劉悅, 李麗, 翟曉輝, 周娟, 葉鵬浩, 黃盛東

深圳市海洋發(fā)展研究促進(jìn)中心, 廣東 深圳 518029

棕囊藻(Phaeocystis)為全球廣布的有害藻華物種, 該藻華的發(fā)生顯著影響了海洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能以及碳硫等生源要素的生物地化循環(huán)和全球氣候變化(Lancelot et al, 1998; Schoemann et al, 2005)。目前已經(jīng)鑒定的7 種棕囊藻物種中, 南極棕囊藻(P.antarctica)、波切棕囊藻(P. pouchetii)和球形棕囊藻(P. globosa)可分別在南北兩極和溫?zé)釒Ш^(qū)引發(fā)大規(guī)模藻華(Schoemann et al, 2005)。這3 個(gè)物種均具有異型生活史,有單細(xì)胞和囊體兩種生活史階段。其中單細(xì)胞僅有幾個(gè)微米, 而囊體一般達(dá)到幾百微米(Rousseau et al, 2007)。囊體外被為多糖組成的黏液質(zhì), 囊體細(xì)胞包裹于多糖黏膠結(jié)構(gòu)中。由于較大的粒徑和堅(jiān)韌的外被結(jié)構(gòu),囊體減少了被浮游動(dòng)物攝食的幾率(Nejstgaard et al, 2007) ,并且降低了細(xì)菌和病毒對(duì)囊體細(xì)胞的感染和降解(Brussaard et al,2007) ,這樣就有效降低了死亡率從而提高了生物量的積累。囊體的形成是棕囊藻藻華發(fā)生并產(chǎn)生危害的主要原因(Hamm, 2000; Verity et al, 2007)。

球形棕囊藻為我國(guó)沿海常見(jiàn)有害藻華物種(Wang et al, 2021b)。球形棕囊藻藻華在我國(guó)首次報(bào)道于1997 年10 月的柘林灣, 藻華周期持續(xù)6 個(gè)月,覆蓋面積達(dá)3000km2, 造成大量養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)死亡, 導(dǎo)致直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò) 3000 多萬(wàn)元(陳菊芳 等,1999)。自1997 年開(kāi)始, 球形棕囊藻藻華陸續(xù)在福建、廣東、廣西、海南、河北及天津等6 省市沿海暴發(fā)(沈萍萍 等, 2018)。我國(guó)球形棕囊藻藻華特點(diǎn)顯著, 可形成直徑長(zhǎng)達(dá)3cm 的囊體,是世界所有海區(qū)發(fā)現(xiàn)的最大的球形棕囊藻囊體(Wang et al, 2021b)。巨大的囊體體積可能不僅顯著影響海區(qū)浮游動(dòng)物攝食以及微生物分解, 繼而影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能, 也可給濱海核電冷源安全帶來(lái)嚴(yán)重隱患。因此, 球形棕囊藻藻華發(fā)生規(guī)律及其機(jī)制的研究對(duì)于減輕災(zāi)害損失和開(kāi)展防治工作具有十分重要的意義。然而, 球形棕囊藻在我國(guó)南部沿海頻繁發(fā)生的機(jī)制迄今尚不清楚。

2021 年1 月下旬, 深圳大鵬灣南澳碼頭附近海域發(fā)生球形棕囊藻藻華。我們追蹤了本次藻華的生消過(guò)程, 系統(tǒng)分析了藻華發(fā)生和消退期間環(huán)境因子和生物因素的連續(xù)變化, 力圖探索球形棕囊藻藻華發(fā)生的特征和關(guān)鍵調(diào)控因素, 為進(jìn)一步理解球形棕囊藻藻華發(fā)生機(jī)制提供理論參考, 同時(shí)為球形棕囊藻藻華的治理和預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 調(diào)查時(shí)間和站位

2021 年1 月下旬, 發(fā)現(xiàn)大鵬灣有外表呈現(xiàn)棕黃色且直徑約1cm 的巨型棕球形棕囊藻囊體, 分布在灣中心以及沿岸區(qū)域, 水體表底均有分布。為了研究藻華發(fā)生的動(dòng)態(tài)規(guī)律, 于1 月20 日至2 月1 日在大鵬灣南澳碼頭設(shè)置一個(gè)站位(114°28′40.36"E,22°32′25.59"N), 每日高潮時(shí)對(duì)球形棕囊藻藻華進(jìn)行連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)。調(diào)查期間, 東北風(fēng)盛行, 水體混合均勻。球形棕囊藻囊體從灣中心向岸向漂移, 并堆積在沙灘上。

1.2 采樣分析方法

利用容積為 8L 采水器進(jìn)行表層水采樣。用500μm 篩絹過(guò)濾水樣, 對(duì)截留在篩絹上的球形棕囊藻囊體進(jìn)行計(jì)數(shù),并在顯微鏡下對(duì)囊體直徑及囊體內(nèi)細(xì)胞數(shù)量計(jì)數(shù), 同時(shí)取1L 過(guò)濾后的水樣, 加入濃度為4%的Lugol’s 溶液進(jìn)行固定, 在顯微鏡下計(jì)數(shù)球形棕囊藻囊體數(shù)目、囊體直徑、囊體內(nèi)細(xì)胞數(shù)量及其他浮游植物細(xì)胞數(shù)量, 具體參照Wang等(2011)中的方法。溫度、鹽度、pH 和溶解氧(dissolved oxygen, DO)值采用手持YSI 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。營(yíng)養(yǎng)鹽樣品的采集和保存按照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范-海水分析》(GB17378.4-2007) (中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局 等, 2008)中規(guī)定的相關(guān)方法進(jìn)行。取500mL 水進(jìn)行過(guò)濾, 加入90%丙酮黑暗萃取24h, 采用分光光度法分析葉綠素a濃度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用統(tǒng)計(jì)軟件R語(yǔ)言(3.4.3) 對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析, 對(duì)球形棕囊藻囊體豐度和環(huán)境因子進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析。

2 結(jié)果

2.1 浮游植物優(yōu)勢(shì)物種演替

調(diào)查期間, 浮游植物優(yōu)勢(shì)物種出現(xiàn)硅藻(中肋骨條藻)—定鞭藻(球形棕囊藻)—甲藻(紅色赤潮藻)的演替現(xiàn)象(圖1)。1 月20 日, 調(diào)查站位浮游植物主要以硅藻為主, 中肋骨條藻為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)物種, 細(xì)胞豐度達(dá)到1.8×105cells·L-1。隨后中肋骨條藻豐度迅速下降,而球形棕囊藻在1 月21 日出現(xiàn), 隨后細(xì)胞濃度逐漸提高, 于1 月27 日達(dá)到最高的2.9×107cells·L-1。與此同時(shí), 紅色赤潮藻逐漸成為調(diào)查區(qū)域優(yōu)勢(shì)物種: 1 月28 日其細(xì)胞豐度達(dá)到4.7×106cells·L-1, 隨后細(xì)胞豐度降低, 但是一直維持在106cells·L-1左右(圖1a)。調(diào)查期間, 海區(qū)葉綠素a濃度先提高, 然后緩慢地降低。但是自1 月22 日之后, 海區(qū)葉綠素a濃度始終高于30μg·L-1(圖1b)。

球形棕囊藻囊體自1 月21 日出現(xiàn), 當(dāng)天囊體數(shù)量?jī)H有3colonies·L-1。之后囊體數(shù)量顯著提高, 于1月25 日達(dá)到69colonies·L-1。囊體數(shù)量自1 月26 日開(kāi)始下降, 2 月1 日完全消失(圖2a)。調(diào)查期間, 并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何小于 5mm 的囊體, 囊體直徑范圍0.6～1.2cm, 囊體平均直徑接近1cm(圖2b)。藻華發(fā)生期間, 囊體直徑未見(jiàn)顯著變化。

2.2 環(huán)境因素

調(diào)查期間, 海水溫度范圍在16.03～16.91℃之間,并未有顯著變化(圖3a)。鹽度同樣顯示出現(xiàn)類(lèi)似規(guī)律, 鹽度始終維持在31‰ 左右(圖3b)。pH 則出現(xiàn)波動(dòng); 由1 月21 日的7.61 上升至1 月27 日的8.08,隨后pH 稍有下降。溶解氧濃度則在1 月27 日迅速降低至9.04mg·L-1(圖3d)。

調(diào)查期間, 營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化顯著: 硝酸鹽、磷酸鹽、銨鹽和亞硝酸鹽均出現(xiàn)下降趨勢(shì), 而硅酸鹽則表現(xiàn)為先下降后升高的趨勢(shì)。硝酸鹽和銨鹽變化趨勢(shì)類(lèi)似, 二者均持續(xù)下降。硝酸鹽濃度從1 月20 日的9.00μmol·L-1持續(xù)下降到2 月1 日的2.63μmol·L-1( 圖 4a) , 而銨鹽從 12.07μmol·L-1下降到3.36μmol·L-1。磷酸鹽則從1 月20 日的0.29μmol·L-1迅速降至1 月22 日的0.06μmol·L-1, 隨后濃度始終維持在0.10μmol·L-1以下(圖4c)。硅酸鹽濃度始終較高, 1 月 22 日出現(xiàn)最低濃度, 但是依然高于6.00μmol·L-1。

2.3 環(huán)境因子主成分分析

對(duì)調(diào)查期間的環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析, 結(jié)果如圖5 所示。主成分兩軸分別解釋了環(huán)境因子承載量的47.80%和15.04%, 第一主成分主要解釋的環(huán)境變量為銨鹽、硝酸鹽、磷酸鹽、pH 和亞硝酸鹽; 第二主成分主要解釋的環(huán)境變量為溫度、硅酸鹽、鹽度。由圖5 可以看出, 球形棕囊藻藻華早期(硅藻藻華期)主要表現(xiàn)為高氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽和高溶解氧, 球形棕囊藻藻華消亡期(甲藻藻華期)主要表現(xiàn)為低氮磷、高硅酸鹽和pH。

2.4 球形棕囊藻藻華與環(huán)境因子的關(guān)系

調(diào)查期間球形棕囊藻囊體豐度與環(huán)境因子的灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果見(jiàn)表1。可以看出, 影響球形棕囊藻囊體豐度的環(huán)境因子由大到小的排序依次是銨鹽、硝酸鹽、溶解氧、鹽度、pH、溫度、硅酸鹽、磷酸鹽、亞硝酸鹽。

表1 球形棕囊藻囊體豐度與環(huán)境因子關(guān)聯(lián)度Tab. 1 The value of grey association degree between Phaeocystis globosa colony density and each environmental factor

3 討論

3.1 球形棕囊藻藻華的影響因素

球形棕囊藻的異型生活史中包含單細(xì)胞和膠質(zhì)囊體兩種生活形態(tài), 而囊體的形成是球形棕囊藻形成藻華的主要原因(Hamm, 2000; Verity et al, 2007)。研究表明, 溫度、鹽度、光照、營(yíng)養(yǎng)鹽、生物競(jìng)爭(zhēng)、物理充氣及擾動(dòng)等多種因素都對(duì)囊體的形成起著重要作用(沈萍萍 等, 2018; Wang et al, 2021b)。

3.1.1 影響球形棕囊藻藻華的理化因素

氮作為浮游植物細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、磷脂和葉綠素等的基本元素, 在浮游植物生命活動(dòng)中占有非常重要的地位。Riegman 等(1992)認(rèn)為, 自然環(huán)境中棕囊藻可能會(huì)隨著水體中氮源的增加而暴發(fā)藻華,表明氮源對(duì)棕囊藻的重要性?；谊P(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明,銨鹽是影響球形棕囊藻藻華的重要因素, 這與Hai等 (2010)的結(jié)果基本一致。調(diào)查期間, 銨鹽含量在3.07～12.07μmol·L-1之間, 略高于Hai 等 (2010)報(bào)道的濃度。如表1 所示, 硝酸鹽對(duì)棕囊藻藻華的形成也起著重要作用。很多研究證實(shí)了硝酸鹽在球形棕囊藻藻華中的重要性。例如, Wang 等(2011)認(rèn)為, 硝酸鹽是球形棕囊藻囊體形成的基礎(chǔ)。在歐洲北海,硝酸鹽是球形棕囊藻藻華發(fā)生時(shí)最豐富的氮源(Tungaraza et al, 2003)。呂旭寧 (2020)發(fā)現(xiàn), 北部灣球形棕囊藻囊體形成和藻華維持需要大量硝酸鹽。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 球形棕囊藻能夠在鹽度較寬的范圍內(nèi)(23‰～33‰)形成囊體(田晶晶, 2010), 調(diào)查期間大鵬灣鹽度始終維持在31‰左右, 表明鹽度可能為囊體的形成提供了適宜的條件。相關(guān)分析結(jié)果表明, 鹽度與球形棕囊藻囊體豐度有關(guān), 這與賀成 等(2019)的調(diào)查結(jié)果基本一致。適宜的溫度條件是影響球形棕囊藻藻華發(fā)生與消亡的重要因素。在我國(guó)南海, 球形棕囊藻藻華發(fā)生的溫度范圍在15～27℃之間(Wang et al, 2021a)。研究表明, 適宜的外界環(huán)境溫度, 能夠加速球形棕囊藻細(xì)胞的分裂, 使得單細(xì)胞快速形成囊體, 而細(xì)胞囊體再經(jīng)過(guò)一定的生長(zhǎng)周期, 再轉(zhuǎn)化成新的囊體(Rousseau et al, 1994; 田晶晶, 2010), 而溫度升高不利于囊體的形成(Wang et al, 2010) 。 調(diào)查期間, 溫度始終保持在16.03～16.91℃之間。

光照對(duì)球形棕囊藻的生長(zhǎng)及囊體的形成具有重要的作用, 高光照能顯著促進(jìn)球形棕囊藻的生長(zhǎng),在高光條件下單細(xì)胞和群體的數(shù)量均較高(Wang et al, 2021b)。在歐洲北海, 當(dāng)水柱光照強(qiáng)度超過(guò)25～35μmol·m-2·s-1時(shí)才形成球形棕囊藻藻華(Peperzak et al, 1998; Blauw et al, 2010)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn), 當(dāng)光照強(qiáng)度低于50μmol·m-2·s-1時(shí), 球形棕囊藻囊體無(wú)法形成, 而當(dāng)光照高至500μmol·m-2·s-1時(shí),則能形成 400colonies·mL-1數(shù)量的囊體(王艷 等,2013)。遺憾的是, 本文缺少光照的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù), 今后有必要加強(qiáng)光照對(duì)球形棕囊藻藻華的影響研究。

除了營(yíng)養(yǎng)鹽、溫度、鹽度、光照外, 水動(dòng)力條件也是藻類(lèi)生長(zhǎng)的重要影響因素。研究表明, 適宜的水體擾動(dòng)會(huì)通過(guò)影響藻細(xì)胞周?chē)鸂I(yíng)養(yǎng)鹽邊界層厚度, 從而促進(jìn)藻細(xì)胞的增長(zhǎng)與聚集(Yin, 2002; 李冬梅 等, 2010)。水體擾動(dòng)能夠促進(jìn)棕囊藻細(xì)胞增殖, 并延長(zhǎng)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)時(shí)間(李冬梅 等, 2010; 蔡卓平 等, 2011)。大鵬灣是廣東沿海的半封閉海灣, 其水體性質(zhì)主要受季風(fēng)的影響(Yin, 2003)。冬季東北季風(fēng)盛行, 在季風(fēng)和向岸流影響下, 水體混合均勻。季風(fēng)引起的水體擾動(dòng)可能是球形棕囊藻藻華的主要因素之一(Hai et al, 2010)。

3.1.2 影響球形棕囊藻藻華的生物因素

在歐洲北海, 球形棕囊藻是春季常見(jiàn)有害藻華物種, 藻華發(fā)生時(shí)浮游植物演替往往出現(xiàn)硅藻—球形棕囊藻—硅藻的演替規(guī)律(Rousseau et al, 2002;Lancelot et al, 2007)。相對(duì)于高緯度海區(qū), 此次大鵬灣球形棕囊藻藻華演替則表現(xiàn)略有不同。球形棕囊藻藻華發(fā)生在硅藻(中肋骨條藻)藻華后, 而甲藻(紅色赤潮藻)藻華在球形棕囊藻藻華消退后發(fā)生, 出現(xiàn)了硅藻—球形棕囊藻—甲藻的藻華演替模式。

在1 月20 日至22 日, 硅藻藻華爆發(fā)過(guò)程中,各類(lèi)營(yíng)養(yǎng)鹽被快速消耗。期間海域中N 和Si 元素仍充裕, 但磷酸鹽濃度由 0.29μmol·L-1降至0.07μmol·L-1。依據(jù)Nelson 等(1990)提出的浮游植物營(yíng)養(yǎng)鹽的最低閾值(磷酸鹽為 0.1μmol·L-1)來(lái)判斷,海區(qū)出現(xiàn)P 限制。以此為拐點(diǎn), 23 日, 球形棕囊藻豐度快速上升而中肋骨條藻豐度下降, 葉綠素a含量大幅上升, 隨后, 硅酸鹽濃度也開(kāi)始回升(24 日), 表明硅藻在競(jìng)爭(zhēng)中不再占據(jù)優(yōu)勢(shì)而由球形棕囊藻貢獻(xiàn)主要的初級(jí)生產(chǎn)力。實(shí)驗(yàn)表明, 在P 限制條件下, 球形棕囊藻比硅藻更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)(王艷 等, 2013)。

據(jù)以往的野外觀察總結(jié), 棕囊藻藻華往往發(fā)生在硅藻藻華之后(趙越 等, 2019)。硅藻的衰亡對(duì)棕囊藻藻華的益處是多方面的。一方面硅藻細(xì)胞的裂解為海域帶來(lái)大量有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 已有研究表明球形棕囊藻能夠利用有機(jī)態(tài)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)包括有機(jī)磷源(王艷 等, 2006; 沈萍萍 等, 2018; 黃肖陽(yáng) 等,2019) , 因此即便海域已處于寡無(wú)機(jī)磷狀態(tài), 球形棕囊藻藻華仍能爆發(fā)。另一方面, 死亡硅藻的硅質(zhì)殼為棕囊藻單細(xì)胞提供附著基質(zhì), 有助于囊體的形成和生長(zhǎng)(Sanderson et al, 2008; Borkman et al, 2016)。在一些囊體中還能觀察到硅藻的包埋(Sazhin et al,2007)。據(jù)調(diào)查, 棕囊藻赤潮伴生的硅藻多為較大型硅藻和鏈狀硅藻((Rousseau et al, 1994; 徐寧 等,2003; Poulton et al, 2007; 王超 等, 2010; 賀成 等,2019), 其中就包括骨條藻。本次觀測(cè)到的中肋骨條藻和球形棕囊藻藻華的演替再次說(shuō)明了棕囊藻與硅藻在群落中內(nèi)在競(jìng)爭(zhēng)與依賴(lài)的關(guān)系。

1 月27 日, 紅色赤潮藻豐度上升。隨后的28日, 紅色赤潮藻豐度猛增1 個(gè)數(shù)量級(jí), 而球形棕囊藻豐度快速下降且囊體數(shù)量縮減為27 日的1/2, 囊體直徑并未觀察到明顯的變化。由于未觀察到其他環(huán)境因子的劇烈波動(dòng)足以引起球形棕囊藻豐度如此劇烈的下降, 因此生物因素, 即紅色赤潮藻藻華的暴發(fā)很可能是本次球形棕囊藻藻華衰亡的主要原因。紅色赤潮藻是一種混合營(yíng)養(yǎng)型甲藻, 可通過(guò)攝食其他微型生物獲取所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(Sanders,1991)。據(jù)報(bào)道, 紅色赤潮藻能夠攝食聚球藻(Synechococcus)(Jeong et al, 2005), 但是否能夠攝食棕囊藻尚未知曉。紅色赤潮藻能夠分泌胞外毒素裂解共存浮游植物, 包括球形棕囊藻(黃博珠, 2016)。共培養(yǎng)結(jié)果表明紅色赤潮藻對(duì)球形棕囊藻的生長(zhǎng)起到抑制作用, 且抑制率隨著紅色赤潮藻細(xì)胞密度的上升而提高, 而紅色赤潮藻自身生長(zhǎng)率受到共培養(yǎng)作用顯著提高(黃博珠, 2016)。這為推演本次球形棕囊藻衰亡潛在原因提供了基礎(chǔ)證據(jù), 可能情形如下:紅色赤潮藻通過(guò)釋放胞外毒素裂解囊體, 獲取大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 由此快速增長(zhǎng), 與之增長(zhǎng)的毒素進(jìn)而使得球形棕囊藻藻華整體消亡。當(dāng)29 日球形棕囊藻豐度降低到低水平時(shí), 紅色赤潮藻豐度也迅速回落,二者豐度在后續(xù)時(shí)間均處于較低水平, 即使此時(shí)水體中硝酸鹽和銨鹽仍然充裕。這反映了二者復(fù)雜的關(guān)系, 即球形棕囊藻藻華暴發(fā)為紅色赤潮藻藻華提供條件, 紅色赤潮藻反過(guò)來(lái)促使球形棕囊藻的消亡,隨后紅色赤潮藻藻華也無(wú)法維持, 開(kāi)始共同消退。

3.2 球形棕囊藻藻華對(duì)碳循環(huán)作用

藻華發(fā)生期間, 沿岸海水的pH 從7.6 逐漸提高至8.1, 說(shuō)明球形棕囊藻旺盛的光合作用, 吸收大量無(wú)機(jī)碳進(jìn)入水體。在藻華衰退期, 海水中溶解氧濃度下降了近2mg·L-1, 表明棕囊藻有機(jī)物的迅速分解和海洋細(xì)菌的高度活性導(dǎo)致了氧氣的減少。這些現(xiàn)象均說(shuō)明了棕囊藻藻華發(fā)生對(duì)區(qū)域海區(qū)有機(jī)碳循環(huán)的影響顯著。按照Smith 等(2014)的模型計(jì)算, 球形棕囊藻囊體平均含碳量達(dá)到20.6μg, 本次調(diào)查囊體最高豐度達(dá)到 69colonies·L-1, 總生物量約為1.4mgC·L-1。在目前發(fā)現(xiàn)的棕囊藻藻華生物量報(bào)道中, 約94%棕囊藻生物量低于1mgC·L-1, 低于本次研究報(bào)道的碳生物量。球形棕囊藻藻華的發(fā)生可能更加顯著地影響廣東沿海的碳循環(huán)過(guò)程。

4 結(jié)論

大鵬灣球形棕囊藻藻華發(fā)生過(guò)程中出現(xiàn)了硅藻(中肋骨條藻)—定鞭藻(球形棕囊藻)—甲藻(紅色赤潮藻)的藻華演替。球形棕囊藻藻華的發(fā)生受多種物理化學(xué)和生物因素的綜合影響, 其中主要理化因素為銨鹽和硝酸鹽, 水體擾動(dòng)也可能有利于藻華的形成。此外, 球形棕囊藻相對(duì)于硅藻的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)也可能起著重要作用。紅色赤潮藻藻華的發(fā)生可能是球形棕囊藻藻華消亡的原因。