南海東北部浮游植物對氮、磷加富的響應(yīng)及與不同水團(tuán)的關(guān)系

李佳俊，沈萍萍，譚燁輝*，姜歆，周林濱

(1. 中國科學(xué)院 南海海洋研究所 海洋生物資源可持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510301; 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049; 3. 中國科學(xué)院 南海海洋研究所 廣東省應(yīng)用海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510301)

南海東北部浮游植物對氮、磷加富的響應(yīng)及與不同水團(tuán)的關(guān)系

李佳俊1，2，3，沈萍萍1，3，譚燁輝1，3*，姜歆1，2，3，周林濱1，3

(1. 中國科學(xué)院 南海海洋研究所 海洋生物資源可持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510301; 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049; 3. 中國科學(xué)院 南海海洋研究所 廣東省應(yīng)用海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510301)

2014年5月搭載“實(shí)驗(yàn)3”號科考船對南海東北部海區(qū)進(jìn)行氮、磷營養(yǎng)鹽現(xiàn)場加富培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。水團(tuán)分析的結(jié)果表明，南海東北部海區(qū)的環(huán)境參數(shù)隨著空間的變化大體可以分成3個(gè)區(qū)域：近岸海區(qū)、陸架海區(qū)和陸坡、海盆海區(qū)。加富培養(yǎng)過程中近岸海區(qū)和陸坡、海盆海區(qū)浮游植物未發(fā)生顯著變化。陸架海區(qū)浮游植物出現(xiàn)顯著增長，該海區(qū)浮游植物加富氮、磷以后在48 h出現(xiàn)反應(yīng)，同時(shí)添加氮、磷顯著促進(jìn)了浮游植物的生長。各培養(yǎng)站位均檢測到大量束毛藻，加富培養(yǎng)后迅速減少。營養(yǎng)鹽的添加改變了海區(qū)浮游植物原有的硅甲藻比例與各粒級葉綠素比例，陸架海區(qū)培養(yǎng)后的改變最為明顯，同時(shí)添加氮磷培養(yǎng)72 h后，由甲藻為主的優(yōu)勢種如卡氏前溝藻(Amphidiniumcarterae)、光亮鰭藻(Dinophysisargus)、原甲藻(Prorocentrumsp.)轉(zhuǎn)變成了以硅藻為主如繞孢角毛藻(Chaetoceroscinctus)、旋鏈角毛藻(Chaetoceroscurvisetus)、放射角毛藻(Chaetocerosradicans)和丹麥細(xì)柱藻(Leptocylindrusdanicus)。同時(shí)，加富實(shí)驗(yàn)表明磷酸鹽的添加促進(jìn)了陸架海區(qū)微微型浮游植物聚球藻的生長。

南海東北部；浮游植物；營養(yǎng)鹽加富；水團(tuán)

1 引言

浮游植物是支撐海洋生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，浮游植物的豐度、結(jié)構(gòu)等特征與環(huán)境因子密不可分，同時(shí)浮游植物群落結(jié)構(gòu)也一定程度反映了海洋生態(tài)環(huán)境。然而不同種類的浮游植物在不同的生活時(shí)期有著各自獨(dú)特的營養(yǎng)需求，營養(yǎng)鹽的濃度及其比例對浮游植物群落結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為湖泊、河口等區(qū)域受磷酸鹽的限制而遠(yuǎn)海環(huán)境則受營養(yǎng)鹽氮的限制[1—3]。目前增長評估法是研究浮游植物營養(yǎng)鹽限制最常用有效的方法[4]，而營養(yǎng)鹽加富培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)是該方法的主要研究手段[5—8]。

浮游植物按其粒徑可分為小型(20～200 μm)、微型(2～20 μm)、微微型(0.7～2 μm)[9]。微微型浮游植物在貧營養(yǎng)的海洋環(huán)境中占相當(dāng)大的比重，甚至達(dá)初級生產(chǎn)力的90%[10—12]，可分為3個(gè)類群：聚球藻(Synechococcus)、原綠球藻(Prochlorococcus)、微微型真核浮游植物(Pico-eukaryotes)[13]。但是由于粒徑較小等原因，以往對南海東北部微微型浮游植物營養(yǎng)元素關(guān)系的研究還很少[7，14]。因此，研究營養(yǎng)鹽加富對南海東北部微微型浮游植物的影響具有十分重要的意義。

南海東北部存在季節(jié)性沿岸上升流，同時(shí)夏季珠江沖淡水的影響顯著，從而導(dǎo)致夏季近岸海區(qū)具有營養(yǎng)鹽高的特點(diǎn)[2，15]；而該海區(qū)東部通過呂宋海峽與西太平洋連接，高溫高鹽貧營養(yǎng)的海水通過呂宋海峽進(jìn)入南海東北部，同時(shí)海盆區(qū)中尺度渦旋出現(xiàn)頻繁，從而形成了南海東北部既有低鹽高營養(yǎng)的近岸海區(qū)，又有高鹽營養(yǎng)鹽相對較高的冷渦區(qū)以及高鹽低營養(yǎng)的海盆區(qū)生態(tài)環(huán)境[16—17]。復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境不僅造成了初級生產(chǎn)力分布的差異[18]，同時(shí)形成了南海東北部浮游植物的群落結(jié)構(gòu)。以往研究表明，南海東北部表層海水中聚球藻是分布最廣泛、數(shù)量最多的微微型浮游生物，作為浮游植物生物量和初級生產(chǎn)力重要的貢獻(xiàn)者，在微食物環(huán)中起著重要的作用[19—20]。原綠球藻分布范圍不如聚球藻廣，表層和沿岸水域分布非常少，主要分布于陸架混合水及黑潮水區(qū)域。束毛藻在西太平洋邊界流的豐度很大[21]，常常成為西太平洋入侵南海的指示性生物。南海東北部復(fù)雜的環(huán)境特征下，不同粒級結(jié)構(gòu)、功能群及種類的浮游植物對黑潮入侵引起的營養(yǎng)鹽輸送會(huì)做出怎樣的響應(yīng)？我們還不清楚，而現(xiàn)場直接采樣來研究這種響應(yīng)，很難覆蓋這一變動(dòng)的整個(gè)過程和所有區(qū)域，因此本研究擬通過對不同區(qū)域營養(yǎng)鹽現(xiàn)場加富，研究浮游植物對加富的響應(yīng)，進(jìn)而為預(yù)測黑潮入侵驅(qū)動(dòng)的營養(yǎng)鹽變化而導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)的改變提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究海域和采樣分析方法

2014年5月7日至2014年5月26日，搭載中國科學(xué)院南海海洋研究所“實(shí)驗(yàn)3”號科考船，在南海東北部海域(20°～24°N，114°～121°E，圖1)進(jìn)行環(huán)境參數(shù)及浮游植物現(xiàn)場調(diào)查取樣分析，并于典型站位(2、5、23、29、33、37號站)進(jìn)行營養(yǎng)鹽現(xiàn)場加富培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，調(diào)查獲得樣品包括分級葉綠素(Chla)即大型(Micro-)、微型(Nano-)、微微型(Pico-)葉綠素、營養(yǎng)鹽、浮游植物、微微型浮游植物等，采樣及進(jìn)行加富培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的站位如圖1所示。溫度、鹽度數(shù)據(jù)由溫鹽深測量儀CTD(Sea-Bird Electronics，Inc.)獲取。海水的營養(yǎng)鹽氮、磷用分光光度計(jì)測定，參照《海洋調(diào)查規(guī)范》(2007)進(jìn)行。用孔徑為20 μm、3 μm的聚碳酸酯濾膜和0.7 μm的玻璃纖維濾膜(GF/F)逐級過濾獲取Chla樣品，實(shí)驗(yàn)室處理后用Tunner-Design10熒光計(jì)測定Chla濃度[22]。浮游植物樣品用Lugol’s 試劑固定，常溫避光保存，航次結(jié)束后將樣品靜置24 h以上，用虹吸法去除上清液，濃縮樣品，用倒置顯微鏡對浮游植物進(jìn)行鑒定及計(jì)數(shù)[23]。微微型樣品每個(gè)站位取3個(gè)平行樣，加富實(shí)驗(yàn)取4個(gè)平行樣，經(jīng)甲醛(終濃度2%)固定后于液氮保存，采用BD Accuri C6流式細(xì)胞儀(488 nm)計(jì)數(shù)，通過ssc-fl3和fl2-fl3雙參數(shù)圖，區(qū)分并計(jì)數(shù)原綠球藻、聚球藻和微微型真核浮游植物3類微微型浮游植物[14]。

圖1 南海東北部采樣站位及培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)分布(紅色標(biāo)記的站位為進(jìn)行加富實(shí)驗(yàn)的站點(diǎn))Fig.1 The sampling stations and incubation stations in the northeastern South China Sea(Map showing the nutrient entrichment stations with red dot)

所有的生物參數(shù)和環(huán)境參數(shù)預(yù)處理后，做生物量與相關(guān)環(huán)境因子之間的Pearson相關(guān)分析，通過方差分析計(jì)算不同處理組間差異的顯著性，以上分析在SPSS 20.0軟件中進(jìn)行。

表1 現(xiàn)場加富實(shí)驗(yàn)無機(jī)營養(yǎng)鹽加入濃度[7—8]Tab.1 The design of experimental groups

2.2 營養(yǎng)鹽現(xiàn)場加富實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)海區(qū)：為研究南海東北部黑潮影響海區(qū)及其他典型海區(qū)的營養(yǎng)鹽限制與浮游植物對加富的響應(yīng)，通過歷史數(shù)據(jù)溫鹽水團(tuán)分析，在不同區(qū)域，選擇了3個(gè)代表性區(qū)域進(jìn)行加富：南海東北部近岸海區(qū)(2、5號站)，南海陸架海區(qū)(23、29號站)，呂宋口黑潮入侵影響區(qū)域(33、37號站)。海區(qū)水團(tuán)分析的T-S曲線及溫、鹽、營養(yǎng)鹽的分布圖見圖2、3所示。

圖2 南海東北部海區(qū)T-S分布Fig.2 T-S diagram of northeastern South China Sea

圖3 南海東北部海區(qū)溫度、鹽度、磷酸鹽、硝酸鹽的平面分布Fig.3 Surface distributions of temperature， salinity and nutrients in northeastern South China Sea

實(shí)驗(yàn)方法：現(xiàn)場培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)采用2 L聚乙烯培養(yǎng)瓶(Nalgene)培養(yǎng)，培養(yǎng)瓶用稀鹽酸浸泡24 h后純水洗凈，用前用現(xiàn)場培養(yǎng)海水潤洗。取表層海水50 L用200 μm的篩網(wǎng)過濾后分裝到16個(gè)培養(yǎng)瓶中。其中5、23號站使用8個(gè)培養(yǎng)瓶，每次取樣時(shí)使用一瓶取葉綠素微微型等樣品。培養(yǎng)瓶置于水槽內(nèi)，用流動(dòng)海水浴保持培養(yǎng)介質(zhì)的溫度與現(xiàn)場海水溫度接近。培養(yǎng)以自然日光光照，每天搖動(dòng)培養(yǎng)瓶3～4次以保持氣體溶解量防止生物聚集。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：實(shí)驗(yàn)共包括4組，實(shí)驗(yàn)方案如表1所示：A 空白對照組，B 添加硝酸鹽組，C 添加磷酸鹽組，D 同時(shí)添加氮磷組。每12 h或24 h取一次水樣，持續(xù)取樣24～72 h。本次加富實(shí)驗(yàn)中，加富培養(yǎng)的時(shí)間控制在24～72 h，其中陸架中部海區(qū)的站位(23、29號站)培養(yǎng)72 h，對于初始狀態(tài)浮游植物較豐富的近岸海區(qū)(2、5號站)培養(yǎng)24 h，對營養(yǎng)鹽含量極低且浮游植物含量極少的海盆區(qū)站位(33、37號站)培養(yǎng)48 h。水樣測定的參數(shù)包括：Chla濃度、營養(yǎng)鹽(硝酸鹽、磷酸鹽)濃度、微型浮游植物種類及豐度、微微型浮游植物、粒度分級Chla濃度。其中5號站培養(yǎng)前浮游植物種類樣品不慎遺失。

3 結(jié)果

3.1 Chl a對營養(yǎng)鹽加富實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)結(jié)果

本研究在各典型海區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場氮、磷加富培養(yǎng)，加富前站位初始生態(tài)參數(shù)如表2所示，其中，2、5號站

營養(yǎng)鹽含量較高，37號站位無機(jī)氮含量較高，其他站位表層海水中營養(yǎng)鹽的含量都非常低。近岸的站位(2、5號站)Chla濃度最高，其次是陸架上的站位(23、29號站)，靠近呂宋海峽附近的海盆站位(33、37號站)最低。

表2 加富站位生態(tài)參數(shù)初始值(溫度、鹽度、無機(jī)氮、磷酸鹽、Chl a)Tab.2 surface water temperature，salinity，nutrients and Chl a of incubation stations

圖5 23、29號站加富培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)分級Chl a的變化Fig.5 Variation of size-fractionated Chl a in station 23 and station 29

添加營養(yǎng)鹽后各站位總?cè)~綠素的變化趨勢各不相同，如圖4其中近岸海區(qū)培養(yǎng)24 h內(nèi)和海盆海區(qū)培養(yǎng)48 h內(nèi)Chla均未增長，但陸架海區(qū)站位48 h后總?cè)~綠素出現(xiàn)增長，且同時(shí)添加氮磷組顯著高于對照組(P<0.01)，不同的是29號站48 h后加氮組和同時(shí)添加氮磷組Chla均出現(xiàn)增長(P<0.01)，而23號站48 h僅同時(shí)添加氮磷組Chla出現(xiàn)增長(P<0.01)，72 h后添加磷酸鹽組和同時(shí)添加氮磷組Chla同時(shí)增長，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)僅同時(shí)添加氮磷組相對于初始狀態(tài)顯著增長(P<0.01)。

分級Chla的變化趨勢與總?cè)~綠素的結(jié)果大體一致，僅陸架海區(qū)發(fā)生顯著的變化，23、29號站分級葉綠素變化的結(jié)果如圖5所示，結(jié)果顯示Nano級和Pico級Chla顯著變化且趨勢與總Chla相近，24 h兩個(gè)站的Nano級和Pico級Chla都出現(xiàn)了減少或停滯，48 h后開始出現(xiàn)增長，除29號站Nano級Chla外72 h兩級浮游植物Chla繼續(xù)增長。Micro級Chla含量的變化趨勢不同于總Chla，各加富站位均表現(xiàn)出降低趨勢，23號站加富實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示加富72 h內(nèi)各組Micro級Chla均未超過加富前，但同時(shí)添加氮磷組72 h后顯著高于控制組和加氮組。29號站Micro級Chla48 h出現(xiàn)增長，各組均無顯著差異，加富72 h后含量與加富前無顯著差異。

3.2 浮游植物種類和豐度對營養(yǎng)鹽加富的響應(yīng)結(jié)果

分析浮游植物種類和豐度的變化(見圖6)，加富培養(yǎng)前，除29號站細(xì)胞數(shù)量較高外(1.53×103cell/L)，其他加富站位浮游植物細(xì)胞數(shù)量相當(dāng)，在0.45～0.69×103cell/L之間。各加富站位初始浮游植物組成差別較大，束毛藻在各個(gè)培養(yǎng)站位均被檢出，數(shù)量較多為各站位的優(yōu)勢種群，極大的數(shù)量加上簇狀生長的特性造成顯微鏡檢時(shí)未準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。束毛藻主要為紅海束毛藻(Trichodesmiumerythraeum)和鐵氏束毛藻(T.thiebautii)。雖然未準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，但是可以發(fā)現(xiàn)陸架和海盆站位束毛藻的數(shù)量很高且明顯高于近岸站位，種類組成既含有紅海束毛藻又有鐵氏束毛藻，近岸站位僅檢測到紅海束毛藻。加富培養(yǎng)后束毛藻的數(shù)量均顯著減少，其中陸架海區(qū)的23、29號站培養(yǎng)72 h后僅有少量的束毛藻檢出，海盆區(qū)站位加富培養(yǎng)24 h后束毛藻數(shù)量相對減少。

圖6 加富培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)前后浮游植物的生物量及比例Fig.6 Variation of phytoplankton abundance and species composition in different treatments before and after nutrient addition bioassay

受沖淡水影響的2號站浮游植物優(yōu)勢種有柔弱根管藻(Rhizosoleniadelicatula)、微小甲藻(Dinophytaspp.)和環(huán)溝藻(Gyrodiniumsp.)。陸架坡33號浮游植物優(yōu)勢種有光亮鰭藻(Dinophysisargus)、齒狀原甲藻(Prorocentrumdentatum)、相關(guān)亞歷山大藻(Alexandriumaffine)和角毛藻(Chaetocerossp.)。海盆區(qū)37號站位浮游植物優(yōu)勢種有卡氏前溝藻(Amphidiniumcarterae)、圓篩藻(Coscinodiscussp.)、多米尼環(huán)溝藻(Gyrodiniumdominans)、環(huán)溝藻(Gyrodiniumsp.)、海洋原甲藻(Prorocentrummicans)和微小甲藻(Dinophytaspp.)。加富培養(yǎng)前后近岸和海盆區(qū)的浮游植物優(yōu)勢種變化不大。

臺灣南部陸架23號站浮游植物優(yōu)勢種有卡氏前溝藻(Amphidiniumcarterae)、光亮鰭藻(Dinophysisargus)、旋鏈角毛藻(Chaetoceroscurvisetus)、原甲藻(Prorocentrumsp.)。29號站浮游植物優(yōu)勢種有平滑角毛藻(Chaetoceroslaevis)、螺旋環(huán)溝藻(Gyrodiniumspirale)、扁豆原甲藻(Prorocentrumlenticulatum)和錐狀斯氏藻(Scrippsiellatrochoidea)。23號站添加磷酸鹽組和同時(shí)添加氮磷組培養(yǎng)后硅藻所占比例遠(yuǎn)高于甲藻，相對于初始狀態(tài)主要優(yōu)勢種由甲藻變?yōu)楣柙鍨橹鳎伺囵B(yǎng)前的旋鏈角毛藻(Chaetoceroscurvisetus)繼續(xù)為優(yōu)勢種外，還增加了繞孢角毛藻(Chaetoceroscinctus)、根狀角毛藻(Chaetocerosradicans)和丹麥細(xì)柱藻(Leptocylindrusdanicus)。29號站同時(shí)添加氮磷組的生物量顯著高于其他各組，浮游植物的種類組成發(fā)生了明顯變化，主要優(yōu)勢種也由甲藻轉(zhuǎn)變?yōu)楣柙澹缋@孢角毛藻(Chaetoceroscinctus)和根狀角毛藻(Chaetocerosradicans)。

培養(yǎng)前后浮游植物總量及硅藻、甲藻的組成變化見圖6，同時(shí)添加氮磷組的浮游植物培養(yǎng)后細(xì)胞數(shù)量顯著高于培養(yǎng)前。營養(yǎng)鹽的添加改變了各實(shí)驗(yàn)組中硅藻和甲藻的相對比例，其中近岸和海盆海區(qū)添加磷酸鹽組和同時(shí)添加氮磷組培養(yǎng)后硅藻比例出現(xiàn)不同程度的增長，陸架區(qū)域的23號站和29號站變化最為顯著，相對于添加磷酸鹽組同時(shí)添加氮磷組中硅藻比例占絕對優(yōu)勢，說明營養(yǎng)鹽的添加對南海北部陸架以內(nèi)海域的微小型種群結(jié)構(gòu)改變最大。

3.3 聚球藻對營養(yǎng)鹽加富的響應(yīng)結(jié)果

Pico級Chla是南海東北部Chla中最重要的組成部分，但是加富前后三級Chla的比例也發(fā)生了很大變化，本次研究調(diào)查海區(qū)中Pico級Chla貢獻(xiàn)了總Chla的60.1%，而2013年11月份在相同區(qū)域的調(diào)查這一比例達(dá)67%(未發(fā)表)。在本研究調(diào)查的海域，2013年11月和2014年5月兩個(gè)航次的調(diào)查中表層海水中原綠球藻都較少出現(xiàn)，其豐度的垂向最大值位于真光層底部附近。陸架海區(qū)加富培養(yǎng)站位培養(yǎng)過程中聚球藻發(fā)生顯著增長：23站培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示在無機(jī)營養(yǎng)鹽磷和同時(shí)添加氮、磷的實(shí)驗(yàn)組中，聚球藻48 h后生物量顯著高于其他實(shí)驗(yàn)組，72 h后單獨(dú)加磷組聚球藻的數(shù)量占同時(shí)添加氮磷組聚球藻生物量的79.05%。29站培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果同樣顯示在無機(jī)營養(yǎng)鹽磷和同時(shí)添加氮磷的實(shí)驗(yàn)組中，聚球藻的增長顯著高于其他各實(shí)驗(yàn)組，各實(shí)驗(yàn)組聚球藻數(shù)目24 h后基本持平，24 h至48 h各組均增長且加富磷酸鹽組和同時(shí)添加氮、磷組明顯高于其他組。聚球藻峰值出現(xiàn)于加富磷酸鹽組48 h后，達(dá)(70.4±6.1) μL-1，48 h至72 h加富組聚球藻數(shù)目均減少。位于近岸的2、5號站，海盆區(qū)的33、37號站添加無機(jī)營養(yǎng)鹽培養(yǎng)的過程中，各實(shí)驗(yàn)組聚球藻數(shù)量并沒有出現(xiàn)顯著性變化。

4 討論

4.1 不同水團(tuán)影響區(qū)Chla粒級結(jié)構(gòu)對營養(yǎng)鹽加富的響應(yīng)

Chla在近岸和海盆區(qū)域的加富培養(yǎng)過程中未出現(xiàn)增長，部分站位甚至出現(xiàn)了下降，近岸海區(qū)(2、5號站)可能是由于本身營養(yǎng)鹽含量比較充足，進(jìn)行培養(yǎng)時(shí)浮游植物已經(jīng)到達(dá)生長的衰退期或培養(yǎng)時(shí)間比較短浮游植物對短期大量的氮、磷輸入未能作出快速反應(yīng)；而海盆區(qū)(33、37號站)則是由于加富營養(yǎng)鹽后束毛藻迅速減少且Chla本身的含量也極低。

陸架海區(qū)加富后Chla變化最明顯，該區(qū)域相對于海盆區(qū)受到珠江等陸源沖淡水的影響大，同時(shí)受到太平洋貧營養(yǎng)化海水的影響較小，生態(tài)環(huán)境較穩(wěn)定培養(yǎng)時(shí)間相對較長等原因造成了該區(qū)域加富后浮游植物明顯的變化。其中23號站位于臺灣島西南，太平洋水通過呂宋海峽進(jìn)入南海東北部，高氮磷比的深層海水可能爬升至臺灣該區(qū)域。Chla對于南海營養(yǎng)鹽加富的響應(yīng)，一般的結(jié)果認(rèn)為珠江口等沿岸海域受到磷限制，隨著鹽度的增加逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈坠餐拗疲_闊海區(qū)則受到氮限制。Wu等2003年在南海北部的研究則認(rèn)為，浮游植物僅受到N限制[24]。但是共同限制的觀點(diǎn)逐漸被證實(shí)[25—26]，也有相關(guān)的研究結(jié)果[27]顯示營養(yǎng)鹽加富后，Chla僅在同時(shí)添加氮磷的情況下顯著增長，但是他們多只考慮Nano級浮游植物或者總Chla，并沒有考慮不同粒級的浮游植物的限制作用。位于陸架區(qū)域的23、29號站Chla的響應(yīng)結(jié)果顯示，29號站僅在氮磷同時(shí)添加的情況下，Chla在48 h顯著高于其他各組而23號站培養(yǎng)72 h時(shí)除了同時(shí)添加氮磷組外添加磷酸鹽組同樣促進(jìn)了葉綠素尤其是Nano級和Pico級葉綠素的增長。對于陸架海區(qū)浮游植物培養(yǎng)后相對于初始狀態(tài)僅在同時(shí)添加氮磷的情況下顯著增長的解釋是加磷適合固氮Pico級聚球藻的生長，但是加富前聚球藻對生物量的貢獻(xiàn)的少，而單一添加氮不適合甲藻、硅藻和藍(lán)藻的生長，同時(shí)單一添加某種營養(yǎng)鹽引起了氮磷比相對Redfield比的嚴(yán)重失衡也可能導(dǎo)致浮游植物未能快速增長。而硅藻對氮磷的利用要快于其他類群，所以加富后硅藻成為優(yōu)勢類群。與29號站不同的是23號站Nano級浮游植物對磷酸鹽響應(yīng)明顯，可能是太平洋水進(jìn)入南海東北部促使深層高氮磷比的海水爬升至該區(qū)域造成的。另外，硝酸鹽添加組的Chla高于磷酸鹽添加組和空白組，但是增長的程度有限，本次加富實(shí)驗(yàn)添加的是硝酸鹽而不是氨氮，很多浮游植物特別是Pico級生物對氨氮添加的反應(yīng)更為顯著，這也可能影響氮限制的顯著性。48 h以后29站對照組和單獨(dú)添加氮磷組的Chla相對初始狀態(tài)有所增長，可能是由于培養(yǎng)的表層海水培養(yǎng)前通過了200 μm篩網(wǎng)的過濾，在瓶子中培養(yǎng)時(shí)較小的攝食壓力和“瓶子效應(yīng)”造成的。

通過比較南海東北部貧營養(yǎng)海區(qū)各個(gè)加富實(shí)驗(yàn)Chla變化的時(shí)間發(fā)現(xiàn)，該海區(qū)Chla對于營養(yǎng)鹽的響應(yīng)時(shí)間在48 h以后，且陸架海區(qū)要快于海盆區(qū)域。對于大量的營養(yǎng)鹽輸入，浮游植物相對較豐富近岸站位也不能快速響應(yīng)。Chla的增長需要浮游植物細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物質(zhì)含量的積累，這一過程需要較長的時(shí)間，因此添加營養(yǎng)鹽初期浮游植物Chla增長停滯甚至減少。貧營養(yǎng)化的南海東北部海區(qū)浮游植物的主要組成是Nano級浮游植物和Pico級浮游植物，兩級浮游植物對營養(yǎng)鹽加富的響應(yīng)趨勢與總Chla的變化相近，較小的粒徑有利于高效吸收利用營養(yǎng)鹽也使得其Chla更快的響應(yīng)。

以上各站位進(jìn)行的加富培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，添加磷酸鹽的各組初始狀態(tài)時(shí)磷酸鹽的加富量為2 μmol/L，處于充分過量狀態(tài)。分析磷酸鹽的含量變化發(fā)現(xiàn)，在添加磷酸鹽組和氮磷組中磷酸鹽含量24 h后快速下降，之后基本處于穩(wěn)定。Kuenzler提出了藻類對營養(yǎng)鹽的“奢侈消費(fèi)”能力[28]，即發(fā)生這種現(xiàn)象可能是長期處于寡營養(yǎng)鹽狀態(tài)下的浮游植物在磷酸鹽添加下，快速吸收儲(chǔ)存并慢慢利用，處于寡營養(yǎng)環(huán)境的藻類往往都具有這種適應(yīng)機(jī)制[29]。

4.2 營養(yǎng)鹽加富對浮游植物種類和豐度的影響及與水團(tuán)的關(guān)系

分析各加富實(shí)驗(yàn)站位的浮游植物種類變化(見圖5)發(fā)現(xiàn)，甲藻在高溫、貧營養(yǎng)的南海東北部海區(qū)比硅藻更易于生存，各培養(yǎng)站位加富前硅甲藻的豐度比均小于1。除29號站外其余各站添加硝酸鹽組的甲藻比例均有所增長。而5個(gè)站位添加磷酸鹽組和同時(shí)添加氮磷組硅藻相對于初始狀態(tài)比例有所增長，同時(shí)添加氮磷組這一趨勢表現(xiàn)的更為明顯。營養(yǎng)高的情況下，硅藻對營養(yǎng)鹽吸收快會(huì)優(yōu)先生長，而甲藻有儲(chǔ)備磷的能力，即先儲(chǔ)備后在營養(yǎng)鹽較低的情況下利用。近岸海區(qū)受陸源徑流的影響營養(yǎng)鹽含量高，陸源輸入的氮源要高于磷，使得近岸海區(qū)浮游植物對磷的響應(yīng)更加明顯。陸架海區(qū)加富培養(yǎng)72 h后，同時(shí)添加氮磷組的豐度和結(jié)構(gòu)變化最顯著，培養(yǎng)過程中浮游植物可能首先經(jīng)歷氮限制然后氮磷共同限制[30]。海盆站位(33、37號站)加富前組成豐度相似，增長加富培養(yǎng)時(shí)間(33號站)浮游植物的豐度增加，浮游植物對磷酸鹽的響應(yīng)均更加明顯，相關(guān)的研究指出束毛藻發(fā)生赤潮時(shí)會(huì)引起區(qū)域無機(jī)氮、有機(jī)氮含量快速增加，束毛藻群落為甲藻、硅藻提供了較好的生長環(huán)境并為其他提供氮營養(yǎng)源[31]，這在一定程度上解釋了培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中海盆站位浮游植物生物量對磷酸鹽響應(yīng)更加明顯，同時(shí)也解釋了該區(qū)域無機(jī)氮含量的異常高值。浮游植物種類和豐度的鑒定在顯微鏡下進(jìn)行，然而顯微鏡無法觀測到微微型及部分微型個(gè)體。故顯微鏡觀察到的浮游植物細(xì)胞豐度的增加或減少并不一定對應(yīng)Chla的增加或減少。

束毛藻廣泛的分布于大洋暖水區(qū)[32]。臺灣島以東海區(qū)束毛藻種群主要由紅海束毛藻、鐵氏束毛藻、漢氏束毛藻組成，其中鐵氏束毛藻分布最為普遍、豐度最高且在呂宋海峽處密集分布[33]。臺灣島以東束毛藻的種群組成與分布在一定程度上解釋了23、37號站束毛藻的來源。呂宋海峽南部該季節(jié)常年存在暖渦加之太平洋水入侵可能將豐富的束毛藻帶到了南海東北部[34]。束毛藻對生活環(huán)境的要求非?？量獭⒏袘?yīng)非常敏感，而進(jìn)行加富培養(yǎng)的環(huán)境可能達(dá)不到束毛藻生活的條件使其加富后迅速死亡。

4.3 不同水團(tuán)營養(yǎng)區(qū)聚球藻對營養(yǎng)鹽加富的響應(yīng)

分析聚球藻對營養(yǎng)鹽加富的響應(yīng)結(jié)果(圖7)，聚球藻細(xì)胞數(shù)量的變化與總Chla的變化一致。聚球藻數(shù)量在近岸高但比例低，而在大洋則比例高，聚球藻在進(jìn)行加富實(shí)驗(yàn)的近岸站位各實(shí)驗(yàn)組48 h內(nèi)未發(fā)生顯著增長。呂宋海峽附近海盆站位可能存在太平洋水入侵，初始狀態(tài)葉綠素生物量極低且以聚球藻為主，加富培養(yǎng)48 h未出現(xiàn)顯著增長。在遠(yuǎn)洋陸架站位進(jìn)行高濃度營養(yǎng)鹽添加的環(huán)境下，48 h以后才出現(xiàn)數(shù)量增長，加磷組和同時(shí)添加氮磷組聚球藻數(shù)量顯著高于其他各組。磷酸鹽是驅(qū)動(dòng)聚球藻增長的主要影響因子。一方面由于貧營養(yǎng)化的南海東北部的聚球藻本身具有固氮作用[35]，另一方面由于聚球藻個(gè)體極小可以高效競爭利用貧營養(yǎng)化海水中的生源要素，南海廣泛存在的束毛藻為其提供了生長所需的氮，從聚球藻的生長受到磷酸鹽的限制來看，對于研究海區(qū)浮游植物的營養(yǎng)鹽限制應(yīng)當(dāng)分粒級來認(rèn)識。原綠球藻不能利用硝態(tài)氮以及對光照的敏感性等原因使得加富無機(jī)營養(yǎng)鹽組中未出現(xiàn)原綠球藻豐度的顯著提高[36]。盡管微微型生物量的變化與總Chla的變化相一致，但總Chla的增長并不是由微微型浮游植物生物量的增長決定的，如29號站培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)相對應(yīng)的Chla的變化主要原因是同時(shí)添加氮磷的條件下Nano級Chla生物的生長。

圖7 23、29號站加富培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)聚球藻生物量隨時(shí)間的變化Fig.7 Temporal variation of abundances of Synechococ-cus in different treatments of nutrient addition

5 小結(jié)

(1)根據(jù)溫度、鹽度的分布趨勢及水團(tuán)分析的結(jié)果可以將南海東北部海區(qū)分成3個(gè)典型區(qū)域：近岸海區(qū)、陸架海區(qū)和陸坡海盆海區(qū)。

(2)陸架海區(qū)培養(yǎng)48 h后出現(xiàn)增加，且表現(xiàn)出了顯著的氮磷共同促進(jìn)，異于傳統(tǒng)認(rèn)識的遠(yuǎn)海浮游植物受氮限制的觀點(diǎn)。同時(shí)總Chla對營養(yǎng)鹽加富的響應(yīng)基本和Pico和Nano級Chla的響應(yīng)一致，該海區(qū)營養(yǎng)鹽添加72 h內(nèi)Micro級Chla的變化各實(shí)驗(yàn)組均不顯著。

(3)營養(yǎng)鹽的添加培養(yǎng)改變了各海區(qū)原有的種群結(jié)構(gòu)，硅藻和甲藻的比例及組成。各海區(qū)初始的生態(tài)參數(shù)不同、群落結(jié)構(gòu)不同對營養(yǎng)鹽的加富響應(yīng)的程度、快慢也不同。同時(shí)添加氮磷組培養(yǎng)的浮游植物響應(yīng)顯著異于其他各組，陸架海區(qū)的培養(yǎng)結(jié)果最具代表性，靠近呂宋海峽的海盆區(qū)表層海水中觀測到大量束毛藻，主要是紅海束毛藻和鐵氏束毛藻，束毛藻的存在為其他浮游植物提供了一定的氮源。

(4)對于南海東北部貧營養(yǎng)化海區(qū)浮游植物的營養(yǎng)鹽限制不能簡單的認(rèn)為是氮限制或氮磷共同限制，對于不同粒徑的浮游植物應(yīng)有不同的認(rèn)識，南海東北部表層海水中聚球藻是豐度最高的微微型浮游生物，微微型浮游植物聚球藻由于本身的固氮作用等原因表現(xiàn)出對磷酸鹽明顯的響應(yīng)。

致謝：感謝“實(shí)驗(yàn)3”號全體成員給予的支持。感謝林秋艷老師在浮游植物鑒定方面給予的幫助。

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Phytoplankton responses to nitrogen and phosphorus enrichment in relation to different water masses

Li Jiajun1，2,3，Shen Pingping1,3，Tan Yehui1,3，Jiang Xin1，2,3，Zhou Linbin1,3

(1.KeyLaboratoryofTropicalMarineBio-resourcesandEcology，SouthChinaSeaInstituteofOceanology，ChineseAcademyofSciences，Guangzhou510301，China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China；3.GuangdongProvincialKeyLaboratoryofAppliedMarineBiology，SouthChinaSeaInstituteofOceanology，ChineseAcademyofSciences，Guangzhou510301，China)

Insitusurvey of northeastern South China Sea (20°～24°N,114°～121°E)，combined with nutrient (Nitrogen and Phosphorus) enrichment experiments were conducted during a cruise ofShiyanⅢ in May 2014. Based on the analysis of environmental variables and water masses，the northeastern South China Sea were divided into three areas: near shore regions，continental shelf regions and deep sea basins. The incubation results showed that phytoplankton did not response significantly to enrichment during incubation in near shore and sea basin stations，whereas increased after 48 h in the area of continental shelf，especially in the group which added both nitrite and phosphate.Trichodesmiumwere abundant in all experiment stations，while died away quickly during incubation. The phytoplankton species composition and proportion of size fractioned Chlaalso changed notably with nutrient enrichment，and the variation was more significant in shelf regions. The results of shelf regions showed that the dominant species shifted from dinoflagellates such asAmphidiniumcarterae，Dinophysisargus，Prorocentrumsp. to diatoms such asChaetoceroscinctus，C.curvisetus，C.radicansandLeptocylindrusdanicusafter incubation. Besides，the results also revealed that phosphate stimulated the growth of picophytoplankton synechococcus in the area of continental shelf significantly．

northeastern South China Sea; phytoplankton; nutrient enrichment；water masses

2015-01-21；

2015-07-20。

國家基金(41276162)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014B030301064)；中國科學(xué)院海洋專項(xiàng)(XDA11020200)；農(nóng)業(yè)行業(yè)專項(xiàng)(201403008)；科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)項(xiàng)目(2012FY112400, 2013FY111200)。

李佳俊(1990—)，男，寧夏石嘴山市人，博士，主要從事海洋生態(tài)研究。 E-mail：00lijiajun00@163.com

*通信作者：譚燁輝，研究員，主要從事海洋生態(tài)學(xué)研究。E-mail:tanyh@scsio.ac.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.10.009

Q948.8

A

0253-4193(2015)10-0088-12

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Li Jiajun，Shen Pingping，Tan Yehui，et al. Phytoplankton responses to nitrogen and phosphorus enrichment in relation to different water masses[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(10)：88—99，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.10.009