南海SEATS站超微型浮游植物類群及其碳生物量和葉綠素a濃度比值的變化

尚毅威，肖武鵬，柳 欣，黃邦欽

(廈門大學 環境與生態學院，近海海洋環境科學國家重點實驗室，福建省海陸界面生態環境重點實驗室，福建 廈門 361102)

浮游植物是海洋生態系統中最主要的初級生產者，對全球氣候變化起到非常重要的調控作用[1].浮游植物葉綠素a是初級生產過程的核心，因此很多研究以葉綠素a作為浮游植物生物量的指標.然而，浮游植物的碳生物量和葉綠素a濃度(質量濃度，下同)比值(簡記為C∶Chl-a)和全球氣候變化(特別是碳循環)的關系更密切.大量研究結果證實，不同浮游植物類群對總葉綠素a濃度和對總碳生物量的貢獻不同，更不能等同于對總初級生產力的貢獻[2-3].最近Behrenfeld等[4]指出全球氣候變化研究，特別是和碳循環相關的生物地球化學研究,需要使用浮游植物的碳生物量來評估浮游植物的生物量變化，而非葉綠素a濃度.

盡管浮游植物的葉綠素a濃度和碳的固定有直接關系，但是因為浮游植物種類之間的差異以及光和營養鹽等環境因子的影響，在現場測得的葉綠素a濃度和碳生物量之間并沒有確定的數學關系，這導致C∶ Chl-a有很大的不確定性.自1960年Strickland[5]命名C∶Chl-a為F比值開始，國際上已有大量的研究工作圍繞此展開[3，6-9]，然而大部分的現場研究工作仍集中在北大西洋和赤道太平洋海區.目前已知C∶Chl-a從實驗室到現場在2個數量級之間變化(從幾到幾百)；同時，現場海區的葉綠素a濃度與碳生物量之間還常觀測到非線性關系[9].對于一些研究資料較少的邊緣海，因其復雜的環境特征和時空變化而很難參考其他海區已報道的經驗比值[10].

我國南海是世界上最大的邊緣海之一，在季節尺度上其上層海水的生物地球化學過程主要受東亞季風影響[11].作為聯合全球海洋通量研究(joint global ocean flux study，JGOFS)的時間序列計劃的一部分，由我國臺灣地區學者在1999年發起并建立了位于南海的東南亞時間序列觀測(the South East Asian Time-series Study，SEATS)站[11].SEATS站處于南海北部海盆區(18° N，116° E)，水深3 846 m，表層水溫相對較高且季節變化較小，受周圍主要河流影響較小，具有典型的低緯度邊緣海寡營養海盆特征[11].近年來，通過流式細胞技術(flow cytometry，FCM)和高效液相色譜法結合光合色素化學分類法(HPLC-CHEMTAX)，對南海浮游植物的時空分布格局和調控機制有了較深入的了解.已有研究結果顯示南海近岸水域的浮游植物優勢類群為粒徑較大的硅藻，海盆區表層的優勢類群為原綠球藻(Prochlorococcus)和聚球藻(Synechococcus)，次表層為定鞭藻(haptophytes)和青綠藻(prasinophytes)[12-13].Liu等[14]運用FCM對南海SEATS站的超微型浮游植物(細胞粒徑小于2 μm)細胞豐度的季節變化做了定量研究，發現原綠球藻是豐度最高的浮游植物且最高豐度出現在夏季，而聚球藻和超微型真核藻類(pico-eukaryotes)的豐度在一年中大部分時間都比原綠球藻低1～2個數量級.Chen等[15]研究了南海北部(包括SEATS站)超微型浮游植物在不同季節細胞豐度的垂直分布規律、細胞大小以及C∶Chl-a，其結果顯示超微型真核藻類細胞豐度的垂直分布規律為在夏季形成次表層葉綠素a極大值(deep chlorophyll maximum，DCM)層，且最大豐度出現的深度隨營養鹽躍層深度的變化而變化.Xiao等[12]分析了2004—2015年間20個現場觀測航次采集的5 338個光合色素樣品，并結合溫度、鹽度和營養鹽等理化因子建立了主要浮游植物類群的實際生態位均值和寬度模型.

在國內，碳生物量的研究還不多見.Sun等[16]較早開展了將浮游植物豐度轉換為碳生物量的相關研究，通過對浮游植物形狀進行分析、歸類，建立了不同浮游植物的體積換算模型，再利用體積與碳生物量之間的轉換系數，由浮游植物種類組成和豐度的結果計算各主要類群對碳生物量的貢獻.這大大降低了直接從葉綠素a或分粒級葉綠素a通過C∶Chl-a簡單計算所得碳生物量結果的不確定性.Chang等[17]也利用類似方法報道了C∶Chl-a在東海夏季表層從長江口到黑潮影響區域的變化，發現受營養鹽濃度的影響，C∶Chl-a 在長江口明顯低于黑潮影響區域.由于需要通過顯微鏡檢測鑒定浮游植物種類和計數，此方法主要適用于細胞粒徑較大的類群，例如硅藻(diatom)、甲藻(dinoflagellates)等.對于粒徑較小的超微型浮游植物，Chen等[15]在南海通過FCM發現聚球藻、原綠球藻和超微型真核藻類在冬季的C∶Chl-a顯著小于夏季.

目前南海浮游植物全粒級高分辨率的碳生物量時空分布仍不清楚，且在整個群落水平的C∶Chl-a尚未見報道.在當前的南海生物地球化學過程研究中，特別是以碳為基礎的生態模型(如NPZD模型)研究，仍是使用其他海區(如夏威夷海洋時間序列站和赤道太平洋高營養鹽、低葉綠素區域)的參考數據或是利用經驗公式計算C∶Chl-a[18].因此，不同區域溫度、營養鹽、光輻照度和生物群落的變化給C∶Chl-a計算結果帶來的不確定性嚴重限制了南海相關研究進展.本研究通過HPLC-CHEMTAX獲得超微型浮游植物三大類群(原綠球藻、聚球藻和真核藻類)的葉綠素a濃度，使用同緯度海區C∶Chl-a[19]轉換成碳生物量；同時，利用相對較準確的基于FCM獲得的三大類群的細胞豐度和體積換算成碳生物量.進而將兩種方法獲得的結果進行同步對比，分析不同類群之間的差異，并最終計算南海SEATS站的總C∶Chl-a.通過系統性分析南海SEATS站浮游植物類群的時空分布，針對C∶Chl-a這一生物地球化學過程關鍵參數展開討論，以期為進一步開展海洋生態系統和生物地球化學整合研究提供數據參考.

1 材料與方法

1.1 樣品數據來源及分析方法

本研究通過整合近年來發表的相關數據集，對分別使用FCM和HPLC-CHEMTAX報道的同步采樣數據進行數據匹配，并從中挑選了2006年11月至2012年8月期間不同時間段在南海SEATS站采集的樣品數據[12，15，20](表1).環境參數通過Sea-Bird Electronics公司的SBE25溫鹽深剖面儀測得，方法詳見文獻[12].光合色素的含量通過HPLC分析，再使用CHEMTAX v1.95軟件進行基于總葉綠素a濃度的各主要類群相對貢獻分析，方法詳見文獻[12，21].FCM樣品使用Becton-Dickson公司的FACSCalibur流式細胞儀的高速模式分析，方法詳見文獻[15].

1.2 碳生物量的計算

基于FCM的浮游植物碳生物量通過各主要類群的細胞數乘以其在對應季節(分為冷季和暖季)浮游植物的細胞碳含量得到.根據文獻[11]報道的風場特征，將5月至10月定義為暖季(受西南季風影響)，而將11月至次年4月定義為冷季(受東北季風影響).表層浮游植物的單細胞碳含量(fg)如下：原綠球藻暖季11.8，冷季23.4；聚球藻暖季72.4，冷季76.7；超微型真核藻類暖季979.1，冷季580.7[15].基于HPLC-CHEMTAX計算各主要類群的碳生物量則首先通過13種特征光合色素濃度反演獲得葉綠素a濃度[11-13].

表1 南海SEATS站浮游植物數據統計

得到葉綠素a濃度后，參照赤道太平洋經典的C∶Chl-a數據[19]，50 m以上淺水層使用數值80，50 m及以下使用數值50，分水層計算得到各類群的碳生物量.通過HPLC-CHEMTAX計算獲得的綠藻(chlorophytes)和青綠藻的數據之和作為超微型真核藻類的碳生物量[22].浮游植物群落的總碳生物量為使用FCM校正后的三大超微型浮游植物類群的碳生物量與通過經驗比值計算的其他浮游植物類群的碳生物量之和.通過SPSS v16軟件進行數據統計分析，其中差異比較使用單因素方差分析(one-way ANOVA)，設置p<0.05為顯著性差異水平，相關性分析中R為皮爾森相關系數.使用Ocean Data View軟件作圖.

2 結果與分析

2.1 水文背景

如圖1(a)所示，暖季水表層水溫相對較高(26～30 ℃，中位值為28 ℃)，而冷季表層水溫則較低(25～26 ℃，中位值為25 ℃)，可見當東北季風加強時表層海水溫度降低.與溫度明顯的季節變化相比，鹽度的冷暖季差異不明顯，暖季表層的鹽度相對較低(S<33.5)，而季風間期(5月和10月)的鹽度相對較高(S>33.5).50 m以上淺水層的溫度和鹽度均呈現均勻混合(圖1(a)和(b))，而總葉綠素a濃度在50 m以上淺水層均表現為冷季高于暖季(圖1(c))，且差異顯著(p<0.05).由于暖季具有較深的真光層深度和營養鹽躍層深度，垂向上出現更明顯的DCM層(約在75 m)，而在冷季中DCM層變淺或不明顯(圖1(c)).

2.2 超微型浮游植物細胞豐度的垂直分布

圖2顯示的是SEATS站超微型浮游植物三大類群細胞豐度的垂直分布及其季節變化.雖然原綠球藻在表層未見顯著的季節變化(圖2(a))，但是整體上其暖季的細胞豐度顯著高于冷季(p<0.05)，且最高值比暖季聚球藻和超微型真核藻類的高1～2個數量級；聚球藻和超微型真核藻類的季節變化更明顯，但與原綠球藻相反，暖季50 m以上淺水層兩者的細胞豐度均顯著低于冷季(p<0.05，圖2(b)和(c)).值得注意的是，聚球藻細胞豐度在50～75 m顯著下降(圖2(b))，而超微型真核藻類在50～75 m觀測到細胞豐度的最大值(圖2(c))，這與總葉綠素a濃度的垂直分布特征(圖1(c))極為相似.

圖1 不同月份溫度(a)、鹽度(b)和總葉綠素a濃度(c)的垂直分布

圖2 不同月份原綠球藻(a)、聚球藻(b)和超微型真核藻類(c)細胞豐度的垂直分布

2.3 浮游植物主要類群葉綠素a濃度的垂直分布

與FCM分析結果相似，通過HPLC-CHEMTAX得到的超微型浮游植物葉綠素a濃度的垂直分布規律在不同季節呈現顯著差異(圖3).根據葉綠素a濃度的大小，優勢類群依次是原綠球藻、聚球藻和定鞭藻(8型).原綠球藻的葉綠素a濃度在所有類群中貢獻最高，在50 m層出現峰值，且在100 m層仍能觀測到較高值，最大值出現在暖季(圖3(a))；聚球藻表層的葉綠素a濃度較高，隨深度增加逐漸減少，整體上冷季高于暖季(圖3(b))；定鞭藻(8型)的葉綠素a濃度和FCM觀測到的超微型藻類細胞豐度的時空變化規律極為相似，且冷季高于暖季.定鞭藻(8型)的葉綠素a濃度全年都在DCM層出現最大值，且在100 m層仍保持100 ng/L(圖3(d)).其他類群如青綠藻、定鞭藻(6型)、甲藻和硅藻的葉綠素a濃度都不高，均與定鞭藻(8型)相似，最大值主要在DCM層(圖3(c)，(e)和(f)).

圖3 不同月份原綠球藻(a)、聚球藻(b)、青綠藻(c)、定鞭藻(8和6型，d和e)和甲藻(f)葉綠素a濃度的垂直分布

2.4 浮游植物C∶Chl-a的垂直分布

以FCM和HPLC-CHEMTAX計算碳生物量，結果顯示在3個超微型浮游植物類群中都存在極顯著的正相關關系(圖4，n=41，p<0.01).原綠球藻的結果在高值區比較離散(R=0.57)，聚球藻的結果則大部分位于1∶1參考線下方(R=0.65)，指示基于HPLC-CHEMTAX計算會對碳生物量產生系統性高估；而超微型真核藻類的相關性最好，數值基本分布在1∶1參考線兩側(R=0.70)，暗示2種方法所得結果之間有很好的一致性.

圖4 通過HPLC-CHEMTAX和FCM計算出的原綠球藻(a)、聚球藻(b)和超微型真核藻類(c)的碳生物量比較

為了獲得全粒徑浮游植物群落的總C∶Chl-a比值，將通過FCM獲得的三大超微型浮游植物類群與通過HPLC-CHTMAX估算的其他類群碳生物量相加，并除以總葉綠素a濃度，得到C∶Chl-a的垂直分布(圖5).總體上南海海盆SEATS浮游植物總C∶Chl-a隨水深呈遞減趨勢，從表層的67±27到75 m層的38±4，再到150 m層的47±16.

圖5 浮游植物C∶Chl-a的垂直分布

3 討 論

3.1 浮游生物群落的時空變化

由于SEATS站所處的南海屬于低緯度海區，本研究觀測到的海水表層水溫均高于23 ℃(圖1)，這與此前Chao等[23]報道在南海中部表層水溫不會低于22 ℃的結果相吻合.暖季強的層化現象使得上層海水處于營養鹽耗盡的狀態，真光層內浮游生物的生物量和初級生產水平都非常低[23]；而且由于真光層和營養鹽躍層深度增加，出現DCM層下移的現象(圖1(c)).Du等[24]基于夏季在南海SEATS站對湍流微結構與營養鹽的高分辨率觀測，同時定量分析了硝酸鹽等生源要素跨密度面的擴散通量與平流通量，從營養鹽通量垂向結構的角度揭示了SEATS站真光層的雙層結構.該研究結果顯示在營養鹽躍層上部存在營養鹽耗盡層(nutrient-depleted layer，NDL)，溶解無機氮的有效通量極低；從NDL以下到真光層底部稱為富營養鹽層(nutrient-replete layer，NRL)，該層內溶解無機氮濃度及其有效通量快速增加，其底部通量比NDL大3個數量級，支持DCM層的生物生產[24].本研究發現，在冷季較強的東北季風減弱了海水層化的結構，混合層深度增加，可以達到50～75 m(圖1).根據已有報道，SEATS站的營養鹽狀況因此呈現明顯的季節變化[25].在冷季強盛的東北季風和表層降溫的雙重影響下，富含營養鹽的海水從營養鹽躍層上部進入到混合層，真光層內的營養鹽濃度顯著提升.這可能是SEATS站冷季的總葉綠素a濃度(本研究)和初級生產力[11，23]高于暖季的原因.

從浮游植物群落的角度來看，原綠球藻、聚球藻等超微型浮游植物在高溫和低營養鹽環境下具有競爭優勢，使它們和其他浮游植物的時空分布呈現明顯區別[14]，本研究結果顯示原綠球藻的這種特征表現尤為明顯(圖2(a))；而就總葉綠素a濃度而言，聚球藻和超微型真核藻類的生物量都在冷季相對較高(圖1(a)，2(b)和2(c)).此外，超微型真核藻類的細胞豐度與總葉綠素a濃度的垂直分布特征相似，對總葉綠素a濃度的貢獻也非常高(圖1～3).SEATS站的這種分布模式和已報道南海北部海盆其他區域的浮游植物群落基本一致，而與北部陸架及近岸區域差異顯著[12，15，26-27].同時，本研究發現季節內的各類群生物量也存在較顯著的變化.一方面，近年來南海北部海盆中尺度渦和內波非常活躍[28-29]，給浮游植物群落的時空分布帶來的影響非常明顯，且不同類群對這類物理過程的響應機制也不同[30-31]；另一方面，浮游動物攝食壓力的變化也會影響浮游植物生物量、初級生產力和群落特征[32-33].

3.2 C∶Chl-a的變化規律

浮游植物的碳生物量、初級生產力及葉綠素a濃度通常具有相關關系.然而，浮游植物的葉綠素a濃度和碳生物量之間因為存在細胞大小和細胞碳含量的種間差異而使得兩者之間未呈現清晰的線性關系[34]；同時，光照的限制以及營養鹽的可利用性對兩者都存在顯著影響[6，35].這些研究結果顯示，浮游植物趨向于在高光和寡營養鹽環境下降低單細胞葉綠素a濃度，而在低光和富營養鹽環境下則相反.

本研究中3個超微型浮游植物類群的碳生物量在基于FCM和HPLC-CHEMTAX的計算結果之間呈現顯著的正相關關系.考慮2種方法的原理，通過FCM獲得細胞豐度與體積計算的結果應更為準確；而利用HPLC-CHEMTAX計算葉綠素a濃度后，使用同一C∶Chl-a數據計算不同類群的碳生物量會引入誤差.Chen等[15]的研究表明，在超微型浮游植物的三大類群之間以及同一類群在不同季節之間，C∶Chl-a均呈現顯著差異.通過比較FCM計算的結果，本研究發現HPLC-CHEMTAX計算的聚球藻碳生物量存在系統性高估，而超微型真核藻類則較為準確.這可能是因為聚球藻主要分布在表層，因為光照強度的變化，在不同季節之間它們會通過調整細胞體內的光合色素組成進行光適應，這將顯著改變特征色素與葉綠素a濃度之間的比值，造成葉綠素a濃度的計算誤差；而且本研究中并未使用不同季節的C∶Chl-a經驗值進行計算，進而影響最終的碳生物量結果.與之相反，超微型真核藻類則主要分布在DCM層，在不同季節它們所在的深度會根據光照和營養鹽狀態調整，比如暖季表層光照強度較強、營養鹽濃度較低時，DCM層深度較深，而冷季則相反，這樣的變化可能使得它們的C∶Chl-a相對穩定.

從群落水平上來看，本研究中獲得的C∶Chl-a從海水表層到深層存在明顯梯度(圖5)，這與赤道太平洋等海區的觀測結果[8，17]一致.垂向上遞減的趨勢則主要是由于表層光照強度強、營養鹽濃度低，小粒徑浮游植物具有優勢，所以趨向具有較高的C∶Chl-a；而在DCM層，營養鹽條件得到改善且光照強度減弱，浮游植物可能出現潛在的光限制而大量產生葉綠素a以捕獲光能，也因此表現為較低的C∶Chl-a.本研究的結果總體上偏小，如果忽略HPLC-CHEMTX分析的誤差，可能的解釋是該結果為全年平均值.冬季真光層內營養鹽濃度的升高和光照強度的減弱使浮游植物群落趨向低的C∶Chl-a[15].此外，本研究結果顯示在150 m水層C∶Chl-a有再度上升的趨勢，這一現象可能是由于光限制了浮游植物的生長，浮游植物細胞死亡后葉綠素a濃度快速下降導致的.

4 結 論

本研究通過整合近年來發表的相關數據，分析了南海SEATS站不同類群葉綠素a和細胞豐度垂直分布的季節變化差異，并利用基于FCM所得的細胞豐度和體積換算結果，評估了超微型浮游植物三大類群通過HPLC-CHEMTAX獲得葉綠素a濃度后使用文獻中的C∶Chl-a轉換的碳生物量，進一步計算了南海SEATS站的總C∶Chl-a.結果表明3個超微型浮游植物類群利用FCM和HPLC-CHEMTAX計算的碳生物量都呈現極顯著正相關.聚球藻基于HPLC-CHEMTAX計算的碳生物量存在一定的高估；而超微型真核浮游植物的相關性最好.南海SEATS站表層浮游植物總C∶Chl-a為67±27，且隨水深遞減.本研究結果顯示，盡管使用文獻中的C∶Chl-a計算碳生物量存在較大的不確定性，但是通過分析葉綠素a濃度與碳生物量之間的定量轉換關系可為深入闡明浮游植物群落在生物地球化學過程中的作用奠定數據基礎.