船基圍隔條件下沙塵和營養(yǎng)鹽添加對(duì)近海浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響

陳錦峰，張家衛(wèi)，李 朗，陳長平,2*，孫 琳，梁君榮,2，高亞輝,2,*

(1.廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,福建 廈門361102;2.濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廈門大學(xué)),福建 廈門361102;3.近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廈門大學(xué)),福建 廈門361102)

亞洲作為世界沙塵的四大排放區(qū)之一，已成為全球沙塵的重要組成部分。沙塵在強(qiáng)氣流的影響下，形成沙塵暴，經(jīng)過長距離運(yùn)輸并通過大氣沉降進(jìn)入海洋，從而影響中國近海甚至西北太平洋的生態(tài)系統(tǒng)[1-2]，其中以中國黃海及東海海域受亞洲沙塵影響較大。中國黃東海沙塵主要有2個(gè)來源，其中來自內(nèi)蒙古西部沙地和黃土高原的沙塵粒子經(jīng)過華北平原并匯入中國渤海、黃海及東海，而來自青海東部的沙塵經(jīng)過黃土高原加強(qiáng)，從長江中下游地區(qū)匯入東海海域[3]。

沙塵沉降是海洋營養(yǎng)鹽和污染物輸入的重要方式之一，尤其是寡營養(yǎng)鹽海域營養(yǎng)鹽的重要來源[4-5]，沙塵沉降能為海洋浮游植物提供可利用的氮(N)、磷(P)、硅(Si)、鐵(Fe)和錳(Mn)等營養(yǎng)鹽和微量元素，同時(shí)鉛(Pb)、鎘(Cd)等重金屬元素和其他污染物也會(huì)附著在沙塵表面通過沙塵沉降的方式輸入到海區(qū)。浮游植物是海洋生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級(jí)生產(chǎn)者，營養(yǎng)鹽和污染物輸入可能會(huì)改變浮游植物的初級(jí)生產(chǎn)力及群落結(jié)構(gòu)[6]，并且在一定程度上影響海洋浮游植物的固碳能力和固氮能力，從而對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)和全球氣候產(chǎn)生一定的影響[7]。

研究沙塵沉降帶來的海洋營養(yǎng)鹽和污染物輸入及其對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響，已成為海洋生物科學(xué)研究的熱點(diǎn)[8]。沙塵沉降對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)中浮游植物的影響機(jī)制較為復(fù)雜，本研究利用2017年中國黃東海區(qū)春季航次進(jìn)行沙塵添加及營養(yǎng)鹽添加的船基圍隔實(shí)驗(yàn)，探討沙塵沉降入海和營養(yǎng)鹽添加對(duì)近海海洋浮游植物葉綠素a含量和群落結(jié)構(gòu)的影響，為揭示大氣沉降物對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)和全球氣候變化的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 沙塵來源

表1 沙塵(GBW08306)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)成分Tab.1 Dust standard material composition

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

表2 圍隔培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)方案Tab.2 Different treatments in the enclosure experiment

1.3 樣品采集與分析

培養(yǎng)期間，分別于第0、1、3、5、6、7、8、9、10、11、13天每天定時(shí)采集水樣，用于葉綠素a(以下簡稱Chl a)含量測定，測定方法按照《海洋調(diào)查規(guī)范》[11]進(jìn)行，具體如下：取圍隔水樣300 mL，加入1%碳酸鎂懸濁液，使用GF/F玻璃纖維濾膜(直徑25 mm，Whatman公司)過濾，將濾膜置于凍存管中于液氮保存，帶回實(shí)驗(yàn)室后，將濾膜轉(zhuǎn)移至15 mL連蓋離心管，加入10 mL 90%丙酮萃取24 h (4 ℃，避光)，高速離心機(jī)(J-30I，BECMAN，美國)離心15 min (4 ℃，4 000 r/min)，取上清液用Turner Designs Trilogy熒光計(jì)測量熒光值，計(jì)算其含量。在培養(yǎng)期的第0、1、5、7、9、11、13天每天定時(shí)取圍隔水樣500 mL，用于浮游植物群落結(jié)構(gòu)分析，加入魯格氏碘液(1%)固定，避光保存帶回實(shí)驗(yàn)室，靜置沉降一段時(shí)間后，使用虹吸管吸取上清液并逐步濃縮到10 mL，對(duì)浮游植物進(jìn)行種類的鑒定和計(jì)數(shù)。

參考Liu(2013)[12]、李佳慧等(2017)[13]提出的轉(zhuǎn)化效率公式用來評(píng)估N轉(zhuǎn)化成Chl a的轉(zhuǎn)化效率(conversion efficiency index,CEI)，公式如下：

(1)

式(1)中:t表示培養(yǎng)時(shí)間13 d，Chlai表示Chl a在第i天的含量(μg/L)，Chla0為培養(yǎng)前初始Chl a含量，Ntotal為總DIN濃度(μmol/L)。

根據(jù)馬爾薩斯(Malthus)模型公式x(t)=x0eμt擬合計(jì)算得到浮游植物生長速率μ[14-15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 浮游植物種類組成

圍隔實(shí)驗(yàn)中共鑒定到浮游植物2門20屬29種，其中硅藻種類共計(jì)17屬26種，甲藻3屬3種。

2.2 Chl a含量

培養(yǎng)期間不同實(shí)驗(yàn)組浮游植物Chl a含量一般呈先增高后減少的單峰形態(tài)(圖1)。對(duì)照組M6 Chl a含量在培養(yǎng)前期逐漸增長，在培養(yǎng)第7天達(dá)到最大值，為4.20 μg/L，隨后逐漸降低；實(shí)驗(yàn)組M1(N∶P=16∶1)Chl a含量在培養(yǎng)第7天達(dá)到峰值，為14.59 μg/L，在培養(yǎng)第11天達(dá)到次高峰值，為5.50 μg/L；實(shí)驗(yàn)組M2(N∶P=8∶1)變化趨勢和M1相同，但其最高峰值顯著低于M1、M3組(p<0.01)；實(shí)驗(yàn)組M3(N∶P=64∶1)變化趨勢與M1相同，Chl a含量于培養(yǎng)第7天達(dá)到最高峰值，且高于M1組峰值。實(shí)驗(yàn)組M4(尿素)Chl a含量在培養(yǎng)的第6天達(dá)到最高峰值，為3.30 μg/L，隨后下降，Chl a含量在第11天出現(xiàn)次高峰，為2.34 μg/L，M4組Chl a含量與對(duì)照組差異不顯著(p>0.05)。相比無機(jī)氮源組，有機(jī)氮源尿素促進(jìn)浮游植物生長的效果并不明顯。M5(沙塵)實(shí)驗(yàn)組Chl a含量在培養(yǎng)第5天達(dá)到最高值，為4.19 μg/L，M5組Chl a含量與對(duì)照組差異不顯著(p>0.05)，說明沙塵添加沒有顯著地促進(jìn)浮游植物生長。

圖1 不同氮源和不同氮磷比實(shí)驗(yàn)組葉綠素a含量的變化Fig.1 Changes of Chl a contents in different treatments(a)為不同氮源實(shí)驗(yàn)組，(b)為不同氮磷比實(shí)驗(yàn)組。

2.3 浮游植物密度變化

浮游植物密度變化和Chl a含量的變化趨勢相似(圖2)。培養(yǎng)前期各組浮游植物密度差異不顯著，之后M6組和M5組浮游植物密度有所上升，但變化幅度不大，且浮游植物密度相對(duì)其他各組均處在較低水平。M6組和M5組浮游植物密度均在培養(yǎng)第7天達(dá)到峰值，最高密度分別為1.17×105cells/L和1.09×105cells/L。無機(jī)氮、磷營養(yǎng)鹽的添加顯著增加了浮游植物密度(p<0.05)。M1、M2、M3三組的變化趨勢較為一致，均在培養(yǎng)第7天達(dá)到峰值，分別為4.56×105、4.00×105、7.86×105cells/L，最高密度分別為對(duì)照組的3.89、3.41、6.71倍，浮游植物密度在培養(yǎng)后期趨于平穩(wěn)。M4(尿素)組浮游植物密度和對(duì)照組類似，一直保持較低水平，在第5天浮游植物密度達(dá)到次高峰(1.10×105cells/L)，隨后降低，在培養(yǎng)后期浮游植物密度達(dá)到最高密度值，為1.43×105cells/L。

圖2 浮游植物密度對(duì)不同氮源和不同氮磷比營養(yǎng)鹽添加的響應(yīng)Fig.2 Changes of phytoplankton densities in different treatments(a)為不同氮源實(shí)驗(yàn)組，(b)為不同氮磷比實(shí)驗(yàn)組。

2.4 CEI和浮游植物生長速率的變化

結(jié)果表明，M1、M2、M3、M4、M5、M6組中的CEI分別為2.82、3.05、1.95、2.09、1.75、1.73。沙塵組和對(duì)照組CEI沒有明顯區(qū)別，說明低濃度的模擬黃沙對(duì)培養(yǎng)海水的影響不大，其他各組CEI均高于對(duì)照組，M3組的Chl a含量峰值雖然是各組最高，但CEI并不是最高，營養(yǎng)鹽添加組M1、M2、M3中，Chl a峰值較低的M2組，CEI反而較高，M3組外源氮的添加是M2組的4倍，而M2組的外源磷是M3組的2倍；M1組外源氮是M2組的2倍，而外源磷添加量一樣，M1組CEI較M2低，說明外源氮的添加能有效促進(jìn)Chl a的含量，但單純的高氮含量并不能有效地提高N向Chl a的轉(zhuǎn)化效率。

為計(jì)算浮游植物生長速率，分別對(duì)增長期浮游植物Chl a含量和浮游植物密度進(jìn)行擬合，得到Chl a含量和浮游植物密度的增長速率μ。用浮游植物密度來衡量浮游植物生長速率，M3增長最快，其次是M1，M6的增長最慢。用Chl a含量來衡量浮游植物增長速率，M1增長最快，增長速率為0.59；其次是M3組(0.56)；M4的增長最慢，為0.38(表3)。

表3 實(shí)驗(yàn)期間各圍隔培養(yǎng)中浮游植物的生長速率Tab.3 Growth rate of phytoplankton in the enclosures during experiment

2.5 浮游植物優(yōu)勢種變化

浮游植物主要優(yōu)勢種為海鏈藻(Thalassiosirasp.)、繞孢角毛藻(Chaetoceroscinctus)、勞氏角毛藻(Chaetoceroslorenzianus)、旋鏈角毛藻(Chaetoceroscurvisetus)、冕孢角毛藻(Chaetocerosdiadema)以及新月菱形藻(Nitzschiaclosterium)，見圖3。在培養(yǎng)過程中，無機(jī)氮磷營養(yǎng)鹽添加組M1、M2、M3變化趨勢較為一致，硅藻密度在培養(yǎng)期間大幅度上升，在培養(yǎng)第7天硅藻密度達(dá)到最高值，分別為4.54×105、3.88×105、7.81×105cells/L。M4、M5、M6組硅藻密度相對(duì)較低，其最高密度也較低，分別為1.18×105、1.03×105、1.13×105cells/L。在培養(yǎng)過程中，硅藻的密度始終占浮游植物密度的主體。甲藻呈現(xiàn)出和硅藻不一樣的生長狀態(tài)，雖然M1、M2、M3組硅藻密度遠(yuǎn)高于M4、M5、M6組，但6組的甲藻密度變化趨勢相似。在整個(gè)培養(yǎng)過程中甲藻生長受限，增長緩慢，但密度始終處于持續(xù)增長狀態(tài)。雖然不同組的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)營養(yǎng)鹽和浮游植物密度差異極大，但無論營養(yǎng)鹽種類、含量以及浮游植物多寡都不影響浮游植物演替的次序和過程，先硅藻占優(yōu)后甲藻占優(yōu)的演替順序各實(shí)驗(yàn)組表現(xiàn)一致。

圖3 不同實(shí)驗(yàn)組浮游植物優(yōu)勢種及其所占比例Fig.3 Dominant species and species compositons of the phytoplankton community in different treatments

本研究利用圍隔實(shí)驗(yàn)添加沙塵和營養(yǎng)鹽，模擬自然條件下沙塵沉降和營養(yǎng)鹽輸入對(duì)近海海域浮游植物群落的影響，探討浮游植物群落對(duì)營養(yǎng)鹽輸入和沙塵沉降的不同響應(yīng)。

本研究使用的模擬黃沙(GBW08306)含Sc、Mn、Ni、Cu、Zn、Sr、Ba、Fe等金屬元素，其中一些重金屬可能對(duì)浮游植物生物具有一定毒害作用，抑制其生長，同時(shí)沙塵中N、Si含量較少，對(duì)浮游植物生長的促進(jìn)并不明顯，因此本研究結(jié)果表明該質(zhì)量濃度的沙塵添加對(duì)浮游植物生長的影響不顯著。目前沙塵對(duì)浮游植物具體的作用機(jī)制尚未明確，需要進(jìn)一步關(guān)注與研究。而N、P、Si等無機(jī)營養(yǎng)鹽的添加，明顯改變了海水浮游植物的群落結(jié)構(gòu)，硅藻和甲藻表現(xiàn)出不同的生長趨勢。在營養(yǎng)鹽較為充足的條件下，硅藻表現(xiàn)出較強(qiáng)的競爭優(yōu)勢，當(dāng)營養(yǎng)鹽濃度降低后，硅藻逐漸開始死亡，而甲藻逐漸開始繁殖，生物量逐漸增大。這與衣曉燕等(2017)[27]、孫萍(2007)[28]等的研究結(jié)果相似。

3 結(jié)論

沙塵沉降和營養(yǎng)鹽輸入是影響海洋浮游植物群落結(jié)構(gòu)的重要因素。本研究基于船基圍隔培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，通過添加沙塵(2 mg/L)和不同營養(yǎng)鹽研究其對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，與對(duì)照組相比，沙塵和尿素添加實(shí)驗(yàn)組的浮游植物群落細(xì)胞密度、葉綠素a含量及群落結(jié)構(gòu)影響不顯著，而氮磷比為64∶1的實(shí)驗(yàn)組浮游植物葉綠素a含量和細(xì)胞密度最高。研究結(jié)果為揭示大氣沉降物和營養(yǎng)鹽變化對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)和全球氣候變化的影響提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。