黃河口及萊州灣海域磷的時(shí)空分布及浮游生物對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)?

段曉萌, 秦華偉, 馬浩陽(yáng), 許澤昊, 呂浩然, 梁生康??

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 山東 青島 266100; 2.中國(guó)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;3. 山東省海洋資源與環(huán)境研究院, 山東 煙臺(tái) 250299)

磷作為重要的生源要素,在海洋浮游植物和浮游細(xì)菌新陳代謝的過程中具有關(guān)鍵作用[1-3]。根據(jù)其存在形態(tài),海水中的磷通常被分為溶解態(tài)磷(Dissolved inorganic phosphorus, DP)和顆粒態(tài)磷(Particulate phosphorus, PP)。DP又以溶解無(wú)機(jī)磷(Dissolved inorganic phosphorus, DIP)和溶解有機(jī)磷(Dissolved organic phosphorus, DOP)兩種形式存在。DIP的主要存在形式為正磷酸鹽(PO4-P),PO4-P可以被大多數(shù)微生物直接吸收[4]。通常認(rèn)為,當(dāng)海水中PO4-P<0.10 μmol·L-1時(shí),浮游生物無(wú)法從環(huán)境中獲取足夠的PO4-P來(lái)維持生長(zhǎng),即受到PO4-P的絕對(duì)限制;當(dāng)溶解無(wú)機(jī)氮(Dissolved inorganic nitrogen, DIN)與PO4-P比值超過16∶1時(shí),認(rèn)為浮游生物生長(zhǎng)會(huì)受到PO4-P的相對(duì)限制。目前,許多河口區(qū)及近海海域的浮游生物生長(zhǎng)受到磷的限制[5-11]。

研究發(fā)現(xiàn)大部分DOP需要通過相關(guān)酶類的轉(zhuǎn)化為DIP后才能被浮游生物利用[6, 12],其中,含量占DOP總量80%～85%的磷酸酯[13-14]可以在堿性磷酸酶(Alkaline phosphatase, AP)的水解作用下,釋放出PO4-P被浮游植物及細(xì)菌利用。AP作為一種典型的胞外酶,通常存在于水體、細(xì)胞周質(zhì)內(nèi)或細(xì)胞膜上[5],堿性磷酸酶活性(Alkaline phosphatase activity, APA)常被用來(lái)衡量海區(qū)內(nèi)浮游生物受磷脅迫的狀態(tài)以及DOP的生物可利用性。根據(jù)過濾孔徑和浮游生物粒徑將APA分為游離態(tài)(APAfree, <0.2 μm)及結(jié)合態(tài),結(jié)合態(tài)被區(qū)分為浮游植物結(jié)合態(tài)(APAphy, >3 μm)和細(xì)菌結(jié)合態(tài)(APAbac, 0.2～3 μm)[15-18]。APAfree來(lái)源復(fù)雜,游離于海水環(huán)境中,可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持活性[19-20],而位于細(xì)胞膜或細(xì)胞周質(zhì)內(nèi)的APAphy和APAbac與細(xì)胞結(jié)合緊密[21],三者可以在磷限制條件下促進(jìn)浮游植物和細(xì)菌對(duì)DOP的利用,對(duì)P的生物地球化學(xué)循環(huán)均有較大貢獻(xiàn)。

萊州灣作為渤海三大海灣之一,處于黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心區(qū)域和山東半島城市群經(jīng)濟(jì)圈的腹地,其生態(tài)環(huán)境對(duì)山東省沿海社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展具有重要支撐作用。而黃河口作為連接黃河與萊州灣、渤海灣的通道,其營(yíng)養(yǎng)鹽水平和透明度等要素顯著影響萊州灣海域的生產(chǎn)力及浮游植物群落[22-23]。自1970年代末以來(lái),隨著工業(yè)化和城市化等人類活動(dòng)高速增長(zhǎng),氮磷排放量大幅增加,導(dǎo)致萊州灣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量趨于惡化。1980年代初以來(lái),已有眾多學(xué)者對(duì)萊州灣氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度及時(shí)空分布開展較為系統(tǒng)的研究,并基于PO4-P濃度及DIN∶PO4-P比值對(duì)灣內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽限制狀況進(jìn)行了判定[24-26]。由于入灣總氮增幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于總磷增幅[27],導(dǎo)致1990年代中期灣內(nèi)的DIP大部分時(shí)段均處于較低水平,磷限制嚴(yán)重[11,28-31]。隨著營(yíng)養(yǎng)鹽濃度和結(jié)構(gòu)變化,灣內(nèi)浮游植物群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生了顯著的變化,突出表現(xiàn)在甲藻等磷需求低的物種及嗜氮性藻種明顯增加,并在局部海域占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位[22-23,31-32],浮游植物小型化趨勢(shì)明顯,如聚球藻等微微型浮游植物在海灣內(nèi)被廣泛檢出[33-35],結(jié)果進(jìn)一步導(dǎo)致了漁業(yè)資源衰退、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能下降等后果,已對(duì)環(huán)萊州灣地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展形成制約。目前,對(duì)萊州灣磷的賦存形態(tài)及時(shí)空分布特征缺乏系統(tǒng)了解,而且對(duì)海域磷限制背景下DOP的生物可利用性缺乏客觀認(rèn)知,導(dǎo)致對(duì)該海域磷的循環(huán)尤其對(duì)浮游生態(tài)系統(tǒng)磷的供給補(bǔ)充機(jī)制仍缺乏深入認(rèn)知。

因此,本研究通過2019—2021年在萊州灣開展的4次陸海同步調(diào)查,分析了黃河口及萊州灣海域不同形態(tài)磷的時(shí)空分布,以及陸源輸入磷的季節(jié)變化特征;研究黃河口及萊州灣海域內(nèi)不同堿性磷酸酶活性的季節(jié)變化,解析萊州灣浮游生物對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)。研究結(jié)果可為深化萊州灣磷的生物地球化學(xué)循環(huán)認(rèn)知提供幫助。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)域及時(shí)間

課題組分別于2019年5月10—12日(春季)、2019年8月18—21日(夏季)、2021年11月2—14日(秋季)和2021年3月22—27日(冬季)進(jìn)行了4次陸海同步調(diào)查。其中,2019年8月航次時(shí)間處于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸山東[36]之后;2021年8月下旬至10月黃河中下游經(jīng)歷了歷史上罕見的秋汛洪水[37],2021年11月航次處于秋汛之后。

陸海同步調(diào)查站位如圖 1所示,海域大面站位覆蓋了整個(gè)萊州灣及黃河口鄰近海域;海域整體位于渤海南部,具有顯著的大陸性氣候持征,潮汐類型屬不正規(guī)混合半潮,海域內(nèi)水體交換能力較弱[38-41]。陸上監(jiān)測(cè)站位分別布設(shè)于黃河、廣利河、小清河等10條河流入?？诩叭R州灣污水處理廠(萊污處)和龍口市第二污水處理廠(龍二污)2個(gè)直排海口,徑流量和污染物入海通量之和占到環(huán)萊州灣陸源排放總量的95%以上[42]。調(diào)查時(shí)間上,陸上流量監(jiān)測(cè)及樣品采集與海域大面站調(diào)查準(zhǔn)同步進(jìn)行,海域水文、化學(xué)和生物生態(tài)要素同步測(cè)定。

圖1 黃河口及萊州灣海域調(diào)查站位圖

1.2 樣品采集及測(cè)定

海水樣品采集及測(cè)定參照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB 17378—2007)和《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763—2007),水樣經(jīng)過孔徑為0.45 μm 醋酸纖維濾膜過濾后,裝入經(jīng)酸洗的聚乙烯瓶中,與膜樣一起冷凍保存(-20 ℃),水樣用于測(cè)定溶解態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽(主要包括NH4-N、NO3-N、NO2-N、PO4-P、SiO3-Si、DN、DP),膜樣用于測(cè)定葉綠素a(Chla)、懸浮顆粒物(SPM)及顆粒態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽。玻璃濾器預(yù)先經(jīng)過2%～10%的鹽酸浸泡24 h,然后用超純水清洗3～6次。環(huán)萊州灣河流和直排?？诘臉悠钒凑铡兜乇硭臀鬯O(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)(HJ-T92002)》采集,并同步監(jiān)測(cè)流量,水樣盛于2 L高密度聚乙烯塑料桶中冷藏保存(4 ℃),6 h內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行過濾和分析。

主要入?？诹髁坎捎弥弊x轉(zhuǎn)子流速儀(ZSX-5,中國(guó))測(cè)量。海水溫度和鹽度用多參數(shù)儀(Manta 3.0, Eureka,美國(guó))測(cè)定。營(yíng)養(yǎng)鹽通過營(yíng)養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀(QuAAtro Applications,德國(guó))測(cè)定;NH4-N、NO3-N、NO2-N、PO4-P、SiO3-Si 的檢出限分別為0.03、0.02、0.01、 0.01和0.14 μmol·L-1。溶解無(wú)機(jī)氮(DIN)為

NO3-N、NO2-N和NH4-N之和。Chla用90%丙酮萃取后通過熒光法(F-4500,日本島津)測(cè)定,檢測(cè)限為0.01 μg·L-1。SPM采用差減法測(cè)定。DN和DP采用堿性過硫酸鉀氧化法測(cè)定[43]。DON和DOP分別為DN和DIN、DP和PO4-P的差值。PN、PP通過將膜樣經(jīng)堿性過硫酸鉀氧化法后測(cè)定[44]。TN、TP分別為DN和PN、DP和PP之和。

APA樣品的采集及測(cè)定參照文獻(xiàn)[15,45-46]。海水樣品采集后分別用0.22和3 μm孔徑的針頭式微孔濾膜過濾[47],分級(jí)過濾的海水和原位未過濾海水中分別加入熒光底物(4-甲基傘形酮磷酸酯,MUF-P),在原位海水溫度下避光反應(yīng)2 h后,帶回實(shí)驗(yàn)室用熒光光度計(jì)(F4700,日本島津)測(cè)定樣品的熒光強(qiáng)度(Ex=365 nm,Em=445 nm),每個(gè)樣品采集3個(gè)平行樣[48]。APAtotal為總的APA,以未過濾水樣中APA含量表示;APAphy為浮游植物結(jié)合態(tài)的APA,通過未過濾原位水樣與3 μm孔徑膜上的APA差值計(jì)算;APAbac表示浮游細(xì)菌結(jié)合態(tài)的APA,以3 μm孔徑膜與0.22 μm孔徑膜上APA的差值計(jì)算;APAfree表示游離態(tài)的APA,以經(jīng)0.22 μm孔徑膜過濾的濾液中APA含量表示。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

數(shù)據(jù)分析使用SPSS 25.0 軟件進(jìn)行;平面分布圖使用Surfer 15.0繪制;柱狀圖、散點(diǎn)圖等使用Origin 2021繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃河口及萊州灣海域陸源輸入磷的季節(jié)變化

所調(diào)查的入海河流和排污中,黃河流量最大[42],對(duì)陸源TP入海通量貢獻(xiàn)也最大,各季節(jié)黃河口TP通量平均占比高達(dá)88.7%;小清河沿途受納大量工業(yè)廢水和固體廢棄物,水質(zhì)污染嚴(yán)重[49-50],其入海通量?jī)H次于黃河,各季節(jié)平均占比為9.7%;廣利河、虞河、白浪河、濰河入海通量占比分別為0.6%、0.3%、0.3%、0.2%,對(duì)灣內(nèi)磷貢獻(xiàn)相對(duì)較少;其余河流及直排污口磷的輸入量極低,占比之和不足0.1%。

陸源輸入磷的賦存形態(tài)和入海通量均具有顯著的季節(jié)變化特征。受徑流量影響,夏季TP入海通量最高,合計(jì)達(dá)到6.52×106mol·d-1(見圖2(b))。受高懸浮顆粒物含量影響,河流中PP為TP的主要存在形態(tài)[51-52],在TP中占比達(dá)到89%,其次為PO4-P,占比為7%,DOP僅占4%(見圖2(d))。春季TP的入海通量為0.93×106mol·d-1(見圖2(b)),磷的形態(tài)仍以PP為主,占比為66%,其次為DOP,占比為29%,遠(yuǎn)高于PO4-P,這可能是由于春季農(nóng)業(yè)施用的有機(jī)肥較多,導(dǎo)致各入?？贒P均以DOP為主;也可能是由于春季溫度適宜,河道內(nèi)浮游植物生長(zhǎng)后聚集,大量的PO4-P在生物作用下被轉(zhuǎn)化為DOP(見圖2(c))。秋季徑流量高于春季,而TP入海通量低于春季,為0.39×106mol·d-1(見圖2(b)),這主要是因?yàn)檎{(diào)查前環(huán)萊州灣經(jīng)歷了歷時(shí)長(zhǎng)且雨量大的降水過程[37],大量的磷已被沖刷入海;秋季僅針對(duì)黃河口進(jìn)行了TP構(gòu)成的調(diào)查,P賦存形態(tài)與夏季相似,以PP為主,占TP的83%,PO4-P、DOP分別占15、2%(見圖2(e))。冬季徑流量較小,TP入海通量最低,僅為0.17×106mol·d-1(見圖2(f));水體中磷賦存形態(tài)明顯受到懸沙量的影響[53],明顯區(qū)別于其他三個(gè)季節(jié),PP占比降至17.9%,TP以DP為主,占比達(dá)81.7%,DP中以PO4-P為主(見圖2(f))。

圖2 黃河口及環(huán)萊州灣主要入海口(包括黃河、廣利河、小清河、彌河、白浪河、虞河、濰河、膠萊河、萊州市污水處理廠、界河和龍口市污水處理廠的入?？?的流量(a)、TP入海通量(b)及不同形態(tài)P在TP中占比的季節(jié)變化((c)春季;(d)夏季;(e)秋季;(f)冬季。)Fig.2 Seasonal variation of runoff (a), TP flux (b) and the proportions of different forms in TP at main entrances of the Yellow River and Laizhou Bay((c) Spring; (d) Summer; (e) Autumn; (f) Winter.)Those entrcmres are locted in Yellow River, Guangli River, Xiaoqing River, Mi River, Bailiang River, YU River,Wei River, JIaolai River, the sewage plant Laizhou River, Jie River, and the sewage plant in Longkou

2.2 黃河口及萊州灣海域中不同形態(tài)磷的時(shí)空分布及影響因素

春季,萊州灣水體中TP呈現(xiàn)“近岸高、遠(yuǎn)岸低”的分布趨勢(shì),平均值為(1.35±0.26) μmo·L-1(見表1),最高值和最低值分別出現(xiàn)在濰河口和灣口東部海域(見圖3q)。TP中,PP呈斑塊狀分布(見圖3 m),整體濃度較低,平均值為(0.25±0.09) μmol·L-1,在TP中的平均占比為24%(見圖4(b))灣內(nèi),這是由于春季徑流量較小,河流運(yùn)輸?shù)腜P主要積累于河口處[53]。DP與TP的分布趨勢(shì)基本一致(見圖3i),平均值為(1.01±1.05) μmol·L-1,在TP中的平均占比為77%(見圖4(b))。DP中,PO4-P呈現(xiàn)灣西南部高于其他區(qū)域的分布特征(見圖3a),小清河口附近有一明顯高值區(qū),與劉義豪等[26]的研究結(jié)果一致。DOP也基本呈現(xiàn)近岸高遠(yuǎn)岸低分布特征(見圖3e),平均值為(0.91±0.75) μmol·L-1,在TP中的平均占比高達(dá)70%,是DP的主要成分。PO4-P、DOP均與鹽度呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.846,P<0.01;r=-0.765,P<0.01),這表明DP組成和分布明顯受到陸源輸入的顯著影響[23,28,54-55]。浮游生物的生命活動(dòng)也是DOP的重要來(lái)源,春季溫度適宜浮游植物生長(zhǎng),Chla卻處于較低水平(見表 1),這表明調(diào)查可能處于浮游植物消亡期,在此期間水體中大量PO4-P被大量消耗、DOP被釋放[56],

表1 不同季節(jié)黃河口及萊州灣水文參數(shù)及各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽要素

圖4 黃河口及萊州灣海水中TP濃度(a)及構(gòu)成(b)的季節(jié)變化

導(dǎo)致DOP為DP主要成分,PO4-P絕對(duì)受限面積高達(dá)81.5%,除灣西南部沿岸外大部分區(qū)域處于磷絕對(duì)限制。

夏季TP平均值為(0.97±1.42) μmol·L-1(見表 1),PP、DP平均值分別為(0.46±0.60) μmol·L-1、(0.51±0.93) μmol·L-1(見表 1),兩者水平相當(dāng),且分布趨勢(shì)均與TP的一致。灣東部養(yǎng)殖區(qū)附近DP和PP濃度也較高(見圖3r),這表明海水養(yǎng)殖也是影響灣內(nèi)磷濃度及分布的重要因素,海水養(yǎng)殖不僅會(huì)直接增加海域內(nèi)的磷負(fù)荷[57-58],也會(huì)通過下行調(diào)控作用影響浮游植物對(duì)磷的積累和消耗。DP以PO4-P為主,PO4-P的平均值為(0.39±0.96) μmo·L-1(見表 1),PO4-P在小清河口有一梯度較大的高濃度水舌,這主要是由于“利奇馬”臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致沿岸形成以風(fēng)浪為主的海浪[36],海浪的作用下沿岸沉積物再懸浮作用增強(qiáng),暴雨行洪導(dǎo)致小清河內(nèi)大量的污染物和底泥被沖刷入海,使得大量PO4-P被釋放于水體中[59],PO4-P絕對(duì)受限面積顯著減少、DIN∶PO4-P明顯降低,灣內(nèi)的磷限制得到緩解;DOP僅為(0.12±0.06) μmol·L-1(見表 1),遠(yuǎn)低于PO4-P,無(wú)明顯的空間分布特征(見圖3f)。

秋季TP平均值為(0.64±0.42) μmol·L-1(見表 1),在小清河口附近存在高值區(qū)(見圖3s)。TP構(gòu)成與夏季相似,DP與PP水平相當(dāng),平均值分別為(0.31±0.31)、(0.33±0.17) μmol·L-1(見表 1),均在小清河口存在高濃度水舌(見圖3k、o)。DOP平均值為(0.26±0.20) μmol·L-1(見表 1),平面分布特征與DP一致(見圖3g);PO4-P平均值僅為(0.09±0.16) μmol·L-1(見表 1),遠(yuǎn)低于DOP,灣內(nèi)PO4-P僅在小清河口附近濃度較高(見圖3c),浮游植物在高濃度營(yíng)養(yǎng)鹽的刺激下迅速生長(zhǎng)后將PO4-P轉(zhuǎn)化為PP后又以DOP的形式釋放于水體中,進(jìn)而導(dǎo)致海域內(nèi)DP以DOP為主。此外,秋汛期間,黃河水體流速快、泥沙含量高[59-60],大量的無(wú)機(jī)氮被匯入灣內(nèi),導(dǎo)致PO4-P迅速被吸收利用,灣內(nèi)DIN∶PO4-P高達(dá)Redfield比值的69倍,PO4-P絕對(duì)限制面積高達(dá)87.45%,這表明調(diào)水期間輸入大量高氮、低磷的淡水,加重了萊州灣海域的磷限制和營(yíng)養(yǎng)鹽失衡的程度[61]。

冬季TP的平均值為(0.49±0.34) μmol·L-1(見表 1),在黃河口附近的濃度較高(見圖3t);TP以PP為主(見圖4(b)),PP平均值為(0.33±0.26) μmol·L-1(見表 1),在黃河口處存在高值(見圖3p);PO4-P、DOP、DP均處于較低水平,平均濃度分別為(0.09±0.10)、(0.07±0.05)、(0.16±0.11) μmol·L-1(見表 2;圖 3d、h、l)。磷的形態(tài)、濃度及分布受浮游植物生長(zhǎng)調(diào)控,PP與Chla間呈顯著正相關(guān)(r=-0.915,P<0.01),表明浮游植物吸收PO4-P轉(zhuǎn)化為PP。

由于受陸源輸入、浮游生物生消過程、沉積物懸浮釋放等多重因素的影響,調(diào)查海域內(nèi)磷形態(tài)和分布具有顯著差異性。降雨等自然因素、農(nóng)業(yè)施肥及調(diào)流調(diào)沙等人類活動(dòng)的共同作用,環(huán)萊州灣各條河流的磷負(fù)荷及賦存形態(tài)有明顯的季節(jié)差異[53,62]。豐水期河流的入萊州灣通量在全年中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[63],磷在河口區(qū)的吸附解吸及生物的吸收轉(zhuǎn)化等過程導(dǎo)致陸源輸入TP的季節(jié)變化與海域內(nèi)的并不一致。海域內(nèi)TP基本呈現(xiàn)出春季>夏≈秋季>冬季的特征(見圖4(a))。

2.3 黃河口及萊州灣海域內(nèi)浮游生物的低磷脅迫響應(yīng)

APA是衡量海水生態(tài)系統(tǒng)對(duì)DOP利用的重要指標(biāo),磷限制條件下,浮游植物及浮游細(xì)菌通過合成、分泌出大量的AP利用DOP來(lái)應(yīng)對(duì)低磷脅迫[64-66]。調(diào)查海域水體中均檢測(cè)到了APA,這表明調(diào)查期間萊州灣海域浮游植物及細(xì)菌的生長(zhǎng)、繁殖在很大程度上受到了磷的脅迫作用。

秋季,APAtotal基本呈現(xiàn)出灣南部近岸高、遠(yuǎn)岸低的特征(見圖5d),APAphy與APAfree的平面分布特征與APAtotal相似(見圖5a、c),APAbac則在灣東部養(yǎng)殖區(qū)附近存在一高值(見圖5b)。APAtotal平均含量(795.86±1 749.87) nmol·L-1·h-1(見表 1),其中,APAphy貢獻(xiàn)最大,在APAtotal中的平均占比為85%,其次為APAbac,平均占比為12%,APAfree占比最小,僅為3%。這表明,秋季萊州灣在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于嚴(yán)重受限狀態(tài)[67],浮游植物及細(xì)菌合成、分泌出的AP會(huì)大量聚集在細(xì)胞周圍,快速利用DOP[16]。

(a—d:秋季,e—h:冬季。a—d: Autumn, e—h: Winter.)

冬季APAtotal分布與秋季類似,在白浪河、彌河口有一高值,但黃河口附近較低(見圖5h);APAphy在彌河口、白浪河口存在一小范圍高值區(qū)(見圖5e);APAfree則在黃河口出現(xiàn)低值區(qū)(見圖5g);APAbac整體處于較低水平(見圖5f)。APAtotal均值為(15.28±11.74) nmol·L-1·h-1(見表 1),僅為秋季的1/50(見圖6(a)),與長(zhǎng)江口[68]、黃海[47]等海域APA處于同等水平,這可能是由于冬季DIN∶PO4-P比值低、磷受限程度輕,AP被大量表達(dá);另外秋季溫度遠(yuǎn)高于冬季,有利于AP的表達(dá),進(jìn)一步導(dǎo)致秋季APA遠(yuǎn)高于冬季。APAtotal中,APAfree在APAtotal中占比最高,均值為62%,APAphy次之,占比均值為27%(見圖6(b)),這表明,磷受限程度相對(duì)較輕時(shí),浮游植物及細(xì)菌對(duì)細(xì)胞周質(zhì)內(nèi)和細(xì)胞膜上AP的依賴程度會(huì)明顯降低。此外,浮游生物種類是影響AP表達(dá)的直接因素[69-71],秋、冬季節(jié)APAtotal及構(gòu)成的差異也可能是由浮游生物種類不同所致。

圖6 黃河口及萊州灣海域中APAtotal(a)及其構(gòu)成(b)的變化

研究表明,海洋浮游生態(tài)系統(tǒng)中AP的分泌顯著受水體中PO4-P含量的影響,PO4-P主要通過“誘導(dǎo)—抑制”機(jī)制調(diào)節(jié)AP的活性,即PO4-P缺乏狀態(tài)下浮游生物會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生大量堿性磷酸酶,在很大程度上接觸并水解DOP;當(dāng)PO4-P濃度較高時(shí)酶的活性受到抑制[72-75]。對(duì)于黃河口及萊州灣海域(見圖7),當(dāng)PO4-P低于閾值0.05 μmol·L-1時(shí),不同類型的APA均顯著增加,表明低磷環(huán)境下浮游植物和細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生大量AP來(lái)利用DOP以維持自身的新陳代謝;當(dāng)PO4-P高于閾值時(shí),浮游生物對(duì)磷的需求基本得到滿足,APA維持在較低水平,AP的分泌受到抑制。本文的PO4-P閾值與大西洋和太平洋等海域的(0.030 μmol·L-1)較為接近[73];然而,馬來(lái)西亞半島沿海水域和河口區(qū)PO4-P的閾值則高達(dá)0.9 μmol·L-1[74],表明不同海域調(diào)控APA的PO4-P有較大差異。這可能是由于不同海域浮游生態(tài)系統(tǒng)以及溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽等環(huán)境因子的差異所致,具體原因還需要進(jìn)一步深入研究。黃河口及萊州灣海域中PO4-P閾值明顯低于PO4-P絕對(duì)受限閾值(0.1 μmol·L-1),表明APA作為衡量磷限制的指標(biāo)更為靈敏[11]。

圖7 黃河口及萊州灣海域中堿性磷酸酶活性與PO4-P之間的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)黃河口對(duì)TP總通量的貢獻(xiàn)最大,小清河次之;受徑流量影響,入海口TP通量呈現(xiàn)出夏季>春季>秋季>冬季的季節(jié)變化;春、夏、秋季入海TP均以PP為主,春季DP以DOP為主,夏、秋季以PO4-P為主;冬季TP以DP為主,DP以PO4-P為主。

(2)海域內(nèi)TP濃度及構(gòu)成受陸源輸入和浮游生物活動(dòng)共同調(diào)控,呈現(xiàn)出春季>夏季≈秋季>冬季的季節(jié)變化、近岸高遠(yuǎn)岸低的分布特征,高值區(qū)基本位于黃河口及小清河口。TP中,春季以DP為主,夏、秋季PP與DP相當(dāng),冬季以PP為主;DP中,春、秋季以DOP為主,夏、冬季以PO4-P為主。海域內(nèi)浮游植物普遍受到PO4-P的絕對(duì)限制和相對(duì)限制,夏季“利奇馬”臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的強(qiáng)降雨及風(fēng)浪使海域內(nèi)磷限制得到緩解;黃河秋汛可能向?yàn)硟?nèi)匯入大量的氮,加快了PO4-P的消耗,磷限制程度被加重。

(3)海域內(nèi)APA處于較高水平,秋季APAtotal主要由APAphy貢獻(xiàn),冬季APAtotal主要由APAfree貢獻(xiàn);當(dāng)水體中DIN∶PO4-P極高、PO4-P嚴(yán)重缺乏時(shí),APAphy、APAbac較高,浮游植物及細(xì)菌主要依賴細(xì)胞周質(zhì)及細(xì)胞膜上的AP來(lái)水解DOP以維持新陳代謝。

(4)PO4-P通過誘導(dǎo)-抑制機(jī)制對(duì)AP進(jìn)行調(diào)控,APA隨PO4-P的增加而降低,當(dāng)PO4-P低于0.05 μmol·L-1時(shí),浮游植物迅速分泌出大量的堿性磷酸酶來(lái)應(yīng)對(duì)低磷脅迫;當(dāng)高于閾值時(shí),APA維持在較低水平;灣內(nèi)浮游植物為適應(yīng)磷限制環(huán)境可能已降低了對(duì)磷的需求。