深圳大鵬灣一次球形棕囊藻藻華的發(fā)生過程及成因分析

劉悅, 李麗, 翟曉輝, 周娟, 葉鵬浩, 黃盛東

深圳市海洋發(fā)展研究促進中心, 廣東 深圳 518029

棕囊藻(Phaeocystis)為全球廣布的有害藻華物種, 該藻華的發(fā)生顯著影響了海洋生態(tài)系統(tǒng)結構和功能以及碳硫等生源要素的生物地化循環(huán)和全球氣候變化(Lancelot et al, 1998; Schoemann et al, 2005)。目前已經鑒定的7 種棕囊藻物種中, 南極棕囊藻(P.antarctica)、波切棕囊藻(P. pouchetii)和球形棕囊藻(P. globosa)可分別在南北兩極和溫熱帶海區(qū)引發(fā)大規(guī)模藻華(Schoemann et al, 2005)。這3 個物種均具有異型生活史,有單細胞和囊體兩種生活史階段。其中單細胞僅有幾個微米, 而囊體一般達到幾百微米(Rousseau et al, 2007)。囊體外被為多糖組成的黏液質, 囊體細胞包裹于多糖黏膠結構中。由于較大的粒徑和堅韌的外被結構,囊體減少了被浮游動物攝食的幾率(Nejstgaard et al, 2007) ,并且降低了細菌和病毒對囊體細胞的感染和降解(Brussaard et al,2007) ,這樣就有效降低了死亡率從而提高了生物量的積累。囊體的形成是棕囊藻藻華發(fā)生并產生危害的主要原因(Hamm, 2000; Verity et al, 2007)。

球形棕囊藻為我國沿海常見有害藻華物種(Wang et al, 2021b)。球形棕囊藻藻華在我國首次報道于1997 年10 月的柘林灣, 藻華周期持續(xù)6 個月,覆蓋面積達3000km2, 造成大量養(yǎng)殖魚類死亡, 導致直接經濟損失超過 3000 多萬元(陳菊芳 等,1999)。自1997 年開始, 球形棕囊藻藻華陸續(xù)在福建、廣東、廣西、海南、河北及天津等6 省市沿海暴發(fā)(沈萍萍 等, 2018)。我國球形棕囊藻藻華特點顯著, 可形成直徑長達3cm 的囊體,是世界所有海區(qū)發(fā)現(xiàn)的最大的球形棕囊藻囊體(Wang et al, 2021b)。巨大的囊體體積可能不僅顯著影響海區(qū)浮游動物攝食以及微生物分解, 繼而影響當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)結構和功能, 也可給濱海核電冷源安全帶來嚴重隱患。因此, 球形棕囊藻藻華發(fā)生規(guī)律及其機制的研究對于減輕災害損失和開展防治工作具有十分重要的意義。然而, 球形棕囊藻在我國南部沿海頻繁發(fā)生的機制迄今尚不清楚。

2021 年1 月下旬, 深圳大鵬灣南澳碼頭附近海域發(fā)生球形棕囊藻藻華。我們追蹤了本次藻華的生消過程, 系統(tǒng)分析了藻華發(fā)生和消退期間環(huán)境因子和生物因素的連續(xù)變化, 力圖探索球形棕囊藻藻華發(fā)生的特征和關鍵調控因素, 為進一步理解球形棕囊藻藻華發(fā)生機制提供理論參考, 同時為球形棕囊藻藻華的治理和預警提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 調查時間和站位

2021 年1 月下旬, 發(fā)現(xiàn)大鵬灣有外表呈現(xiàn)棕黃色且直徑約1cm 的巨型棕球形棕囊藻囊體, 分布在灣中心以及沿岸區(qū)域, 水體表底均有分布。為了研究藻華發(fā)生的動態(tài)規(guī)律, 于1 月20 日至2 月1 日在大鵬灣南澳碼頭設置一個站位(114°28′40.36"E,22°32′25.59"N), 每日高潮時對球形棕囊藻藻華進行連續(xù)跟蹤監(jiān)測。調查期間, 東北風盛行, 水體混合均勻。球形棕囊藻囊體從灣中心向岸向漂移, 并堆積在沙灘上。

1.2 采樣分析方法

利用容積為 8L 采水器進行表層水采樣。用500μm 篩絹過濾水樣, 對截留在篩絹上的球形棕囊藻囊體進行計數(shù),并在顯微鏡下對囊體直徑及囊體內細胞數(shù)量計數(shù), 同時取1L 過濾后的水樣, 加入濃度為4%的Lugol’s 溶液進行固定, 在顯微鏡下計數(shù)球形棕囊藻囊體數(shù)目、囊體直徑、囊體內細胞數(shù)量及其他浮游植物細胞數(shù)量, 具體參照Wang等(2011)中的方法。溫度、鹽度、pH 和溶解氧(dissolved oxygen, DO)值采用手持YSI 現(xiàn)場測定。營養(yǎng)鹽樣品的采集和保存按照《海洋監(jiān)測規(guī)范-海水分析》(GB17378.4-2007) (中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局 等, 2008)中規(guī)定的相關方法進行。取500mL 水進行過濾, 加入90%丙酮黑暗萃取24h, 采用分光光度法分析葉綠素a濃度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用統(tǒng)計軟件R語言(3.4.3) 對環(huán)境因子進行主成分分析, 對球形棕囊藻囊體豐度和環(huán)境因子進行灰關聯(lián)分析。

2 結果

2.1 浮游植物優(yōu)勢物種演替

調查期間, 浮游植物優(yōu)勢物種出現(xiàn)硅藻(中肋骨條藻)—定鞭藻(球形棕囊藻)—甲藻(紅色赤潮藻)的演替現(xiàn)象(圖1)。1 月20 日, 調查站位浮游植物主要以硅藻為主, 中肋骨條藻為絕對優(yōu)勢物種, 細胞豐度達到1.8×105cells·L-1。隨后中肋骨條藻豐度迅速下降,而球形棕囊藻在1 月21 日出現(xiàn), 隨后細胞濃度逐漸提高, 于1 月27 日達到最高的2.9×107cells·L-1。與此同時, 紅色赤潮藻逐漸成為調查區(qū)域優(yōu)勢物種: 1 月28 日其細胞豐度達到4.7×106cells·L-1, 隨后細胞豐度降低, 但是一直維持在106cells·L-1左右(圖1a)。調查期間, 海區(qū)葉綠素a濃度先提高, 然后緩慢地降低。但是自1 月22 日之后, 海區(qū)葉綠素a濃度始終高于30μg·L-1(圖1b)。

球形棕囊藻囊體自1 月21 日出現(xiàn), 當天囊體數(shù)量僅有3colonies·L-1。之后囊體數(shù)量顯著提高, 于1月25 日達到69colonies·L-1。囊體數(shù)量自1 月26 日開始下降, 2 月1 日完全消失(圖2a)。調查期間, 并沒有發(fā)現(xiàn)任何小于 5mm 的囊體, 囊體直徑范圍0.6～1.2cm, 囊體平均直徑接近1cm(圖2b)。藻華發(fā)生期間, 囊體直徑未見顯著變化。

2.2 環(huán)境因素

調查期間, 海水溫度范圍在16.03～16.91℃之間,并未有顯著變化(圖3a)。鹽度同樣顯示出現(xiàn)類似規(guī)律, 鹽度始終維持在31‰ 左右(圖3b)。pH 則出現(xiàn)波動; 由1 月21 日的7.61 上升至1 月27 日的8.08,隨后pH 稍有下降。溶解氧濃度則在1 月27 日迅速降低至9.04mg·L-1(圖3d)。

調查期間, 營養(yǎng)鹽濃度變化顯著: 硝酸鹽、磷酸鹽、銨鹽和亞硝酸鹽均出現(xiàn)下降趨勢, 而硅酸鹽則表現(xiàn)為先下降后升高的趨勢。硝酸鹽和銨鹽變化趨勢類似, 二者均持續(xù)下降。硝酸鹽濃度從1 月20 日的9.00μmol·L-1持續(xù)下降到2 月1 日的2.63μmol·L-1( 圖 4a) , 而銨鹽從 12.07μmol·L-1下降到3.36μmol·L-1。磷酸鹽則從1 月20 日的0.29μmol·L-1迅速降至1 月22 日的0.06μmol·L-1, 隨后濃度始終維持在0.10μmol·L-1以下(圖4c)。硅酸鹽濃度始終較高, 1 月 22 日出現(xiàn)最低濃度, 但是依然高于6.00μmol·L-1。

2.3 環(huán)境因子主成分分析

對調查期間的環(huán)境因子進行主成分分析, 結果如圖5 所示。主成分兩軸分別解釋了環(huán)境因子承載量的47.80%和15.04%, 第一主成分主要解釋的環(huán)境變量為銨鹽、硝酸鹽、磷酸鹽、pH 和亞硝酸鹽; 第二主成分主要解釋的環(huán)境變量為溫度、硅酸鹽、鹽度。由圖5 可以看出, 球形棕囊藻藻華早期(硅藻藻華期)主要表現(xiàn)為高氮磷營養(yǎng)鹽和高溶解氧, 球形棕囊藻藻華消亡期(甲藻藻華期)主要表現(xiàn)為低氮磷、高硅酸鹽和pH。

2.4 球形棕囊藻藻華與環(huán)境因子的關系

調查期間球形棕囊藻囊體豐度與環(huán)境因子的灰色關聯(lián)度分析結果見表1?？梢钥闯? 影響球形棕囊藻囊體豐度的環(huán)境因子由大到小的排序依次是銨鹽、硝酸鹽、溶解氧、鹽度、pH、溫度、硅酸鹽、磷酸鹽、亞硝酸鹽。

表1 球形棕囊藻囊體豐度與環(huán)境因子關聯(lián)度Tab. 1 The value of grey association degree between Phaeocystis globosa colony density and each environmental factor

3 討論

3.1 球形棕囊藻藻華的影響因素

球形棕囊藻的異型生活史中包含單細胞和膠質囊體兩種生活形態(tài), 而囊體的形成是球形棕囊藻形成藻華的主要原因(Hamm, 2000; Verity et al, 2007)。研究表明, 溫度、鹽度、光照、營養(yǎng)鹽、生物競爭、物理充氣及擾動等多種因素都對囊體的形成起著重要作用(沈萍萍 等, 2018; Wang et al, 2021b)。

3.1.1 影響球形棕囊藻藻華的理化因素

氮作為浮游植物細胞內蛋白質、核酸、磷脂和葉綠素等的基本元素, 在浮游植物生命活動中占有非常重要的地位。Riegman 等(1992)認為, 自然環(huán)境中棕囊藻可能會隨著水體中氮源的增加而暴發(fā)藻華,表明氮源對棕囊藻的重要性?；谊P聯(lián)分析結果表明,銨鹽是影響球形棕囊藻藻華的重要因素, 這與Hai等 (2010)的結果基本一致。調查期間, 銨鹽含量在3.07～12.07μmol·L-1之間, 略高于Hai 等 (2010)報道的濃度。如表1 所示, 硝酸鹽對棕囊藻藻華的形成也起著重要作用。很多研究證實了硝酸鹽在球形棕囊藻藻華中的重要性。例如, Wang 等(2011)認為, 硝酸鹽是球形棕囊藻囊體形成的基礎。在歐洲北海,硝酸鹽是球形棕囊藻藻華發(fā)生時最豐富的氮源(Tungaraza et al, 2003)。呂旭寧 (2020)發(fā)現(xiàn), 北部灣球形棕囊藻囊體形成和藻華維持需要大量硝酸鹽。

室內實驗發(fā)現(xiàn), 球形棕囊藻能夠在鹽度較寬的范圍內(23‰～33‰)形成囊體(田晶晶, 2010), 調查期間大鵬灣鹽度始終維持在31‰左右, 表明鹽度可能為囊體的形成提供了適宜的條件。相關分析結果表明, 鹽度與球形棕囊藻囊體豐度有關, 這與賀成 等(2019)的調查結果基本一致。適宜的溫度條件是影響球形棕囊藻藻華發(fā)生與消亡的重要因素。在我國南海, 球形棕囊藻藻華發(fā)生的溫度范圍在15～27℃之間(Wang et al, 2021a)。研究表明, 適宜的外界環(huán)境溫度, 能夠加速球形棕囊藻細胞的分裂, 使得單細胞快速形成囊體, 而細胞囊體再經過一定的生長周期, 再轉化成新的囊體(Rousseau et al, 1994; 田晶晶, 2010), 而溫度升高不利于囊體的形成(Wang et al, 2010) 。 調查期間, 溫度始終保持在16.03～16.91℃之間。

光照對球形棕囊藻的生長及囊體的形成具有重要的作用, 高光照能顯著促進球形棕囊藻的生長,在高光條件下單細胞和群體的數(shù)量均較高(Wang et al, 2021b)。在歐洲北海, 當水柱光照強度超過25～35μmol·m-2·s-1時才形成球形棕囊藻藻華(Peperzak et al, 1998; Blauw et al, 2010)。室內實驗也發(fā)現(xiàn), 當光照強度低于50μmol·m-2·s-1時, 球形棕囊藻囊體無法形成, 而當光照高至500μmol·m-2·s-1時,則能形成 400colonies·mL-1數(shù)量的囊體(王艷 等,2013)。遺憾的是, 本文缺少光照的現(xiàn)場數(shù)據(jù), 今后有必要加強光照對球形棕囊藻藻華的影響研究。

除了營養(yǎng)鹽、溫度、鹽度、光照外, 水動力條件也是藻類生長的重要影響因素。研究表明, 適宜的水體擾動會通過影響藻細胞周圍營養(yǎng)鹽邊界層厚度, 從而促進藻細胞的增長與聚集(Yin, 2002; 李冬梅 等, 2010)。水體擾動能夠促進棕囊藻細胞增殖, 并延長藻細胞的生長時間(李冬梅 等, 2010; 蔡卓平 等, 2011)。大鵬灣是廣東沿海的半封閉海灣, 其水體性質主要受季風的影響(Yin, 2003)。冬季東北季風盛行, 在季風和向岸流影響下, 水體混合均勻。季風引起的水體擾動可能是球形棕囊藻藻華的主要因素之一(Hai et al, 2010)。

3.1.2 影響球形棕囊藻藻華的生物因素

在歐洲北海, 球形棕囊藻是春季常見有害藻華物種, 藻華發(fā)生時浮游植物演替往往出現(xiàn)硅藻—球形棕囊藻—硅藻的演替規(guī)律(Rousseau et al, 2002;Lancelot et al, 2007)。相對于高緯度海區(qū), 此次大鵬灣球形棕囊藻藻華演替則表現(xiàn)略有不同。球形棕囊藻藻華發(fā)生在硅藻(中肋骨條藻)藻華后, 而甲藻(紅色赤潮藻)藻華在球形棕囊藻藻華消退后發(fā)生, 出現(xiàn)了硅藻—球形棕囊藻—甲藻的藻華演替模式。

在1 月20 日至22 日, 硅藻藻華爆發(fā)過程中,各類營養(yǎng)鹽被快速消耗。期間海域中N 和Si 元素仍充裕, 但磷酸鹽濃度由 0.29μmol·L-1降至0.07μmol·L-1。依據(jù)Nelson 等(1990)提出的浮游植物營養(yǎng)鹽的最低閾值(磷酸鹽為 0.1μmol·L-1)來判斷,海區(qū)出現(xiàn)P 限制。以此為拐點, 23 日, 球形棕囊藻豐度快速上升而中肋骨條藻豐度下降, 葉綠素a含量大幅上升, 隨后, 硅酸鹽濃度也開始回升(24 日), 表明硅藻在競爭中不再占據(jù)優(yōu)勢而由球形棕囊藻貢獻主要的初級生產力。實驗表明, 在P 限制條件下, 球形棕囊藻比硅藻更具競爭優(yōu)勢(王艷 等, 2013)。

據(jù)以往的野外觀察總結, 棕囊藻藻華往往發(fā)生在硅藻藻華之后(趙越 等, 2019)。硅藻的衰亡對棕囊藻藻華的益處是多方面的。一方面硅藻細胞的裂解為海域帶來大量有機營養(yǎng)物質, 已有研究表明球形棕囊藻能夠利用有機態(tài)營養(yǎng)物質包括有機磷源(王艷 等, 2006; 沈萍萍 等, 2018; 黃肖陽 等,2019) , 因此即便海域已處于寡無機磷狀態(tài), 球形棕囊藻藻華仍能爆發(fā)。另一方面, 死亡硅藻的硅質殼為棕囊藻單細胞提供附著基質, 有助于囊體的形成和生長(Sanderson et al, 2008; Borkman et al, 2016)。在一些囊體中還能觀察到硅藻的包埋(Sazhin et al,2007)。據(jù)調查, 棕囊藻赤潮伴生的硅藻多為較大型硅藻和鏈狀硅藻((Rousseau et al, 1994; 徐寧 等,2003; Poulton et al, 2007; 王超 等, 2010; 賀成 等,2019), 其中就包括骨條藻。本次觀測到的中肋骨條藻和球形棕囊藻藻華的演替再次說明了棕囊藻與硅藻在群落中內在競爭與依賴的關系。

1 月27 日, 紅色赤潮藻豐度上升。隨后的28日, 紅色赤潮藻豐度猛增1 個數(shù)量級, 而球形棕囊藻豐度快速下降且囊體數(shù)量縮減為27 日的1/2, 囊體直徑并未觀察到明顯的變化。由于未觀察到其他環(huán)境因子的劇烈波動足以引起球形棕囊藻豐度如此劇烈的下降, 因此生物因素, 即紅色赤潮藻藻華的暴發(fā)很可能是本次球形棕囊藻藻華衰亡的主要原因。紅色赤潮藻是一種混合營養(yǎng)型甲藻, 可通過攝食其他微型生物獲取所需的營養(yǎng)物質(Sanders,1991)。據(jù)報道, 紅色赤潮藻能夠攝食聚球藻(Synechococcus)(Jeong et al, 2005), 但是否能夠攝食棕囊藻尚未知曉。紅色赤潮藻能夠分泌胞外毒素裂解共存浮游植物, 包括球形棕囊藻(黃博珠, 2016)。共培養(yǎng)結果表明紅色赤潮藻對球形棕囊藻的生長起到抑制作用, 且抑制率隨著紅色赤潮藻細胞密度的上升而提高, 而紅色赤潮藻自身生長率受到共培養(yǎng)作用顯著提高(黃博珠, 2016)。這為推演本次球形棕囊藻衰亡潛在原因提供了基礎證據(jù), 可能情形如下:紅色赤潮藻通過釋放胞外毒素裂解囊體, 獲取大量營養(yǎng)物質, 由此快速增長, 與之增長的毒素進而使得球形棕囊藻藻華整體消亡。當29 日球形棕囊藻豐度降低到低水平時, 紅色赤潮藻豐度也迅速回落,二者豐度在后續(xù)時間均處于較低水平, 即使此時水體中硝酸鹽和銨鹽仍然充裕。這反映了二者復雜的關系, 即球形棕囊藻藻華暴發(fā)為紅色赤潮藻藻華提供條件, 紅色赤潮藻反過來促使球形棕囊藻的消亡,隨后紅色赤潮藻藻華也無法維持, 開始共同消退。

3.2 球形棕囊藻藻華對碳循環(huán)作用

藻華發(fā)生期間, 沿岸海水的pH 從7.6 逐漸提高至8.1, 說明球形棕囊藻旺盛的光合作用, 吸收大量無機碳進入水體。在藻華衰退期, 海水中溶解氧濃度下降了近2mg·L-1, 表明棕囊藻有機物的迅速分解和海洋細菌的高度活性導致了氧氣的減少。這些現(xiàn)象均說明了棕囊藻藻華發(fā)生對區(qū)域海區(qū)有機碳循環(huán)的影響顯著。按照Smith 等(2014)的模型計算, 球形棕囊藻囊體平均含碳量達到20.6μg, 本次調查囊體最高豐度達到 69colonies·L-1, 總生物量約為1.4mgC·L-1。在目前發(fā)現(xiàn)的棕囊藻藻華生物量報道中, 約94%棕囊藻生物量低于1mgC·L-1, 低于本次研究報道的碳生物量。球形棕囊藻藻華的發(fā)生可能更加顯著地影響廣東沿海的碳循環(huán)過程。

4 結論

大鵬灣球形棕囊藻藻華發(fā)生過程中出現(xiàn)了硅藻(中肋骨條藻)—定鞭藻(球形棕囊藻)—甲藻(紅色赤潮藻)的藻華演替。球形棕囊藻藻華的發(fā)生受多種物理化學和生物因素的綜合影響, 其中主要理化因素為銨鹽和硝酸鹽, 水體擾動也可能有利于藻華的形成。此外, 球形棕囊藻相對于硅藻的競爭優(yōu)勢也可能起著重要作用。紅色赤潮藻藻華的發(fā)生可能是球形棕囊藻藻華消亡的原因。