周超凡, 張傳松, 韓秀榮, 石曉勇, , 劉 強, 李雁賓,

(1.中國海洋大學 化學化工學院, 山東 青島 266100; 2.中國海洋大學 海洋化學理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室/海洋科學與技術(shù)青島協(xié)同創(chuàng)新中心, 山東 青島 266100; 3.國家海洋局 海洋減災(zāi)中心, 北京100194)

水體富營養(yǎng)化是目前全球面臨的主要海洋環(huán)境問題之一。長江作為我國第一大河流, 每年輸送到東海大量的營養(yǎng)物質(zhì), 導致東海近岸海域富營養(yǎng)化嚴重, 赤潮頻發(fā)。近年來海洋局監(jiān)測結(jié)果表明, 東海赤潮問題位居中國四大海區(qū)之首[1], 2005年東海赤潮發(fā)生頻次占四大海域總赤潮發(fā)生次數(shù)的 63.3%。東海赤潮肇事種也發(fā)生了明顯的演替現(xiàn)象, 由硅藻赤潮為主演變成近年的甲藻赤潮占優(yōu)[2-3]。2002年以來幾乎每年春季都會爆發(fā)大規(guī)模的甲藻赤潮, 如2005年5月到6月東海發(fā)生了面積超過7 000 km2的米氏凱倫藻赤潮[4-5]。營養(yǎng)鹽是赤潮形成的必要條件, 其濃度和比例都會對浮游植物的生長產(chǎn)生顯著影響。營養(yǎng)鹽半飽和常數(shù)以及浮游植物細胞內(nèi)的營養(yǎng)鹽比例(氮磷比和硅氮比)是研究營養(yǎng)鹽循環(huán)和營養(yǎng)鹽對浮游植物生長影響的重要參數(shù),能夠指示出不同藻類對營養(yǎng)鹽的親和性, 揭示營養(yǎng)鹽在浮游植物生長和演替中的作用[6-7]。此外, 這幾種營養(yǎng)鹽相關(guān)參數(shù)也廣泛應(yīng)用于生態(tài)動力學模型中[8-9], 是模擬浮游植物吸收營養(yǎng)鹽過程和營養(yǎng)鹽限制浮游植物生長過程的高靈敏度參數(shù), 其取值是否合理往往會決定模型模擬浮游植物生長過程的準確性[10-11]。

營養(yǎng)鹽培養(yǎng)實驗是獲取浮游植物半飽和常數(shù)的主要方法。營養(yǎng)鹽培養(yǎng)實驗可分為實驗室培養(yǎng)實驗和現(xiàn)場培養(yǎng)實驗。實驗室培養(yǎng)實驗的優(yōu)點在于實驗條件可控, 易于設(shè)置較密營養(yǎng)鹽梯度。但由于實驗室條件(包括培養(yǎng)條件及藻種生理生化狀態(tài))與實際環(huán)境差距較大, 實驗室培養(yǎng)實驗得到的營養(yǎng)鹽相關(guān)參數(shù)與實際海域出入較大。相對于實驗室培養(yǎng)實驗, 現(xiàn)場培養(yǎng)實驗更接近于海域自然條件, 但受現(xiàn)場實驗條件限制, 現(xiàn)場培養(yǎng)實驗時往往難以設(shè)置較密營養(yǎng)鹽梯度, 難以通過實驗數(shù)據(jù)直接計算得到半飽和常數(shù)等營養(yǎng)鹽相關(guān)參數(shù)。本研究基于生態(tài)動力學模型簡化法, 建立了現(xiàn)場船基培養(yǎng)實驗營養(yǎng)鹽半飽和常數(shù)和浮游植物胞內(nèi)營養(yǎng)鹽比例計算方法, 并獲得了東海硅藻和甲藻的營養(yǎng)鹽吸收半飽和常數(shù), 為東海赤潮生態(tài)動力學模型的構(gòu)建和營養(yǎng)鹽遷移—轉(zhuǎn)化動力學機制研究提供了基礎(chǔ)參數(shù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用數(shù)據(jù)為 2003～2005年東海多批次船基培養(yǎng)實驗結(jié)果, 包括: 2003年 5月份船基圍隔實驗,(簡稱數(shù)據(jù)1)[12]、2003年5月份現(xiàn)場船基培養(yǎng)實驗(簡稱數(shù)據(jù)2)[13]、2005年3月底到4月初現(xiàn)場船基培養(yǎng)實驗[14](簡稱數(shù)據(jù)3)、2005年5月底到6月初現(xiàn)場船基培養(yǎng)實驗(簡稱數(shù)據(jù)4)[15]。培養(yǎng)站位如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場培養(yǎng)站位示意圖Fig.1 A map showing the sites of field incubation experiments

現(xiàn)場船基培養(yǎng)實驗周期為7～8 d, 詳細方法見文獻[12-15]。表層海水經(jīng)200 μm的篩網(wǎng)過濾去除浮游動物后, 添加一定量硝酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽, 混勻后裝入聚碳酸酯培養(yǎng)瓶中, 在海水流水浴中培養(yǎng), 每天搖瓶 3～4次保持溶解氣體量并防止生物聚集。現(xiàn)場培養(yǎng)實驗測定六項參數(shù): SiO3-Si、PO4-P、NO3-N、NO2-N、NH4-N、顆粒氮(PN)。硅酸鹽、磷酸鹽、硝酸鹽分別采用硅鉬藍分光光度法、磷鉬藍分光光度法、銅鎘還原法測定。PN采用堿性硫酸鉀氧化法測定。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

營養(yǎng)鹽等變量隨時間變化圖采用Origin 8.0軟件繪制。簡化生態(tài)動力學模型在Modelmaker 4.0軟件環(huán)境下開發(fā)。采用Matlab軟件編程計算模擬結(jié)果和實測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)(R2)、置信度區(qū)間(P)和相對標準偏差(RSD)。

2 結(jié)果與討論

2.1 生態(tài)動力學模型簡化法計算現(xiàn)場培養(yǎng)實驗營養(yǎng)鹽相關(guān)參數(shù)方法建立

如方程 1 所示, 生態(tài)動力學模型中浮游植物動力學過程主要包括浮游植物光合作用(Photo)、呼吸作用(Resp)、體外分泌(Exud)、自然死亡(Mort)和被浮游動物捕食(Graz)等過程。

其中, 光合作用過程(Photo)需要考慮光照、溫度、營養(yǎng)鹽的限制作用, 可用方程 2表示。其中, 采用Michaelis-Menten方程表示營養(yǎng)鹽對浮游植物生長的限制作用[16], 采用乘法法則[17]處理多營養(yǎng)鹽和多環(huán)境因子的綜合作用。由于甲藻的生長不需SiO3-Si,對于甲藻只考慮 DIN和 PO4-P的限制作用, 硅藻則考慮DIN、PO4-P、SiO3-Si的限制作用。

其中,CPPTi為浮游植物生物量, 以氮(N)表示;μimax為最大生長速率常數(shù); fi(T)為浮游植物生長溫度限制因子; fi(I0)為浮游植物生長光照限制因子;CDIN為 DIN濃度;CPO4-P為 PO4-P濃度;CSiO3-Si為SiO3-Si濃度; i=1時代表甲藻, i=2時代表硅藻。

由方程 1和方程 2可見, 浮游植物生長動力學方程中包括過多參數(shù), 很難通過參數(shù)優(yōu)化方法求出所有參數(shù), 需對模型進行進一步簡化。方程簡化基于如下幾個假設(shè): 假設(shè) 1, 呼吸作用可以作為光合作用的“可逆”過程, 其速率與浮游植物生長速率呈較好的正相關(guān)性[18], 分泌過程在模型中也處理為與光合作用成正比, 因此這兩個過程可以隱含到光合作用過程中; 假設(shè) 2, 本文所選用培養(yǎng)實驗已去除了大型浮游生物, 捕食作用較弱, 假設(shè)浮游動物攝食過程可忽略; 假設(shè) 3, 現(xiàn)場培養(yǎng)時間較短, 環(huán)境條件變化小, 因此假設(shè)死亡速率常數(shù)為一恒定值(α)?；谶@三個假設(shè), 方程1可以簡化為方程3。

其中, α為浮游植物死亡速率常數(shù);μ′imax為將分泌作用和呼吸作用扣除后的最大生長速率。

此外, 由于現(xiàn)場培養(yǎng)時間一般較短, 溫度和光照波動較小, 溫度和光照因子可以做常數(shù)處理, 這樣假設(shè)培養(yǎng)期間溫度限制因子和光照限制因子為常數(shù), 將最大生長速率常數(shù)(μ′imax)和溫度(fi(T))光照(fi(I0))限制因子合為一個參數(shù)(μ′i)后, 方程3可以簡化為方程4。

最終的浮游植物生長方程簡化為方程4, 相對應(yīng)的 PN、DIN、PO4-P、SiO3-Si的微分方程則可由方程 5～8表示。簡化后模型參數(shù)僅包括浮游植物生長速率常數(shù)、營養(yǎng)鹽半飽和常數(shù)(N, P, Si)、氮磷比和硅氮比, 相關(guān)參數(shù)可以通過參數(shù)優(yōu)化方法得到。模型在Modelmaker 4.0軟件環(huán)境下運行, 微分方程數(shù)值積分采用 Runge-Kutta法, 模擬 DIN、PN、PO4-P、SiO3-Si隨時間變化。采用馬夸特(Marquardt)法對參數(shù)優(yōu)化得到最優(yōu)參數(shù)取值。為了減少計算過程中參數(shù)的數(shù)量, 保證優(yōu)化結(jié)果的準確性, 選取培養(yǎng)實驗數(shù)據(jù)時, 僅選取培養(yǎng)期間單一藻種(甲藻或硅藻)為優(yōu)勢種(優(yōu)勢度＞80%)的培養(yǎng)數(shù)據(jù), 參數(shù)優(yōu)化時假設(shè)培養(yǎng)體系中僅含有一種浮游植物(優(yōu)勢種), 這樣可以減少將近一半的參數(shù)。進一步采用現(xiàn)場培養(yǎng)實驗數(shù)據(jù)應(yīng)用該方法計算了東海甲藻和硅藻的現(xiàn)場半飽和常數(shù)及浮游植物營養(yǎng)鹽比例。

其中,μ′i為生長速率常數(shù);PPTNP、PPTSiN為浮游植物營養(yǎng)鹽氮磷比、硅氮比; i=1時代表甲藻, i=2時代表硅藻。

2.2 營養(yǎng)鹽等狀態(tài)變量模擬結(jié)果

浮游植物生長過程吸收氮、磷、硅營養(yǎng)鹽, 培養(yǎng)期間, DIN、PO4-P、SiO3-Si營養(yǎng)鹽的濃度會隨著時間而降低, PN濃度則隨著浮游植物數(shù)量的增多而增加。以2005年6月SRF0站、RB12站為例, 將DIN、PN、PO4-P、SiO3-Si幾個變量的實測值和模擬值比較, 見圖2。由圖可知, DIN、PN、PO4-P、SiO3-Si濃度的模擬結(jié)果和實驗結(jié)果基本吻合, 較好地模擬了PN的增長趨勢及DIN、PO4-P、SiO3-Si下降趨勢。具體而言, 對于RB12站(圖2的A-11-1～A-11-4), 顆粒態(tài)營養(yǎng)鹽(PN)濃度隨著時間呈 S型曲線升高; 溶解無機態(tài)營養(yǎng)鹽(DIN、 PO4-P、SiO3-Si)隨著浮游植物的吸收利用而被消耗, 隨時間呈反S型曲線減少。對于SRF0站(圖2的A-10-1～A-10-4), 溶解無機態(tài)營養(yǎng)鹽隨著浮游植物的吸收利用而被消耗, 基本在2～3 d降到最低值, 顆粒態(tài)營養(yǎng)鹽的變化也在 2～3 d達到高值, 然后基本維持不變。進一步用Matlab軟件計算了所有站位模擬值與實測值的相關(guān)系數(shù)(R2)、置信度(P)以及相對標準偏差(RSD), 統(tǒng)計結(jié)果見表1。模擬結(jié)果與實測值之間的R2較高, 80%以上R2都大于0.60, 且R2大于0.80的超過了70%。只有 A-10-1～A-10-4顆粒氮、A-11-4顆粒氮、A-5-1顆粒氮的P值大于 0.01,P值小于 0.01的超過了90%,P值小于0.05的超過了95%, 由相對標準偏差RSD計算也可以看出溶解態(tài)營養(yǎng)鹽和PN模擬效果較好, 大部分RSD小于 20%。該模型能較好模擬研究海域浮游生態(tài)系統(tǒng)各狀態(tài)量的變化, 表明所確定的模型參數(shù)基本能反映研究海域的地域化特征。

表1 所有站位模擬效果統(tǒng)計Tab.1 Statistical work of simulation results

圖2 2005年6月SRF0、RB12站培養(yǎng)實驗營養(yǎng)鹽濃度變化模擬值與實測值的比較Fig.2 The comparison of simulated and observed nutrition concentration at sites SRF0 and RB12 in June 2005

2.3 東海硅藻、甲藻營養(yǎng)鹽相關(guān)參數(shù)計算結(jié)果

東海甲藻硅藻營養(yǎng)鹽相關(guān)參數(shù)計算結(jié)果如表2所示。東海甲藻: 氮半飽和常數(shù)2.50 μmol /L、磷半飽和常數(shù) 0.16 μmol/L、營養(yǎng)鹽氮磷比建議取值為15.80。東海硅藻: 氮半飽和常數(shù)3.99 μmol/ L、磷半飽和常數(shù)0.38 μmol/ L、硅半飽和常數(shù)3.35 μmol /L、營養(yǎng)鹽氮磷比20.45、營養(yǎng)鹽硅氮比建議取值為0.49。結(jié)果表明, 甲藻的無機氮半飽和常數(shù)以及磷酸鹽半飽和常數(shù)要低于硅藻, 相對于甲藻而言, 硅藻更容易受到營養(yǎng)鹽限制?？傮w而言, 本研究所得到的營養(yǎng)鹽相關(guān)參數(shù)取值在文獻報道的取值范圍內(nèi)。對于甲藻, 李英[19]等通過實驗室培養(yǎng)方法, 研究了東海原甲藻與磷源營養(yǎng)鹽的關(guān)系, 計算得到的甲藻磷酸鹽半飽和常數(shù)K1P為 0.13 μmol/L, 趙曉瑋[20]得出東海米氏凱倫藻對磷的半飽和常數(shù)為0.20 μmol/L, 李天深[21]等獲得的亞歷山大藻的磷半飽和常數(shù)為 0.75 μmol/L,與本研究所計算的甲藻磷酸鹽半飽和常數(shù) 0.16 μmol/L

相近; 對于硅藻, 鄭凌凌[22]測得的硅藻氮半飽和常數(shù)為 3.25 μmol/L, 與本研究計算的硅藻氮半飽和常數(shù)3.99 μmol/L基本一致, 張誠[23]等獲得的尖刺擬菱形藻氮半飽和常數(shù)為2.18 μmol/L, 李鐵[24]等通過實驗室培養(yǎng)實驗計算得出了中肋骨條藻和新月菱形藻的氮半飽和常數(shù)分別為7.8 μmol/L和6.0 μmol/L, 也與本文結(jié)果相近; 李鐵[24]等測得的中肋骨條藻和新月菱形藻的磷半飽和常數(shù)分別為0.61 μmol/L和0.48 μmol/L, 與本研究計算得到的硅藻磷酸鹽半飽和常數(shù)0.38 μmol/L基本一致。

3 結(jié)論

建立了生態(tài)動力學模型簡化法和現(xiàn)場培養(yǎng)實驗結(jié)合計算現(xiàn)場營養(yǎng)鹽相關(guān)參數(shù)的方法, 并通過處理東?，F(xiàn)場培養(yǎng)實驗數(shù)據(jù), 計算了東海甲藻、硅藻營養(yǎng)鹽半飽和參數(shù)以及營養(yǎng)鹽氮磷比、硅氮比。將優(yōu)化得到的參數(shù)應(yīng)用于生態(tài)動力學模型中, 能夠較好模擬顆粒氮、溶解無機氮、磷酸鹽、硅酸鹽的時間變化規(guī)律, 80%以上R2都大于0.6, 且R2大于0.8的超過了70%,P值小于0.01的超過了90%,P值小于0.05的超過 95%, 表明模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好,也說明優(yōu)化得到的模型參數(shù)能基本反映所研究東海海域的地域化特征, 優(yōu)化得到的東海甲藻: 氮半飽和常數(shù) 1.84～4.45 μmol/L、磷半飽和常數(shù) 0.11～0.20 μmol/L、

營養(yǎng)鹽氮磷比建議取值范圍為 7.52～22.08; 東海硅藻: 氮半飽和常數(shù)3.19～6.11 μmol/L、磷半飽和常數(shù)0.25～0.55 μmol/L、硅半飽和常數(shù), 1.70～6.27 μmol/L,營養(yǎng)鹽氮磷比 11.23～29.38、營養(yǎng)鹽硅氮比為 0.40～0.74, 。東海甲藻氮半飽和常數(shù)、磷半飽和常數(shù)、營養(yǎng)鹽氮磷比建議取值分別為2.50 μmol/L, 0.16 μmol/L,15.80; 東海硅藻氮半飽和常數(shù)、磷半飽和常數(shù)、硅半飽和常數(shù)、營養(yǎng)鹽氮磷比、營養(yǎng)鹽硅氮比建議取值分別為 3.99 μmol/L, 0.38 μmol/L, 3.35 μmol/L,20.45, 0.49。

?

[1] 國家海洋局.中國海洋環(huán)境質(zhì)量公報[R].北京: 國家海洋局, 2001-2013.

[2] Zhou M J, Shen Z L, Yu R C.Responses of a coastal phytoplankton community to increased nutrient input from the Changjiang (Yangtze) River[J].Continental Shelf Research, 2008, 28(12): 1483-1489.

[3] Li J, Glibert P M, Zhou M J, et al.Relationships between nitrogen and phosphorus forms and ratios and the development of dinoflagellate blooms in the East China Sea[J].Marine ecology-progress series, 2009,383: 11-26.

[4] 黃備, 唐靜亮, 王一鳴, 等.東海赤潮發(fā)生時的營養(yǎng)鹽分布研究[J].中國環(huán)境監(jiān)測, 2013, 29(5): 108-110.

[5] 昝愛宗.浙江海域暴發(fā)大面積赤潮[N ].中國海洋報,2005-06-07.

[6] 石瑞雪, 何連生, 孟睿, 等.月牙藻、四尾柵藻生長的氮營養(yǎng)動力學特征[J].環(huán)境科學與技術(shù), 2011, 34(6G):23- 26.

[7] 王小冬, 王艷.赤潮異彎藻和海洋卡盾藻抗氧化酶活性對氮磷比失衡的響應(yīng)[J].海洋環(huán)境科學, 2012, 31(3):338-340.

[8] 喬方利, 袁業(yè)立, 朱明遠, 等.長江口海域赤潮生態(tài)動力學模型及赤潮控制因子研究[J].海洋與湖沼, 2000,31(1): 94-99.

[9] Spitz Y, Moisan J R , Abbott M R.Configuring an ecosystem model using data from the Bermuda Atlantic Time Serie(BATS) [J].Deep-Sea ResearchⅡ , 2001, 48: 1733-1768.

[10] 高會旺.水層生態(tài)系統(tǒng)動力學模式參數(shù)的敏感性分析[J].青島海洋大學學報, 1999, 29: 398-404.

[11] Estrada V, ElisaR, Parodi M, et al.Determination of biogeochemical parameters in eutrophication models with simultaneous dynamic optimization approaches [J].Computers&Chemica Engineering, 2009, 33(10): 1760-1769.

[12] 張春雷, 石曉勇, 韓秀榮, 等.營養(yǎng)鹽對東海赤潮優(yōu)勢藻種生長影響的船基圍隔試驗[J].海洋水產(chǎn)研究,2006, 27: 30-35.

[13] 孫霞.光照對東海赤潮高發(fā)區(qū)赤潮藻類生長的影響[D].青島: 中國海洋大學, 2005.

[14] 王愛軍, 王修林, 王江濤, 等.光照對東海赤潮高發(fā)區(qū)春季硅藻生長的影響[J].中國海洋大學學報, 2006,36: 173-178.

[15] 孫百曄, 王修林, 李雁賓, 等.光照在東海近海原甲藻赤潮發(fā)生中的作用[J].環(huán)境科學, 2008, 29(2):363-367.

[16] Dugdale R C.Nutrientlimitation in the sea: dynamics,identification, and significance [J].Limnology and Oceanography, 1967, 12: 685-695.

[17] SchnoorJ L.Environmental Modeling[M].New York:John Wiley & Sons Inc, 1996.185-229.

[18] Laws E A, Caperon J.Carbon and nitrogen metabolism of Monochrysislutheri: measurement of growth dependent respiration rates.Marine Biology, 1976, 36:85-97.

[19] 李英, 呂頌輝, 徐寧, 等.東海原甲藻對不同磷源的利用特征[J].生態(tài)科學, 2005, 24(4): 314-317.

[20] 趙曉瑋.環(huán)境中不同氮磷營養(yǎng)鹽濃度及氮源形態(tài)對米氏凱倫藻(Karenia mikimotoi)生長的影響研究[D].青島: 中國海洋大學, 2010.

[21] 李天深, 于仁成, 周名江.鏈狀亞歷山大藻(東海株)對磷營養(yǎng)物質(zhì)的需求與吸收策略[J].海洋環(huán)境科學,2009, 28(4): 356-359.

[22] 鄭凌凌, 宋立榮, 吳興華, 等.漢江硅藻水華優(yōu)勢種的形態(tài)及18Sr rDNA序列分析[J].水生生物學報,2009, 33(3): 563-565.

[23] 張誠, 鄒景忠.尖刺擬菱形藻氮磷吸收動力學以及氮磷限制下的增值特性[J].海洋與湖沼, 1997, 28(6): 600-603.

[24] 李鐵, 史致麗, 仇赤斌, 等.中肋骨條藻和新月菱形藻對營養(yǎng)鹽的吸收速率及環(huán)境因素影響的研究[J].海洋與湖沼, 1990, 30: 641-645.

[25] 李雁賓.長江口及鄰近海域季節(jié)性赤潮生消過程控制機理研究[D].青島: 中國海洋大學, 2008.