同一P水平下，N3的藍(lán)藻豐度高于N1、N2，但N2P1的豐度最高，這可能是誤差造成的；同一N水平下，綠藻豐度以P1>P2>P3，同一P水平下，N2的綠藻豐度最高；N1水平下, 硅藻豐度以P3>P2>P1，在N2、N3水平下則相反。穩(wěn)定期時(shí)，不同N/P下藻類的豐度變化與指數(shù)期有差異，進(jìn)入衰亡期的時(shí)間不同。綜合可知，藍(lán)藻在高N、P下的優(yōu)勢(shì)更明顯，而綠藻在中N高P下生長(zhǎng)更好；N、P濃度的升高，均能促進(jìn)硅藻的生長(zhǎng), 但優(yōu)勢(shì)上沒(méi)有藍(lán)、綠藻明顯。

2.2 浮游植物優(yōu)勢(shì)種的變化

不同營(yíng)養(yǎng)條件下浮游植物優(yōu)勢(shì)種不同(圖4)。指數(shù)期時(shí)，對(duì)照組優(yōu)勢(shì)種為小環(huán)藻，其次是微小四角藻(和錐囊藻(sp.)；而處理組的優(yōu)勢(shì)種主要為曲殼藻、隱球藻和雙對(duì)柵藻，在N1、N2水平下，曲殼藻占比以P3>P2>P1,在P2、P3為第1優(yōu)勢(shì)種，而P1的隱球藻占比超過(guò)曲殼藻成為第1優(yōu)勢(shì)種，小環(huán)藻遠(yuǎn)不及曲殼藻，雙對(duì)柵藻則在N2水平有一定優(yōu)勢(shì)；在N3水平，P1和P3的第1優(yōu)勢(shì)種分別為假魚腥藻和隱球藻，而P2的第1優(yōu)勢(shì)種為曲殼藻，其次為鐮形纖維藻()。穩(wěn)定期時(shí)，對(duì)照組第1優(yōu)勢(shì)種為小環(huán)藻，其次為曲殼藻、錐囊藻；處理組的主要優(yōu)勢(shì)種為曲殼藻、假魚腥藻和擬柱胞藻。曲殼藻占比與指數(shù)期相比有所上升，均呈P3>P2>P1，并以N2P3為最大，N1水平下曲殼藻均為第1優(yōu)勢(shì)種, 在N2P3、N3P3下為第1優(yōu)勢(shì)種；N2水平下P1和P2的第1優(yōu)勢(shì)種分別為擬柱胞藻、假魚腥藻，N3水平下第1優(yōu)勢(shì)種主要為假魚腥藻，占比大于曲殼藻。

圖3 不同N/P處理下藍(lán)藻、綠藻和硅藻的豐度變化

2.3 浮游植物堿性磷酸酶活性的變化

原水中浮游植物在初始期具有較高的堿性磷酸酶活性(APA)，為2.17 nmol/(min·mg)，到指數(shù)期和穩(wěn)定期顯著上升，分別為32.42和146.38 nmol/(min·mg),且顯著高于同時(shí)期處理組。指數(shù)期時(shí)，同一N水平下，P1和P2的APA明顯低于P3，也低于初始期；穩(wěn)定期時(shí)，同一N水平下，P3的APA高于P1和P2，而同一P水平下，N1的APA低于N2和N3。方差分析表明，APA與P濃度和N/P有顯著相關(guān)性(<0.05)，指數(shù)期APA與N/P的正線性相關(guān)較差，線性方程為=0.0355+0.5372 (2=0.348 8)，穩(wěn)定期兩者的正線性相關(guān)極高，線性方程為=0.3719-5.3566 (R=0.890 1)(表2)。

2.4 浮游植物元素化學(xué)計(jì)量值變化

初始期，浮游植物藻細(xì)胞的N/P、C/N和C/P分別為45±4、5±1和256±36，指數(shù)期與穩(wěn)定期的細(xì)胞元素比值發(fā)生了明顯變化(表3)。指數(shù)期，對(duì)照組藻細(xì)胞N/P和C/P均顯著高于處理組，而藻細(xì)胞的C/N顯著低于處理組；同一N水平下，藻細(xì)胞的N/P顯示P3組>P2組>P1組，各處理間的差異顯著(<0.05)；藻細(xì)胞的C/P在P3顯著大于P2和P1，且P1與P2的差異不顯著(>0.05); 同一P水平下，藻細(xì)胞C/N在N1顯著大于N2和N3，N2與N3間差異不顯著(>0.05)。對(duì)浮游植物藻細(xì)胞元素計(jì)量值與N/P比值進(jìn)行線性擬合(表2)，表明指數(shù)期的藻細(xì)胞N/P、C/P和C/N與水體N/P比值相關(guān)性不明顯。

穩(wěn)定期，對(duì)照藻細(xì)胞N/P顯著高于各處理組,藻細(xì)胞C/N低于各處理組，而藻細(xì)胞C/P顯著高于處理組中的所有P1、P2組，而低于P3組；同一N水平下，藻細(xì)胞N/P在P3組均顯著大于P2、P1組, P1組與P2組差異不顯著(>0.05)；不同處理組之間的藻細(xì)胞C/N差異不顯著，均值為10±1。穩(wěn)定期浮游植物元素各比值與N/P擬合線性相關(guān), 藻細(xì)胞N/P、C/P與N/P比值的正線性相關(guān)強(qiáng)，而藻細(xì)胞C/N與N/P比值不相關(guān)(2=0.001 6)。

圖4 不同N/P處理下優(yōu)勢(shì)物種豐度的變化。A: 指數(shù)期; B: 穩(wěn)定期。

表2 浮游植物的APA、細(xì)胞元素比值及與水體N/P的線性方程

表3 浮游植物的APA活性和細(xì)胞元素比值

試驗(yàn)中藻細(xì)胞C/N為4~15，較C/P的變化范圍小，在Redfield值(6.6)附近變化；藻細(xì)胞C/P在穩(wěn)定期差異較大，與P處理濃度表現(xiàn)出線性相關(guān)。指數(shù)期藻細(xì)胞N/P為7.65~26.85，穩(wěn)定期為7.37~ 37.83。細(xì)胞內(nèi)元素的組成對(duì)不同N和P處理水平的響應(yīng)不同, 藻細(xì)胞N/P、C/P均受P和N/P影響顯著(<0.01)，而藻細(xì)胞C/N受N處理影響更明顯;在指數(shù)期，N和P處理的絕對(duì)濃度僅對(duì)細(xì)胞內(nèi)N和P含量有顯著的影響(<0.01)；在穩(wěn)定期，N水平的絕對(duì)濃度對(duì)細(xì)胞元素含量沒(méi)有顯著影響，P處理的絕對(duì)濃度對(duì)細(xì)胞C、N和P的含量均有顯著影響(<0.01)(表4)。

表4 ANOVA檢驗(yàn)C/N、C/P和N/P與水體N、P和N/P的相關(guān)性

*:<0.05.

3 結(jié)論和討論

3.1 浮游植物群落結(jié)構(gòu)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的響應(yīng)

南亞熱帶水庫(kù)大多數(shù)為貧中營(yíng)養(yǎng)型水體。在枯水期(11月-次年3月)，水體滯留時(shí)間短，水位波動(dòng)較大，春季浮游植物群落中，以適應(yīng)這種環(huán)境生長(zhǎng)的硅藻占比最大[14]。本研究中水庫(kù)水體以小環(huán)藻為優(yōu)勢(shì)藻，因?yàn)樗鼈儗?duì)P有較低半飽和濃度[15]，更適應(yīng)自然的P限制環(huán)境，其次是以微囊藻為主的藍(lán)藻。野外轉(zhuǎn)移到室內(nèi)，環(huán)境條件的變化導(dǎo)致部分不適應(yīng)的藻類生長(zhǎng)遲緩或停止，因此浮游植物的總豐度表現(xiàn)為初期急劇降低，到后期適應(yīng)環(huán)境后上升。

與原水相比，添加N、P鹽顯著促進(jìn)浮游植物的生長(zhǎng)。然而，浮游植物總豐度與N/P比值(12~103)不相關(guān)，而與N、P的濃度有關(guān)，這表明水體N/P并不是影響藻細(xì)胞生長(zhǎng)的唯一因素，而是應(yīng)該結(jié)合N、P的絕對(duì)濃度來(lái)綜合考慮[27–28]。水體N/P比能夠指示水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的不平衡以及對(duì)單個(gè)或多個(gè)藻種的N限制或P限制，但并不能指示群落所需營(yíng)養(yǎng)情況。由于不同優(yōu)勢(shì)種對(duì)N、P濃度變化的響應(yīng)不一致，即可能導(dǎo)致某種物種急劇上升，而其他物種急劇下降，這種補(bǔ)償機(jī)制會(huì)掩蓋群落總體豐度的變化，因而群落豐度與水體N/P比的相關(guān)性不明顯。除了N、P營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外，光照、水溫以及其他營(yíng)養(yǎng)元素(鐵、硅等)[29]都可能影響到浮游植物的生長(zhǎng)，成為浮游植物生長(zhǎng)的限制因子。

浮游植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的變化和N/P比的響應(yīng)具有種屬特異性。本試驗(yàn)條件下，浮游植物群落對(duì)P鹽的響應(yīng)程度要比N鹽顯著。高N條件下浮游植物的生長(zhǎng)并沒(méi)有顯著優(yōu)于對(duì)照，一方面可能是熱帶亞熱帶水庫(kù)浮游植物已對(duì)野外N充裕、P限制的環(huán)境有一定適應(yīng)，另一方面是不同浮游植物利用營(yíng)養(yǎng)鹽的方式存在差異[30], 對(duì)N、P濃度變化的響應(yīng)程度不一致導(dǎo)致群落的總體響應(yīng)有差異。無(wú)論在指數(shù)期或穩(wěn)定期，藍(lán)藻在高N (81.1 mol/L)或高P (3.3 mol/L)的營(yíng)養(yǎng)條件下生長(zhǎng)更好并占據(jù)優(yōu)勢(shì)。在穩(wěn)定期時(shí),高N組中藍(lán)藻占據(jù)第1優(yōu)勢(shì)，但其豐度并不隨P濃度升高而增加，這表明相對(duì)于P鹽，藍(lán)藻受N鹽的影響更大。綠藻隨P濃度的升高豐度增加, 說(shuō)明綠藻更喜好高P環(huán)境。另外，綠藻在N2濃度下的優(yōu)勢(shì)更大，與藍(lán)藻喜好高N高P環(huán)境特性不同，綠藻更適合在中N高P的條件下生長(zhǎng)。低P環(huán)境下硅藻相對(duì)有優(yōu)勢(shì)，高N低P的環(huán)境可以促進(jìn)硅藻豐度增加，但在與藍(lán)藻、綠藻的競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)不明顯，因而硅藻在N1濃度下占比更高。營(yíng)養(yǎng)鹽的比例主要通過(guò)影響物種間的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)浮游植物群落產(chǎn)生影響。因此，研究N/P比值對(duì)浮游植物的顯著影響應(yīng)固定在某一營(yíng)養(yǎng)鹽濃度下進(jìn)行探討更具有意義。

3.2 優(yōu)勢(shì)種對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)鹽的響應(yīng)

水體中的N、P濃度及比值能顯著影響水體中優(yōu)勢(shì)類群-硅藻的種類和豐度[30]。原水中硅藻門的小環(huán)藻屬始終為第1優(yōu)勢(shì)種類，其次為金藻門的錐囊藻；指數(shù)期以微小四角藻為主的綠藻在磷酸鹽的競(jìng)爭(zhēng)中為次優(yōu)勢(shì)種，到了穩(wěn)定期則被曲殼藻替代。小環(huán)藻優(yōu)勢(shì)隨生長(zhǎng)逐漸下降，而錐囊藻的優(yōu)勢(shì)升高。硅藻相對(duì)豐度的減少與其對(duì)硅酸鹽的需求有關(guān)，此外，以錐囊藻為優(yōu)勢(shì)種的金藻大量生長(zhǎng)也會(huì)消耗水體中的硅酸鹽。與原水不同，同為硅藻優(yōu)勢(shì)種之一的曲殼藻是N、P處理的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種，可能是由于曲殼藻相比小環(huán)藻對(duì)水體硅的增加更為敏感[31]，添加N、P能促進(jìn)曲殼藻吸收水體中的硅酸鹽用于自身生長(zhǎng), 但在高濃度下效果降低，因此低N低P條件下曲殼藻占據(jù)優(yōu)勢(shì)，這種優(yōu)勢(shì)在穩(wěn)定期更為明顯。

藍(lán)藻優(yōu)勢(shì)種隱球藻在指數(shù)期高N高P下明顯占據(jù)優(yōu)勢(shì)，在穩(wěn)定期則被假魚腥藻、擬柱胞藻替代。由于后期營(yíng)養(yǎng)鹽消耗降低，而假魚腥藻和擬柱胞藻具有固氮特性[32–33]，在環(huán)境無(wú)機(jī)氮不足時(shí)可以進(jìn)行固氮，從而滿足生長(zhǎng)要求，同時(shí)，還能夠儲(chǔ)存P以適應(yīng)后期低營(yíng)養(yǎng)鹽環(huán)境，這些機(jī)制使得其能超越隱球藻成為穩(wěn)定期的優(yōu)勢(shì)種之一。雙對(duì)柵藻作為綠藻門的主要優(yōu)勢(shì)種，在N濃度為62.3mol/L下有較好的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，鐮形纖維藻的適應(yīng)范圍較窄，僅在N濃度為81.1mol/L、P濃度為2.0mol/L時(shí)占據(jù)第1優(yōu)勢(shì)，到了穩(wěn)定期更適應(yīng)低營(yíng)養(yǎng)鹽環(huán)境的假魚腥藻可以通過(guò)消耗儲(chǔ)存在體內(nèi)的P鹽而繼續(xù)生長(zhǎng);雙對(duì)柵藻、卷曲纖維藻等綠藻優(yōu)勢(shì)度較低，說(shuō)明在營(yíng)養(yǎng)鹽相對(duì)降低的條件藍(lán)藻更占優(yōu)勢(shì)，生長(zhǎng)后期一些綠藻競(jìng)爭(zhēng)不過(guò)藍(lán)藻[32]，這與周起超[34]的研究結(jié)果相似。

3.2 浮游植物的堿性磷酸酶活性

藻類在P限制條件下產(chǎn)生APA將有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷，是利用P元素的重要途徑[18]。初始期就檢測(cè)到較高的APA，表明浮游植物已經(jīng)產(chǎn)生AP來(lái)利用有機(jī)磷。指數(shù)期時(shí)，N、P處理的DIP充足, 當(dāng)P鹽高于2.0mol/L時(shí)的APA降低，這是因?yàn)檎姿猁}抑制了AP的活性，這與APA特殊的抑制-誘導(dǎo)機(jī)制相關(guān)[18,23,35]。進(jìn)入穩(wěn)定期后，浮游植物數(shù)量增加，培養(yǎng)液中的磷酸鹽被大量吸收，低P環(huán)境促進(jìn)酶活性顯著增強(qiáng)。DIP誘導(dǎo)激發(fā)APA需要達(dá)到一個(gè)閾值，其濃度高于某一界限時(shí)影響不顯著[23]。P濃度≤0.8mol/L時(shí)，APA活性較高，P濃度≥2.0mol/L時(shí)APA活性差異不顯著，因此可以推測(cè)該水體中浮游植物APA的P濃度閾值可能為0.8~ 2.0mol/L，即2.0mol/L時(shí)抑制酶活性。這與高光等[35]的研究結(jié)果類似。

3.3 浮游植物細(xì)胞的元素化學(xué)計(jì)量比

南亞熱帶地區(qū)的水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)鹽普遍低于其他地區(qū)，這是由熱帶-亞熱帶紅壤中營(yíng)養(yǎng)鹽組成的特點(diǎn)所決定的[20]。本研究中水庫(kù)春季水體的N/P比為111，原水浮游植物細(xì)胞的元素化學(xué)計(jì)量N/P為45±5, 與水體的N/P并不一致。從野外轉(zhuǎn)入室內(nèi)培養(yǎng)后,原水浮游植物細(xì)胞的N/P、C/P先上升后降低至與初始值相近，表明浮游植物細(xì)胞的元素組成在一定范圍內(nèi)具有可塑性。環(huán)境與有機(jī)體間的化學(xué)元素計(jì)量比存在復(fù)雜的關(guān)系[17]。當(dāng)環(huán)境元素組成發(fā)生改變時(shí)，浮游植物為適應(yīng)環(huán)境的變化，能夠調(diào)節(jié)自身營(yíng)養(yǎng)鹽的需求和生長(zhǎng)速率，從而改變自身的元素比值[2,3]。本研究表明，浮游植物藻細(xì)胞的N/P、C/P受不同P濃度影響顯著，而C/N受N影響較顯著，當(dāng)P濃度為2.0mol/L時(shí)，浮游植物細(xì)胞的化學(xué)元素計(jì)量比均接近于Redfield比值，因此2.0mol/L可能是浮游植物生長(zhǎng)的最適P濃度。藻細(xì)胞N/P與不同處理組的關(guān)系顯示該水庫(kù)中浮游植物群落細(xì)胞為弱內(nèi)穩(wěn)態(tài)，藻細(xì)胞N/P隨著處理的不同而變化。高P條件(≥2.0mol/L)下浮游植物細(xì)胞N/P比值隨生長(zhǎng)不再改變，表明浮游藻類的元素組成在一定的范圍內(nèi)與環(huán)境的養(yǎng)分供應(yīng)保持一種相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)[36]。

藻細(xì)胞的N/P、C/P、C/N比值在穩(wěn)定期高于指數(shù)期，可以歸因于藻細(xì)胞C、N、P含量隨藻類的生長(zhǎng)而變化。根據(jù)生長(zhǎng)速率假說(shuō)，生長(zhǎng)快速的有機(jī)體通常具有較低的N/P比，這是由于含P豐富的rRNA的增加，此時(shí)細(xì)胞需要大量的核糖體來(lái)快速合成蛋白質(zhì)以支持有機(jī)體快速生長(zhǎng)[16–17]。在生長(zhǎng)速率較高的指數(shù)期，浮游植物吸收營(yíng)養(yǎng)鹽，其細(xì)胞內(nèi)N、P含量增加，有機(jī)物不斷積累，元素比值降低；到了培養(yǎng)后期營(yíng)養(yǎng)鹽不足，浮游植物開(kāi)始消耗自身P鹽以維持生長(zhǎng)，同時(shí)積累更多的有機(jī)物，藻內(nèi)P含量下降、N含量上升，浮游植物各元素計(jì)量比相應(yīng)升高。水體N/P比與浮游植物細(xì)胞元素化學(xué)計(jì)量比的關(guān)系研究中，Bi等[37]認(rèn)為，藻細(xì)胞的N/P比與水體N/P比呈顯著正相關(guān)，但當(dāng)藻的生長(zhǎng)速率較高時(shí)，藻的N/P比與水體N/P比的關(guān)系不大，這與本研究結(jié)果相似，并且藻細(xì)胞的C/P與水體N/P比也有類似情況。另外，不同種類藻細(xì)胞的元素組成存在差異，對(duì)各類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求不盡相同[2–3]，但本試驗(yàn)僅探討了浮游植物群落整體化學(xué)計(jì)量比的變化。

綜上所述，N、P添加顯著地促進(jìn)了浮游植物的生長(zhǎng)，浮游植物群落受P鹽的影響要顯著大于N鹽；隱球藻、擬柱胞藻以及假魚腥藻等藍(lán)藻適合在高氮高磷條件下生長(zhǎng)，而雙對(duì)柵藻等綠藻優(yōu)勢(shì)種偏好于中氮高磷，而曲殼藻、小環(huán)藻等硅藻優(yōu)勢(shì)種更能適應(yīng)低氮低磷的環(huán)境下生長(zhǎng)；由于不同藻類對(duì)氮、磷鹽響應(yīng)情況不一致，浮游植物總體(豐度)與氮/磷比值變化不相關(guān)。P濃度為0.8~2.0mol/L時(shí)存在誘導(dǎo)激發(fā)浮游植物APA活性的閾值。2.0mol/L的P可能是該水庫(kù)浮游植物生長(zhǎng)的最適P濃度, 浮游植物元素計(jì)量比值均接近于Redfield值。藻細(xì)胞的N/P、C/P與水體P濃度、N/P比值呈顯著正相關(guān)，而藻細(xì)胞的C/N受N濃度影響更明顯。

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Responses of Phytoplankton Communities to N/P Ratio Changes in Phosphorus-limited Subtropical Reservoir in Southern China

PAN Jing-yun1, YANY Yang2*, HAN Bo-ping1

(1. Institute of Hydrobiology, Jinan University,Guangzhou 510632, China; 2. College of Life Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550025, China)

In order to understand the response of phytoplankton community in P-restricted water from Liuxihe Reservoir in Guangdong Province to different N/P ratios, the structure of phytoplankton community was studied by adding N and P to create a gradient of N/P. The results showed that the growth of phytoplankton had been promoted significantly with the addition of N and P, and the effects of P was greater than that of N. The species specificity of phytoplankton led to the inconsistent response of phytoplankton community to nitrogen and phosphorus nutrients, phytoplankton abundance was not correlated with N/P ratio. Cyanobacteria, such assp.,andsp., was more favored in conditions with high level of N and P. Dominant species of green algae,preferred medium N and high P. Bacillariophyceae, such assp. andsp. had advantages in environment with low N and low P. The threshold of P concentration for alkaline phosphatase activity (APA) ranged from 0.8 to 2.0mol/L. When P concentration was above 2.0mol/L, APA was inhibited, and the optimal P concentration for phytoplankton to maintain growth may be around 2.0mol/L, and the ratio of cellular N/P reached equilibrium. The cellular N/P and C/P were significantly positively correlated with supplied P concentration and supplied N/P ratio, while cellular C/N was more correlated with supplied N (<0.05). So, these would provide a theoretical reference for water quality management in tropical and subtropical reservoirs.

Phytoplankton community; N/P ratio; Alkaline phosphatase; Phytoplankton; Element

10.11926/jtsb.4250

2020–05–14

2020–07–14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31700399); 貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目([2020]1Y072); 貴州省高層次留學(xué)人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)擇優(yōu)項(xiàng)目[(2020)09]資助

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 31700399); the Planning Project for Science and Technology in Guizhou (Grant No. [2020]1Y072), and the Project for Innovation and entrepreneurship of high-level overseas talents in Guizhou [Grant No. (2020)09].

潘靜云(1995~)，女，碩士研究生。E-mail: PJY4379@163.com

E-mail: yangy@jun.edu.cn