楊雪, 王朝暉, 馬長江, 熊毅俊, 梁建新

暨南大學(xué)水生生物研究中心, 水體富營養(yǎng)化與赤潮防治廣東普通高校重點實驗室, 廣州 510632

大亞灣微表層浮游植物對無機氮磷的響應(yīng)

楊雪, 王朝暉*, 馬長江, 熊毅俊, 梁建新

暨南大學(xué)水生生物研究中心, 水體富營養(yǎng)化與赤潮防治廣東普通高校重點實驗室, 廣州 510632

為了了解微表層浮游植物對氮(N)、磷(P)營養(yǎng)鹽的響應(yīng), 于2013年6月、7月和8月采集了大亞灣海域微表層海水,設(shè)置兩組N、P濃度梯度(N1： 35 μmol·L-1, N2： 70 μmol·L-1, P1： 2.2 μmol·L-1, P2： 4.4 μmol·L-1), Si為35 μmol·L-1, 進(jìn)行N、P添加的正交實驗, 觀察微表層浮游植物的生長潛力, 并在實驗開始前、實驗中期(培養(yǎng)2—4 d)以及實驗結(jié)束時(培養(yǎng)7—10 d)測定培養(yǎng)液中無機氮(DIN)、無機磷(DIP)和硅酸鹽(DSi)含量. 實驗結(jié)果顯, 3個月份的微表層水樣均以高N高P的N2P2實驗組生長最好, 而低N低P(N1P1)、低N高P(N1P2)、高N低P(N2P1)組的生長狀態(tài)相近; 而添加單一營養(yǎng)鹽的4個實驗組(N1、N2、P1、P2)不能促進(jìn)微表層浮游植物的生長。同時添加N、P后, 浮游植物能快速生長, 在培養(yǎng)的2—4 d內(nèi)達(dá)到生物量的最高峰. 與此同時, 營養(yǎng)鹽含量也在生長較好的同時添加N、P組迅速下降, 特別是在N2P2組中尤為明顯, 說明浮游植物的快速生長需要消耗大量的營養(yǎng)鹽. 研究結(jié)果表明, 自然環(huán)境中N、P營養(yǎng)鹽的輸入能夠促使浮游植物生物量迅速增加, 而單獨添加單一營養(yǎng)鹽并不能促使浮游植物的生長。

浮游植物; 微表層; 生長; 氮; 磷; 大亞灣; 營養(yǎng)鹽

1 前言

海洋微表層是海洋與大氣之間相互作用的重要界面[1-2], 具有獨特的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)[3]。海洋微表層對營養(yǎng)鹽、有機化合物、重金屬以及微生物、浮游生物等均具有明顯富集作用[4-6]。海洋浮游植物是海洋生態(tài)系統(tǒng)中最重要的初級生產(chǎn)者, 其光合作用的生產(chǎn)力占海洋生物所有生產(chǎn)力的 95%左右[7], 浮游植物種類組成、群落結(jié)構(gòu)以及豐度變動直接或間接影響海洋生態(tài)系統(tǒng)。海洋微表層位于水體表面, 直接與陽光接觸, 水溫較高, 太陽輻射和紫外輻射在微表層的強度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水柱, 而且環(huán)境因子變動劇烈[8-9]。因此, 生活在微表層的生物群落具有獨特的生理生態(tài)特征與生態(tài)位, 以適應(yīng)微表層特殊、多變的環(huán)境。

氮(N)、磷(P)、硅(Si)是海洋中浮游植物生長不可或缺的生長要素, 為浮游植物生長提供營養(yǎng)需要,是海洋食物鏈和初級生產(chǎn)力的重要基礎(chǔ)[10-12]。大亞灣位于中國南海的西北部, 是一個半封閉的港灣,其特殊的地理環(huán)境造成灣內(nèi)營養(yǎng)鹽的富集[13]。自1990年以來, 由于海水養(yǎng)殖以及人類活動使得海域中的營養(yǎng)鹽增多進(jìn)而導(dǎo)致該海域富營養(yǎng)化加劇[14],核電站排出的冷卻水也導(dǎo)致了灣內(nèi)環(huán)境的變化, 進(jìn)而改變了該海域的浮游植物群落結(jié)構(gòu)[15]。

為了了解微表層浮游植物對營養(yǎng)鹽的響應(yīng), 本研究于2013年6—8月采集了大亞灣海域微表層水樣, 根據(jù)大亞灣海域的氮(N)、磷(P)、硅(Si)含量, 進(jìn)行營養(yǎng)鹽添加實驗, 監(jiān)測了實驗過程中浮游植物的生長潛力以及營養(yǎng)鹽的利用情況, 以揭示微表層浮游植物群落對富營養(yǎng)化的響應(yīng)。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2013年6月、7月、8月份, 在大亞灣大鵬澳海域(圖 1)采集了微表層水樣。微表層樣品的采集采用篩網(wǎng)法, 將孔徑為1.0 mm的不銹鋼網(wǎng)篩鑲在40 cm× 50 cm的鋁框中, 將篩網(wǎng)取樣器水平?jīng)]入海下, 然后輕輕提起, 將篩網(wǎng)垂直豎起, 附在網(wǎng)格上的水膜逐漸脫離網(wǎng)格, 微表層水樣流入樣品瓶中。重復(fù)此過程直至收集到所需的水樣體積, 取樣量除以取樣次數(shù)和篩板表面積可得微表層厚度為200±10 μm。采集的樣品冰浴避光保存, 在6 h內(nèi)回到實驗室進(jìn)行實驗。

圖1 N、P添加后, 微表層水樣葉綠素a含量的變化Fig. 1 Variation of chlorophyll a contents in surface microlayer samples after N and P addition

2.2 營養(yǎng)鹽的測定

在實驗進(jìn)行前, 測定了水樣中的無機氮(DIN,硝氮、氨氮和亞硝氮之和)、無機磷(DIP)和硅酸鹽(DSi)含量。各營養(yǎng)鹽指標(biāo)的測定參照海洋調(diào)查規(guī)范GB/T12763.4-2007, 其中 DIP采用抗壞血酸還原磷鉬藍(lán)法, 亞硝氮采用重氮-偶氮法, 硝氮采用鋅鎘還原法, 銨氮采用次溴酸鈉氧化法, 硅酸鹽采用硅鉬藍(lán)法。

2.3 實驗設(shè)置

根據(jù)大亞灣海水中N、P、Si的含量, 分別設(shè)置兩組 N、P濃度梯度, 進(jìn)行正交實驗, Si濃度均為35 μmol·L-1, 一共設(shè)置9個實驗組, 各實驗組添加的營養(yǎng)鹽濃度見表1。

實驗在1000 mL的三角瓶中進(jìn)行, 加入600 mL的微表層水樣, 除 N、P、Si外, 其余營養(yǎng)元素按照 f/2培養(yǎng)基, 實驗條件為溫度： 25℃, 光照強度：100 μmol·m-2·s-1, 光暗比為L∶D=12 h∶12 h, 各實驗組均設(shè)3個重復(fù)。

表1 各實驗組中添加的營養(yǎng)鹽濃度含量Tab. 1 Nutrient concentrations added in each test group

實驗共進(jìn)行 8—10 d, 每天用葉綠素?zé)晒鈨x(美國Turner Designs公司Trilogy實驗室熒光儀)測定熒光值, 根據(jù)葉綠素a與葉綠素?zé)晒庵店P(guān)系： y=0.000188 (x-14.54), 其中y為葉綠素?zé)晒庵? x為葉綠素a含量(mg·L-1), R2=0.9919, 得到對應(yīng)的葉綠素a含量。

在實驗開始前(0 d)、實驗中期(2—4 d)以及實驗結(jié)束時(7—10 d), 測定了培養(yǎng)液中中無機氮(DIN,硝氮、氨氮和亞硝氮之和)、無機磷(DIP)和硅酸鹽(DSi)含量, 營養(yǎng)鹽測定方法同2.2。

3 結(jié)果與分析

3.1 微表層水樣中營養(yǎng)鹽含量

6月、7月和8月大亞灣微表層水樣中DIN、DIP和DSi含量見表2。表中可以看出三個月DIN濃度在8.21—14.28 μmol·L-1之間, 其中6月和7月的DIN濃度接近, 8月份的DIN濃度較低; 三個月的DIP濃度均很低, 介于0—0.14 μmol·L-1, 其中6月份的DIP濃度低未檢出程度(＜0.02 μmol·L-1); DSi含量較豐富,其中6月份DSi濃度較高, 8月份的DSi濃度較低。

3.2 微表層浮游植物的生長情況

圖2顯示了添加營養(yǎng)鹽后, 葉綠素a含量的變化趨勢。添加營養(yǎng)鹽后, 葉綠素a含量迅速上升, 在第2—3 天達(dá)到峰值, 隨后葉綠素a含量下降; 而7月份和8月份樣品的生長曲線出現(xiàn)了雙峰。在沒有添加N、P營養(yǎng)鹽的C組, 葉綠素a含量一直處于較低水平。

6月份樣品在第2天達(dá)到葉綠素a含量的最大值, 其中高N高P的N2P2生長狀況最好, 最大葉綠素a含量達(dá)到0.25 mg·L-1, 低N低P(N1P1)、低N高P(N1P2)、高N低P(N2P1)組的生長狀態(tài)相近, 而添加單一營養(yǎng)鹽的4個實驗組(N1、N2、P1、P2)并不能促進(jìn)微表層浮游植物的生長, 生長趨勢與未添加N、P的對照組相近(圖1a)。在7月份的樣品中, 同時添加N、P的4個實驗組中葉綠素a含量在第1天就迅速上升, 然后又下降; 但第3天 N2P2又出現(xiàn)上升趨勢, 在第 4天達(dá)到最大值后, 隨后下降(圖1b)。在8月份的樣品中, 四個同時添加N、P的實驗組, 葉綠素a含量在第1天快速上升, 在第2d達(dá)到最大值, 隨后下降,在第 3天或第 4天達(dá)到低谷,隨后有不同程度的回升。而未添加 N、P的對照組以及添加單一營養(yǎng)鹽的 N1、N2、P1、P2組, 葉綠素a的含量在第2—3天達(dá)到最高值之后就一直處于下降趨勢(圖1c)。

最大葉綠素a含量可以更清楚顯示各實驗組的生長狀況(圖2), 三個月份均是同時添加N、P的四個實驗組生長較好, 而單獨添加N或者P的四個實驗組與沒有添加N、P的C組生長相近(p＞0.05)。在N、P同時添加的四個實驗組中, 以N2P2組生長最好, 3個月份 N2P2組的最大葉綠素 a含量分別為0.25、0.20、0.44 mg·L-1。8月份樣品中, 4個N、P同時添加實驗組的生長明顯優(yōu)于其余兩個月樣品,最大葉綠素a含量可以到達(dá)其余兩個月份相應(yīng)實驗組的1.76—4.5倍。

3.3 培養(yǎng)液中DIN的變化

培養(yǎng)液中DIN含量在第2d或者是第4d就迅速下降(圖3), 其中生長情況較好的NP同時添加組對DIN的消耗量較大, 如N1P1中N消耗率達(dá)80.5%—92.3%, N1P2組達(dá)88.8%—90.2%, N2P1達(dá)92.1%—95.9%, N2P2達(dá)90%—96.7%; 而單獨添加N的N1、N2組的DIN剩余含量較多。

表2 大亞灣微表層水樣營養(yǎng)鹽含量(μmol·L-1)Tab. 2 Nutrient concentrations in water samples from microsurface layer

圖2 各實驗組葉綠素a含量最大值Fig. 2 The maximum chlorophyll a content in each test group

3.4 DIP的變化

圖4為各實驗組中DIP濃度的變化, 大亞灣微表層水樣中的DIP含量均很低, 為0—0.14 μmol·L-1。在添加了P的各實驗組, DIP消耗較快, 特別是在生長較快的N、P同時添加實驗組(N1P1、N1P2、N2P1、N2P2), DIP在第2—4 d就消耗了60%以上, 而在實驗結(jié)束時的第6—10 d, DIP含量為0—0.43 μmol·L-1, DIP消耗了90%以上。而在生長較慢的P1、P2組中, DIP的消耗量較少。

圖3 培養(yǎng)液中DIN濃度的變化Fig. 3 Variations of DIN concentration in cultures

3.5 DSi的變化

所有實驗組都添加了35 μmol·L-1的DSi, 6月份度可以到達(dá)70 μmol·L-1; 而8月份樣品中DSi初始濃度較低, 僅為7.95 μmol·L-1, 添加DSi后, 實驗組的 DSi含量僅為 42.95 μmol·L-1。從各實驗組 DSi濃度的變化來看(圖5), 同樣是在生長較旺盛的實驗組DSi消耗量較大; 而在未添加N、P以及N、P單獨添加組, DSi消耗較少, 特別是生長較差的6月份樣品, DSi基本上未消耗。

3.6 N：P值

由圖6中各月份N：P值的變化可以看出, N：P遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Redfield比值(16：1), 6月份DIP濃度為未檢出, 在未添加 P的實驗組, N：P值無法計算(圖 6a);而在7月份樣品中, 由于DIP初始濃度很低, 導(dǎo)致加N的兩個實驗組(N1、N2)的N：P值超過了1000(圖6b); 8月份樣品中DIP濃度較高, 但是在C組以及N1和N2組的N：P還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出Redfield比值。雖然如此, 在單獨添加P的P1和P2組的N：P值均小于10.0, 在1.81—6.49之間; 而N、P同時添加的4個實驗組, 不但N、P濃度較高, 而且N：P值較為合適,在9.52—33.42之間。從各實驗組的生長情況來看(圖1、圖2), 也是N、P同時添加的實驗組生長較好。

圖4 培養(yǎng)液中DIP的變化Fig. 4 Variations of DIP concentration in cultures

4 討論

營養(yǎng)鹽是海洋生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ), 浮游植物群落組成及數(shù)量變動和水體中的營養(yǎng)鹽和含量有著密切的關(guān)系[16-18]。長期以來, 大亞灣海域是我國沿海內(nèi)灣中水質(zhì)較好的海灣[14], 且被認(rèn)為是低營養(yǎng)鹽水平、高初級生產(chǎn)力的海域[17]。N、P是關(guān)鍵營養(yǎng)元素, 大約以16：1(Redfield比值)的比例被浮游植物吸收[18]。在本實驗中, N2P2組不但N、P含量最高, 而且N：P比值符合Redfield比值, 該實驗組能在短時間內(nèi)迅速達(dá)到葉綠素a最大值,成為所有實驗組中葉綠素a含量最高的一組。有研究表明, N：P比值改變會使浮游植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變, N：P比值偏離Redfield比值越遠(yuǎn), 硅藻的數(shù)量和種類就會減少[19]。在本實驗中, 隨著 P的大量消耗, 實驗組中的 N：P逐漸增大, 浮游植物生長受到抑制, 葉綠素 a含量也逐漸降低(圖 1)。由于自然水體中含有多種浮游植物種類, 在培養(yǎng)過程中發(fā)生浮游植物優(yōu)勢種群的演替, 與實驗室單種培養(yǎng)的單峰型生長曲線不同, 7月份和 8月份樣品的生長曲線出現(xiàn)了雙峰型(圖1b, 1c)。

圖5 培養(yǎng)液中DSi的變化Fig. 5 Variations of DSi concentration in cultures

圖6 培養(yǎng)液中N：P的變化Fig. 6 Variations of N：P ratio in the cultures

大亞灣為 P限制性海域, 浮游植物的生長受到嚴(yán)重的P限制[14]。本調(diào)查中也得出大亞灣微表層DIP的含量也非常低, 6月份樣品甚至低于檢出限(＜0.02 μmol·L-1), N：P遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Reidfield比值。但是單獨添加P的實驗組的生長與未添加N、P以及單獨添加 N的實驗組相似, 葉綠素 a的含量并未得到顯著增加, 這種可能由于單獨添加P后, 導(dǎo)致N：P值較低, 浮游植物生長受到 N的限制。此外,微表層中有機 P含量較高[10], 浮游植物可以利用可溶性有機P進(jìn)行生長。在大亞灣Si含量十分豐富, Si不成為硅藻生長的限制因子[13]。在本實驗中,單獨添加 Si時, 浮游植物的生物量并未到增加,說明Si并非大亞灣海域浮游植物生長的限制性因子。在同時添加N、P后, 生物量迅速增加, 而且在生長旺盛的實驗組, 硅酸鹽消耗量較大, 而生長較差的實驗組則硅酸鹽消耗量較低。結(jié)果說明,大亞灣微表層海域浮游植物主要以硅藻為主, 而且硅酸鹽并不缺乏, 在同時進(jìn)行的浮游植物調(diào)查也證實了這一點[20]。本研究結(jié)果表明, 自然環(huán)境中N、P營養(yǎng)鹽的輸入能夠促使浮游植物生物量迅速增加, 而單獨添加單一營養(yǎng)鹽并不能促使浮游植物的生長。

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Responses of the Daya Bay microlayer phytoplankton to inorganic nitrogen and phosphorus

YANG Xue, WANG Zhaohui*, MA Changjiang, XIONG Yijun, LIANG Jianxin

Research Center of Hydrobiology, Key Laboratory of Eutrophication and Red Tide Prevention of Guangdong Higher Education Institutes, Jinan University, Guangzhou 510632, China

Water samples from the sea surface microlayer (SML) were collected from Daya Bay, the South China Sea in June, July and August 2013, respectively. The growth of phytoplankton was studied after adding two levels of nitrogen (N) and phosphorus (P) concentrations (N1： 35 μmol·L-1, N2： 70 μmol·L-1, P1： 2.2 μmol·L-1, P2： 4.4 μmol·L-1). Dissolved inorganic nitrogen (DIN), phosphorus (DIP) and silica (DSi) in cultures were measured on day 0, day 2—4, and day 7—10. The purpose of this study is to understand the response of phytoplankton in the SML to the addition of nutrients. Results showed that the growth was the best in cultures with high N and P concentrations (N2P2), and was comparable in cultures of N2P1, N1P2 and N1P1. However the growth could not be accelerated after addition of N or P alone. The biomass of phytoplankton increased rapidly after addition of both N and P, and reached the peak values on day 2—4. Meanwhile, nutrient concentrations decreased greatly in cultures in which both N and P were added, especially in the culture N2P2, indicating that the rapid growth of phytoplankton needed to consume large amounts of nutrients. The results from this study suggested that nutrient loading into natural marine system could accelerate the growth of phytoplankton, however addition of just one nutrient element might not promote the growth.

phytoplankton, surface microlayer, growth, nitrogen, phosphorus, Daya Bay, nutrients

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.005

X55

A

1008-8873(2016)01-034-07

2014-09-28;

2015-06-20

國家自然科學(xué)基金項目(41276154, 41476132)

楊雪(1989—), 女, 河南新鄭人，碩士, 海洋生態(tài)學(xué), perfectyxn@126.com

*通信作者：王朝暉, 女, 博士，教授, 研究方向： 海洋生態(tài)學(xué)與赤潮, twzh@jnu.edu.cn

楊雪, 王朝暉, 馬長江, 等. 大亞灣微表層浮游植物對無機氮磷的響應(yīng)[J]. 生態(tài)科學(xué), 2016, 35(1)： 34-40.

YANG Xue, WANG Zhaohui, MA Changjiang, et al. Responses of the Daya Bay microlayer phytoplankton to inorganic nitrogen and phosphorus[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 34-40.