方 濤 , 馮志華 高 磊

(1. 淮海工學(xué)院 江蘇省海洋生物技術(shù)重點(diǎn)建設(shè)實驗室, 江蘇 連云港 222005; 2. 華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實驗室, 上海 200062)

光照和營養(yǎng)鹽氮磷是限制浮游藻類生長的主要因子, 如有學(xué)者觀察到, 在美國Puget Sound北部的一個泥沼河口, 所有實驗期間, 可溶解無機(jī)N與P比例小于16 : 1, 這樣在河口環(huán)境, 每單位P只有小于浮游植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)所需要的 N可供利用, 因此推測N是這些河口光合作用的限制因子[1]。長江口過高N/P比使江口外沿的浮游植物受到P的限制, 離河口500 km以上的區(qū)域則受N的限制, 在河口內(nèi)部, 特別是最大渾濁帶水域, 由于較高的懸浮物濃度, 初級生產(chǎn)力主要受光的限制[2]。Goosen等[3]比較了歐洲的Elbe、Westerschelde和Gironde河口, 發(fā)現(xiàn)總懸浮物濃度在Gironde河口最高, 在Elbe河口最低, 浮游植物初級生產(chǎn)在 Gironde河口最低且與光亮層深度呈正相關(guān)。

目前關(guān)于自然光照和營養(yǎng)鹽對藻類的影響研究多是通過室內(nèi)培養(yǎng)實驗或者現(xiàn)場調(diào)查自然海區(qū)浮游藻類生物的分布或者模型計算來得出結(jié)論, 現(xiàn)場的生理生態(tài)培養(yǎng)實驗還比較缺乏?，F(xiàn)場培養(yǎng)實驗?zāi)軌虮M量模擬現(xiàn)場的各種環(huán)境因子, 浮游藻類的生長環(huán)境相對于室內(nèi)浮游植物培養(yǎng)更接近于真實的海洋環(huán)境[4], 由現(xiàn)場培養(yǎng)實驗所得到的浮游植物與環(huán)境因子相互作用的各項參數(shù)更有實際意義, 因此近年來有不少學(xué)者采用該方法研究海水營養(yǎng)鹽與浮游植物之間的關(guān)系[5-8]。本文著重以現(xiàn)場培養(yǎng)實驗為手段,來對不同光照水平下浮游藻類對氮、磷營養(yǎng)鹽添加后的葉綠素a以及生長速率變化進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 培養(yǎng)方法

2007年11月于長江口鄰近海域站點(diǎn) (122°40′E,30°50.8′N), 取表層海水經(jīng)孔徑為 100 μm 的篩絹濾出較大型浮游生物的明顯干擾[9], 混勻后分裝入 78個 5L透明塑料桶中(C1～C78)(表 1)。根據(jù)長江口營養(yǎng)鹽濃度的變化范圍[10], 確定往培養(yǎng)瓶中添加不同體積的5 mmol/L NaH2PO4溶液或5 mmol/L KNO3溶液, 使得培養(yǎng)瓶中磷酸鹽和硝酸鹽處于不同的濃度水平。同時分別套上事先打好細(xì)孔的遮光布, 控制其透光率為現(xiàn)場光強(qiáng)的100%, 80%, 60%, 40%, 20%, 0,培養(yǎng)桶固定在岸邊通有循環(huán)海水的水槽中, 水溫約16℃, 采樣時間間隔分別為 0、15、26、39、48、70、109 h。

表1 實驗組的設(shè)計Tab. 1 The experiment groups

1.2 樣品采集與分析方法

樣品采集及營養(yǎng)鹽和葉綠素 a的測定同文獻(xiàn)[11]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

浮游藻類生長速率按下列計算公式得出:

式中,μ為比生長速率,Ct和C0表示在t和t0時測得的葉綠素a質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 葉綠素a質(zhì)量濃度變化

對照組葉綠素 a質(zhì)量濃度初始值為 0.56 μg/L,磷酸鹽濃度初始值為0.94 μmol/L, 以P1表示, 其余6個實驗瓶中濃度分別為1, 1.05, 1.2, 1.45, 1.95, 2.95 μmol/L, 以P2～P7表示。加氮組對照瓶硝酸鹽濃度初始值為21.6 μmol/L, 以 N1表示, 其余6個實驗瓶中濃度分別為21.7 , 22.1, 22.6, 23.6, 26.6, 31.6μmol/L,以N2～N7表示。

現(xiàn)場培養(yǎng)實驗組中, 加磷加氮組無光照下葉綠素a質(zhì)量濃度基本沒有增加的趨勢(圖1), 而100%光照下浮游藻類生長有著很長的平臺期, 加磷組前 6次采樣時, 葉綠素a質(zhì)量濃度緩慢增加, 達(dá)到初始濃度的4倍, 但在最后1次采樣, 葉綠素a質(zhì)量濃度可以增加到初始值的40倍, 加氮組也可以達(dá)到初始濃度的35倍, 說明浮游植物從這個時刻開始進(jìn)入了指數(shù)生長期, 其他光照下, 浮游植物生長變化與此類似, 只是終濃度要小于100%光照。相同光照水平下在P1～P7、N1～N7, 葉綠素a質(zhì)量濃度最大值往往不是出現(xiàn)在P7或者N7水平, 如加磷組40%和100%光照下, 葉綠素 a質(zhì)量濃度最高值都出現(xiàn)在 P5水平,分別為7.4、20.8 μg/L;加氮組40%光照下葉綠素a最大值出現(xiàn)在N4水平, 為4.92 μg/L, 60%光照最大值為9.98 μg/L, 出現(xiàn)在N3水平。

總體來說, 隨著光照強(qiáng)度的增加, 葉綠素a質(zhì)量濃度顯著增加, 100%光照下葉綠素 a終質(zhì)量濃度可以為80%、60%、40%、20%光照的1.5倍、2倍、4倍、15倍。而在同等光照下, 葉綠素 a質(zhì)量濃度在不同營養(yǎng)鹽水平之間差異不大, 說明浮游藻類生長的營養(yǎng)鹽限制性不明顯。培養(yǎng)介質(zhì)磷酸鹽初始濃度為 0.94 μmol/L, 而總無機(jī)氮濃度為 28.9 μmol/L, N/P值為31, 根據(jù)Redfield比值應(yīng)該屬于磷限制, 但在添加磷營養(yǎng)鹽后, 浮游藻類生長并沒有得到明顯促進(jìn),可見在營養(yǎng)鹽絕對濃度較高且N/P值接近于16 : 1時藻類生長才會非?？? 而兩者不能達(dá)到浮游植物最適狀態(tài)時, 營養(yǎng)鹽的絕對濃度對吸收速率的影響較比例的影響更明顯, 由于本實驗培養(yǎng)水體磷酸鹽、硝酸鹽的絕對濃度都比較高, 浮游藻類不受營養(yǎng)鹽限制, 而主要受光照水平的限制。

2.2 氮、磷濃度對比生長速率的影響

培養(yǎng)介質(zhì)中的磷濃度與浮游藻類比生長速率之間有一個臨界點(diǎn)(圖 2), 且不同光照水平下該臨界閾值大小近似, 當(dāng)磷濃度低于該臨界濃度時, 隨著磷濃度的增加會促進(jìn)浮游藻類比生長速率的增加, 但當(dāng)磷濃度高于該臨界濃度時, 浮游藻類比生長速率的增加會受到抑制。這可能由于磷濃度增大, 藻類生長受磷的限制程度逐漸降低, 但由于氮濃度相對減小, 此時受氮的限制程度就會逐漸增強(qiáng), 由此可能限制了浮游植物的生長, 本實驗中磷酸鹽的這一臨界濃度為 1～2 μmol/L。同樣加氮組也表現(xiàn)出相同的規(guī)律。硝酸鹽閾值為20～25 μmol/L。蘭智文等[12]在巢湖中的試驗曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)正磷酸鹽與葉綠素 a之間有一個臨界點(diǎn), 正磷酸鹽超過某一濃度后葉綠素濃度幾乎不再增加, 而本實驗研究發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)鹽濃度較高會抑制浮游植物的生長。

圖1 不同光照水平下加磷加氮組葉綠素a質(zhì)量濃度變化Fig. 1 Temporal variations of chlorophyll a concentrations under different irradiance in the group of phosphate or nitrate added

圖2 不同光照水平下磷、氮濃度對比生長速率的影響Fig. 2 Effect of phosphate or nitrate concentrations on specific growth rate under different irradiance

3 結(jié)論

無光照下葉綠素 a沒有增加趨勢, 其他光照下浮游藻類生長有著很長的平臺期, 隨后呈指數(shù)增長,且100%光照下葉綠素a終濃度可以為80%、60%、40%、20%光照的 1.5倍、2倍、4倍、15倍, 且相同光照下, 葉綠素 a質(zhì)量濃度在不同營養(yǎng)鹽水平之間差異不明顯。

培養(yǎng)介質(zhì)中磷酸鹽和硝酸鹽濃度與浮游藻類比生長速率之間有一個臨界點(diǎn), 氮磷濃度超過這個臨界濃度時, 浮游藻類生長會出現(xiàn)抑制, 其中磷酸鹽的臨界濃度約為 1～2 μmol/L, 硝酸鹽閾值為 20～25 μmol/L。

[1]Bernhard A E, Peele E R. Nitrogen limitation of phytoplankton in a shallow embayment in northern Puget Sound [J]. Estuaries, 1997, 20(4): 759-769.

[2]Harrison P J, Hu M H, Yang Y P, et al. Phosphate limitation in esturarine and coastal waters of China[J]. Journal of Experiment Biology and Ecology, 1990, 140: 79-87.

[3]Goosen N K, Kromkanp J, Peene J, et al. Bacterial and phytoplankton production in the maximum turbidity zone of three European estuaries: The Elbe, Besterschelde and Gironde[J]. Journal of Marine Systems, 1999, 22(2): 151-171.

[4]Hein M, Riemann B. Nutrient limitation of phytoplankton biomass or growth rate: an experimental approach using marine enclosures[J]. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 1995, 188: 167-180.

[5]鄒立, 張經(jīng). 渤海春季營養(yǎng)鹽限制的現(xiàn)場實驗[J]. 海洋與湖沼, 2001, 32(6): 673-678.

[6]王勇, 焦念志. 膠州灣浮游植物對營養(yǎng)鹽添加的相應(yīng)關(guān)系[J], 海洋科學(xué), 2002, 26 (4): 8-12.

[7]Beardall J, Berman T, Heraud P, et al.A comparison of methods for detection of phosphate limitation in microalgae[J]. Aquatic Sciences, 2001, 63:107-121.

[8]Louise S. The influence of nutrient addition on growth rates of phytoplankton groups, and microzooplankton grazing rates in a mesocosm experiment[J].Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 1998, 228: 53-71.

[9]Probyn T A. Size-fractionated measurements of nitrogen uptake in aged upwelled waters: Implication for pelagic food webs[J]. Limnology and Oceanography,1990, 35(1):202-210.

[10]方濤, 李道季, 李云, 等. 夏秋季長江口及毗鄰海域氮磷營養(yǎng)鹽分布及其潮汐變化[J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 2008,27(5): 437-442.

[11]Fang T, Li D J, Yu L H. Changes in nutrient uptake of phytoplankton under the interaction between sunlight and phosphate in Changjiang (Yangtze)River Estuary[J]. Chinese Journal of Geochemistry, 2008, 27(2): 161-170.

[12]蘭智文, 趙鳴, 伊澄清. 圍隔模擬生態(tài)系統(tǒng)中藻類生長的磷酸鹽濃度閾值研究[J]. 水生生物學(xué)報, 1993, 17(1):95-97.