南海浮游植物對沙塵和灰霾添加的響應

牟英春,褚 強,張 潮,賀敬怡,高會旺,2*

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南海浮游植物對沙塵和灰霾添加的響應

牟英春1,褚 強1,張 潮1,賀敬怡1,高會旺1,2*

(1.中國海洋大學海洋環境與生態教育部重點實驗室,山東 青島 266100；2.青島海洋科學與技術國家實驗室,海洋生態與環境科學功能實驗室,山東 青島 266071)

通過2016年5月~6月在南海3個站位開展的船基圍隔培養實驗,研究了沙塵和灰霾添加對南海浮游植物生長和群落結構變化的影響.結果發現,沙塵和灰霾添加由于提供了N、P等營養鹽,整體上促進了浮游植物的生長,且促進程度與添加量密切相關.通過定量計算營養鹽指數和葉綠素a累積濃度,發現培養期間葉綠素a累積濃度與沙塵添加濃度呈顯著正相關關系(2=0.87,<0.01);低濃度灰霾添加的作用與沙塵添加類似(2=0.91,<0.01),但當灰霾濃度增大時,葉綠素a累積濃度的增加受到一定程度的抑制,這可能與灰霾中含有較高含量的毒性物質有關.各粒級浮游植物葉綠素a濃度的變化表明,沙塵和低濃度灰霾添加使浮游植物優勢種群由超微型向小型和微型轉變;在高濃度灰霾添加組,由于營養鹽與毒性物質的綜合作用,浮游植物粒級結構變化不明顯.超微型浮游植物細胞豐度測定結果表明,沙塵對聚球藻、原綠球藻和超微型真核浮游植物均表現出促進作用,高濃度灰霾添加能夠抑制聚球藻和超微型真核浮游植物的生長.

沙塵；灰霾；南海；浮游植物；抑制作用；促進作用

大氣沉降被認為是上層海洋營養元素的重要來源,其帶來的氮(N)、磷(P)、鐵(Fe)等營養物質,能夠影響海洋浮游植物的生長,改變海洋對CO2的吸收以及其他氣體的海氣交換,并進一步影響全球氣候變化[1-2].在高營養鹽、低葉綠素海區(HNLC),50%的C固定來自于大氣沉降中Fe的貢獻[1],在占全球海洋面積60%的低營養鹽、低葉綠素海區(LNLC),大氣沉降能夠通過多種形式緩解海區營養鹽限制進而影響海洋初級生產力[3-4].目前,對大氣沉降及其海洋影響的研究多集中于大西洋、地中海和南大洋區域,而對南海的研究相對較少[5-6].

沙塵沉降作為海洋營養物質的重要來源,每年帶來的N營養元素約占表層海洋需N量的1/3,帶來的Fe營養元素對表層海洋中的Fe有巨大貢獻[7],而帶來的其他營養物質以及痕量元素也可能對海洋表層浮游植物的生長和群落結構產生影響[8].已有研究發現,沙塵中的高濃度N能夠導致浮游植物暴發性增長,沙塵中的P和Fe能夠促進N的固定,促使浮游植物生物量發生變化,進而導致浮游植物的群落結構發生一定程度的改變,能夠促進聚球藻細胞豐度的增加,而對原綠球藻沒有顯著影響[6,9-12].這些研究較多關注了沙塵對浮游植物生長影響的現象,但對于沙塵濃度與浮游植物生物量之間定量關系研究較為缺乏.

隨著經濟的發展,以灰霾污染為主要特征的大氣污染已成為全球關注的大氣環境問題[13].然而,目前世界范圍內對灰霾沉降及其影響的研究較少,灰霾沉降物中含有較高濃度的N、P等營養物質和Cu、Pb、Zn等痕量金屬元素[14],其中Cu、Zn等痕量金屬是浮游植物生長的必需元素,但在亞北極太平洋的研究發現,若這些金屬元素在海水中超過一定的濃度閾值時,就會對浮游植物的生長產生毒性作用[1,15-16].通過研究發現,高濃度的灰霾顆粒(2mg/L, [Cu]≈10-9mol/L)沉降到海洋中會抑制海洋浮游植物的生長,進而影響海洋生態系統的結構和功能[17].同時,有研究發現,當海水中Cu的濃度高于10-12mol/L時,就會抑制聚球藻的生長[18].但就目前而言,人們對灰霾沉降如何影響海洋生態系統的認識仍嚴重不足.

南海是世界上最大的邊緣海之一,葉綠素a濃度和N、P等營養元素的濃度都較低[3],具有典型的寡營養鹽特征[2,19].受季風的影響,亞洲沙塵及其攜帶的N、P、Fe等營養物質能夠經過遠距離傳輸到中國南海海區,對浮游植物的生長產生影響[20-21].另外,有研究表明,南海每年約20%的新生產力來源于大氣N沉降,在未來幾十年里,南海將成為世界上大氣N沉降增加最快的邊緣海[22-23].同時,南海毗鄰的中國大陸及東南亞各國是當今世界經濟發展最快的區域之一,高排放導致灰霾天氣及其伴隨的灰霾沉降可能會影響南海陸架與中央海盆,從而對海洋浮游植物的生長產生影響[24-26].

為了更好地理解沙塵和灰霾沉降對南海生態系統的影響,本文利用船基圍隔培養實驗系統,通過營養鹽、沙塵和灰霾添加,研究了沙塵和灰霾對浮游植物生物量及群落結構變化的影響,沙塵和灰霾對聚球藻、原綠球藻和超微型真核浮游植物細胞豐度的影響.

1 材料與方法

1.1 船基圍隔培養實驗設計

于2016年5月~6月搭載東方紅2號科考船在南海開展了3組船基圍隔培養實驗,采樣站位是SEATs(18°04′N、116°05′E)、E4(19°08′N、112°16′E)和D5(22°00′N、118°25′E)(圖1),分別代表了海盆、陸架和陸坡3個不同特征的水域.利用Sea-Bird 911plus CTD采水系統在每個站位采集表層(2~5m)海水,經過200μm篩絹過濾除去大粒徑浮游動物后分裝到各培養桶中,待培養桶中海水體積約1/2時,分別添加沙塵、灰霾(沙塵的最終濃度為0.33,1mg/L,灰霾的最終濃度為0.05,0.11mg/L)和各種營養鹽(表1),然后定容至規定體積(20L和2L),并輕輕晃動培養桶使桶內海水和添加物混合均勻,最后置于裝有循環海水的水槽中,遮光40%進行現場培養.每個站位的培養實驗均設置20,2L 2種培養體積,分別用于研究沙塵、灰霾和N、P等營養物質添加對浮游植物的影響.對照組和每個處理組均設置3個平行樣(實驗結果以3個平行樣的平均值和標準偏差的方式呈現),培養時間為5~6d(含采樣當天,第0d).

沙塵的添加濃度為0.33,1mg/L.根據研究表明,南海每年沙塵沉降量為2.5~52g/m2,沉降深度為27~57m[27],通過計算每年沉降到海洋表層的沙塵大約為0.04~1.9mg/L[19,21].灰霾添加根據沙塵添加濃度中無機氮含量相對添加,添加濃度為0.05, 0.11mg/L.N、P、Fe等營養鹽的添加濃度是依據Guo等[2]在南海實驗的添加濃度而確定.

圖1 船基圍隔培養實驗海水采集站位

表1 培養實驗添加方案

注:[DIN]為NO3-、NO2-和NH4+的濃度之和.Control代表對照組, Dust-L代表低濃度沙塵添加組,Dust-H代表高濃度沙塵添加組,Haze-L代表低濃度灰霾添加組,Haze-H代表高濃度灰霾添加組.

1.2 沙塵和灰霾樣品的采集和分析

實驗中添加的沙塵樣品(Dust)為在騰格里沙漠(38°47′N、105°30′E)采集的表層土壤,經過20μm篩網過濾、人工老化處理后[4],在－20℃冷凍保存的人工處理沙塵(簡稱為沙塵).灰霾樣品(Haze)為重度霾污染期間(2015年12月)在中國海洋大學嶗山校區采集的總懸浮顆粒物(TSP),采樣器為KC-1000大流量采樣器(青島嶗山電子公司),采樣時間為15h.

沙塵和灰霾顆粒中的營養鹽濃度采用Auto Analyzer 3營養鹽自動分析儀進行測定,溶解態的Fe、Cu、Zn等微量金屬元素采用Agilent 7500c ICP- MS進行測定[28-29](表2).比較表2中沙塵和灰霾的化學組成可知:灰霾顆粒中的N、P等營養組分濃度明顯高于沙塵,溶解無機氮(DIN)濃度約為沙塵的8.8倍,SiO32-和PO43-濃度分別約為沙塵的4.6和7.6倍.灰霾中Cu、Pb等重金屬元素的濃度也高于沙塵,Cu濃度約為沙塵的40倍,Pb濃度約為沙塵的108倍.

表2 沙塵和灰霾顆粒中營養鹽和可溶性微量元素濃度

1.3 營養鹽濃度測定

培養期間,在第0,2,4d和最后1d早晨8:00采集水樣用于測定培養系統的營養鹽濃度.利用0.45μm的醋酸纖維濾膜過濾200mL水樣至高密度聚乙烯樣品瓶中,在-20℃條件下保存.將樣品帶回陸地實驗室,并利用Auto Analyzer 3營養鹽自動分析儀進行NO3-、NO2-、NH4+、SiO32-和PO43-的測定.營養鹽自動分析儀對NO3-、NO2-、NH4+、SiO32-和PO43-的檢測限分別為0.02,0.003,0.04,0.03和0.005μmol/L.

1.4 葉綠素a濃度測定

培養期間,每天早晨8:00采集水樣用于測定培養系統的葉綠素a濃度.從2L培養桶中取200mL水樣并經Whatman GF/F濾膜過濾,濾膜用于測定總葉綠素a濃度;從20L培養桶中取300mL水樣,依次經20,2和0.2μm孔徑的Whatman濾膜過濾,濾膜用于測定分粒級(小型浮游植物20~200μm、微型浮游植物2~20μm和超微型浮游植物0.2~2μm)葉綠素a濃度.過濾后的濾膜在-20℃、避光條件下利用90%丙酮萃取18~24h,然后利用Trilogy(Turner Designs)熒光儀測定葉綠素a濃度.

1.5 超微型浮游植物細胞豐度測定

在培養期間的第0d和最后1d,從20L培養桶中取1.8mL水樣,然后加入0.2mL10%的多聚甲醛,室溫避光條件下放置15min,然后利用液氮速凍,速凍后的樣品在-20℃避光條件下保存,之后帶回陸地實驗室利用Becton-Dickson FACSCalibur流式細胞儀測定超微型浮游植物的主要藻種——聚球藻、原綠球藻、超微型真核浮游植物picoeukaryotes的細胞豐度.

1.6 數據分析

文中使用單因素方差分析(ANOVA)的方法對數據進行顯著性檢驗.

2 結果與分析

2.1 培養站位表層海水初始特征

表3 培養站位信息

培養站位表層海水初始營養鹽和葉綠素a濃度均較低(表3).在3個站位中,NO3-+NO2-濃度為0.06~ 0.09μmol/L;PO43-濃度低于0.03μmol/L,陸坡(D5)處濃度最高,陸架(E4)和海盆(SEATs)濃度相當;硅酸鹽的濃度為1.28~2.11μmol/L,葉綠素a濃度低于0.19μg/L,海盆處(SEATs)最高.在3個站位中,各粒級浮游植物均為超微型浮游植物占主導,其對總葉綠素a質量濃度的貢獻率約為84%~86%.

2.2 營養鹽添加組總葉綠素a濃度與營養鹽濃度的變化

培養期間,SEATs、E4和D5站浮游植物對N+P+Fe和N+P添加的響應最顯著(ANOVA,<0.05),但N+P+Fe與N+P組之間沒有顯著差異(ANOVA,>0.05).其中,N+P組中葉綠素a濃度最大值依次是1.29,1.38和0.87μg/L,分別是其對照組的4.6、9.2和4.8倍(圖2).單獨添加N或者P,也能一定程度上促進浮游植物生長,加N組中葉綠素a濃度最大值是對照組的1.2~2倍,加P組是對照組的1.2~ 1.9倍.在SEATs站位(其他站位沒有做Fe的添加實驗),加Fe組中葉綠素a濃度與對照組相比并沒有顯著差異(ANOVA,>0.05).

圖2 各站位營養鹽添加組總葉綠素a濃度的變化

2.3 沙塵和灰霾添加組總葉綠素a濃度與營養鹽濃度的變化

沙塵和灰霾添加組中,各站總葉綠素a濃度在培養期間相較于對照組均顯著增加(ANOVA,<0.05)(圖3),并呈現雙峰變化的特征.在培養第1d達到第1個峰值,第2~3d處于下降(SEATs)或平緩變化(E4、D5)過程,第4~6d再次增長達到第2個峰值(培養過程的最大值).沙塵添加組中,葉綠素a濃度隨沙塵添加量的增加而增大:Dust-L組中葉綠素a濃度最大值為對照組的2.0~2.9倍;Dust-H組中葉綠素a濃度最大值為對照組的3.7~5.6倍.灰霾添加組中,葉綠素a濃度隨灰霾添加量的增加呈先增大后降低的趨勢:Haze-H組中葉綠素a濃度最大值為對照組的1.5~3.7倍,且在SEATs站Haze-L組中葉綠素a濃度最大值要高于Haze-H組,是對照組的2.2倍.

沙塵添加組中,NO3-+NO2-、SiO32-和PO43-濃度在培養過程中整體呈下降趨勢(圖4).在葉綠素a濃度達到最大值當天(SEATs和D5站的第6d和E4站的第4或5d),NO3-+NO2-濃度為初始濃度的0%~72%,SiO32-濃度為初始濃度的72%~86%. SEATs站PO43-濃度為初始濃度的77%~81%,E4和D5站PO43-濃度無明顯變化.灰霾添加組中,Haze-H的NO3-+NO2-最終濃度在SEATs和E4站分別是初始濃度的1.7和2.5倍.D5站位NO3-+NO2-濃度下降為初始濃度的87%;各站位SiO32-和PO43-濃度變化不明顯.

圖3 各站位沙塵和灰霾添加組總葉綠素a濃度的變化

3 討論

3.1 沙塵和灰霾添加對浮游植物生長的影響

3.1.1 浮游植物生長的營養鹽限制 營養鹽限制會影響海洋浮游植物的群落結構、初級生產力和海洋碳循環[30],在南大洋、赤道太平洋上升流區及亞北極太平洋等HNLC海區,Fe是浮游植物生長的主要限制性營養鹽[31-32];北大西洋副熱帶區域和西北太平洋熱帶區域等LNLC海區,N是主要限制性營養鹽[33];一些研究中也發現,在貧營養環境中,由于水體中營養鹽含量極低,浮游植物的生長可能受到多種營養鹽的共同影響[6].本培養實驗中,3個站位海水的初始N、P營養鹽濃度均處于較低水平(表3),是典型的貧營養鹽水體.在各營養鹽添加實驗中,僅N與P同時添加時(N+P和N+P+Fe組)葉綠素a濃度有顯著增加,明顯高于加N組、加P組和加Fe組(圖2),表明3個站位浮游植物的生長受到了N和P的共同限制.這種營養鹽限制狀況,在海盆、陸架和陸坡等不同海域并沒有顯示區域性差異.其他研究中,Wu等[34]認為N是南海主要的限制性營養鹽,而Guo等[2]在研究中發現南海浮游植物的生長并非只受到N的限制.在其他貧營養鹽海區的研究中,Moore等[30]發現,亞熱帶北大西洋N和P營養鹽含量同樣處于較低水平,N+P添加組葉綠素a的生長量要明顯高于單獨加N組和加P組,也表現出了N和P的共同限制作用.由于海洋生態系統中浮游植物種類較多,不同藻種對營養鹽的需求不同,而表層海水的營養鹽供給也容易受到多種外源因素的影響,因此營養鹽限制問題還需要進一步研究.

3.1.2 沙塵和灰霾添加對浮游植物生長的促進作用 沙塵和灰霾添加在一定程度上優化了海水的初始營養鹽狀況,促進了浮游植物的生長.為反映不同濃度的沙塵和灰霾添加對浮游植物生長的影響,引入CEI(營養鹽指數)表征沙塵和灰霾添加前后海水的營養鹽水平[35],CC(葉綠素a累積濃度)表征培養期間葉綠素a的累積量:

式中:代表培養體系中每種營養鹽的初始濃度;代表營養鹽的種類;代表葉綠素a濃度.

式中:[DIN]和[DIP]分別代表NO3-+ NO2-+ NH4+和PO43-的濃度;[Si]代表SiO32-的濃度.

通過對各站位沙塵添加組和對照組第0d的CEI與各對應組前5d的CC進行線性擬合(圖5),發現CEI與CC呈明顯的正相關關系(2=0.87,<0.01),即沙塵添加濃度越高,葉綠素a累積濃度越大.比較圖5中灰霾添加組CEI與CC的關系,發現當灰霾濃度較低時,CEI與CC呈明顯的正相關關系(2=0.91,<0.01),灰霾對浮游植物的促進作用與沙塵添加組相似,但當灰霾濃度增大時(圖中黑色圓圈內的點),灰霾添加組的CC要明顯低于沙塵添加組.通過對比灰霾添加組和沙塵添加組中的營養元素及可溶性重金屬元素的濃度發現(表2),Haze-H組中的DIN含量與Dust-H組中含量相當,但是Haze-H組中含有的可溶性重金屬Cu、Pb等的濃度明顯較高.Haze- H組中,CC的偏離可能是由于重金屬對浮游植物存在一定程度的毒性作用.有研究表明,如果氣溶膠中重金屬Cu濃度超過2mg Cu/(mg Chl),會對浮游植物的生長產生毒性作用,降低浮游植物的初級生產力[1].即當灰霾中重金屬濃度未達到浮游植物生長毒性閾值時,海水中的營養鹽濃度與浮游植物的生長量呈現明顯的正相關關系,但當重金屬濃度過高,灰霾則呈現對浮游植物生長的抑制作用.

圖5 葉綠素a累積濃度隨營養鹽指數的變化

□對照組,●沙塵添加組,▲灰霾添加組;長線由沙塵組擬合得到,短線由灰霾組擬合得到

與對照組相比,灰霾和沙塵的添加在3個站中的總體作用相似,都能夠促進浮游植物的生長.同時,不同站位相同培養時間內的葉綠素a累積濃度差異也不明顯(ANOVA,>0.05)(圖6).低濃度與高濃度沙塵添加組中,葉綠素a累積濃度隨站位的變化相似,E4站稍大,SEATs和D5站次之.灰霾添加組中,3個站位葉綠素a累積濃度無差異.對比3個站位的初始狀態(表3),其理化特征(溫度、鹽度、營養鹽濃度)及生物學特征(總葉綠素a濃度及不同粒級浮游植物的比例)均沒有明顯差異.因此,當添加相同濃度的沙塵和灰霾時,各站位葉綠素a累積濃度之間也會保持一致.

圖6 各培養站位沙塵和灰霾添加組葉綠素a累積濃度的對比

3.2 沙塵和灰霾添加組浮游植物的生長變化過程

3.2.1 沙塵和灰霾添加組葉綠素a濃度的變化 在過去的研究中,現場觀測和模型模擬更多地關注浮游植物受營養鹽影響的最終結果,對其增長變化過程的研究較少[2,36-37].在培養實驗中發現,沙塵和灰霾添加組葉綠素a濃度變化呈現雙峰分布特征(圖2~3):在培養的第1d就有明顯增長,第4~6d出現再次增長.Paytan等[1]的研究中也曾出現了浮游植物生長的雙峰現象,但沒做具體討論.沙塵和灰霾添加均能促進各粒級浮游植物的生長,從總葉綠素a和分粒級葉綠素a濃度的變化可以看出(圖3,圖7),葉綠素a的第1個峰值是由于超微型浮游植物能夠較快地利用添加的營養物質,因此出現了浮游植物的短暫生長;在第1個峰值之后,葉綠素a濃度出現下降或平緩變化的現象,可能是由于更多種類的浮游植物對添加營養鹽的適應過程導致的;由于小型、微型浮游植物和超微型浮游植物的共同增長造成了第4~6d葉綠素a濃度的快速增加.

在3個站位中(圖3),SEATs站對照組葉綠素a濃度與沙塵和灰霾添加組的增長趨勢相似,均在第1~2d出現第1個峰值,但沙塵和灰霾的添加促進了葉綠素a濃度第2個峰值的形成.同時,與對照組相比,沙塵和灰霾添加能為浮游植物提供營養物質,使添加組第1個峰值略高于對照組.E4站,沙塵和灰霾添加能夠明顯促進雙峰現象的出現,可能是由于該區域浮游植物能夠較快適應營養環境的變化.D5站,灰霾添加組中,葉綠素a濃度的雙峰現象不明顯,對比灰霾添加組各粒級葉綠素a濃度變化可見,灰霾的添加在培養第1天并沒有明顯促進超微型浮游植物的生長,這可能是由于在D5站位灰霾添加組的重金屬對超微型浮游植物的生長表現出了抑制作用.

3.2.2 沙塵和灰霾添加組浮游植物群落結構的變化 沙塵和灰霾的添加能夠通過影響不同粒級浮游植物的生長優勢來改變浮游植物的群落結構.通過培養過程中第0,1d和最后1d(出現第2個峰值)各粒級葉綠素a占總葉綠素a比例發現(圖8~9):在培養第1d(出現第1個峰值)與第0d相比變化不明顯,仍然是超微型浮游植物占絕對優勢,這也是導致總葉綠素a濃度在培養第1d出現一個峰值的原因;但最后1d與對照組相比,各站位添加組中超微型浮游植物貢獻率有明顯變化.

SEATs站培養的最后1d,在對照組,超微型浮游植物葉綠素a濃度占總葉綠素a濃度的比例仍在80%以上;在低、高濃度沙塵添加組,超微型浮游植物葉綠素a濃度占總葉綠素a濃度比例降為32%和24%.在E4站位,對照組超微型浮游植物貢獻率降為58%,低、高濃度沙塵組超微型浮游植物的貢獻率較對照組貢獻率下降更明顯,分別為45%和39%.在D5站,對照組超微型浮游植物貢獻率降為67%,低、高濃度沙塵組超微型浮游植物貢獻率略有下降,分別為61%和48%.可見,培養開始時,各站位超微型浮游植物占比具有明顯優勢(84%~86%),沙塵添加后,能夠顯著提高小型和微型浮游植物的比率,明顯降低超微型浮游植物的比率,使浮游植物優勢種群由超微型向小型和微型浮游植物轉變.

圖7 各站位灰霾和沙塵添加組不同粒級葉綠素a濃度的變化

C、L、H分別代表對照組、低濃度沙塵添加組、高濃度沙塵添加組

在SEATs站,培養的最后1d,低濃度灰霾添加組中超微型浮游植物貢獻率比例降為26%,明顯低于對照組;高濃度灰霾添加組中,超微型浮游植物貢獻率降為55%,與對照組相比變化不大.在E4和D5站,灰霾添加組各粒級浮游植物的比例與對照組相比無顯著差異.培養初期,超微型浮游植物貢獻率最大,但在培養末期,各粒級浮游植物都有一定程度增長,導致了群落結構的一定變化,使超微型浮游植物占絕對優勢(>80%)變為以超微型浮游植物為主(>50%).

圖9 各站位灰霾添加組分粒級葉綠素a貢獻率的變化

C、L、H分別代表對照組、低濃度灰霾添加組、高濃度灰霾添加組

南海等寡營養海區,超微型浮游植物具有競爭優勢,因此成為海區浮游植物的優勢種群.而在營養鹽添加條件下,硅藻等小型浮游植物具有較強的吸收營養鹽能力[2,38-39],在種間競爭中逐漸占優,故導致在有沙塵添加的條件下,由超微型浮游植物占絕對優勢轉變為小型或微型占優.高濃度灰霾添加組與對照組相比,在培養末期各站位并沒有出現浮游植物群落結構的明顯變化,這可能是由于高濃度灰霾中既含有豐富的營養鹽,也含有較高濃度的Cu、Pb等重金屬,這些物質對小型和微型浮游植物生長的促進和抑制作用可能產生了某種程度的抵消.

3.3 沙塵和灰霾添加對超微型浮游植物的影響

在南海的貧營養海域,相對于硅藻等小型浮游植物,超微型浮游植物能夠更好地適應低營養鹽環境,在浮游植物群落中占有明顯的優勢[2].本研究對比了培養第0和最后1d聚球藻(Syn)、原綠球藻(Pro)和超微型真核浮游植物(Peuk)在沙塵和灰霾添加組中的細胞豐度變化(圖10).沙塵添加組與對照組相比,培養的最后1d各站超微型浮游植物的細胞豐度都有明顯增大.SEATs站低、高濃度沙塵添加組原綠球藻分別是對照組的2.1倍和1.7倍,聚球藻和超微型真核浮游植物略有增長.E4站低、高濃度沙塵添加組原綠球藻細胞豐度略有變化,聚球藻細胞豐度分別為對照組的1.7倍和1.8倍;超微型真核浮游植物細胞豐度分別為對照組的2.8倍和3.9倍.D5站低、高濃度沙塵添加組3種藻種細胞豐度都有一定的增長,原綠球藻細胞豐度分別是對照組的1.8倍和1.7倍,聚球藻分別為對照組的2.3倍和3.0倍,超微型真核浮游植物分別為對照組的3.0倍和2.0倍.由此可見,低、高濃度沙塵對超微型浮游植物藻種生長的影響與沙塵添加量沒有明顯的正相關關系.灰霾添加組與沙塵添加組不同,培養的最后1d,各站位高濃度灰霾組的原綠球藻與對照組相比變化不大,但聚球藻和超微型真核浮游植物有不同程度的降低,SEATs、E4和D5站位聚球藻細胞豐度分別降為對照組的10%、19%和59%,超微型真核浮游植物分別降為對照組的71%、48%和48%.由此可見,高濃度灰霾對聚球藻和超微型真核浮游植物生長有一定的抑制作用,而對原綠球藻無明顯的抑制作用.Paytan等[1]發現,自然沙塵對原綠球藻、聚球藻和超微型真核浮游植物的生長有促進作用,而含有高濃度重金屬的撒哈拉沙塵對聚球藻和超微型真核浮游植物有一定的毒性作用.本實驗中,由于灰霾中含有較高濃度的重金屬,導致了聚球藻和超微型真核浮游植物細胞豐度的減少.

有研究認為,超微型浮游植物的碳含量是高營養級生物的有機碳來源,也對上層海洋向深海的碳輸出有貢獻[38].本文定義CA為超微型浮游植物碳生物量(mg/m3),b為超微型浮游植物細胞豐度,為碳轉化因子,則根據樂鳳鳳等[38]的公式,

CA=b×

參照Liu等[40]的工作,在海洋表層,聚球藻和原綠球藻的碳轉化因子分別是67fg (10-12mg)/cell和24fg/cell,超微型真核浮游植物的碳轉化因子是1500fg/cell.

圖10 各站位超微型浮游植物細胞豐度的變化

由此得到了沙塵和灰霾添加組總碳生物量(聚球藻、原綠球藻和超微型真核浮游植物碳生物量的總和)的分布(圖11).培養最后1d與培養第0d相比,各站位對照組的碳生物量都有一定量增加.沙塵的添加能夠促進超微型浮游植物總碳生物量的增大,培養的最后1d,在SEATs站,低、高濃度沙塵添加組總碳生物量分別是對照組的1.3倍和1.2倍;在E4站,低、高濃度沙塵添加組總碳生物量分別是對照組的2.2倍和2.9倍;在D5站,低、高濃度沙塵添加組總碳生物量分別是對照組的2.5倍和2.2倍.由于超微型真核浮游植物的細胞含碳量較大且其細胞豐度隨沙塵濃度變化較小,導致低濃度和高濃度沙塵之間總碳生物量差異較小.在SEATs、E4和D5站,灰霾添加導致超微型浮游植物總碳生物量的減少,培養最后1d分別降為對照組的63%、51%和74%.由于各超微型浮游植物不同的細胞碳含量及培養前后所占比例的變化,總體來看灰霾添加對超微型浮游植物葉綠素a濃度有促進作用(圖7),而對細胞豐度和碳生物量有一定的抑制作用(圖10,圖11).這種高濃度灰霾對超微型浮游植物固碳的抑制作用,可能會對貧營養海區的碳循環過程以及海洋表層向深層的碳輸出產生影響,因此大氣灰霾沉降對海洋生物地球化學過程影響的研究亟待加強.

4 結論

4.1 在南海的陸坡、陸架和海盆區域,海洋表層浮游植物的生長均受到N和P的共同限制.沙塵和灰霾添加均能夠促進浮游植物的生長,且培養期間葉綠素a累積濃度與沙塵添加濃度之間呈顯著的正相關關系.在南海的3個不同海區,沙塵和灰霾添加對浮游植物生長的影響無顯著差別.

4.2 在沙塵和灰霾添加實驗中,葉綠素a濃度的變化呈現雙峰分布特征,第1~2d出現第1個峰值,主要是超微型浮游植物的生長造成的;在第5~6d出現浮游植物的再次增長,第2個峰值是小型、微型和超微型3種粒級浮游植物的共同貢獻,且在陸坡(E4)區域的雙峰現象最為明顯.

4.3 沙塵和低濃度灰霾溶出的營養鹽使小型和微型浮游植物葉綠素a濃度增加幅度較大,浮游植物粒級結構由超微型向小型和微型轉移,超微型浮游植物貢獻率由高于80%降至24%~61%;在高濃度灰霾添加組,由于營養鹽與毒性物質的綜合作用,小型和微型浮游植物的生長幅度較小,浮游植物粒級結構變化不明顯,培養期間超微型浮游植物的貢獻率始終高于50%.

4.4 沙塵添加能夠促進超微型浮游植物細胞豐度和碳生物量的增加,而高濃度灰霾添加抑制聚球藻和超微型真核浮游植物的生長,從而降低超微型浮游植物的細胞豐度和碳生物量.

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致謝：感謝中國海洋大學張國玲老師對本研究中營養鹽樣品測定的幫助、石金輝老師組對氣溶膠樣品采集和測定的幫助、高陽老師對文章內容修改的幫助;感謝國家海洋局第一海洋研究所王宗靈課題組對研究中超微型浮游植物樣品的測定;感謝為實驗提供幫助的所有老師和同學.

Responses of phytoplankton to dust and haze particle additions in the South China Sea.

MU Ying-chun1, CHU Qiang1, ZHANG Chao1, HE Jing-yi1, GAO Hui-wang1,2*

(1.Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China；2.Laboratory for Marine Ecology and Environmental Science, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China)., 2018,38(9)：3512~3523

On-board incubation experiments were conducted at three sampling stations from May to June 2016 in the South China Sea (SCS) to explore the impact of dust and haze addition on phytoplankton biomass and community structure. By providing the nutrients such as N and P, the addition of dust and haze in general promoted the growth of phytoplankton, and the promotion magnitude is tightly related to the amount of dust and haze addition. By calculation of nutrient index and chlorophyll a cumulative concentration, it was found that the accumulatedchlorophyll a during the incubation experiment showed statistically significant positive correlation with the amount of added dust (2=0.87,<0.01); In terms of the dust, similar promotion mechanism was found when the haze concentration was low (2=0.91,<0.01). However, when the haze concentration continued to increase, the accumulation of chlorophyll a was hindered to some extent, likely an effect of the high content of toxic substances in haze. Size-fraction chlorophyll a showed that the addition of dust and low concentration of haze facilitated that the transition of dominant phytoplankton species from pico-sized phytoplankton to micro- and nano-sized phytoplankton, while the synthetic effect of nutrients and toxic substance, resulting from the addition of high haze concentration, yielded no obvious effect on the size structure of phytoplankton. The pico-sized phytoplankton abundance tests showed that the dust addition promoted the development of all three species includingand picoeukaryotes, whereas the addition of high concentration haze addition may inhibit the growth ofand picoeukaryotes.

dust；haze；South China Sea；phytoplankton；inhibition；promotion

X513

A

1000-6923(2018)09-3512-12

牟英春(1991-),女,山東濱州人,中國海洋大學碩士研究生,主要研究方向為海洋生態動力學.

2018-01-29

國家自然科學基金資助項目(41210008);國家重點基礎研究發展規劃(973)項目(2014CB953702)

* 責任作者, 教授, hwgao@ouc.edu.cn