南海臺風引發藻華的生物機制

張亞鋒，王旭濤，殷克東，*

1 中山大學海洋科學學院，廣州 510006 2 珠江水資源保護科學研究所，廣州 510000

海洋浮游植物的生長與光照、營養鹽和浮游動物的攝食等因素密切相關。海洋水體中光照和營養鹽在垂向上的反向分布使得浮游植物的濃度和粒級結構在不同水層顯著不同[1]。熱帶和亞熱帶的寡營養海洋中，在營養鹽躍層和光補償深度附近形成了次表層葉綠素最大層(Deep chlorophyll maximum, DCM)[2- 4]。DCM層在大洋水體中廣泛存在，研究表明，DCM層貢獻了超過了70%的水體初級生產力[5- 7]，其在海洋生態系統功能和生物地球化學循環過程中發揮重要的作用[8- 9]。DCM層的形成與維持的主要影響因素包括：較高的浮游植物生長速率，沉降細胞或游泳浮游植物的富集，以及較低浮游動物攝食等[2]。

海洋表層的浮游植物長期處在高光照和低營養的環境中，而DCM層的浮游植物則生活在低光照和營養鹽相對豐富的環境中。由于不同粒級的浮游植物細胞對光照和營養利用效率的不同[10- 14]，浮游植物的粒級結構在表層和DCM層水體也顯著不同[1]。小型浮游動物(<200 μm)是海洋浮游植物的主要攝食者，可以消耗60%—80%日初級生產力[15- 16]。雖然稀釋法被廣泛用來評估小型浮游動物的攝食速率[17]，然而目前關于小型浮游動物攝食活動的研究仍然不足以闡釋小型浮游動物在表層和DCM層的作用。首先，在稀釋實驗中為了促進浮游植物持續生長，不同實驗者加入營養鹽的種類和濃度不同，而營養鹽的加富，特別是在寡營養水體，可能會對浮游生物的生長造成不利影響[18- 19]；其次，常用來作為培養容器的聚碳酸酯瓶會屏蔽自然光中的紫外光(UVR, 280—400 nm)，改變浮游生物的原生光照環境?？傮w而言紫外線不利于浮游植物的生長，但其對不同粒級的浮游植物的影響又不盡相同[20- 21]。另外，紫外線對小型浮游動物的攝食的影響同樣存在爭議，研究發現短時間的紫外線能增加橈足類浮游動物的攝食[22]，而長時間過量的紫外線會明顯增加浮游動物的死亡[23]。因此在探究表層和DCM層浮游植物生長時，除了營養鹽、光照等自然因素外，也需要考慮小型浮游動物攝食的差異，以及小型浮游動物對不同粒級浮游植物攝食的選擇[24- 27]。

在寡營養的大洋水域，臺風能打破水體的層化結構，把深層富營養水體帶到表層。中國南海是熱帶-亞熱帶寡營養海域，光照充足，水體層化結構穩定[28]。真光層水體中較低的營養鹽不足以支撐浮游植物的大量生長，然而每年臺風過后都有大量的藻華爆發的報道[29- 30]。之前的研究表明，這可能是諸如臺風、內波等物理過程引發的海水混合將富營養的深層水體帶到表層，為表層水體補充大量的營養鹽，進而促進了表層浮游植物的爆發生長[30- 33]。然而，海水垂向混合不僅改變了表層水體的營養條件，同時改變了表層水體浮游植物和浮游動物的組成。之前的研究大都集中在臺風等物理過程如何提高真光層內營養鹽，而真光層內營養鹽的提高如何影響浮游植物、浮游動物及其相互關系的研究相對匱乏。

臺風等物理過程會打破海洋水體層化結構、改變真光層的營養狀態，其引發的浮游植物藻華對海洋生物泵效率及碳的生物地球化學產生重要影響。臺風過后，寡營養水體中寡營養藻類顯著減少，粒級更大的硅藻成為優勢種，這種浮游植物種群變化會增強生物泵的固碳效率，使得更多的碳沉降的深層水體[29]。然而這種生物種群的變化是如何完成的，以及臺風引發藻華過程中營養鹽、浮游植物生長和小型浮游動物攝食活動各自發揮的作用，相關研究目前還不充分。本研究通過對比南海航次中表層和DCM層的水樣在不同光照和營養條件下的生長，來探究獲得營養鹽的表層浮游植物還是獲得光照的深層浮游植物是藻華爆發的優勢種。這對臺風引發藻華過程中浮游植物種群演變的認識具有重要幫助，這也是本研究的主要目的。另外，由于寡營養水體中小型浮游動物的攝食活動嚴格控制浮游植物的生長，小型浮游動物的攝食活動對浮游植物種群的演變同樣發揮著重要作用。因此，本研究同時對比了小型浮游動物攝食活動在表層和DCM層的不同，以及它們對浮游植物群落結構的調控作用。

圖1 2005年5月(S站位)和9月(E和B站位)南海航次采樣站位圖

1 材料與方法

1.1 樣品的采集及實驗

在2005年5月和9月的南海航次中，在采樣站點，利用CTD讀取不同水層的溫度、鹽度和葉綠素數據，根據葉綠素的垂向分布趨勢，確定DCM層深度(圖1)。利用CTD采水器采集水樣進行實驗。采集到的水樣均用200 μm篩絹過濾以除去較大的浮游動物。將1 L水樣分別通過5 μm和0.7 μm的濾膜過濾，濾膜用錫紙包好，以測定分級葉綠素；取50 mL用0.7 μm過濾的水樣于營養鹽瓶中，以測定無機營養鹽。收集到的樣品迅速置于-20℃冰箱中冷凍保存。所有容器都提前用10%的鹽酸浸泡(24 h)，超純水清洗，并在培養實驗時用采集到的水樣潤洗3次。

1.2 營養加富實驗

為了對比表層和深層浮游植物對光照和營養鹽的響應，本研究選取水深超過1000 m的S9站點作為實驗站位。S9站點位于南海中央海盆，水體層化結構穩定。在S9站位分別采集表層(1 m)和DCM層(70 m)水樣進行培養實驗。向采集到的水樣中添加終濃度為1/10的F/2培養液。將加富后水樣分裝到5.5 L的石英瓶(自然光)和聚碳酸酯培養瓶(僅可見光)中，每瓶裝5 L水樣，每組設3個平行樣。部分聚碳酸酯培養瓶利用遮光網屏蔽95%的可見光，模擬DCM層的光照強度。所有培養瓶放在用表層海水流動的培養箱中，以保證培養溫度和海洋表層水溫一致。培養于早上7:00開始，在培養開始時、及培養12、24、30、36、48、54 h和60 h后分別采樣。每次采集300 mL水樣，用孔徑為5 μm和0.7 μm的濾膜過濾以收集葉綠素樣品。

1.3 稀釋實驗

為了探究表層和DCM層小型浮游動物的攝食活動，本研究在南海兩個航次共12個站點進行稀釋實驗[17]。實驗站點涵蓋珠江口近岸、南海深水海盆區，在水體層化結構明顯的深水區，采集表層和DCM層水樣進行實驗；而在珠江口等水深較淺的水域，只采集表層水體進行實驗。采集的初始海水(initial seawater, ISW)通過0.2 μm的濾膜過濾制成無浮游植物水(phytoplankton free water, PFW)。利用PFW稀釋ISW，稀釋為ISW的0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0共5個梯度，每個濃度梯度共有3個平行樣。培養瓶放在用表層海水控溫的培養箱內培養24 h；結束后，用孔徑為5 μm和0.7 μm的濾膜過濾收集葉綠素樣品。在培養開始前，收集3份葉綠素樣品作為初始葉綠素濃度。在S10、S16和S18站點，將水樣分裝到石英培養瓶和聚碳酸酯培養瓶內進行稀釋實驗，以測定UVR對小型浮游動物攝食的影響。在S10、E407和S16站點利用表層和DCM的水樣在聚碳酸酯培養瓶內進行稀釋實驗，對比表層和DCM層小型浮游動物的攝食速率。在E101、E206、E709和B1站位分別做營養鹽加富組(添加終濃度為1/50的F/2培養液)和自然水體組進行實驗，對比營養鹽加富對小型浮游動物攝食速率的影響。在其余的E406、B2、E504站點利用表層水樣進行稀釋實驗。

浮游植物的凈生長速率k= [ln(Pt/Po)]/t, 其中t是培養時間，P0和Pt分別是培養前后葉綠素的濃度。利用k在不同稀釋梯度上進行線性回歸，其中回歸方程斜率的相反數為浮游動物的攝食速率m。

1.4 樣品測定

葉綠素濃度用丙酮萃取法測定[34]。將濾膜置于含有10 mL 90%丙酮溶液的離心管中，在4°C黑暗條件下萃取14—16 h。離心后取上清液用熒光光度計(10-AU Turner Designsfluorometer)測定吸光值，計算葉綠素濃度。本研究將粒級直徑在0.75—5 μm的浮游植物稱為小粒級浮游植物，大于5 μm的浮游植物稱為大粒級浮游植物。無機營養鹽濃度(硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽和磷酸鹽)用營養鹽自動分析儀(Skalar San Plus Auto-analyzer)測定[34]。

2 結果

2.1 S9站位的水體結構和營養狀況

S9站位的水體溫鹽和營養鹽分布如圖2和表1。和其他站位類似，溫度和鹽度的垂向分布證明了溫躍層和鹽躍層的存在。從表層到水深120 m，溫度從28.55下降到18.10，鹽度從34.46增加到34.69?；旌蠈拥纳疃葹?0 m，溫躍層出現在90 m水深。DCM層出現在水深70 m，葉綠素的濃度為0.44 μg/L，遠高于表層的0.08 μg/L。DCM以上水體中小粒級的浮游植物占比大于80%，DCM層營養鹽濃度均高于表層(表1)。

表1 S9站點的環境因子和葉綠素在表層和次表層葉綠素最大層的對比

圖2 S9站位溫度、鹽度、葉綠素濃度及小粒級在總葉綠素中比例的垂向分布

2.2 浮游植物對營養和光照的響應

在自然光和5%可見光下，表層浮游植物經過約50 h的適應期后，均快速增長(圖3)，60 h后其葉綠素濃度分別為3.5 μg/L和2.6 μg/L。在自然光下，小粒級浮游植物保持著群體優勢，占比一直大于80%，營養加富沒有明顯改變浮游植物群落的粒級結構；在5%可見光下，大粒級的浮游植物的占比增大到73%。

圖3 S9站位表層水體樣品葉綠素濃度及浮游植物粒級占比在培養前后的變化

DCM層浮游植物在自然光、100%和5%可見光下經過約35 h的適應期后，均出現指數增長(圖4)。DCM水體中小粒級浮游植物的初始占比為86%，培養結束后，占比依次降為76%、53%和79%。在100%和5%可見光條件下，小粒級葉綠素的濃度并沒有顯著區別，分別為28.4 μg/L和27.2 μg/L，而大粒級葉綠素的濃度分別為23.8 μg/L和7.7 μg/L，說明光照增強對小粒級浮游植物的影響不大，而對大粒級浮游植物有顯著的促進作用。和100%可見光相比，在含有紫外線的自然光條件下，大粒級葉綠素的最終濃度略有下降，從23.8 μg/L降到17.6 μg/L，而小粒級葉綠素的濃度顯著上升，從23.8 μg/L升到56.8 μg/L。總體而言，加富后的DCM層水體從原生光照強度(5%可見光)增加到表層自然光后，生物量濃度明顯增加，群落粒級結構從小粒級變為大粒級。另外，相比表層，DCM層浮游植物的調整期明顯更短。

圖4 S9站位次表層葉綠素最大層水體葉綠素濃度及浮游植物粒級占比在培養前后的變化

2.3 小型浮游動物攝食速率

不同光照和營養條件下，實驗站位表層和DCM層水體中小型浮游動物的攝食速率(m)如圖5和表2所示，在可見光條件下，表層水體的平均m((1.14 ± 0.36)d-1)高于DCM層((0.76 ± 0.12)d-1)；表層小型浮游動物對大粒級浮游植物的攝食((1.22 ± 0.38)d-1)顯著高于小粒級((0.87 ± 0.21)d-1)(配對t-檢驗，n=11，P<0.01)，而DCM層小型浮游動物對大粒級浮游植物的攝食((0.64 ± 0.15)d-1)低于小粒級((0.89 ± 0.22)d-1)，但差異性并不顯著。在自然光條件下，小型浮游動物的總體攝食率、對大粒級和小粒級浮游植物的攝食，分別增加33%、 64%和18%。營養鹽添加總體降低小型浮游動物的攝食活動，但降低效果不明顯；這種降低主要是減少對大粒級浮游植物的攝食，而輕微增加對小粒級浮游植物的攝食。

3 討論

3.1 表層和DCM層小型浮游動物的攝食

在海洋表層和DCM層水體中，除了溫度、營養鹽、光照等環境因素不同外，浮游植物和小型浮游動物的濃度和組成也不同，這些因素都會對小型浮游動物的攝食活動產生影響。本研究發現南海北部夏季m在DCM層小于表層，這與Chen等[35]在南海相似水域的發現一致。小型浮游動物的攝食活動在表層大于DCM層的原因可能有：第一，在寡營養水域，表層水體由于營養鹽的限制，浮游植物以小粒級為主，它們更容易被小型浮游動物攝食[12]；第二，表層水體的攝食者主要是粒級小于20 μm的異養鞭毛蟲和原生動物等群體[25- 27]，而在DCM層由于纖毛蟲等較大粒級攝食者存在，較大粒級攝食者對小粒級攝食者的捕食緩解了小粒級對浮游動物的攝食[36- 37]；第三，較低的溫度也可能限制小型浮游動物在DCM層攝食活動[16, 38- 39]；第四，表層水體接收較高的紫外線，而紫外線對小型浮游動物的攝食同樣有影響[22]。

表2 不同光照條件下小型浮游動物的攝食速率

DCM：次表層葉綠素最大層，Deep chlorophyll maximum；“+”代表營養加富；“*”和“**”分別代表顯著性在P<0.05和P<0.01

圖5 不同光照和營養條件下，表層和次表層葉綠素最大層小型浮游動物的攝食速率

影響小型浮游動物攝食活動的環境因素包括溫度、上升流、臺風等環境因子[16, 40- 41]。目前，南海小型浮游動物攝食活動的研究主要集中在表層水體，對于DCM層小型浮游動物攝食活動的研究相對較少[16, 35, 40- 42](表3)。如Chen等[35]發現南海北部表層的m在夏季平均為((0.49±0.47) d-1)，冬季為((0.35±0.21)d-1)，且冬季m和溫度密切相關[16]。在臺灣海峽附近m在上升流區((0.85±0.37)d-1)大于非上升流區((0.5±0.17) d-1)[40]。臺風風神過后，m為((1.17±0.56)d-1)高于其他時間((0.83±0.54)d-1)[42- 43]。雖然這些研究闡明了環境因素對m的影響，但這是復合因素共同作用的結果。比如相比非上升流區，上升流區的溫度、營養鹽和小型浮游動物種群均有變化，這些因素共同造成了上升流區和非上升流區m的不同。為了探究單一因素對小型浮游動物攝食活動的影響，本研究通過設置不同的營養和光照條件進行稀釋實驗。利用營養鹽加富和不加富組，發現營養加富輕微降低m；利用不同的培養瓶，發現紫外線能增加m。這些過程獲得了單一因素對小型浮游動物攝食活動的影響，為進一步分析表層和DCM層小型浮游動物攝食活動的不同提供了依據。

表3 在南海用稀釋法評估的小型浮游動物攝食速率的對比

DCM：次表層葉綠素最大層，Deep chlorophyll maximum

相比DCM層，表層水體中較高的小型浮游動物攝食活動具有重要的生態學意義。在寡營養水域，浮游植物的生長整體處于營養限制狀態，特別是在表層水體，浮游植物的生長主要依靠浮游動物攝食釋放出的營養鹽[35, 44]，即表層水體中浮游植物的生長和浮游動物的攝食密切相關[15, 41, 45- 46]。這說明表層水體的營養鹽循環更快，是由微食物環調控的群落，幾乎沒有有機物能進入更高的營養級[47- 48]；而在DCM層，隨著營養鹽的增加，浮游植物的生長不受較弱的攝食活動的限制，浮游植物生長和浮游動物攝食的相關性會降低[49- 50]。由于小粒級浮游植物能更有效的利用營養鹽，這也是之前的研究發現小粒級浮游植物在寡營養水域起主導作用的原因[51- 52]。然而本研究發現浮游植物粒級結構除了和營養鹽水平相關，還和小型浮游動物攝食的粒級選擇有關。本研究發現表層水體中小型浮游動物對大粒級浮游植物攝食高于小粒級，這與高被攝食率浮游植物在浮游植物群落中的存量最少的原則相符[53- 55]，也與Zhou等[41]在南海相似水域發現的小型浮游動物攝食的粒級選擇一致。而在DCM層，大粒級浮游植物可能擺脫小型浮游動物攝食的控制[49, 56]，進而增大在浮游植物群落中的比例。

3.2 浮游植物對營養鹽和光照的響應

雖然DCM層相對穩定，但光照和營養鹽的波動可能對其生物群落結構產生重要的影響[8, 57- 58]。本研究中，營養鹽加富促進了浮游植物的生長，而大粒級浮游植物在營養鹽利用上的優勢，使其在與小粒級競爭中獲得較大優勢[59]；同時，大粒級浮游植物擁有更高的光照利用效率[12, 14]，光照強度的提高進一步促進了大粒級浮游植物的生長[60]。此外，DCM層的小型浮游動物對浮游植物的攝食沒有顯著粒級差異。因此，光照和營養的提高促使大粒級浮游植物成為DCM的優勢種群。另外，與100%可見光組相比，自然光組中大粒級浮游植物的生物量稍有降低。這可能是紫外線不利于大粒級浮游植物的生長[61]，也可能是因為紫外線對小型浮游動物攝食活動的刺激引起的。與DCM層不同，營養鹽加富對表層水體的浮游植物群落結構沒有產生很大的影響。這可能因為大粒級浮游植物的初始濃度較低，而且其還面臨較大的攝食壓力，營養鹽加富的促進作用被前兩個因素抵消了。另外，在寡營養水體中，浮游植物的生長和小型浮游動物的攝食密切相關[62]，攝食活動釋放的營養鹽基本滿足小粒級浮游植物的生長[63]，這可能是表層葉綠素濃度在營養鹽加富后經過了較長的調整期才開始增長的原因。因此，營養加富短時間內對表層水體浮游植物生長的促進作用不明顯，對浮游植物群落結構影響不大。

在寡營養的南海，浮游植物群落粒級在表層小于DCM層，而且表層浮游植物面臨更大的攝食壓力。因此，浮游植物、細菌和小型浮游動物組成的微食物環是表層水體中營養和能量流通的主要通道，而較大的浮游植物和浮游動物組成的傳統食物鏈在DCM層起主導作用。雖然表層水體營養匱乏，攝食活動釋放的營養鹽基本滿足了小粒級浮游植物的生長需求；而營養相對豐富的DCM層中，較大粒級的浮游植物卻處于營養和光照的限制狀態。這與Fujiki等[11]在亞熱帶北大西洋的浮游植物的生理反應與光照關系的研究中的發現相一致[11]。所以，當營養和光照發生改變時，DCM層浮游植物能迅速生長，而表層浮游植物卻需要較長的響應時間。

因此，除溫度外[64]，臺風引發的水體混合同時改變表層水體的營養和浮游生物組成，光照的提高以及較低的小型浮游動物攝食壓力能使來自深層的較大粒級浮游植物迅速生長，成為藻華爆發的優勢種，這是臺風引發浮游植物藻華形成的主要機制。藻華爆發過程中，浮游植物群落粒級的增大，改變表層水體的物質和能量流通途徑，對碳的生物地球化學循環具有重要的作用，不僅促進了海洋生物固碳作用，而且增大了海洋生物泵的固碳效率。

4 結論

寡營養的南海，臺風引發的藻華是物理和生物活動共同作用的結果。水體的垂向混合把深層富營養水體帶到表層，雖然表層水體在混合過程中獲得了營養鹽，但較大的小型浮游動物攝食壓力抑制了表層浮游植物生物量的增加；而深層水體中浮游動物攝食活動相對較弱，較大粒級的浮游植物獲得充足光照后，迅速生長成為優勢種，形成藻華。在臺風引發的藻華爆發過程中，浮游植物群落粒級的變大能提高海洋生物泵的效率，促進寡營養海域的固碳作用。