郭卓然 冷天澤 陸斗定 戴鑫烽

(自然資源部海洋生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)重點實驗室 自然資源部第二海洋研究所 浙江杭州 310012)

浮游植物是海洋生態(tài)系統(tǒng)中最主要的初級生產(chǎn)者, 其合成的有機物是維持海洋生態(tài)系統(tǒng)運行的物質(zhì)基礎(chǔ)。在營養(yǎng)鹽較為豐富的近岸海區(qū), 微型(Nano)和小型(Net)浮游植物往往是初級生產(chǎn)者的主要構(gòu)成部分(Agawinet al, 2000; Fuet al, 2009; Kostadinovet al, 2010); 而在寡營養(yǎng)的大洋海區(qū)中微微型浮游植物(Pico)占主導(dǎo)地位, 對總?cè)~綠素a濃度的貢獻率高達70%～90% (Odate, 1997; Savidgeet al, 1999; Honget al, 2012)。

浮游植物拖網(wǎng)是開展海洋浮游植物調(diào)查的重要工具, 但各國常用的浮游植物網(wǎng)具在孔徑上存在差異。例如國際上多采用網(wǎng)篩絹孔徑在20 μm 左右的網(wǎng)具進行浮游植物群落調(diào)查(孫軍等, 2003), 而中國的大洋浮游植物調(diào)查主要依據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范第6 部分:海洋生物調(diào)查GB/T 12763. 6—2007》, 30 m 以淺的水域采用淺水 Ⅲ 型浮游生物網(wǎng)(網(wǎng)口直徑37 cm, 網(wǎng)長1.4 m, 篩絹孔徑77 μm); 在30 m 以深的水域垂直或分段采集小型浮游植物時選擇小型浮游生物網(wǎng)(網(wǎng)口直徑37 cm, 網(wǎng)長2.8 m, 絹篩孔徑77 μm) (中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等, 2008)。這里沒有區(qū)分近岸和大洋的網(wǎng)具孔徑, 但是近岸海域與大洋環(huán)境之間的浮游植物群落特征往往存在較大差異,比如浮游植物細胞豐度近岸高而遠洋低。因此, 采用孔徑相同的浮游生物網(wǎng)是否能如實反映不同區(qū)域的浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征存在疑問。

印度洋是世界第三大洋, 印度洋西南海域的主要環(huán)流系統(tǒng)為由南印度洋副熱帶渦流(IOSG)的分支沿非洲東海岸向南運輸而形成的厄加勒斯流(Readet al, 2000; Machuet al, 2005; Povinecet al, 2011)。研究表明, 該海區(qū)浮游植物生長主要受到硝酸鹽的限制,且浮游植物粒徑以微微型(Pico)為主(洪麗莎等,2012)。為了研究不同孔徑網(wǎng)具對調(diào)查結(jié)果的影響, 本文在西南印度洋采用篩絹孔徑分別為20 和77 μm 的兩種浮游生物網(wǎng)在多個相同站位進行浮游植物分別采樣, 通過對比分析, 為大洋浮游植物調(diào)查中浮游生物網(wǎng)規(guī)格的選擇與改進提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

2015 年4～5 月, 搭載中國“大洋一號”調(diào)查船第34 航次在西南印度洋海域進行浮游植物采樣調(diào)查,共設(shè)置5 個采樣站位, 站位信息如表1 和圖1 所示。其 中, 34IV-SWIR-S017 至 34IV-SWIR-S019 和34IV-SWIR-S039 四個站位的空間位置較為接近, 而34IV-SWIR-S006 站位的空間位置較其他站位相距甚遠。

表1 2015 年西南印度洋第34 航次浮游植物采樣站位信息Tab.1 Sampling station of the 34th cruise in the Southwest Indian Ocean in 2015

圖1 2015 年西南印度洋第34 航次浮游植物采樣站位圖Fig.1 Sampling stations for phytoplankton in the 34th cruise in the Southwest Indian Ocean in 2015

1.2 樣品采集與鑒定

為了采集調(diào)查 0～200 m 水層浮游植物, 34IVSWIR-S017、34IV-SWIR-S018、34IV-SWIR-S019 與34IV-SWIR-S039 四個站位均采用兩種篩絹孔徑不同的浮游生物網(wǎng)(網(wǎng)口直徑37 cm, 網(wǎng)長2.8 m, 網(wǎng)篩絹孔徑分別為77 和20 μm)進行分別采樣, 34IV-IB-S006站位因條件限制只用孔徑為77 μm 的浮游生物網(wǎng)進行采樣, 共采得網(wǎng)采浮游植物樣品9 個。采集的樣品立即加入中性福爾馬林固定保存(福爾馬林體積分?jǐn)?shù)終濃度為4%), 并帶回實驗室分析。

樣品鑒定前, 先將樣品輕輕充分搖勻, 使用移液槍吸取1 mL 樣品移置于計數(shù)框(Sedgewick Rafter,PYSER-SGI, UK)內(nèi), 蓋上蓋玻片, 利用倒置光學(xué)顯微鏡(Olympus CKX41, Japan), 在100 或400 倍的視野下進行觀察, 進行物種和細胞數(shù)量的計數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

對所得數(shù)據(jù)進行香農(nóng)-威納指數(shù)(H′)、優(yōu)勢度指數(shù)(Y)、物種豐富度(D)以及均勻度指數(shù)(J′)分析, 計算公式如下:

式中:ni指第i個物種的個體數(shù);N指樣品中的總個體數(shù);fi是該物種在樣品種的出現(xiàn)頻率, 以優(yōu)勢度(Y)≥0.01 的物種判定為優(yōu)勢種。S為樣品中的浮游植物種類總數(shù);Pi為第i個物種的個體數(shù)(ni)與總體數(shù)(N)的比值。

物種豐富度(D)通過PRIMER7 計算, 分析篩網(wǎng)孔徑與采得樣品的聯(lián)系。另因34IV-SWIR-S006 站只采集篩絹孔徑為77 μm 的網(wǎng)采樣品, 除獨立站位分析外,不納入對比統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果

2.1 浮游植物種類組成

2015 年4～5 月, 從西南印度洋采集取得的樣品中共鑒定出浮游植物192 種, 隸屬于4 個門, 包括硅藻門(Bacillariophyta) 106 種, 甲藻門(Pyrrophyta) 79種, 金藻門(Chrysophyta) 4 種, 藍藻門(Cyanophyta) 3種, 所占總物種比例分別為55%、41%、2%和2% (圖2b)。硅藻門中最多的為角毛藻屬(Chaetocerosspp.)28 種, 根管藻屬(Rhizosoleniaspp.) 12 種, 圓篩藻屬(Coscinodiscusspp.) 11 種; 甲藻門中最多的為角藻屬(Ceratiumspp.) 28 種, 鰭藻(Dinophysisspp.)和多甲藻屬(Peridiniumspp.)各8 種。金藻門中包括等刺硅鞭藻屬(Dictyochaspp.) 3 種和異刺硅鞭藻屬(Distephanusspp.) 1 種; 藍藻門中包括顫藻屬(Oscillatoriaspp.)、席藻屬(Phormidinumspp.)和束毛藻屬(Trichodesmiumspp.)各1 種。

圖2 2015 年西南印度洋第34 航次各站位物種組成Fig.2 The phytoplankton community structure of each site in the 34th cruise in the Southwest Indian Ocean in 2015

除S006 站位以外其他各個站位不同網(wǎng)具的采樣結(jié)果對比顯示, 篩絹孔徑為20 μm 的情況下鑒定得到的物種數(shù)明顯高于篩絹孔徑為77 μm 的情況(圖2)。篩絹孔徑為20 μm 的浮游生物網(wǎng)采集到浮游植物共計163 種, 隸屬于4 個門, 包括硅藻門90 種, 甲藻門67 種, 金藻門4 種和藍藻門2 種, 物種數(shù)平均值為71,四個門物種占比各為54.58%、41.20%、2.82%和1.41%;篩絹孔徑為77 μm 的浮游生物網(wǎng)采集到浮游植物共計67 種, 隸屬于3 個門, 包括硅藻門43 種, 甲藻門22 種和藍藻門2 種, 與前者相比未檢出金藻門物種,物種數(shù)平均值為26, 而三個門物種占比各為67.31%、27.88%和4.81%。采用絹篩孔徑為20 μm 的浮游生物網(wǎng)采集得到的平均物種數(shù)約為采用孔徑為77 μm 浮游生物網(wǎng)的2.7 倍。

2.2 浮游植物豐度

通過樣品分析得知, 浮游植物細胞豐度最高值出現(xiàn)在 34IV-SWIR-S017 站位, 為 62 491 cells/m3;細胞豐度最低值出現(xiàn)在 34IV-SWIR-S018 站位, 為13 213 cells/m3。硅藻、甲藻和藍藻的最高豐度均出現(xiàn)在34IV-SWIR-S017 站位, 而金藻的最高豐度出現(xiàn)在34IV-SWIR-S039 站位。34IV-IB-S006 站位的細胞豐度為1 093 cells/m3, 只鑒定出硅藻和甲藻, 分別占總細胞豐度的86.55%和13.45% (圖3a)。將所有數(shù)據(jù)相加后得到總站位細胞豐度, 其中硅藻占81.88%, 甲藻占16.62%, 金藻占1.01%, 藍藻占0.48% (圖3b)。

圖3 2015 年西南印度洋第34 航次各站位細胞豐度Fig.3 The cell abundance at each stations of the 34th cruise in the Southwest Indian Ocean in 2015

采用篩絹孔徑為20 μm 浮游生物網(wǎng)采集到的四個站位的細胞豐度平均值為37 026 cells/m3, 其中硅藻占81.56%, 甲藻占17.05%, 金藻占1.08%, 藍藻占0.31%。而采用篩絹孔徑為77 μm 浮游生物網(wǎng)采集到除34IV-IB-S006 站位以外的四個站位的細胞豐度平均值為2 183 cells/m3, 其中硅藻占86.76%, 甲藻占9.76%, 藍藻占3.48%。前者的平均值約為后者的17倍, 即采用20 μm 孔徑網(wǎng)具可以采到的浮游植物細胞數(shù)量更多, 且物種比例與總站位相近。

2.3 浮游植物物種多樣性指數(shù)

浮游植物的群落特征通過香農(nóng)-威納指數(shù)(H′)、物種數(shù)(S)、均勻度指數(shù)(J′)以及物種豐富度(D)這四種參數(shù)表征。其中, 使用20 μm 孔徑的網(wǎng)具采到的樣品物種數(shù)和細胞豐度都顯著高于采用77 μm 孔徑的網(wǎng)具(圖4b, 4d), 而兩種不同孔徑的網(wǎng)采樣品之間, 香農(nóng)-威納多樣性與均勻度指數(shù)結(jié)果無顯著差異(圖 4a,4c)。因此, 采用較細密絹篩制作的網(wǎng)具可以采到更多的物種。但使用孔徑不同的網(wǎng)具, 得到的物種多樣性指數(shù)無顯著差異。

圖4 2015 年西南印度洋第34 航次各站位多樣性指數(shù)Fig.4 The diversity indices of the 34th cruise in the Southwest Indian Ocean in 2015

2.4 浮游植物優(yōu)勢種

西南印度洋調(diào)查海域浮游植物優(yōu)勢物種共計14種, 其中篩絹孔徑為20 μm 的網(wǎng)采樣品與篩絹孔徑為77 μm 的網(wǎng)采樣品分析結(jié)果中分別得出的優(yōu)勢種也存在差異, 為9 種和11 種。兩種網(wǎng)采樣品的共同優(yōu)勢種包括條紋小環(huán)藻(Cyclotella striatavar.striata)、圓篩 藻 sp.1 (Coscinodiscussp.1) 、 細 弱 海 鏈 藻(Thalassiosira subtilis) 、 長 海 毛 藻(Thalassiothrix longissima)、夜光藻(Noctiluca scintillans)、美麗漂流藻(Planktoniella formosa) 6 種。除上述6 種外, 在孔徑為20 μm 的網(wǎng)采樣品中優(yōu)勢種還包括五角角藻(Ceratium pentagonum)、雙角角管藻(Cerataulina bicornis)和棘角毛藻(Chaetoceros imbricatus);在孔徑為77 μm 的網(wǎng)采樣品中優(yōu)勢種還包括翼根管藻(Rhizosolenia alataf.alata) 、 大 西 洋 角 毛 藻(Chaetoceros atlanticusvar.atlanticus)、漢氏束毛藻(Trichodesmium hildebrandtii)、翼根管藻纖細變型(Rhizosolenia alataf.gracillima)、筆尖形根管藻(Rhizosolenia styliformisvar.styliformis)。其中條紋小環(huán)藻的細胞豐度和優(yōu)勢度最高, 筆尖形根管藻的細胞豐度和優(yōu)勢度最低。各優(yōu)勢種的細胞豐度、所占比例以及優(yōu)勢度如表2 所示。

表2 2015 年西南印度洋第34 航次調(diào)查的浮游植物優(yōu)勢種情況Tab.2 Dominant species of phytoplankton during the 34th cruise of the Southwest Indian Ocean in 2015

3 討論

使用浮游生物網(wǎng)采集樣品是研究浮游植物群落結(jié)構(gòu)及生態(tài)演替的常用方法之一。相較于近岸海域的浮游植物采樣調(diào)查, 大洋海域的調(diào)查更具有耗時長、成本高以及風(fēng)險大等特點。為了在大洋調(diào)查中盡可能得到準(zhǔn)確的浮游植物物種及細胞豐度數(shù)據(jù), 根據(jù)調(diào)查區(qū)域特點和實驗?zāi)康倪x擇適合的浮游生物網(wǎng)十分必要。然而, 我國對于大洋調(diào)查中浮游植物群落調(diào)查的采樣網(wǎng)具大多參考《海洋調(diào)查規(guī)范第6 部分: 海洋生物調(diào)查GB/T 12763. 6—2007》。也有部分調(diào)查會根據(jù)自己需求采用特定網(wǎng)具, 所以在不同的大洋航次調(diào)查中, 浮游生物網(wǎng)的選擇也各有不同。例如, 陳卓等(2018)在2016 年秋季熱帶西太平洋調(diào)查中, 采用WP2 型浮游生物網(wǎng)(網(wǎng)口直徑為57 cm, 網(wǎng)長2.71 m,網(wǎng)篩絹孔徑為 20 μm); 而郭術(shù)津等(2018)分別于2014 年秋季和2016 年冬季在熱帶西太平洋Y3 海區(qū)和M2 海山鄰近海域調(diào)查時采用小型浮游生物網(wǎng)(網(wǎng)口直徑37 cm, 網(wǎng)長2.7 m, 網(wǎng)篩絹孔徑為76 μm)。因此, 本次調(diào)查對比兩種孔徑網(wǎng)具的采樣結(jié)果, 有助于科研人員在大洋調(diào)查中根據(jù)需求來選擇適用的網(wǎng)具。

本次調(diào)查研究顯示篩絹孔徑為20 μm 網(wǎng)采樣品鑒定得到的物種數(shù)和浮游植物細胞豐度都顯著高于篩絹孔徑為77 μm 的網(wǎng)采樣品, 說明采用較細密篩絹制作的網(wǎng)具可以截留到更細微的個體, 從而更加準(zhǔn)確地分析調(diào)查海域的浮游植物群落現(xiàn)狀。這一點也可從優(yōu)勢物種結(jié)果比較得到印證, 除6 種共同優(yōu)勢種外,20 μm 孔徑網(wǎng)采樣品還包含了77 μm 孔徑網(wǎng)采樣品中的其他5 種優(yōu)勢物種。兩者的差異主要來自對不同細胞大小的截留程度不同, 例如, 夜光藻的細胞個體較大, 范圍在150～2 000 μm 之間(胡翠林等, 2015), 因此可同時被20 和77 μm 孔徑網(wǎng)具所采集到, 但五角角藻僅出現(xiàn)在采用20 μm 孔徑網(wǎng)具采集的樣品當(dāng)中。從物種方面看, 本次鑒定得到的金藻門物種包括六異刺硅鞭藻(Distephanus speculum)和小等刺硅鞭藻(Dictyocha fibula)及其變種共計4 種, 金藻門物種的粒徑主要在2～20 μm 范圍內(nèi)(Brotaset al, 2013), 因此只在20 μm 孔徑網(wǎng)具采集的樣品中發(fā)現(xiàn)。

在西南印度洋附近海域其他人的研究也呈現(xiàn)類似結(jié)果。以2012 年至2016 年東印度洋浮游植物調(diào)查為例, 調(diào)查時間都在3～5 月期間, 且調(diào)查海域均在80°～98°E, 10°N～10°S 區(qū)域內(nèi), 但每年的站位點數(shù)量與經(jīng)緯度位置存在差異。2013 年調(diào)查采用了77 μm孔徑的浮游生物網(wǎng), 其余年份均采用20 μm 孔徑的網(wǎng)具。2012 年至2016 年調(diào)查鑒定結(jié)果如表3 所示。其中, 由于2013 年調(diào)查的站位較多, 因此結(jié)果中總物種數(shù)量僅次于2012 年調(diào)查結(jié)果, 但站位平均物種數(shù)最少, 表明使用77 μm 孔徑的網(wǎng)具采樣時, 鑒定到的物種數(shù)量少于使用20 μm 孔徑的網(wǎng)具采樣。此外, 該海域內(nèi)甲藻物種比例均高于硅藻, 2013 年調(diào)查鑒定所得硅藻物種數(shù)與甲藻物種數(shù)分別占總物種數(shù)的46.29%和56.29%, 而其他年份鑒定得到的甲藻物種數(shù)均為硅藻物種數(shù)的兩倍左右, 表明使用20 μm孔徑的網(wǎng)具可以截留到個體更小的甲藻(薛冰, 2017; 李艷等, 2019)。

表3 東印度洋浮游植物歷史數(shù)據(jù)比較Tab.3 Historical data of phytoplankton assemblage in the Eastern Indian Ocean

大洋海域遠離大陸, 與近岸海域相比, 較難得到陸源的營養(yǎng)補充, 因此通常為寡營養(yǎng)水域, 而近岸海域往往營養(yǎng)鹽豐富。印度洋的營養(yǎng)受限于氮(Mooreet al, 2001), 屬于寡營養(yǎng)水域。依據(jù)浮游植物粒級的劃分(Sieburthet al, 1978), 微微型(Pico)粒級浮游植物的大小在0.2～2 μm 之間, 微型(Nano)粒級浮游植物的大小在2～20 μm 之間, 小型(Net)粒級浮游植物的大小在20～200 μm 之間。三種不同粒級的浮游植物在海洋中的分布也有所不同。在寡營養(yǎng)海域, Pico 粒級的浮游生物在生物量上占據(jù)優(yōu)勢, 而在富營養(yǎng)海域,Net 和Nano 粒級的浮游生物占據(jù)優(yōu)勢(Agawinet al,2000, 2002; 傅明珠等, 2009; Kostadinovet al, 2010)。其原因在于不同粒級的浮游植物在海洋中的功能有所差異, 以個體較大的浮游植物為主導(dǎo)的群落通常具有較高的光合速率, 初級生產(chǎn)力高; 以微型或微微型浮游植物為主導(dǎo)的群落則具有更為復(fù)雜的食物網(wǎng), 初級生產(chǎn)力較低(Sathyendranath, 2014)。由此推論, 在富營養(yǎng)海域, 例如近岸, 使用77 μm 孔徑的網(wǎng)具采集網(wǎng)樣, 再配以水采樣品, 可能已基本了解該海域內(nèi)的浮游植物群落現(xiàn)狀。而且近岸海域的水深較淺,懸浮顆粒含量遠高于大洋環(huán)境(薛宇歡等, 2015), 這容易對采樣與鑒定工作造成阻礙?？讖捷^大的網(wǎng)具可濾去部分細微泥沙, 以防網(wǎng)眼堵塞, 利于采樣和樣品的鑒定。在寡營養(yǎng)海域, 水質(zhì)較為清澈, 粒級較小的浮游植物占主導(dǎo)地位, 因此采用篩絹較細密的網(wǎng)具更為適宜。此外, 在本次研究中我們沒有在近岸營養(yǎng)豐富海域開展不同孔徑網(wǎng)具的調(diào)查對比, 這將是進一步的研究內(nèi)容。

4 結(jié)論

從2015 年西南印度洋第34 航次的浮游植物調(diào)查中, 可以得到以下結(jié)果:

(1) 使用20 μm 孔徑的網(wǎng)具采到的樣品物種數(shù)和細胞豐度都顯著高于采用77 μm 孔徑的網(wǎng)具。在本次研究結(jié)果中, 采用20 μm 孔徑網(wǎng)具采得的平均物種數(shù)與平均細胞豐度分別約為采用77 μm 孔徑網(wǎng)具的2.7倍與17 倍, 呈顯著差異。

(2) 20 和77 μm 兩種不同孔徑的網(wǎng)采樣品之間,平均多樣性指數(shù)分別為2.23 和2.72, 平均均勻度指數(shù)分別為0.69 和0.64, 結(jié)果無顯著差異。

(3) 采用20 和77 μm 兩種不同孔徑的網(wǎng)具, 采得樣品之間的平均物種豐富度指數(shù)分別為6.69 和3.31,前者約為后者的2 倍, 呈顯著差異。

(4) 篩絹孔徑為20 μm 的網(wǎng)采樣品與篩絹孔徑為77 μm 的網(wǎng)采樣品分析結(jié)果中分別得出的優(yōu)勢種也存在差異。前者有9 種, 后者有11 種, 共同的優(yōu)勢種有6 種。

(5) 應(yīng)根據(jù)具體調(diào)查區(qū)域與研究目的選擇合適孔徑網(wǎng)具, 本文的研究結(jié)果表明在寡營養(yǎng)海域更適宜使用20 μm 孔徑的網(wǎng)具。