小長山島3種大型海藻組織碳、氮含量和δ15N值的環(huán)境指示意義

趙玥茹,蔡恒江,王選忠,劉龍強(qiáng),單曉煊,胡思琪

(1.自然資源部大連海洋中心,遼寧 大連 116001; 2.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院, 遼寧 大連 116023)

近年來,由于人類活動的影響導(dǎo)致大量的含氮營養(yǎng)鹽尤其是溶解態(tài)無機(jī)氮(dissolved inorganic nitrogen, DIN)輸入到近海,富營養(yǎng)化頻發(fā)引起生物群落組成和豐度發(fā)生改變,嚴(yán)重影響了近海生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[1-3]。目前對近海氮營養(yǎng)鹽監(jiān)測主要是通過化學(xué)方法測定水體中氮營養(yǎng)鹽濃度,該方法不但無法了解氮營養(yǎng)鹽的陸、海來源途徑,而且當(dāng)海水中的氮營養(yǎng)鹽被海流迅速稀釋擴(kuò)散或被生物大量吸收去除時(shí),監(jiān)測結(jié)果可能誤導(dǎo)氮來源的判斷[4-5]。此外,海水中氮營養(yǎng)鹽濃度并不能揭示出生物對其利用的濃度,故不能準(zhǔn)確地評估其對生態(tài)系統(tǒng)的影響[5]。已有研究表明,測定樣品中δ15N值(15N/14N)是研究氮營養(yǎng)鹽來源的一種可靠方法[6-7]。通過生物樣本與非生物樣本δ15N值的比較,可以長期地記錄環(huán)境變化情況,成為氮營養(yǎng)鹽溯源的優(yōu)選工具[8]。

20世紀(jì)70年代,底棲大型海藻首次被用來監(jiān)測近海的廢水排放[9],此后經(jīng)過不斷地發(fā)展,現(xiàn)今已證明大型海藻是指示水生生態(tài)系統(tǒng)中人為營養(yǎng)負(fù)荷影響的可靠樣本[5,10]。大型海藻只吸收海水中生物可利用的氮營養(yǎng)源[4],其組織中存儲的氮,受到海水中氮營養(yǎng)鹽的短期波動影響較小[11-13]。而且大型海藻在利用氮營養(yǎng)鹽的過程中氮分餾作用不明顯,其組織的氮穩(wěn)定同位素比其他生物變化更大,相比海水更加容易測定,可以更好地追溯氮源[14-15]。所以,大型海藻組織的δ15N值已成為研究海洋氮污染的常用工具,并被廣泛應(yīng)用于近海水體中氮源指示和示蹤研究,對控制沿海地區(qū)氮排放以及緩解近岸富營養(yǎng)化具有重要意義[16-17]。此外,大型海藻組織中的碳、氮含量、C/N比值也可作為評估環(huán)境中營養(yǎng)鹽生物可利用情況的指標(biāo)[18]。

大型海藻種類繁多,不同種類的個體對營養(yǎng)鹽吸收速率及對環(huán)境營養(yǎng)鹽的響應(yīng)形式差異較大,藻體的形態(tài)、大小和生活期限也會呈明顯的季節(jié)性變化[19-20]。所以在利用大型海藻組織的δ15N值指示近海水體氮營養(yǎng)鹽的應(yīng)用中,必須篩選出適合的指示物種。這些物種需要在不同季節(jié)均有可采集的足夠生物量,具有對水中DIN快速吸收和同化的能力,可以及時(shí)準(zhǔn)確地反映出水體中氮營養(yǎng)鹽的變化[7]。本研究選取小長山島潮間帶四季常見的3種大型海藻,對其組織中的碳、氮含量及其δ15N值、生長環(huán)境的環(huán)境因子月際變化進(jìn)行分析,以期為潮間帶野生大型海藻氮源指示和示蹤研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

3種大型海藻孔石莼(Ulvapertusa)、角叉菜(Chondrusocellatus)、鼠尾藻(Sargassumthunbergii)分別隸屬于綠藻門(Chlorophyta)、紅藻門(Rhodophyta)和褐藻門(Phaeophyta),分別于2020年7月至2021年6月于小長山島南山前巖相潮間帶(39°13.8′N,122°40.7′E)逐月采集形態(tài)完整、長勢適中的整株藻體。每種大型海藻設(shè)置3個平行組,每組采集10株藻體。

1.2 樣品處理

大型海藻用水沖洗,去除泥沙和附著的細(xì)小生物,用吸水紙吸干后,將新鮮樣品放入1 mol/L的HCl蒸汽中進(jìn)行熏蒸,過夜,除去碳酸鹽。熏蒸后的樣品用蒸餾水洗滌,在烘箱(60 ℃)烘干至恒重。將干樣品研磨成細(xì)粉末,進(jìn)行碳(總有機(jī)碳)、氮(總氮)含量和穩(wěn)定同位素分析。

1.3 碳、氮含量和δ15N值的測定

樣品在遼寧省高校近岸海洋環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析測定。稱取(1.50±0.50) mg大型海藻細(xì)粉末,用錫舟進(jìn)行包樣,每組樣品做3個平行。碳、氮含量采用元素分析儀(vario PYRO cube)進(jìn)行測定;δ15N值利用同位素質(zhì)譜儀(isoprime 100)測定,以大氣中N2的氮同位素比值(15N/14N)為標(biāo)準(zhǔn)的相對值,計(jì)算出樣品的δ15N值(δ15N的分析誤差<±0.2‰),計(jì)算公式為:

δ15N樣品(‰)={[(15N/14N樣品)/

(15N/14N標(biāo)準(zhǔn))]- 1}×1 000

(1)

式(1)中:15N/14N樣品為樣品中氮同位素比值,15N/14N標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)氮(大氣中N2)同位素比值。

1.4 海水營養(yǎng)鹽含量分析

大型海藻采集的同時(shí),在海水水深1 m處用塑料罐采集5 L水樣,立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,用孔徑為0.45 μm纖維濾膜(津騰微孔濾膜有限公司)過濾后進(jìn)行海水營養(yǎng)鹽含量分析,同時(shí)采集3個平行樣。水中NO3-N、NO2-N、NH3-N和PO4-P含量分別采用鋅-鎘還原法、萘乙二胺分光光度法、次溴酸鹽氧化法和磷鉬藍(lán)分光光度法,依照《海洋監(jiān)測規(guī)范》[21]測定,DIN含量為NO3-N、NO2-N和NH3-N含量之和。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。使用單因素方差分析(One-Way ANOVA)中的 Turkey HSD(0.05)對樣品的差異性進(jìn)行比較,采用Pearson相關(guān)性分析大型海藻碳、氮含量、C/N比值和δ15N值與海水氮、磷營養(yǎng)鹽含量的積矩相關(guān)系數(shù),顯著水平設(shè)置為P=0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 大型海藻組織碳、氮含量的變化

分析結(jié)果顯示3種大型海藻組織中碳含量的變化明顯不同(圖1)。2020—2021年,3種大型海藻組織年平均碳占比從高到低分別為:角叉菜、孔石莼、鼠尾藻,角叉菜比鼠尾藻年平均碳占比高出了11.53%(P=0.011<0.05)。鼠尾藻組織碳占比年平均為(25.43±2.15)%,變化范圍為(22.82±0.48)%～(30.11±0.56)%,在3種大型海藻中變化的跨度最大,達(dá)到7.29%;孔石莼組織碳占比年平均為(25.80±1.86)%,變化范圍為(23.56±0.68)%～(28.88±0.28)%,在3種大型海藻中變化的跨度最小,達(dá)到5.32%?？资唤M織碳占比在2月時(shí)達(dá)到最高為(28.88±0.28)%,9月最低為(23.56±0.68)%;角叉菜組織碳占比在8月時(shí)達(dá)到最高為(30.80±0.48)%,3月最低為(24.43±0.65)%;鼠尾藻組織碳占比在3月時(shí)達(dá)到最高為(30.11±0.56)%,7月最低為(22.82±0.48)%。

圖1 孔石莼、角叉菜和鼠尾藻組織碳占比的變化Fig. 1 Changes in carbon proportions of Ulva pertusa, Chondrus ocellatus and Sargassum thunbergii tissues

從圖2可以看出,2020—2021年,3種大型海藻組織年平均氮含量從高到低分別為:孔石莼、角叉菜、鼠尾藻,孔石莼比鼠尾藻年平均氮占比高出了16.74%(P=0.017<0.05)?？资唤M織氮占比年平均為(3.10±0.33)%,變化范圍為(2.63±0.11)%～(3.67±0.13)%,在3種大型海藻中變化的跨度最大,達(dá)到1.04%;鼠尾藻組織氮占比年平均為(2.65±0.16)%,變化范圍為(2.35±0.20)%～(2.99±0.19)%,在3種大型海藻中變化的跨度最小,達(dá)到0.64%。3種大型海藻組織氮含量均在冬季達(dá)到了最高,孔石莼和角叉菜組織氮占比在11月達(dá)到最高,分別為(3.67±0.13)%和(3.31±0.16)%,鼠尾藻則在12月達(dá)到最高,為(2.99±0.19)%;孔石莼組織氮占比在8月最低,為(2.63±0.11)%,角叉菜和鼠尾藻則均在3月最低,分別為(2.43±0.17)%和(2.35±0.20)%。

圖2 孔石莼、角叉菜和鼠尾藻組織氮占比的變化Fig. 2 Changes in nitrogen proportions of Ulva pertusa, Chondrus ocellatus and Sargassum thunbergii tissues

3種大型海藻組織C/N比值在(6.96±0.33)～(12.81±0.27)之間變動(圖3)。2020—2021年,3種大型海藻組織年平均C/N比值從高到低分別為:角叉菜、鼠尾藻、孔石莼。鼠尾藻組織C/N比值平均為9.64±1.39,變化范圍為(8.04±0.11)～(12.81±0.27),在3種大型海藻中變化的跨度最大,達(dá)到4.77;孔石莼組織C/N比值平均為8.37±0.77,變化范圍為(6.96±0.33)～(9.54±0.35),在3種大型海藻中變化的跨度最小,達(dá)到2.58?？资唤M織C/N比值在8月達(dá)到最高為9.54±0.35,12月最低為6.96±0.33;角叉菜組織C/N比值在4月達(dá)到最高為11.53±0.26,11月最低為8.45±0.30;鼠尾藻組織C/N比值在3月達(dá)到最高為12.81±0.27,7月最低為8.04±0.11。

圖3 孔石莼、角叉菜和鼠尾藻組織C/N比值的變化Fig. 3 Changes in C/N ratio values of Ulva pertusa, Chondrus ocellatus and Sargassum thunbergii tissues

2.2 大型海藻組織δ15N值的變化

從圖4可以看出3種大型海藻組織年平均δ15N值差異性并不明顯。孔石莼組織δ15N值年平均為(7.81±0.86)‰,變化范圍為(6.49±0.54)‰～(9.27±0.62)‰,在3種大型海藻中變化的跨度最大,達(dá)到2.78‰;角叉菜組織δ15N值平均為(8.21±0.70)‰,變化范圍為(6.82±0.73)‰～(8.94±0.32)‰,在3種大型海藻中變化的跨度最小,達(dá)到2.12‰。孔石莼和角叉菜組織δ15N值在3月達(dá)到最高,分別為(9.27±0.62)‰和(8.94±0.32)‰,鼠尾藻則在2月達(dá)到最高為(8.84±0.59)‰;孔石莼組織δ15N值在8月最低為(6.49±0.54)‰,角叉菜和鼠尾藻則均在7月最低,分別為(6.82±0.73)‰和(6.28±0.84)‰。

圖4 孔石莼、角叉菜和鼠尾藻組織δ15N值的變化Fig. 4 Changes in δ15N values of Ulva pertusa, Chondrus ocellatus and Sargassum thunbergii tissues

2.3 海水中氮、磷營養(yǎng)鹽含量變化

從圖5可以看出海水中DIN和PO4-P含量的變化。海水中DIN含量的最高值出現(xiàn)在11月,NO3-N、NO2-N和NH3-N含量分別為(0.172±0.003)、(0.012±0.001)mg/L和(0.034±0.002)mg/L;DIN含量的最低值出現(xiàn)在5月,NO3-N、NO2-N和NH3-N含量分別為(0.034±0.002)、(0.012±0.001) mg/L和(0.009±0.001) mg/L。海水中PO4-P含量9月達(dá)到最高,為(0.045±0.001) mg/L;4月份達(dá)到最低,為(0.008±0.001) mg/L。

圖5 海水中DIN和PO4-P含量的變化Fig. 5 Changes in the DIN and PO4-P contents of seawater

2.4 大型海藻組織碳、氮含量、C/N比值和δ15N值與海水中氮、磷營養(yǎng)鹽含量的關(guān)系

3種大型海藻組織碳、氮含量、C/N比值和δ15N值與海水中營養(yǎng)鹽含量的相關(guān)性分析表明,孔石莼組織的氮含量和δ15N值與海水中的NO3-N和DIN含量顯著正相關(guān);角叉菜組織的氮含量與海水中的NH3-N含量顯著正相關(guān);鼠尾藻組織的碳、氮含量、C/N比值和δ15N值與海水中氮、磷營養(yǎng)鹽含量相關(guān)性并不顯著(表1)。

表1 大型海藻組織碳、氮含量、C/N比值和δ15N值與海水中營養(yǎng)鹽含量Pearson積矩相關(guān)系數(shù)Tab. 1 Pearson product-moment correlation coefficients between carbon content, nitrogen content, C/N value, δ15N value of macroalgae tissues and nutrient content of seawater

3 討論

3.1 大型海藻組織碳、氮含量變化的原因

作為海洋中重要初級生產(chǎn)者之一,大型海藻吸收并儲存大量的營養(yǎng)物質(zhì),特別是吸收海水中的DIN,所以大型海藻會對海域的富營養(yǎng)化起到緩解和修復(fù)的作用[28-29]。前人對煙臺潮間帶大型海藻組織氮含量進(jìn)行分析表明其氮占比在1.36%～5.62%之間,并且與水體中的DIN和PO4-P含量變化無關(guān),而是與大型海藻在吸收氮營養(yǎng)鹽過程中的生長和儲氮機(jī)制有關(guān)[7]。而本研究發(fā)現(xiàn)小長山島不同種類大型海藻組織的氮含量與海水中營養(yǎng)鹽的相關(guān)性有所不同,其中孔石莼組織的氮含量與海水中的NO3-N和DIN含量顯著相關(guān),角叉菜組織的氮含量與海水中的NH3-N含量顯著相關(guān),而鼠尾藻與NO3-N、NO2-N、NH3-N、DIN和PO4-P含量相關(guān)性均不顯著。大型海藻的營養(yǎng)鹽吸收速率因各種物理、化學(xué)和生物因素而變化很大。環(huán)境中氮的水平會對植物組織的氮含量產(chǎn)生影響,如果環(huán)境中的氮營養(yǎng)鹽充足,大型海藻會在其組織儲存氮[30]。一些生長率較高的大型藻類相對于生長緩慢的大型海藻會需求更多的氮,其組織也會儲存更高濃度的氮以支持藻體快速生長過程中氮的消耗[31-32]。不同種類的大型海藻存儲氮的來源會有所不同,一些大型海藻對于水中的銨鹽吸收速率較高,還有一些海藻更偏好于吸收利用水體中的硝酸鹽[33-34]。這可能是造成不同種類大型海藻組織氮含量與海水中不同氮源濃度相關(guān)性差異的主要原因。

在自然環(huán)境中,海洋底棲大型海藻組織C/N比值的平均值為550/30[35]。海水中的氮營養(yǎng)鹽變化直接導(dǎo)致了大型海藻組織氮含量發(fā)生改變,C/N比值也會隨之發(fā)生改變。研究發(fā)現(xiàn),石莼(Ulvasp.)在清潔的海域其組織C/N比值最高可達(dá)到30～40,而暴露于養(yǎng)殖廢水中這一比值會降到15～20[36],在足夠的營養(yǎng)鹽環(huán)境下這一比值甚至?xí)陀?0,達(dá)到6.9[37]。本研究發(fā)現(xiàn),3種大型海藻組織C/N比值在(6.96±0.33)～(12.81±0.27)之間變動,其中孔石莼組織C/N比值最低,平均為8.37?？蓳?jù)此推測,小長山島潮間帶海水有充足的可被大型海藻生長利用的營養(yǎng)鹽。

3.2 大型海藻組織δ15N值影響因素分析

由于自然界中氮同位素分餾會導(dǎo)致含氮物質(zhì)δ15N值產(chǎn)生顯著差異,因此環(huán)境含氮營養(yǎng)鹽的不同氮同位素范圍在一定程度上反映了不同來源氮的輸入,其中大型海藻組織δ15N值通?？梢詼?zhǔn)確地反映陸源氮的輸入[38-39]。在同一環(huán)境條件下,大型海藻在吸收和利用氮營養(yǎng)鹽的過程中發(fā)生的同位素分餾導(dǎo)致了其組織δ15N值的差異,可以在0.2‰～50.1‰之間變化[40]。Marconi等通過收集整理1999—2007年發(fā)表的分屬于4個大洲5個國家潮間帶大型海藻組織δ15N值后發(fā)現(xiàn),綠藻門組織δ15N值在-0.1‰～12.40‰之間變化,褐藻門組織δ15N值在-0.75‰～12.40‰之間變化,紅藻門組織δ15N值在1.74‰～15.00‰之間變化[41]。本研究發(fā)現(xiàn),小長山島潮間帶綠藻門的孔石莼組織δ15N值在(6.49±0.54)‰～(9.27±0.62)‰范圍內(nèi)變化,褐藻門的鼠尾藻組織δ15N值在(6.28±0.84)‰～(8.84±0.59)‰范圍內(nèi)變化,紅藻門的角叉菜組織δ15N值在(6.82±0.73)‰～(8.94±0.32)‰范圍內(nèi)變化,均在Marconi等關(guān)于不同種類海藻δ15N值變化范圍內(nèi)[41]。

已有研究發(fā)現(xiàn),大型海藻組織δ15N值不僅能夠追蹤水產(chǎn)養(yǎng)殖廢物氮污染及其他氮的人為來源,而且能夠區(qū)分自然和人為的氮源[42]。同一種類大型海藻組織δ15N值會發(fā)生月際波動,不同種類大型海藻組織的δ15N值也會有所不同,這主要是藻體在吸收利用含氮營養(yǎng)鹽的過程中發(fā)生同位素分餾所導(dǎo)致的[43]。本試驗(yàn)表明,3種大型海藻組織間δ15N值的變化并無顯著的差異,而孔石莼組織δ15N值與海水中的NO3-N和DIN含量顯著相關(guān),說明孔石莼組織的δ15N值會受到海水中NO3-N和DIN含量的影響。因此,在小長山島潮間帶,孔石莼適于指示NO3-N和DIN來源。不同氮來源的大型海藻組織的δ15N值會有所不同,源自天然(大氣)和合成肥料的硝酸鹽δ15N值通常較低,分別在 0‰～4‰ 和-4‰～4‰之間,而生活污水中的δ15N值在5‰～19‰之間,養(yǎng)殖動物糞便中的δ15N值在7‰～26‰之間[44-46]。本研究發(fā)現(xiàn),孔石莼組織δ15N值年平均為(7.81±0.86)‰,在(6.49±0.54)‰～(9.27±0.62)‰范圍內(nèi)變化,所以可以推測小長山島潮間帶海水主要受到生活污水和養(yǎng)殖排放的影響。

4 結(jié)論

本研究選取小長山島潮間帶常見的孔石莼、角叉菜和鼠尾藻3種大型海藻,對其組織碳、氮含量及其δ15N值、生長環(huán)境的環(huán)境因子月際變化進(jìn)行分析,獲得了如下結(jié)論:

(1)小長山島3種大型海藻組織碳占比在(22.82±0.48)%～(30.80±0.48)%之間變化,氮占比在(2.35±0.20)%～(3.67±0.13)%之間變化,C/N比值在(6.96±0.33)～(12.81±0.27)之間變動。孔石莼組織的氮含量與海水中的NO3-N和DIN含量顯著相關(guān),角叉菜組織的氮含量與海水中的NH3-N含量顯著相關(guān);大型海藻組織碳含量和C/N比值與海水中的碳、氮營養(yǎng)鹽含量并無顯著的相關(guān)性。

(2)3種大型海藻組織δ15N值在(6.28±0.84)‰～(9.27±0.62)‰之間變化?？资唤M織的δ15N值與海水中的NO3-N和DIN含量顯著相關(guān),適于用作NO3-N和DIN來源的指示藻種。

(3)孔石莼C/N比值在(6.96±0.33)～(9.54±0.35)范圍內(nèi)變化,可以推測小長山島潮間帶海水有充足的可被大型海藻生長利用的營養(yǎng)鹽;δ15N值在(6.49±0.54)‰～(9.27±0.62)‰范圍內(nèi)變化,推測小長山島潮間帶海水主要受到生活污水和養(yǎng)殖排放的影響。