獐子島海域和膠州灣表層微微型浮游植物豐度和生物量的季節變化比較*

李蘇恒 董 逸 趙 苑 孫曉霞,5 張光濤 趙 麗① 張武昌① 肖 天

(1. 中國科學院海洋研究所 中國科學院海洋生態與環境科學重點實驗室 山東青島 266071; 2. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋生態與環境科學功能實驗室 山東青島 266237; 3. 中國科學院大學 北京 100049; 4. 中國科學院海洋大科學研究中心 山東青島 266071; 5. 中國科學院海洋研究所 山東膠州灣海洋生態系統國家野外科學觀測研究站 山東青島

266071)

海洋微微型浮游植物(picophytoplankton)細胞粒徑介于0.22～2 μm 之間, 是迄今為止發現的最小的光合自養浮游生物, 主要包括藍細菌中的原綠球藻(Prochlorococcus, PRO) 和聚球藻(Synechococcus,SYN), 以及微微型真核浮游植物(Picoeukaryotes,PEUK)。SYN 最適生長溫度為17～25 °C, 決定了它在熱帶、亞熱帶和溫帶海域豐度較高, 較強的溫度適應能力使其在70°N 到 69°S 水體都可以生存(Lietal,1983; Jointetal, 1986)。PRO 對溫度敏感, 尤其是低溫對其影響明顯, 其生長海區被限制在南北緯40°之間。在我國東海、南海、黃海東南部檢測到了PRO, 渤海尚未發現(焦念志等, 2002)。PEUK 分布廣泛, 因其種類豐富, 包含多種耐低溫的藻類, 從赤道到極地海區都可以檢測到(Marieetal, 2006; Worden, 2006)。微微型浮游植物對初級生產力和浮游植物生物量的貢獻顯著, 被認為是世界上大多海區浮游植物群落中的重要組分(Olsonetal, 1990)。微微型浮游植物具有粒徑小、比表面積大, 種類豐富, 數量多等特點(Campbelletal, 1994), 因而決定了它是海洋生態系統物質循環和能量流動的重要推動者, 對維持海洋生態系統的穩定起著重要的作用。

獐子島海域位于黃海北部(38°42'～39°12'N, 122°24'～123°6'E)外長山群島的最南端, 擁有全國最大的蝦夷扇貝 養 殖 基 地。膠 州 灣 位 于 黃 海 南 部(35°8'～36°18'N,120°04'～120°23'E), 是典型的半封閉海灣, 有數十條河流流入, 是我國北方重要的港口、養殖及經濟貿易區域。

獐子島海域和膠州灣同屬于溫帶海域, 受大陸氣候和黃海暖流等因素的影響, 海水理化環境有明顯的季節變化(俞建鑾等, 1993), 兩海區都受到人類活動的影響。對獐子島海域微微型浮游植物的研究相對較少(Zhaoetal, 2018), 膠州灣的研究相對較多(肖天等, 1995; 趙三軍等, 2005; 楊琳等, 2012), 但已有研究主要集中在單個海區, 并未系統對比過海區間存在的差異。本文對比了北黃海和南黃海典型海區微微型浮游植物的分布及環境影響因素, 旨在全面了解受不同理化因素及人類活動影響海區的微微型浮游植物豐度及季節變化情況, 為黃海的生態環境評估提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 調查站位及樣品采集

2009 年7 月至2010 年6 月搭乘大連獐子島漁業集團有限公司“遼長漁科研19 號”對獐子島海域進行逐月調查采樣(因天氣原因, 2010 年1 月和5 月未采樣), 共設13 個觀測站。其中A6、B6、C6 站位于非養殖海區, 最大水深約55 m, 其他站均位于養殖海區, 水深小于50 m。2010 年1～12 月搭乘“創新號”考察船對膠州灣常規站位進行逐月調查采樣, 共設12個觀測站, 除D5 站最大水深約36 m 外, 其余站位水深在1～26 m 不等, 采樣站位如圖1 所示。獐子島海域和膠州灣季節按如下進行劃分: 春季3～5 月, 夏季6～8 月, 秋季9～11 月, 冬季12～2 月。季節取值為3個月的平均值。使用Niskin 采水器采集海水樣品, 取4 mL 海水置于5 mL 離心管中, 加入10%多聚甲醛固定, 終濃度為1%, 樣品4 °C 避光保存, 帶回實驗室后液氮速凍, 然后轉移至－80 °C 冰箱保存(Marieetal,2001), 為便于比較, 本文獐子島海域和膠州灣均選取表層海水樣品進行分析。

圖1 獐子島海域和膠州灣采樣站位Fig.1 Sampling stations in the Zhangzi Island Area and Jiaozhou Bay

1.2 微微型浮游植物計數

將樣品從－80 °C 冰箱中取出, 室溫避光融化, 利用流式細胞儀(BD FACSVantage SE, Becton Dickinson, USA)檢測到聚球藻(Synechococcus, SYN)和微微型真核浮游植物(Picoeukaryotes, PEUK), 未發現原綠球藻(Prochlorococcus, PRO), 故本文提到的微微型浮游植物包括SYN 和PEUK。取2 mL 海水樣品, 加入2 μm 綠色熒光微球(Polysciences)作標準內參, 上機檢測3 min。SYN 和PEUK 自身含有熒光,可直接進行檢測。通過前向散射光(FSC)和側向散射光(SSC)的雙參數散點圖FSC-SSC、橙色熒光(FL2)和紅色熒光(FL3)的雙參數散點圖FL2-FL3 可以檢測并區分SYN 和PEUK(Zhaoetal, 2016)。

1.3 理化因子的測定

1.4 豐度和生物量計算

用CellQuest 軟件(Version 3.3, Becton Dickinson)收集和分析流式細胞儀數據, 獲得SYN 和PEUK 豐度。微微型浮游植物生物量由豐度乘以碳轉換系數(SYN 和PEUK 碳轉換系數分別為250 fg C/cell 和1 500 fg C/cell)獲得 (Zubkovetal, 1998)。浮游植物生物量通過葉綠素a濃度轉換獲得, 轉換系數為50(Krempinetal, 1981)。

1.5 數據處理與統計分析

采用克魯斯卡爾-沃利斯檢驗(Kruskal-Wallis)方法, 分別檢驗獐子島海域和膠州灣的理化環境因子、微微型浮游植物豐度和生物量在季節之間的差異顯著性。采用曼惠特尼U檢驗(Mann-WhitneyUTest) 的方法檢驗獐子島海域和膠州灣理化環境因子、微微型浮游植物豐度和生物量在海區之間的差異顯著性。采用斯皮爾曼相關性(Spearman correlation)方法分析各個海區環境因子和微微型浮游植物豐度之間的相關關系。所有數據進行分析前均經過log(x+1)轉換。

利用Origin Pro 2015 繪制微微型浮游植物豐度和生物量的季節變化圖。用SPSS 23.0 軟件進行數據的克魯斯卡爾-沃利斯檢驗、曼惠特尼U檢驗和斯皮爾曼相關性分析。

2 結果

2.1 溫鹽、葉綠素a、營養鹽及砂殼纖毛蟲豐度季節分布及海區間差異比較

獐子島海域和膠州灣均表現出相似的溫帶季節變化特征, 即夏秋季節溫度高, 冬春季節溫度低, 二者全年溫度變化范圍分別在2.55～23.53 °C 和1.85～26.40 °C 之間, 獐子島海域表層溫度略低于膠州灣(圖2a, 表1)。獐子島海域和膠州灣的鹽度高值均出現在冬春季, 低值出現在夏秋季, 鹽度變化范圍分別是30.54～32.27 和28.52～31.69, 全年大部分時間獐子島海域表層鹽度略高于膠州灣(圖2b, 表1)。獐子島海域和膠州灣葉綠素a濃度高值均出現在夏季, 低值均出現在冬季(圖2c, 表1)。獐子島海域DIN 和 PO34-濃度高值均出現在冬季, 低值分別出現在春季和夏季; 膠州灣DIN 和PO34-濃度高值分別出現在秋季和春季, 低值均出現在夏季(圖2d, 2e, 表1)。兩海區營養鹽濃度均無明顯的季節分布特征。獐子島海域砂殼纖毛蟲豐度春夏季高于秋冬季; 膠州灣砂殼纖毛蟲豐度冬春季高于夏秋季(圖2f, 表1)。

圖2 獐子島海域和膠州灣理化因子和相關生物因子月份比較Fig.2 Seasonal comparison of environmental parameters and related biological factors in Zhangzi Island Area and Jiaozhou Bay

曼惠特尼U檢驗分析結果表征了獐子島海域和膠州灣主要環境因子之間的差異情況: 獐子島海域鹽度、P濃度和砂殼纖毛蟲豐度均顯著高于膠州灣(P＜0.01,表1); 獐子島海域DIN 濃度顯著低于膠州灣(P＜0.01,表1); 獐子島海域與膠州灣兩海區之間的溫度、葉綠素a濃度均無顯著性差異(P＞0.05, 表1)。

表1 獐子島海域和膠州灣四季理化因子和相關生物因子數值Tab.1 Environmental parameters and related biological factors in four seasons of Zhangzi Island Area and Jiaozhou Bay

2.2 微微型浮游植物豐度季節分布及海區間差異比較

獐子島海域SYN 豐度范圍在0.05×103～120×103cells/mL 之間, 平均值為(11.82±7.35) ×103cells/mL(n=130)(圖3a, 表2)。SYN 豐度在秋季最高, 且顯著高于其他季節(Kruskal-Wallis,P＜0.01, 表2)。季節趨勢總體表現為秋季＞夏季＞冬季＞春季(圖3b)。膠州灣SYN 豐度范圍在0.02×103～61.8×103cells/mL 之間, 平均值為(4.08±2.39)×103cells/mL (n=142) (圖3a, 表2)。SYN 豐度在夏季最高, 豐度在夏秋季顯著高于冬春季(Kruskal-Wallis,P＜0.01, 表2)。季節趨勢總體表現為夏季＞秋季＞冬季＞春季(圖3b)。

獐 子 島 海 域 PEUK 豐 度 范 圍 在 0.01×103～18.76×103cells/mL 之間, 平均值為(3.33±1.68) ×103cells/mL(n=130) (圖3c, 表2)。PEUK 豐度在秋季最高, 且夏秋季顯著高于冬春季(Kruskal-Wallis,P＜0.01,表2)。季節趨勢總體表現為秋季＞夏季＞冬季＞春季(圖3d)。膠州灣PEUK 豐度范圍在0.25×103～95.57×103cells/mL 之 間, 平 均 值 為(5.1±4.43)×103cells/mL(n=142) (圖3c, 表2)。PEUK 豐度在春季最高, 冬季最低(Kruskal-Wallis,P＜0.01, 表2)。季節趨勢總體表現為春季＞秋季＞夏季＞冬季(圖3d)。

圖3 獐子島海域和膠州灣微微型浮游植物豐度的月份和季節變化Fig.3 Monthly and seasonal variation in picophytoplankton abundance in Zhangzi Island Area and Jiaozhou Bay

通過對兩海區進行比較發現, 獐子島海域與膠州灣SYN 豐度存在顯著性差異(Mann-WhitneyUTest,P＜0.01), 獐子島海域SYN 豐度顯著高于膠州灣(表2);兩海區PEUK 豐度不存在顯著性差異(Mann-WhitneyUTest,P＞0.05, 表2)。

比較微微型浮游植物豐度組成發現, 兩海區微微型浮游植物豐度組成存在差異, 其中獐子島海域除春季外, 以 SYN 為主; 而膠州灣除夏季外, 以PEUK 為主(圖4)。

圖4 獐子島海域和膠州灣微微型浮游植物豐度組成季節變化Fig.4 Seasonal variation in composition of picophytoplankton abundance in Zhangzi Island Area and Jiaozhou Bay

2.3 微微型浮游植物生物量季節分布及海區間差異比較

獐子島海域SYN 和PEUK 的生物量季節變化均為夏秋季＞冬春季, 微微型浮游植物生物量變化范圍在0.16～22.87 μg C/L 之間, 最高值出現在秋季 (圖5a), SYN 和PEUK 平均生物量百分比分別為43.52%和56.48%, PEUK 略微占優勢, 其余季節PEUK 也占明顯優勢(圖5b)。

膠州灣SYN 的生物量季節變化為夏季＞秋季＞冬季＞春季, PEUK 生物量季節變化與SYN 不同, 表現為春季＞秋季＞夏季＞冬季。微微型浮游植物生物量變化范圍在0.72～30.61 μg C/L 之間, 最高值出現在春季(圖5a), SYN 和PEUK 平均生物量百分比分別為0.34%和99.66%, PEUK 占明顯優勢。其余季節PEUK也表現出明顯優勢。由此可見, 獐子島海域和膠州灣PEUK 對微微型浮游植物生物量的貢獻大于SYN, 膠州灣SYN 對微微型浮游植物生物量的貢獻遠小于獐子島海域(圖5b)。

獐子島海域微微型浮游植物年平均生物量為(7.95±4.03) μg C/L, 膠州灣微微型浮游植物年平均生物量為(8.67±6.9) μg C/L (表2)。通過對比獐子島海域與膠州灣微微型浮游植物生物量發現, 兩海區間微微型浮游植物生物量不存在顯著性差異(Mann-WhitneyUTest,P＞0.05, 表2)。

表2 獐子島海域和膠州灣四季微微型浮游植物豐度、生物量Tab.2 Abundance and biomass of picophytoplankton in four seasons of Zhangzi Island Area and Jiaozhou Bay

比較獐子島海域和膠州灣微微型浮游植物對浮游植物總生物量的貢獻發現, 獐子島海域微微型浮游植物年平均貢獻為 39.01%, 其中夏季貢獻最大,超過 54%, 春季貢獻最小, 不超過10%; 膠州灣微微型浮游植物年平均貢獻為39.44%, 其中春季貢獻最大, 超過67%, 冬季貢獻最小, 為26.15% (圖5c)。

圖5 獐子島海域和膠州灣微微型浮游植物生物量組成季節變化比較Fig.5 Seasonal variation in composition of picophytoplankton biomass in Zhangzi Island Area and Jiaozhou Bay

2.4 微微型浮游植物豐度與環境因子和其他生物因子的關系

相關性分析結果表明, 獐子島海域SYN 豐度與溫度極顯著正相關, 與DIN 和PO34-濃度顯著正相關,與鹽度和砂殼纖毛蟲豐度極顯著負相關; PEUK 豐度與溫度極顯著正相關, 與DIN 濃度顯著正相關, 與鹽度極顯著負相關, 與砂殼纖毛蟲豐度顯著負相關(表3)。

表3 微微型浮游植物豐度和理化因子的斯皮爾曼相關性分析Tab.3 Spearman correlation analysis of picophytoplankton abundance and physicochemical factors

膠州灣SYN 豐度與溫度極顯著正相關, 與鹽度和砂殼纖毛蟲豐度顯著負相關; PEUK 豐度與溫度極顯著正相關(表3)。

3 討論

3.1 獐子島海域和膠州灣環境因子的季節變化和海區差異

3.2 獐子島海域和膠州灣微微型浮游植物豐度季節變化

3.3 獐子島海域和膠州灣微微型浮游植物豐度海區差異

比較兩個海區微微型浮游植物的豐度組成發現,在獐子島海域除春季外, 以SYN 為主; 而在膠州灣除夏季外, 以PEUK 為主(圖4)。對比兩海區的SYN和PEUK 豐度, 獐子島海域SYN 豐度高于膠州灣, 而PEUK 豐度無顯著性差異。理論上來講, 獐子島海域溫度低于膠州灣, SYN 豐度也應該更低, 然而比較發現, 獐子島海域SYN 豐度更高, 尤其在7～9 月的高溫季節, 獐子島海域SYN 豐度明顯高于膠州灣, 推測可能是除溫度外的其他因素導致了SYN 豐度在兩海區間的豐度差異。比較兩個海區的營養鹽發現, 膠州灣營養鹽濃度通常高于獐子島海域(圖2d, 2e, 表1)。已有研究證明, SYN 由于細胞體積小, 單位比表面積大, 在寡營養環境中能有效利用低濃度的營養鹽維持生長, 因此更具有競爭優勢(Agawinetal, 2000)。膠州灣高濃度的營養鹽更有利于促進較大浮游植物的生長, 由于存在競爭關系, 可能在一定程度上抑制了SYN 的生長, 因此PEUK 成為膠州灣微微型浮游植物的主要成分。SYN 在獐子島海域相對較低的營養鹽濃度下更具競爭力, 從而成為微微型浮游植物的主要成分。

3.4 獐子島海域和膠州灣微微型浮游植物生物量對浮游植物生物量的貢獻

盡管獐子島海域和膠州灣微微型浮游植物豐度組成存在差異, 獐子島海域以SYN 為主, 膠州灣以PEUK 為主, 但PEUK 均是兩海區微微型浮游植物生物量的主要貢獻者。獐子島海域微微型浮游植物生物量年平均貢獻為39.01%±25.3%, 其中夏季貢獻最大,超過54%, 春季貢獻最小; 膠州灣微微型浮游植物生物量年平均貢獻為39.44%±35.57%, 其中春季貢獻最大, 超過67%, 冬季貢獻最小。本研究中兩海區微微型浮游植物生物量的年平均貢獻與西班牙比開斯灣和地中海沿岸的瀉湖中的數值相符(Becetal, 2005,Calvo-Díazetal, 2006)。西班牙比開斯灣在夏季貢獻最大, 約為30%; 地中海沿岸瀉湖在冬季貢獻最大,超過40%。不同海區微微型浮游植物對浮游植物貢獻的高值出現的季節不一致, 可能與不同海區間的環境因素有關。在寡營養大洋海域, 微微型浮游植物是浮游植物生物量和初級生產力的主要貢獻者, 對浮游植物總生物量的貢獻占絕對優勢, 在熱帶海域的貢獻超過 80% (Lietal, 1983), 亞熱帶海域約為60%～80% (Plattetal, 1983), 而在近海沿岸區, 微微型浮游植物的貢獻通常不超過30% (Modighetal,1996)。例如, 在河北沿岸, 微微型浮游植物對浮游植物總生物量貢獻為 1.84%～8.91%, 年平均貢獻為5.32%, 最大值和最小值分別出現在春季和秋季(李洪波等, 2012)。在桑溝灣養殖區, 春、夏和秋季PEUK對浮游植物總生物量的貢獻在21.46%～27.74%之間,冬季降至6.39%; SYN 貢獻很小, 秋季貢獻為6.82%,其他季節不超過1.5% (Zhaoetal, 2016)。本文中獐子島海域微微型浮游植物生物量在夏季的貢獻超過54%, 膠州灣微微型浮游植物生物量在春季的貢獻超過67%, 由此可見微微型浮游植物在獐子島海域和膠州灣生態系統中的重要性。

致謝 本研究中獐子島海域海上調查得到了大連獐子島漁業集團有限公司“遼長漁科研19 號”全體工作人員的支持, 樣品采集工作由徐劍虹老師和于瑩博士共同完成; 膠州灣海上調查和樣品采集得到了中國科學院山東膠州灣海洋生態系統野外科學觀測研究站各位老師、同學和“創新號”考察船全體工作人員的支持, 謹致謝忱。