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黃海滸苔綠潮及其溯源研究進展*

2012-09-06 08:22:34逄少軍
海洋科學進展 2012年3期

劉 峰,逄少軍

(中國科學院 海洋研究所 實驗海洋生物學重點實驗室,山東 青島266071)

黃海滸苔綠潮及其溯源研究進展*

劉 峰,逄少軍

(中國科學院 海洋研究所 實驗海洋生物學重點實驗室,山東 青島266071)

2007-2012年,黃海連續6a暴發了大規模綠潮。分析了過去5a國內外對黃海綠潮以及綠潮形成種滸苔的研究進展,并總結了對黃海綠潮滸苔溯源的主要觀點。結合國內外對綠潮滸苔生物學研究結果,深入分析了大規模黃海綠潮暴發的關鍵要素(綠潮形成種、近海海水富營養化和其它海洋環境因子)以及生物生態學機制,根據已知的結果推演黃海綠潮全年發生發展過程。據此,認為黃海綠潮大暴發與江蘇省近岸海域海水富營養化密切相關,輻射沙洲的滸苔微觀繁殖體(孢子、配子及其不同發育程度的顯微個體)在綠潮暴發過程中扮演重要角色。

綠潮;滸苔;有害藻華;富營養化;微觀繁殖體;黃海

綠潮是一種世界范圍內經常發生的有害藻華,可以對沿海環境造成嚴重的危害。綠潮主要是由石莼屬(Ulva,包括之前的滸苔屬Enteromorpha)[1]、剛毛藻屬(Cladophora)、硬毛藻屬(Chaetomorpha)等定生大型綠藻脫離固著基后漂浮并不斷增殖,從而造成生物量急劇擴增的藻類災害,通常發生在河口、澙湖、內灣和城市密集的海岸等富營養化程度相對較高的水域環境中[2]。在美國、法國、菲律賓、日本等很多國家都有綠潮暴發的相關報道[3-6]。近幾十年綠潮在世界范圍內的發生頻率和影響規模呈現出上升趨勢,尤其是在經濟發展相對比較快的地區。

我國黃海2007-2012年連續6a發生了大規模的綠潮(圖1a),綠潮造成的經濟和環境影響引起了廣泛的社會關注,特別是2008年黃海綠潮嚴重威脅了青島奧帆比賽的順利進行,社會各方面高度重視,調動了大量人力物力進行清除。大規模黃海綠潮也造成了嚴重次生危害,主要包括綠潮形成后,遮攔陽光,影響其它海洋植物特別是海草和浮游植物的生長;綠藻腐爛后產生的次生有毒產物,造成水體缺氧,引起水生動物大量死亡,改變動物區系種群結構,對沿海的生態環境造成極大地破壞;大量綠潮海藻生物量的堆積嚴重破壞了沿海的水產養殖業,2008年的黃海綠潮造成了山東乳山、海陽、膠南和日照等地區海參鮑魚圍堰養殖、扇貝筏式養殖和灘涂貝類養殖等產業的重大經濟損失;綠潮海藻在青島和乳山等城市沿海的大量聚積,嚴重影響海岸景觀,同時腐敗后產生的惡臭氣味進一步造成了海岸環境的污染[2]。

1 黃海滸苔綠潮暴發的要素分析

綠潮可以被認為是自然界對自身生態平衡的一種調節現象。制定預防和治理綠潮災害的措施之前,有必要分析綠潮暴發的關鍵要素。綠潮形成主要有3個因素:形成綠潮的海藻物種、海水的富營養化以及適宜的環境條件[2]。

1.1 黃海綠潮海藻

多個研究結果表明,連續6a構成大規模綠潮的海藻在形態學和分子系統學方面具有高度一致性,優勢種是滸苔(Ulva prolifera)(圖1b),它是在世界范圍內分布的廣溫性大型綠藻,在俄羅斯、日本、韓國等北太平洋沿岸、美洲太平洋沿岸、北美大西洋沿岸和歐洲沿岸都有報道[7-9]。滸苔在我國東海為優勢種,而黃海為常見種[10-11]。對江蘇沿海的實地調查發現滸苔主要分布在沿岸的泥沼、池塘、河道入海口、紫菜栽培筏架等生態環境中[12-14]。然而,來自分子生物學的信息,特別是ITS、rbcL和5S間隔區序列的比對結果顯示,不同地域生長的滸苔其序列存在一定的差異,屬于不同的滸苔種群[2]。

圖1 黃海綠潮滸苔Fig.1 Bloom-forming alga,Ulva proliferain Yellow Sea

1.1.1 黃海綠潮滸苔的生物學特點

現場采集觀察發現綠潮滸苔長可達1.5~2.0m,藻體為絲狀、管狀、扁管狀,主枝明顯、單層細胞且中空,分枝細長且密集(圖1c),細胞大小為(10~16)μm×(14~32)μm,每個細胞一般只有一個淀粉核[2,15-17]。滸苔的繁殖方式多樣[18],包括有性生殖、無性生殖和營養繁殖等,繁殖能力強,在生活史周期中的任何一個中間形態都可以單獨發育為成熟藻體。綠潮滸苔成熟藻體依據倍性的差異可以釋放孢子或配子(圖1d),孢子或配子或由配子結合形成的合子附著后進行分裂,第一次分裂形成基部和頂端2個細胞,基部細胞發育形成假根,頂端細胞發育形成新藻體[19-20]。剛釋放出的孢子具有聚集生長的趨勢[17]。同時海水中和潮間帶底泥中含有大量的滸苔微觀(或顯微階段)繁殖體,這些微觀繁殖體包括滸苔孢子、配子、合子以及其發育不同程度的個體,它們和滸苔藻體都具有較強的抗脅迫能力[21-23]。在適宜的環境條件下,滸苔在與其它綠藻競爭營養鹽和生存空間的過程中占據優勢,表現出更強的營養生長和營養鹽吸收能力,更長的耐受不良環境條件的能力。在富營養化的水域中呈暴發性生長,其生物量急劇增加形成綠潮[24]。

1.1.2 黃海綠潮滸苔的分子系統學分析

從黃海不同海區采集的綠潮滸苔,其ITS和rbcL序列高度一致,分子系統學結果顯示黃海綠潮滸苔在進化樹中處于Ulva linza-procera-prolifera(LPP)進化枝中[2,15]。2008年Jiang等通過分析2007年青島沿海漂浮和定生的石莼屬海藻ITS序列,發現漂浮海藻樣品不同于定生樣品,并聚類到同一個進化枝中[25]。2009年應成琦等分別對2008年青島、連云港、如東海域采集樣本進行了ITS和18S序列分析,結果表明這3個海域漂浮海藻樣品的ITS和18S序列完全一致[26]。2008年張曉雯等對2008年黃海海域采集的22個滸苔樣品及青島棧橋海域的滸苔樣品進行了鑒定,發現23個滸苔樣品的ITS及5.8S序列完全一致[27]。2010年Wang等對2007年和2008年的21份滸苔樣品的ITS序列分析發現歧化率在0~0.2%[8]。2010年Liu等對2008-2010年黃海綠潮滸苔的30個樣品進行ITS和rbc L序列分析發現,序列歧化率在0~0.2%[9]。2010年Zhao等對2007-2009年的6個定生和7個漂浮滸苔樣品進行了ISSR分析,結果表明連續3a的漂浮滸苔樣品有非常近的遺傳關系[28]。這些證據表明2007-2012年連續6a在黃海海域出現的大規模滸苔為同一來源,屬于同一個地理種群。

1.2 海水富營養化

富營養化的顯著特點是氮嚴重超標,N/P摩爾比值遠高于Redfield比值(≈16)[29]。氮和磷等營養元素的顯著增多是綠潮海藻生物量增加的物質基礎[2]。黃海近海海域的富營養化主要是由沿海地區的工業、水產養殖業、農業、畜牧業等迅速發展,以及沿海城市居民活動的不斷增多導致的;同時,多河的沿岸環境也會因為季節性降雨而導致淡水將大量營養鹽帶入到近海海水中:如運糧河口的濃度為195.2μmol/L,濃度為14.1μmol/L[20]。值得一提的是調查中發現在動物(如河蟹育苗和南美白對蝦)水產養殖過程中大量使用有機和無機肥料,而這些營養鹽含量極高的養殖廢水直接被排放到了潮間帶:如射陽輪蟲養殖池排放廢水的濃度為268.4μmol/L濃度為53.9μmol/L。養殖廢水在很大程度上加劇了江蘇近岸海域海水的富營養化。

海水的富營養化是綠潮暴發的關鍵因素。要想從根本上消除綠潮災害,如何降低營養鹽的入海量是一個值得思考的問題。江蘇輻射沙洲是全世界最大的條斑紫菜栽培地,栽培了2.1×104hm2的條斑紫菜,年產量達鮮重12.6×104t[2];N和P分別占紫菜鮮重的0.62%和0.06%[33],因此每年江蘇省紫菜栽培可以從海水中吸收掉N大約781.2t(折合NO3--N 3 459.6t或NH+4-N 1 004.4t)、P大約75.6t(PO3-4-P折合231.7t)。但是,連續6a大規模綠潮的出現告訴我們,黃海營養鹽的含量已經躍升到一個新的水平,栽培紫菜顯然已經無法將營養鹽含量降到一個健康的生態水平。治理黃海綠潮,大幅度降低陸基營養鹽向近岸海域排放十分關鍵。

1.3 滸苔生長和繁殖的適宜環境因子

環境因子(包括溫度、光強、鹽度等)是滸苔能否在營養鹽充足的條件下快速生長和繁殖的重要因素。滸苔是廣溫廣鹽性海藻,研究發現滸苔藻體適宜的生長和生殖溫度、光強和鹽度范圍分別為10~25℃,20~400μmol m-2·s-1、20~30[19,34-36]。每年的4-6月,江蘇近岸海域的平均溫度從8℃升到20℃,同時光輻射強度也逐漸提高,白晝逐漸增長。江蘇沿海河流較多,大量的淡水攜帶著陸基營養物質注入到近岸海水中,促使海水鹽度降低也有利于滸苔的生長繁殖。在這樣適宜的環境條件下,滸苔由于獨特的生物學特性,在與其它海藻競爭中占據明顯優勢,可以加速營養生長和縮短生殖周期[37]。

上述3個關鍵要素都是綠潮暴發的必備條件。然而隨著人類活動空間不斷拓展、全球氣候不斷變化和綠潮海藻自身對環境的適應進化,要全面評估綠潮的發生并預防綠潮災害,還需要進一步從生物學、生態學、海洋化學和物理海洋學等不同學科開展工作,并進行多學科的交叉研究。

2 黃海滸苔綠潮發生、發展的全年推演

根據上述綠潮滸苔的生活史和生長繁殖特征,可以嘗試將黃海滸苔綠潮從形成到消亡的全年過程分為3個時期,分別為微觀繁殖體期(11-3月),綠潮暴發和持續期(4-7月)和綠潮海藻消亡期(8-10月)。

2.1 微觀繁殖體期(11-3月)

江蘇省沿海具有伸展數百公里的輻射沙洲,海水渾濁,穿透光強很弱。然而,渾濁的海水中大量的泥沙顆粒成為滸苔微觀繁殖體的附著基,這些微觀繁殖體與附著的顆粒在海水中處于一種動態的自由漂浮狀態,形成了一個數量龐大的石莼屬海藻繁殖體庫。冬季滸苔以微觀繁殖體的形式存在于輻射沙洲的海水和底泥中。在江蘇的輻射沙洲(外沙),平均每克底泥可以檢測到約20個滸苔微觀繁殖體,而每升海水中的豐度約為30個左右[38]。因為水溫、光強等環境因子影響石莼屬海藻的生殖節律,海水和底泥中滸苔微觀繁殖體的數量是受季節影響的。在自然界中,綠潮滸苔微觀繁殖體是冬季應對惡劣環境保持種群持續性的重要方式。滸苔微觀繁殖體可以等同于赤潮甲藻的孢囊,如同孢囊是赤潮發生的“種源”一樣,滸苔微觀繁殖體是黃海綠潮發生的“種源”。當春天的環境因子適合綠潮海藻生長發育時,這些越冬的繁殖體會再次復蘇和繁榮,從而在江蘇輻射沙洲富營養化的環境中形成綠潮。冬季江蘇沿海海水最低溫可以到2~5℃(外沙),實驗室生態模擬實驗表明,在低溫黑暗的惡劣環境條件下,滸苔微觀繁殖體可以存活3~4個月[2]。因此,在自然環境中,滸苔微觀繁殖體完全有能力抵御寒冷的冬季,到3月中下旬以后,溫度升高到8℃以上,藻體生長速度加快。實驗室條件下,滸苔微觀繁殖體生長2周就可以從微觀繁殖體階段長到2mm左右的肉眼可見階段[38-39]。在自然環境下,由于輻射沙洲獨特的地形以及溫度和光強提升緩慢,這一過程可能會被延長到30~60d左右。

2.2 綠潮暴發和持續期(4-7月)

4月下旬以后,江蘇輻射沙洲表層海水溫度達到12℃以上,隨著光強的提升,滸苔營養生長速度加快,藻體在生長過程中通過光合作用產生氣泡,增加了藻體的浮力,在海面上形成小的滸苔斑塊。在實驗室適宜的條件下,滸苔的日相對生長率可達36%·d-1[9];2009-06晴天時,漂浮在海面上的滸苔日相對生長率接近25%·d-1[2]。同時,浮游動物啃食藻體形成的滸苔斷枝,也加強了滸苔的營養繁殖和生殖,因為0.5~2.5 mm的滸苔藻段有利于滸苔生殖細胞的誘導形成[40-41]。在營養生長的同時,滸苔藻體也會通過不間斷的釋放生殖細胞(孢子和配子)進行繁殖,在實驗室條件下,1g藻體在11d的培養過程中可以釋放5 000多個生殖細胞[9]。在2009-06綠潮暴發時,黃海大面積海域的水樣中可以檢測到滸苔的繁殖細胞,而這些微觀繁殖體在風場和流場的作用下處于動態的分布變化中,也會不斷的生長聚集從而形成不同規模的滸苔斑塊。

2.3 綠潮海藻消亡期(8-10月)

因海水溫度上升、營養鹽含量降低以及其它環境因子的改變,漂浮滸苔的藻體逐漸衰老,光合作用速率降低,促使藻體浮力發生改變,由海面漂浮變成懸浮或沉降到海底[42]。作者研究了2009年青島外海沉底滸苔的光合活性,發現沉底滸苔的最大光化學效率(Fv/Fm)明顯降低,說明沉底滸苔遭受到了嚴重的環境脅迫,并最終死亡[2]。林阿朋研究了2008年青島沿海漂浮藻體和泥表沉降藻體的光合差異,發現漂浮藻體光合活性較強,而泥表藻體的光合活性極弱,2008-07中旬,青島海域環境已不適合滸苔生長,滸苔生物量處于下降之中[43]。

3 關于黃海滸苔綠潮的溯源研究

到目前為止黃海綠潮溯源的研究進展,雖然不同學者研究結論不太一致,但還是為進一步澄清綠潮滸苔的發生機制提供了有價值的線索。

3.1 黃海綠潮滸苔不是青島本地種

2008年姜鵬等通過分析2007年青島沿海漂浮和定生石莼屬海藻的ITS序列,發現漂浮的海藻樣品聚類到同一個進化枝中,并且歧化率極低,在0~2.5%,而定生樣品位于其它的進化枝中[25]。雖然2008年青島出現了百萬噸級的滸苔生物量,但是2010年劉峰等發現綠潮滸苔并沒有在青島形成自然種群[19],從2008-12-2009-04的整個時間段,并沒有在青島近岸的海水中檢測到綠潮滸苔的微觀繁殖體。這一結論也排除了在青島沿海因殘存綠潮滸苔“種源”而發生綠潮的可能性。

圖2 生長在江蘇沿海不同環境中的綠潮滸苔Fig.2 U.proliferain the different habits of Jiangsu coasts

3.2 綠潮滸苔的漂移路徑

2007-2010年的MODIS衛星圖像顯示,滸苔是由外長江口以北的黃海中南部漂到黃海北部的,并最終在青島和乳山等城市的海岸堆積[44-45]。通過對衛星遙感的滸苔監測信息和海面風場資料分析表明,滸苔從南向北的漂移路徑與季風的方向基本一致。在5月中旬前后生成于黃海西北部海域,5-6月份黃海上空維持偏南風流場,在風力作用下產生了偏北向表層海流,2008年青島海域大量積聚的滸苔和2009年乳山海域大量聚集的滸苔是在風場和流場的作用下漂移而至的[46-49]。

3.3 黃海綠潮的溯源

目前,關于黃海綠潮滸苔的來源還存在爭議。從2009-2012年對江蘇沿海的實地調查發現:江蘇沿岸的水產動物養殖池在育苗和養殖過程中使用大量的有機和無機肥料,養殖廢水中營養鹽含量很高,并且未經處理直接排放到了近岸海域,這是導致近岸海域富營養化的重要原因之一。2012年劉峰等通過ITS,rbcL和5S間隔區序列分析發現江蘇沿岸的動物水產養殖池、輻射沙洲(外沙)的水樣和底泥中都存在綠潮滸苔的微觀繁殖體(圖2),并推測江蘇輻射沙洲存在的滸苔微觀繁殖體很可能是黃海綠潮的“種源”[39]。這一地區也正是江蘇條板紫菜大規模養殖的區域。2009-2010年劉東艷等通過對江蘇省紫菜栽培筏架上的綠藻進行分子鑒定,并分析江蘇省紫菜栽培近幾年的發展狀況,認為黃海綠潮滸苔來源于江蘇的紫菜筏架,近幾年江蘇紫菜栽培規模的擴增是導致黃海大規模綠潮的直接原因[13-14]。上述關于綠潮滸苔來源的不同觀點,還需要進一步的工作去分析和解析。

此外,2009年丁蘭平等調查認為綠潮滸苔的源頭可能在黃海的西南海域[50]。2009年徐兆禮等依據東黃海海洋物理、海洋生物和海洋化學資料,對2008年黃海綠潮過程和條件進行海洋學分析,認為黃海綠潮的源頭在長江口水域。但是上述2個結論還需要進一步通過滸苔樣品的分析鑒定加以證實[51]。

總之,目前關于黃海綠潮的研究取得了豐碩的結果,但是仍然存在很多方面的問題值得商榷和研究,主要包括綠潮滸苔的漂浮和聚集機制、各種環境因子對滸苔繁殖和生長的限制和促進效應等。因此要徹底解析清楚黃海綠潮的發生發展過程,還有很多的工作要做。但無論如何,加強生態環境保護和合理有節制的開發海岸資源是長期和必須要貫徹的基本原則。

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(高 峻 編輯)

Research Advances on Green Tides in the Yellow Sea

LIU Feng,PANG Shao-jun
(Key Laboratory of Experimental Marine Biology,Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071,China)

From 2007to 2012,large-scale drifting green tides have consecutively occurred in the Yellow Sea of China.This paper reviews the updated information on the source of the drifted algal biomass,the reason of formation of the algal biomass as well as the biological identification of the dominating species.The essential factors that govern the occurrence of green tides,namely bloom-forming alga,eutrophication of the sea water and environmental factors were analyzed.According to those results,a hypothetic process was proposed to deduce the annual process of formation and development of the green tides.The most updated results of source-tracking of the bloom-forming alga indicated that the coastal area eutrophication of Jiangsu Province might be closely related to the bloom and microscopic propagules of Ulva prolifera (spore,gamete and microscopic individual in different developmental stage)on the sandy shoals play an important role in the bloom of green tide.

green tide;Ulva prolifera;harmful algal blooms;entrophication;microscopic propagule;Yellow Sea

January 6,2011

Q948.12

A

1671-6647(2012)03-0441-09

2011-01-06

青島市科技計劃項目——黃海綠潮滸苔存活、繁衍和暴發的生物學機制研究(10-4-1-14-hy)和黃海綠潮滸苔從定生到漂浮的生物生態學機制研究(11-3-1-3-hy);青島市市南區科技發展資金項目——青島沿海綠潮漂浮滸苔生物學研究(2011-5-030-QT);青島國家海洋科學研究中心委托計劃項目——黃海綠潮漂浮滸苔溯源及生物學研究;國家科技部支撐計劃——綠潮專項(2008BAC49B01)

劉峰(1981-),男,山東青島人,博士,助理研究員,主要從事大型海藻生物生態學方面研究.E-mail:liufeng@qdio.ac.cn

*通訊作者,E-mail:sjpang@qdio.ac.cn

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