浮游植物粒徑測量方法對比及其分布特征探究※

●郭吳霖安 何銘茗 徐華兵（廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 廣東 湛江 524088）

浮游植物是海洋主要的初級生產(chǎn)者，其粒徑影響著海洋生態(tài)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動。浮游植物粒徑按照個(gè)體大小可分為：微微型浮游植物（picophyto plankton，＜2 μm）、微型浮游植物（nanophyto plankton，2～20 μm）、小型浮游植物（microphyto plankton，20～200 μm）、中型浮游植物（meso plankton，200～2000 μm）。也可以將粒徑小于5 μm的部分統(tǒng)稱為超微型浮游植物。在海洋浮游植物群落結(jié)構(gòu)中，由于浮游植物體積較小，增殖速度快，奠定了其在海洋環(huán)境中重要的生態(tài)學(xué)地位[1]。

隨著養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，海洋養(yǎng)殖區(qū)的生物排泄也會促進(jìn)浮游植物生長[2]。但據(jù)統(tǒng)計(jì)，自1990—2019年，長江口臨近海域暴發(fā)共計(jì)144次[3]；珠江口附近也赤潮頻發(fā)?？墒窃诿鎸Α八{(lán)眼淚”等特殊浮游植物現(xiàn)象，人們的關(guān)注點(diǎn)并不在于赤潮突然暴發(fā)可能帶來的環(huán)境污染，而是對美麗景象的稱贊，可見人們對赤潮的危害知之甚少。本文對微微型、微型和小型浮游植物粒徑的測量方法進(jìn)行闡述，歸納總結(jié)不同海域中浮游植物粒徑的分布情況和生態(tài)功能，并探討不同浮游植物粒徑與各種環(huán)境因子之間關(guān)系，幫助人類預(yù)測海洋生態(tài)系統(tǒng)變化和預(yù)防海水富營養(yǎng)等危害，對沿海城市發(fā)展也有相當(dāng)重要的作用。

1 浮游植物粒徑測量方法

1.1 電子粒度分析儀法

能夠測量浮游植物粒徑。對浮游植物溶液樣品經(jīng)行稀釋或濃縮，待溶液達(dá)到儀器可測量濃度范圍后，將溶液樣品放入激光粒度分析儀進(jìn)行粒徑分析。該方法雖操作簡潔，但粒徑數(shù)據(jù)誤差較大[4]。

1.2 葉綠素a粒級分離法

可先取進(jìn)行孔徑為200 μm的濾膜對水樣進(jìn)行預(yù)處理，使用不同孔徑大小的濾膜經(jīng)行過濾，獲得小型（＞20 μm）、微型（＞2 μm）和微微型（＞0.45 μm）粒級的葉綠素a濃度（具體可根據(jù)需要選用不同孔徑濾膜）。使用差減法計(jì)算對應(yīng)粒級的浮游植物粒徑。濾膜樣品在低溫條件下使用90%丙酮萃取24 h后，經(jīng)離心后用 UV-2600紫外分光光度計(jì)于750 nm、664 nm、647 nm、 630 nm波段處進(jìn)行測量。利用該方法可測量不同粒級浮游植物所含葉綠素a，與總?cè)~綠素a濃度對比可得到各種浮游植物粒徑所占比例，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。相較于前一種探究浮游植物粒徑的方法，葉綠素a粒級分離法誤差更小。

1.3 顯微鏡測量粒徑分析法

這是測定浮游植物粒徑最原始但精度相對較高的方法。各采樣站根據(jù)《海洋生物調(diào)查規(guī)范》[5]使用特定孔徑的生物網(wǎng)從水底而上垂直拖取，采集后用甲醛溶液固定，根據(jù)樣品濃度進(jìn)行稀釋后靜置一周。去除上清液，取沉淀層放置于顯微鏡下，放大200～400倍進(jìn)行種類鑒別和細(xì)胞計(jì)數(shù)。利用顯微鏡自帶軟件（NIS-ElementsAR）測量浮游植物的體長、寬、高等體型特征值。然后根據(jù)幾何公式計(jì)算出浮游植物的表面積、體積、等效直徑和半徑等。不足的是，微微型浮游生物體積過小，使用該方法觀測較為困難[4，6]。

1.4 光散射法

利用浮游植物粒子的光散射特性獲取信息，不破壞粒子本身且更加方便快速。有學(xué)者提出，可以構(gòu)建對應(yīng)散射體計(jì)算模型，了解不同浮游植物形狀特征[7]。依照此方法可以得到較為精準(zhǔn)的單個(gè)浮游植物粒徑大小和形狀信息，但對細(xì)胞群的觀測能力較弱，因此該方法適合對單個(gè)浮游植物進(jìn)行研究[7]。

1.5 數(shù)字全息技術(shù)圖像法

圖像法采用CCD或CMOS圖像傳感器記錄粒子圖像，后通過數(shù)據(jù)分析得到浮游植物粒徑大小。傳統(tǒng)的圖像法與現(xiàn)代數(shù)字全息技術(shù)相結(jié)合，測量量程可達(dá)納米級別，可以重建出粒徑的三維圖像甚至對其追蹤和測量[8]。應(yīng)用該技術(shù)于生物粒徑的測量和研究可以大面積關(guān)注整個(gè)顆粒場的動態(tài)變化，但算法和平臺都仍在開發(fā)階段[8]。

1.6 流式細(xì)胞儀

李勝男等[9]針對微型浮游生物提出了可以使用流式細(xì)胞儀的方法。由于浮游植物會發(fā)射不同的熒光信號，當(dāng)樣品流經(jīng)檢測區(qū)時(shí)，激光光束照射在浮游植物顆粒上，顆粒發(fā)射散射光和激發(fā)出不同顏色波長的熒光。接收器接收這些光束，分析其強(qiáng)弱和性質(zhì)就可以將不同浮游植物顆粒及其濃度區(qū)分開來。該方法由于精度高，速度快且便捷，被廣泛使用。

2 浮游植物粒徑分布情況及其影響因素

由于水域位置不同，水文氣象和營養(yǎng)鹽等存在差異，不同水域的浮游植物粒徑及其時(shí)空分布特征存在較大差別。根據(jù)已有報(bào)道，可了解到部分海域和湖泊中，不同浮游植物粒徑組成結(jié)構(gòu)以及與各種水質(zhì)環(huán)境因子的相關(guān)性。

不同周期的海洋浮游植物的細(xì)胞粒徑生命體現(xiàn)出的特點(diǎn)大致是相同的。如在硅藻生命初期，細(xì)胞分裂和繁殖使體積持續(xù)減小，減小到臨界值時(shí)，細(xì)胞繁殖轉(zhuǎn)變?yōu)橛行陨常?xì)胞體積達(dá)到最大狀態(tài)[10]。不同形態(tài)的無機(jī)營養(yǎng)鹽會對水體中不同粒徑的浮游植物造成不同的影響[11]。研究表明，NO3-、PO43-、NH4+3種無機(jī)營養(yǎng)鹽形態(tài)對微型浮游植物有顯著的影響，NO2-對微微型浮游植物也有顯著的影響[11]。同時(shí)，不同的營養(yǎng)鹽成分也會對粒徑大小不同的浮游植物造成影響。如氮營養(yǎng)鹽的減少對馬鞍列島的硅藻等浮游植物有抑制作用，隨著營養(yǎng)鹽的降低，硅藻粒徑越來 越小[12]。

基于水質(zhì)指標(biāo)和葉綠素a的濃度可以了解到海域的營養(yǎng)化水平。隨著人類活動的增加，污水排放等原因造成的水體富營養(yǎng)化會導(dǎo)致水體浮游植物總量增加[13]。有學(xué)者認(rèn)為，小粒徑的浮游植物更適宜生長于寡營養(yǎng)鹽環(huán)境，而較大粒徑浮游植物在富營養(yǎng)鹽環(huán)境中存在生長優(yōu)勢[14]。這是由于分子擴(kuò)散作用，海水中的營養(yǎng)鹽更易傳輸?shù)搅捷^小的浮游植物細(xì)胞內(nèi)部[15]。依據(jù)以上理論對不同營養(yǎng)鹽湖泊中浮游植物優(yōu)勢種進(jìn)行具體分析，對于寡營養(yǎng)鹽的新豐江水庫來說，浮游生物主要由小粒徑的浮游植物構(gòu)成[16]，充分說明小粒徑浮游植物會在寡營養(yǎng)鹽水體中更占優(yōu)勢[17]。淀山湖全湖為富營養(yǎng)鹽水體，其微微型浮游植物貢獻(xiàn)最小，說明其水體中適合寡營養(yǎng)鹽水體的微微型浮游植物較少[18]。其原因可能是在營養(yǎng)富集的水域中，微微型浮游植物的生物量會隨著氮營養(yǎng)鹽的增高而減少[19]。在中度污染的遼寧典型水 庫[20-21]和富營養(yǎng)化的嚴(yán)冬湖，水體浮游植物的生長受水體中磷的限制。嚴(yán)冬湖水域微型和微微型粒徑的浮游植物在TP和無機(jī)磷含量較高的夏季呈現(xiàn)優(yōu)勢[22]。而嚴(yán)冬湖營養(yǎng)水平最低點(diǎn)（西區(qū)）以微微型浮游植物為主，而營養(yǎng)水平較高點(diǎn)（中區(qū)和東區(qū)）以微型浮游植物為主[22]，同一湖泊中因營養(yǎng)鹽含量不同呈現(xiàn)出不同的浮游植物粒徑優(yōu)勢種也論證了上述觀點(diǎn)。針對近海而言，大部分營養(yǎng)鹽來源于陸源輸入。象山港微型、小型浮游植物細(xì)胞豐度與營養(yǎng)鹽都存在正相關(guān)關(guān)系[23]。桑溝灣中小型浮游植物在總浮游植物中占比與N、P等營養(yǎng)鹽呈負(fù)相關(guān)，但微型浮游植物所占比例與營養(yǎng)鹽呈正相關(guān)[24]。綜上所述，不論是湖泊還是海洋，營養(yǎng)鹽含量都是影響浮游植物粒徑結(jié)構(gòu)組成的主要原因。

但在黃東海高溫高鹽海域微微型浮游植物對總?cè)~綠素a貢獻(xiàn)量卻可達(dá)25.85%[25]，說明除去營養(yǎng)鹽因素的影響，水體溫度也影響著浮游植物粒徑大小。根據(jù)已有研究表明，大部分地區(qū)浮游植物粒徑存在明顯的季節(jié)性變化，其中主要影響因素為溫度變化。李鳳雪等[24]對桑溝灣養(yǎng)殖水體浮游植物粒徑結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果表明溫度顯著影響浮游植物粒徑結(jié)構(gòu)組成，即在沒有海帶生長帶來的營養(yǎng)鹽競爭的夏季，水溫升高引起浮游植物快速生長。長江口富營養(yǎng)臨海海域浮游植物生物總量呈現(xiàn)春季最高，冬季最低的趨勢，同時(shí)夏季略高于秋季[26]。馬鞍列島海域硅藻的平均粒徑改變也有明顯的季節(jié)變化，8～11月出現(xiàn)最小值、3～5月出現(xiàn)最大值。平均而言，從3～8月水溫升高12.6℃，硅藻粒徑降低了30.7 μm[12]。對于淀山湖而言，微型浮游植物比例受水溫影響較 大[18]。在水溫較高的夏季，微型浮游植物對淀山湖的貢獻(xiàn)率較大[18]。而在較冷的南極普里茲灣，小型浮游植物對初級生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)為69%，顯著高于微型和微微型浮游植物[27]。說明不論是湖泊還是近海，水溫對浮游植物粒徑影響呈現(xiàn)相似結(jié)果。研究中表明無論硅藻大小，它們的粒徑都會隨著水溫的升高而減小，平均每升高1℃體積減少4%[12，28]。由此可知硅藻粒徑大體呈現(xiàn)與同期水溫呈反比趨勢。綜上所述，隨著季節(jié)變化，浮游植物粒徑大小的變化和水溫高低大致成反比。但溫度并不能完全決定浮游植物粒徑的大小，要根據(jù)具體情況展開分析及討論。

懸浮物質(zhì)濃度也會影響浮游植物粒徑，其原因在于懸浮物質(zhì)濃度改變會使浮游植物的生長環(huán)境發(fā)生改變。海水中懸浮物濃度的增加，一方面增加了營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，另一方面降低了水體中的光照強(qiáng)度和溶解氧含量[12]，這些對浮游植物生長有負(fù)面影響，因此它們對浮游植物粒徑也有著同樣的負(fù)面影響[12]。同時(shí)，當(dāng)懸浮物超過一定濃度或持續(xù)一段時(shí)間后，浮游植物會受到光限制等負(fù)面影響[29]。

針對外海而言，浮游植物的突然暴發(fā)有可能來源于急流對浮游植物的水平輸送。2014年9月南海西部夏季表層水體出現(xiàn)的從沿岸向海盆區(qū)的噴射狀離岸藻華，導(dǎo)致表層水體出現(xiàn)高濃度的葉綠素a，就源于急流輸送的浮游植物[30]。其中，微型和小型浮游植物與總?cè)~綠素a濃度呈線性正相關(guān)，而微微型浮游植物呈線性負(fù)相關(guān)[30]，說明輸送過程中的環(huán)境變化會改變浮游植物粒徑大小。長江口由于黃海沿岸流和臺灣暖流與沖淡水交匯，導(dǎo)致大量浮游生物集中在表層，其主要以微微型和小型浮游生物為主[25]。也說明在外海，流場和渦旋輻合輻散是改變浮游植物粒徑大小的因素，需要考慮其影響。

海洋濾食性生物在很大程度上影響浮游植物粒徑的組成。濾食性生物生長發(fā)育和排泄在不同程度上影響該海域營養(yǎng)鹽的濃度，間接影響浮游植物粒徑大小[3]。養(yǎng)殖區(qū)設(shè)施的阻流作用也會使浮游植物在區(qū)域內(nèi)滯留[3]。所以，面對養(yǎng)殖區(qū)水體，需考慮不同放養(yǎng)密度下濾食動物對水體中浮游植物的影響。如冬季是桑溝灣中貝類快速生長的時(shí)期，雖然此時(shí)營養(yǎng)鹽水平并不低于夏季，但浮游植物數(shù)量逐漸減少[24]。這也揭示了利用生物操控可以有效改善水體中湖泊富營養(yǎng)化。劉建康等[31]提出的非經(jīng)典生物操縱理論，已在武漢東湖、滇池和巢湖等富營養(yǎng)化湖泊的污染治理得到應(yīng)用，利用濾食性魚類的放養(yǎng)可以減少浮游植物生物量，從而改善了水質(zhì)。對于桑溝灣這個(gè)貧營養(yǎng)型海域來說，濾食性貝類對食物顆粒的大小有選擇性，會更多的攝食小型和微型浮游植物，為微微型浮游植物提供了生長空間[24]，證明水域中含有以浮游植物為食的生物也會對浮游植物粒徑造成影響。

3 總結(jié)

對目前常用的浮游植物粒徑測量方法進(jìn)行簡單的介紹，在調(diào)查過程中可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)精度要求選取合適的測量方法。浮游植物粒徑的結(jié)構(gòu)組成和環(huán)境因子密切相關(guān)。營養(yǎng)鹽、溫度和懸浮物質(zhì)不僅影響著浮游植物粒徑的大小，也影響著養(yǎng)殖區(qū)生物的生長情況。外海輸入會突然改變浮游植物的生存環(huán)境，進(jìn)而影響浮游植物粒徑大小。有害赤潮等環(huán)境問題對我們國家的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)影響重大，所以研究浮游植物粒徑與各種環(huán)境因子的協(xié)同作用及結(jié)果是十分有必要的。