基于光合色素的欽州灣平水期浮游植物群落結構研究

藍文陸，黎明民，李天深

(廣西壯族自治區海洋環境監測中心站，北海 536000)

浮游植物是海洋初級生產者，其群落結構則與初級生產力沿食物鏈向上傳遞轉化為漁業資源產量的效率密切相關［1-3］。隨著研究的深入，超微型(＜5μm，下同)浮游植物的重要作用開始被人們所肯定，但是許多微型和超微型種類缺少明顯的形態特征，很難在顯微鏡下鑒定和計數［4-5］。高效液相色譜法(HPLC)分析特征光合色素來研究浮游植物群落結構對指示全粒級浮游植物類群結構十分有利，其能夠檢測出多種光學顯微鏡無法檢測出的小個體類群和一些難以保存的脆弱類群［4-6］，已被成熟應用［5-6］。

欽州灣是廣西的重要海灣之一，北部灣經濟區發展規劃獲批后，欽州灣掀起了新一輪的開發熱潮，海灣環境將面臨很大的壓力。浮游植物對環境變化敏感因而受到關注，近幾年海灣浮游植物的種類組成及數量變化開始有部分報道［7-8］，但是海灣浮游植物的全粒級群落結構特征報道仍很少［9］。本研究通過光合色素指示欽州灣浮游植物的群落結構，揭示其組成和分布格局及影響因素，探討微型和超微型浮游植物在海灣中的重要作用，為海灣生態保護和經濟可持續發展提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 調查時間與站位

2010年10月，通過現場調查航次，從欽州灣灣頂到欽州港灣灣外進行了3個方向的同步調查。方向1為 Q1—Q7，方向2 為 Q8—Q13，方向3 為 Q14—Q18，方向1和方向2同時從Q7附近的欽州港出發，方向3從Q17附近的犀牛角出發，進行同步采樣。其中，Q1—Q7站點位于內灣;Q8—Q18位于外灣(圖1)。

1.2 現場采樣與樣品分析

各測站采集表層海水樣品(水面下0.5 m)，樣品用5 L的采水器采集。

水溫和鹽度現場采用直讀式鹽度計數據，無機氮、活性磷酸鹽(溶解態無機氮和活性磷酸鹽，下同)等環境因子的采集與測定方法依據國家《海洋監測規范》［10］進行。

光合色素樣品在采集后放置于低溫避光處并迅速帶回實驗室立即過濾。2—3 L水樣經0.7μm GF/F濾膜收集，過濾負壓＜0.6 atm。濾膜對折后放置入鋁鉑袋中，于液氮中保存。將濾膜夾于濾紙中解凍，吸去多余水分;以2 mL N、N-二甲基甲酰胺為提取劑。在－20℃暗處放置2 h以充分提取色素;充分混合后離心(5 min，4 kg，－4℃)，取上清，用13 mm針筒過濾器(millipore)濾過GF/F濾膜，收集濾液于棕色色譜小瓶(2 mL)。整個過程均在低光照強度、低溫條件下進行，以減少光合色素的降解。

圖1 站點布設Fig.1 Location of sampling stations

高效液相色譜分離光合色素以及色譜柱和流動相的使用參照文獻［6，11-12］。各浮游植物類群對葉綠素a貢獻通過CHEMTAX程序因子分析方法對13種特征光合色素數據轉化而來［6，11-12］，表示為葉綠素a生物量(μg/m3Chlorophyll-a，Chl-a)。浮游植物類群分為硅藻(Bacillariophyta)、綠藻(Chlorophyta)、甲藻(Pyrophyta)、定鞭金藻(Prymnesphyceae)、Pelagophytes、隱藻(Cryptophyta)、藍藻(Cyanobacteria)和原綠球藻(Prochlorophyta)八類。其中綠藻包括綠藻綱(Chlorophyceae)和青綠藻綱(Prasinophyceae)。特征光合色素與葉綠素比值初始值參用Mackey［13］。

2 結果和分析

2.1 環境參數的分布特征

2010年平水期欽州灣表層溫度、鹽度、無機氮和活性磷酸鹽的分布特征見圖2。表層海水溫度變化范圍小(21.0—22.4 ℃)，鹽度變化較大(14.2—31.0)，從灣頂向外灣逐漸增加，內灣鹽度低于 25 而外灣高于 25，在內灣形成較密的變化梯度。平水期無機氮的濃度變化范圍為0.4—22.9μmol/L，內灣無機氮濃度高，無機氮從灣內向灣外逐漸降低。磷酸鹽濃度的變化與無機氮相似，沿著鹽度增加的梯度從灣頂向灣外逐漸降低，外灣濃度均低于0.1 μmol/L。

圖2 平水期欽州灣環境參數的分布Fig.2 Distribution of environmental parameters in the Qinzhou bay during average water period

2.2 特征光合色素的組成與分布

欽州灣平水期光合色素含量較高的特征色素依次為巖藻黃素、葉綠素b和玉米黃素及青綠素，其它特征光合色素的含量較低。圖3列出了欽州灣平水期浮游植物主要特征光合色素含量的空間分布與變化。巖藻黃素在內灣濃度較低，從內灣到灣外顯示出增加的特征，最高值出現在Q15站點。葉綠素b在平水期的分布特征與巖藻黃素的分布特征相反，在內灣從灣頂往灣口逐漸降低，在外灣從欽州港東北面往灣外逐漸降低。玉米黃素以及其它色素在內灣和外灣的濃度差別不大，分布特征也不明顯(圖3)。

圖3 平水期欽州灣主要光合色素濃度的平面分布Fig.3 Distributions of main pigment concentration in the Qinzhou bay during average water period

2.3 浮游植物類群的生物量和空間分布

經CHEMTAX對光合色素的換算，欽州灣平水期的主要浮游植物類群為硅藻、青綠藻、甲藻、藍藻和綠藻。圖4列出了欽州灣平水期浮游植物主要類群生物量(以Chl a計)的空間分布與變化。硅藻是平水期浮游植物群落中生物量最高的類群，生物量在2.0×103—4.0×103μg/m3之間，空間分布上內灣略低于外灣，最低生物量在茅嶺江口，最高值出現在外灣的Q15站。藍藻的生物量在平水期較低，生物量均＜0.4×103μg/m3，在內灣的欽江東段河口生物量最高，除了欽江東河口及Q15站之外，藍藻生物量變化較小。青綠藻生物量變化主要集中在0.1×103—0.9×103μg/m3之間，內灣生物量明顯高于外灣，從河口往灣外減少。其它浮游植物類群的生物量很低，甲藻、隱藻、綠藻和定鞭金藻這幾個類群生物量之和僅為0.05×103—0.5×103μg/m3，其在內灣變化較小，在外灣變化較大(圖4)。

圖4 平水期欽州灣浮游植物主要類群生物量的分布Fig.4 Distributions of main phytoplankton groups'biomass in the Qinzhou bay during average water period

2.4 浮游植物群落的組成結構與分布

平水期浮游植物群落結構如圖5所示。除了灣外的Q19站點之外，硅藻在欽州灣仍是最大的優勢類群，對總生物量的貢獻主要在50%—90%之間，平均占74%。硅藻對生物量的貢獻比例在河口站點較低，在外灣的比例略高于內灣。青綠藻是欽州灣平水期僅次于硅藻的浮游植物類群，其在內灣占浮游植物群落比例相對外灣較高，從灣頂往灣外青綠藻在浮游植物中的比重逐漸減少。藍藻和綠藻在內灣及外灣靠岸站點的比重相對穩定(5%—10%)，而在外灣靠外站點比重＜5%。甲藻、隱藻和定鞭金藻在欽州灣所有站點浮游植物群落中的貢獻比例都很小(圖5)，3個類群在各站點所占比例之和＜5%。

2.5 浮游植物群落結構的空間格局

基于浮游植物各類群的組成比例，欽州灣浮游植物群落結構區域差異不是特別顯著。通過各測站浮游植物結構的聚類分析，仍能區分為河口、近岸和外灣共3種類型(圖6)。類型A(Cluster A)主要分布在仍受河口較大影響的河口，以硅藻和青綠藻為雙優勢類群，硅藻占據浮游植物一半的比重。類型B(Cluster B)位于鹽度較低的灣頸和外灣等靠近岸邊的站點，其特征是硅藻為最主要優勢類群(60%—70%)，藍藻和青綠藻為次要優勢類群并伴隨著綠藻的存在。類型C(Cluster C)分布在外灣較為靠外站點，表現為硅藻生物量比重占據絕對優勢(＞80%)，沒有綠藻或其比例很低。

圖5 平水期欽州灣浮游植物不同類群對浮游植物生物量的貢獻Fig.5 Contribution of different phytoplankton groups to phytoplankton biomass in the Qinzhou bay during average water period

3 討論

3.1 平水期浮游植物群落的結構與分布特征

溫度、鹽度、營養鹽等被認為是影響浮游植物的生長和分布的主要影響因素［14-16］。適中的溫度和鹽度以及豐富的營養鹽能夠促進浮游植物的生長和繁殖［17］。欽州灣平水期表層海水溫度變化范圍在21—23℃，鹽度變化在14—31之間，無機氮濃度也較豐富(圖2)，為浮游植物的生長和繁殖提供了有利條件。欽州灣從內灣到外灣各環境因子顯示出鹽度逐漸增高而無機氮和磷酸鹽逐漸降低的明顯變化特征，顯示出平水期該海灣仍受徑流輸入影響顯著，屬典型的河口特征。這種急劇變化的河口環境特征，決定了欽州灣浮游植物群落結構從灣頂到外灣的空間變化格局［9］。

在本次調查中，巖藻黃素和葉綠素b是最主要的兩種浮游植物光合色素(圖3)，轉換計算結果表明硅藻和青綠藻是欽州灣平水期浮游植物群落的最主要兩個類群，藍藻和甲藻等其它類群的生物量很低(圖4)，所占的比例也很低(圖5)。硅藻是海洋浮游植物最常見的主要類群，平水期欽州灣鹽度在14—30之間，是以海水為主的混合水域，因而硅藻有著較高的生物量，是最優勢的類群。而且硅藻的分布內灣低外灣高，隨著鹽度的增加而增加;青綠藻從河口到外灣隨著鹽度的增加而減少，受徑流輸入影響明顯。豐水期欽州灣浮游植物群落結構的研究結果［9］表明在低鹽度高營養鹽的內灣段(鹽度＜18)，受淡水的主導，適應低鹽的藍藻、青綠藻和綠藻占據了相當的比例導致硅藻比例比外灣低;中等鹽度和營養鹽的外灣段(18＜鹽度＜30)環境相對穩定，海洋硅藻發展成了單一優勢類群，浮游植物群落結構與欽州灣水團/水段的密切對應關系。在本次調查中，位于欽江和茅嶺江河口的3個站點鹽度為14—18，營養鹽濃度較高(無機氮＞17μmol/L，磷酸鹽＞0.15μmol/L)，這些特征與豐水期低鹽度高營養鹽的內灣水團相似。在這個水團中，硅藻的比例在50%—60%之間，與豐水期內灣靠外站點相似;而本次調查中內灣靠外站點及外灣站點硅藻也發展成為浮游植物的優勢類群，與豐水期的中等鹽度水團/水段的結構相近。這表明了徑流變化對欽州灣浮游植物群落結構的組成及分布特征有決定的作用，平水期由于徑流比豐水期減少，感潮河段往內推移，使豐水期相對靠外的內灣浮游植物群落結構類型往河口分布。平水期的水溫與豐水期差距不大，且整個海灣表層水溫的差異很小，溫度變化在浮游植物結構變化中應不起主要作用。環境參數變化特征顯示了欽州灣是一個典型的河口型海灣特征，在這種條件下，鹽度及營養鹽濃度主導了欽州灣浮游植物的組成與分布格局特征。

圖6 平水期欽州灣浮游植物群落結構類型及其分布示意圖Fig.6 Clusters and distributions of phytoplankton community in the Qinzhou bay during average water period

在本次調查中，外灣硅藻雖然是浮游植物的優勢類群，但其比例(60%—90%，圖5)明顯不如豐水期(82%—97%)［9］的高。海洋硅藻的營養鹽利用實驗結果顯示營養鹽濃度限值(N＜1μmol/L，P＜0.1)會限制硅藻的生長和繁殖［17］，豐水期外灣多數站點營養鹽仍沒有限制浮游植物的生長［9］，而在本次平水期調查中雖然外灣硝酸鹽氮均＞1μmol/L，但磷酸鹽均＜0.1μmol/L，N/P也均高于30，營養鹽比例失調。一些研究結果也表明硅藻在營養鹽豐富的情況下是浮游植物的絕對優勢類群，但在貧營養條件下其優勢地位明顯下降［18］。外灣受徑流輸入、水體交換及浮游植物本身消耗等綜合作用［19-20］，營養鹽尤其是磷酸鹽濃度減少，導致浮游植物群落結構改變。因此，受徑流輸入減少的影響，平水期營養鹽濃度較低，尤其是磷酸鹽濃度在外灣很低，N/P失調，限制了硅藻的大量生長和繁殖，而其它一些能在較低營養條件下生長的藻類比例增加，影響著浮游植物群落結構組成與分布特征。

3.2 欽州灣微型浮游植物的重要性

通過光合色素的分析結果表明，作為硅藻的特征色素巖藻黃素含量最高，硅藻是欽州灣豐水期的優勢類群，浮游植物群落組成還包括甲藻、藍藻、定鞭金藻、綠藻、青綠藻、隱藻以及極少量的原綠球藻。在同期航次中的浮游植物顯微鏡分析結果中，耐低鹽性的硅藻是該海灣中的最主要優勢類群，除此之外還有甲藻、藍藻和綠藻。但這些類群的種類和數量比例均很低，欽州灣浮游植物的其它調查結果也具有相類似的結果［7-8］。光合色素是通過浮游植物葉綠素a及特征光合色素含量計算，其生物量是以浮游植物體內的色素含量為基礎。鏡檢方法則是以浮游植物個體或聚合體為基礎，不分個體大小，其揭示的群落結構是以個體數為基礎。浮游植物種類繁多，不同種類的細胞個體大小之間差別數倍到數十倍，即使是同一種類不同的細胞時期其大小差別明顯，因而不同的計量方法，必然導致了兩種結構之間的一定差異。除了這種差異之外，應用光合色素的方法能夠揭示＞0.7μm以上的全粒徑浮游植物群落的結構，但是鏡檢方法往往很難在顯微鏡下鑒定和計數許多微型和超微型種類［4-5］，這導致了青綠藻等微型和超微型浮游植物在欽州灣沒有被認知和關注，特征光合色素方法的成功應用，為揭開微型和超微型浮游植物在海灣中的作用提供了有利條件。

在平水期的調查中除了硅藻和綠藻等河口常見浮游植物類群之外，青綠藻和藍藻也是除了硅藻之外的浮游植物主要類群，其在浮游植物結構比例中占據相當重要的地位。平水期浮游植物特征光合色素的結果顯示葉綠素b是海區第二高含量的色素，其濃度介于50—850μg/m3之間，明顯高于珠江口50—150μg/m3的濃度［21］。葉綠素b主要存在于綠藻門的藻類中，包括綠藻、青綠藻和裸藻［21］。裸藻不太適應水流較強的水體，因此表明了綠藻和青綠藻在欽州灣中具有相當的數量。青綠素是青綠藻的特征色素，本次調查中大部分站點均檢測出青綠素，而且其濃度是珠江口的兩倍，經CHEMTAX對光合色素的換算結果顯示青綠藻在欽州灣平水期浮游植物群落中占據相當比例。豐水期的調查結果也顯示了欽州灣一定含量的青綠素的普遍存在于海灣大部分海域［9］。因此，即使換算結果有所誤差，青綠藻在欽州灣普遍存在可以確定，而且在浮游植物群落結構中占據相當比例。

此外，同航次以及欽州灣其它浮游植物報道中藍藻主要是較大個體的束毛藻和念珠藻，其數量比例很低。藍藻除了這些較大個體的種類之外，河口還常有一些個體較小的類群。在相對高鹽海域，還可能存在一個重要的藍藻類群，即聚球藻，其個體很小(粒徑為0.5—1.5μm)，但廣泛分布于熱帶和溫帶海洋，細胞豐度通常在103—105個/mL，對浮游植物總生物量的貢獻達20%—90%［22］。除了硅藻和甲藻等這些較大個體的浮游植物外，青綠藻、綠藻、藍藻、定鞭金藻和隱藻等個體較小的浮游植物在平水期占據著欽州灣浮游植物的10%—45%左右的比例，表明了微型和超微型浮游植物在欽州灣也占據著相當的比例，對海灣初級生產力和生態系統有這重要的作用。利用欽州灣內灣和外灣2個YSI生態浮標在線監測結果也顯示2010年欽州灣微型藍藻的月平均豐度達到 1.6×103—4.7×103個/mL，最高可達 0.9×105個/mL，數量豐富。鏡檢分析無法檢測到這幾個重要浮游植物類群，導致這些微型和超微型浮游植物類群沒有被重視。浮游植物是海洋生態系統的基礎，浮游動物的食譜與食物大小有很大關系，不同大小的浮游植物決定著食物鏈的長短。因此，欽州灣浮游植物的群落結構的重新認知，基于微型和超微型為基礎的食物鏈/食物網很可能也在海灣中占據著重要的作用，海灣的生態系統結構和功能應該要重新去審視。在后續的研究中，應加強對浮游植物粒徑結構的研究確定微型和超微型浮游植物的比例;通過流式細胞、熒光原位雜交等技術方法檢測聚球藻、青綠藻等重要類群的存在及數量，以確認微型浮游植物在欽州灣中的地位，并弄清他們的具體生態結構和功能。

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