廣利港夏季硅藻多樣性指數(shù)與氮、磷營養(yǎng)鹽組成的關(guān)系*

王忠全，程 玲，孫春曉，喬洪金，李 斌

(山東省海洋資源與環(huán)境研究院，山東省海洋生態(tài)修復(fù)重點實驗室，山東煙臺 264006)

0 引言

多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)等參數(shù)主要反映生物群落內(nèi)的種類數(shù)和種間數(shù)量分配，可用于表征浮游植物群落的結(jié)構(gòu)特征[1]，其中，最有效的參數(shù)是生物多樣性指數(shù)(H′)，常用于分析海域生物群落的穩(wěn)定程度及其隨時間的演替，多樣性指數(shù)越高的海域生態(tài)系統(tǒng)越趨于穩(wěn)定[2-4]。廣利港是渤海海域一處重要的港口，受廣利河等入海河流的影響，近年來富營養(yǎng)化程度較高。硅藻是海洋中最主要的浮游植物類群，其光合產(chǎn)量占海洋初級生產(chǎn)力的20%以上[5]。硅藻種類繁多，細胞粒徑跨度大，可以從幾微米到幾百微米[6]。由于細胞體積和代謝特征的差異，不同種類的硅藻對海洋環(huán)境(溫度、鹽度、營養(yǎng)鹽組成)的適應(yīng)性不同，其中，營養(yǎng)鹽濃度和組成是影響硅藻群落特征的重要因素[7]。浮游植物的營養(yǎng)元素主要為N、P，即硝態(tài)氮、氨氮和磷酸鹽[8-10]。營養(yǎng)鹽的組成和濃度決定藻類細胞的生長速率，因而直接影響浮游植物的物種豐度。N/P也是影響浮游植物組成的重要因素[11,12]，一般根據(jù)Redfield比值(N/P=16)判斷海域是否存在N限制或P限制[13]，從而建立浮游植物群落演替與N/P的關(guān)系。有研究報道，在氮磷濃度都比較低的情況下，N/P的下降有利于小粒徑硅藻細胞的生長[14,15]。硅藻種類繁多，不同海域硅藻種類組成差別較大，但是在營養(yǎng)鹽豐富的近岸和河口海域，氮磷濃度的變化對硅藻群落組成影響的研究較少。因此，本文基于2016年夏季廣利港38個站位的水質(zhì)和浮游植物種類的調(diào)查數(shù)據(jù)，分析夏季廣利港營養(yǎng)鹽濃度與硅藻多樣性指數(shù)H′的關(guān)系，擬為廣利港富營養(yǎng)化治理和海洋生態(tài)環(huán)境保護提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣海域及采樣方法

于2016年8月至9月在東營廣利港的38個站位(15個斷面)進行調(diào)查，各斷面與取樣站位的對應(yīng)關(guān)系見表1。由于近河口區(qū)域受河流影響變動劇烈，因此距離河口近的每個站位都作為一個斷面，而遠離河口的區(qū)域按照距離河口的遠近每3-5個站位為一個斷面，每個斷面均近似平行于海岸線，經(jīng)緯度為118°57′30.52″-119°15′48.16″E，37°19′2.08″-37°27′16.47″N (圖1)。

?站位Station

表1 不同斷面對應(yīng)的站位

使用采水器在各個站位采樣(采樣深度0.5 m)，水樣用魯哥氏液當場固定，每升水樣加入10-15 mL魯哥氏液。使用相同的方式采集水樣進行營養(yǎng)鹽測定。

1.2 計數(shù)及測定方法

將水樣搖勻，取100 mL置于250 mL分液漏斗中，沉淀24 h 以上，去除上清液，濃縮至一定體積，在光學顯微鏡 (CX-21，奧林巴斯)10×40 鏡頭下采用視野法進行計數(shù)[16]、鑒定，每個樣品計數(shù)2次，取其平均值。

樣品采集帶回實驗室后，立即開始營養(yǎng)鹽的測定。硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽、活性磷酸鹽分別用鋅鎘還原比色法、奈乙二胺分光光度法、次溴酸鹽氧化法和磷鉬藍分光光度法測定。每個樣品做3個平行樣，每20個樣品做1個內(nèi)控。樣品分析均按照《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763.4-2007)進行[17]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

硅藻的豐度用下列公式計算：

式中，N為硅藻的物種豐度(個/m3)，C為蓋玻片面積(mm2)，F(xiàn)s為每個視野面積(mm2)，F(xiàn)n為計數(shù)視野數(shù)，V為1 m3水樣沉淀濃縮體積(mL)，U為計數(shù)體積(mL)，Pn為計數(shù)視野中每種藻的總個數(shù)。

H′采用 Shannon-Weaver公式計算：

式中，H′為種類多樣性指數(shù)，S為樣品中的種類總數(shù)，P為第i種的個體數(shù)即豐度(ni)或生物量(wi)與總個體數(shù)即總豐度(N)或總生物量(W)的比值。

采用Origin 2017軟件進行線性擬合，并根據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù)衡量相關(guān)性，顯著性差異設(shè)定為P<0.05，極顯著差異設(shè)定為P<0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅藻的種類組成和多樣性指數(shù)H′

本次調(diào)查共鑒定出硅藻19種(部分鑒定到屬)，各站位累計豐度最高的3種硅藻分別為尖刺偽菱形藻(Pseudo-nitzschiapungens)、圓篩藻屬(Coscinodiscussp.)、大洋角管藻(Cerataulinapelagica)，其中圓篩屬藻在各個站位都有發(fā)現(xiàn)且豐度較高，最高可達4.27×106個/m3(ST17站位)。短角彎角藻(Eucampiazodiacus)、圓柱角毛藻(Chaetocerosteres)、中肋骨條藻(Skeletonemacostatum)和薄壁幾內(nèi)亞藻(Guinardiaflaccida)只在部分站位有發(fā)現(xiàn)且豐度較低，其中薄壁幾內(nèi)亞藻在ST39站位的豐度僅為1 900個/m3。

近岸站位Hh15、ST01-ST06優(yōu)勢藻種主要有圓篩藻屬、旋鏈角毛藻(Chaetoceroscurvisetus)和尖刺偽菱形藻，斷面8 (ST07-ST11站位)優(yōu)勢藻種為勞氏角毛藻(Chaetoceroslorenzianus)、角毛藻屬和尖刺偽菱形藻，斷面9 (ST12-ST14站位)、斷面10 (ST17，ST20-ST21站位)、斷面11 (ST23-ST26站位)優(yōu)勢藻種均為尖刺偽菱形藻、圓篩藻屬和大洋角管藻，斷面12 (ST27-ST31站位)優(yōu)勢藻種為尖刺偽菱形藻、圓篩藻屬、旋鏈角毛藻，斷面13 (ST32-ST36站位)、斷面14 (ST37-ST39站位)優(yōu)勢藻種均為尖刺偽菱形藻、圓篩藻屬和角毛藻屬(Chaetocerossp.)，斷面15 (ST40-ST42站位)尖刺偽菱形藻、圓篩藻屬和旋鏈角毛藻。

將各斷面站位對應(yīng)的H′作散點圖(圖2)。H′在近岸的Hh15、ST03和ST04站位為0.95-1.62，在近岸的ST01、ST02、ST05、ST06站位為1.69-1.90， 而在離岸更遠的站位，H′的波動范圍變大， 其值為0.87-2.28。H′隨著離岸距離的遠近沒有確定的變化趨勢，這可能與夏季河流淡水輸入造成的擾動有關(guān)。

圖2 不同斷面站位的多樣性指數(shù)

2.2 營養(yǎng)鹽的空間變化

如圖3a所示，N營養(yǎng)鹽濃度在近岸的Hh15、ST01、ST04 站位最高，分別為3.2，3.3和3.9 mg/L，但是在另外兩個近岸站位(ST02和ST03)急劇降低，分別只有0.62，0.76 mg/L。隨著離岸距離增大，N濃度水平相對下降，為0.14-1 mg/L，僅斷面8的2個站位超過2 mg/L，各斷面(斷面3，4，6-15)間N濃度沒有顯著差別。

如圖3b所示，P營養(yǎng)鹽濃度在各站位的變化趨勢與N濃度表現(xiàn)出相似的趨勢，也是在Hh15、ST01、ST04站位最高，達到0.06-0.07 mg/L，而在ST02站位只有0.007 mg/L。在其他斷面，P濃度在0.003-0.04 mg/L間波動。

如圖3c所示，N/P為16.81-433.23，其中29個站位超過100。N/P在近岸ST03站位為16.81，與Redfield比值(16)相當;斷面1至斷面7的N/P穩(wěn)定在110左右;在斷面8及離岸更遠斷面的很多站位，N/P都顯著增加，甚至超過400 (ST13、ST33站位)，與Redfield比值相差近30倍。

圖3 不同斷面站位的氮濃度、磷濃度和氮磷比

2.3 營養(yǎng)鹽與H′的相關(guān)性

將所有站位的N濃度、P濃度和N/P分別與其對應(yīng)的H′進行線性擬合(圖4)，N濃度和P濃度與H′無明顯相關(guān)關(guān)系；隨著N/P的增加，H′呈下降趨勢，H′與N/P之間的相關(guān)系數(shù)R=-0.43 (n=45，P<0.01)，呈中等程度的負相關(guān)關(guān)系。

圖4 多樣性指數(shù)與N/P的關(guān)系

3 討論

此次調(diào)查海域廣利港位于廣利河和淄脈河的出?？?，屬于近岸河口區(qū)。由于河水帶來大量的營養(yǎng)物質(zhì)，N、P的濃度較高，處于富營養(yǎng)狀態(tài)。但是在離岸較遠的多數(shù)站位，N、P濃度顯著下降，尤其是P的濃度下降更明顯，低于一般近海海灣[18]。除少數(shù)站位外，N/P都超過100，有數(shù)個站位甚至達到400，遠大于Redfield比值(16)，因此認為離岸海域處于P限制的環(huán)境，這與Moon等[19]的報道一致。

浮游植物對磷酸鹽的吸收存在種間差異，洪華生等[20]通過分析鈣質(zhì)角毛藻、三角褐指藻和亞心形扁藻對32P的吸收實驗，表明藻類對磷酸鹽的吸收動力學參數(shù)因種類而異。Suttle等[18]應(yīng)用半連續(xù)培養(yǎng)研究天然湖泊中浮游植物種類組成對N/P的響應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聚球藻屬(Synechococcussp.)在高N/P時(45∶1)是優(yōu)勢種，而在低N/P(5∶1)時，硅藻類中的菱形藻(Nitzschia)和針桿藻(Synedra)為優(yōu)勢種。此次調(diào)查站位多為高N/P，圓篩藻屬在各站位中都有較高的豐度，說明這類藻適合較高的營養(yǎng)鹽N/P。

除不同藻類細胞的特性外，藻類細胞大小也會影響對營養(yǎng)鹽的吸收。Litchman等[21]研究硅藻細胞大小與營養(yǎng)鹽關(guān)系，發(fā)現(xiàn)持續(xù)的N或P限制均有利于小粒徑硅藻生長。另有研究發(fā)現(xiàn)，N/P下降有利于小粒徑硅藻細胞的生長[14,15]。曲克明等[22]專門研究硅藻的組成，認為N/P及其比例對浮游硅藻的組成可能有著明顯的影響，氮磷濃度越高，N/P離Redfiled越遠，浮游植物種類越少，Shannon指數(shù)越低，這與本次調(diào)查的結(jié)果一致，即N/P遠離Redfield比值的站位H′也顯著下降。

4 結(jié)論

在本次的調(diào)查中，隨著離岸距離的增加，N和P濃度均呈現(xiàn)降低的趨勢，且N/P也隨之下降;同時，離岸斷面的N/P遠離Redfield比值，且這些斷面硅藻多樣性指數(shù)H′也顯著下降，表明東營廣利港海域夏季營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)變化可能對硅藻的組成造成重要影響[22]。