南海浮游植物對沙塵和灰霾添加的響應(yīng)

牟英春,褚 強(qiáng),張 潮,賀敬怡,高會(huì)旺,2*

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南海浮游植物對沙塵和灰霾添加的響應(yīng)

牟英春1,褚 強(qiáng)1,張 潮1,賀敬怡1,高會(huì)旺1,2*

(1.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室,海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266071)

通過2016年5月~6月在南海3個(gè)站位開展的船基圍隔培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),研究了沙塵和灰霾添加對南海浮游植物生長和群落結(jié)構(gòu)變化的影響.結(jié)果發(fā)現(xiàn),沙塵和灰霾添加由于提供了N、P等營養(yǎng)鹽,整體上促進(jìn)了浮游植物的生長,且促進(jìn)程度與添加量密切相關(guān).通過定量計(jì)算營養(yǎng)鹽指數(shù)和葉綠素a累積濃度,發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)期間葉綠素a累積濃度與沙塵添加濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(2=0.87,<0.01);低濃度灰霾添加的作用與沙塵添加類似(2=0.91,<0.01),但當(dāng)灰霾濃度增大時(shí),葉綠素a累積濃度的增加受到一定程度的抑制,這可能與灰霾中含有較高含量的毒性物質(zhì)有關(guān).各粒級浮游植物葉綠素a濃度的變化表明,沙塵和低濃度灰霾添加使浮游植物優(yōu)勢種群由超微型向小型和微型轉(zhuǎn)變;在高濃度灰霾添加組,由于營養(yǎng)鹽與毒性物質(zhì)的綜合作用,浮游植物粒級結(jié)構(gòu)變化不明顯.超微型浮游植物細(xì)胞豐度測定結(jié)果表明,沙塵對聚球藻、原綠球藻和超微型真核浮游植物均表現(xiàn)出促進(jìn)作用,高濃度灰霾添加能夠抑制聚球藻和超微型真核浮游植物的生長.

沙塵；灰霾；南海；浮游植物；抑制作用；促進(jìn)作用

大氣沉降被認(rèn)為是上層海洋營養(yǎng)元素的重要來源,其帶來的氮(N)、磷(P)、鐵(Fe)等營養(yǎng)物質(zhì),能夠影響海洋浮游植物的生長,改變海洋對CO2的吸收以及其他氣體的海氣交換,并進(jìn)一步影響全球氣候變化[1-2].在高營養(yǎng)鹽、低葉綠素海區(qū)(HNLC),50%的C固定來自于大氣沉降中Fe的貢獻(xiàn)[1],在占全球海洋面積60%的低營養(yǎng)鹽、低葉綠素海區(qū)(LNLC),大氣沉降能夠通過多種形式緩解海區(qū)營養(yǎng)鹽限制進(jìn)而影響海洋初級生產(chǎn)力[3-4].目前,對大氣沉降及其海洋影響的研究多集中于大西洋、地中海和南大洋區(qū)域,而對南海的研究相對較少[5-6].

沙塵沉降作為海洋營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源,每年帶來的N營養(yǎng)元素約占表層海洋需N量的1/3,帶來的Fe營養(yǎng)元素對表層海洋中的Fe有巨大貢獻(xiàn)[7],而帶來的其他營養(yǎng)物質(zhì)以及痕量元素也可能對海洋表層浮游植物的生長和群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[8].已有研究發(fā)現(xiàn),沙塵中的高濃度N能夠?qū)е赂∮沃参锉┌l(fā)性增長,沙塵中的P和Fe能夠促進(jìn)N的固定,促使浮游植物生物量發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致浮游植物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的改變,能夠促進(jìn)聚球藻細(xì)胞豐度的增加,而對原綠球藻沒有顯著影響[6,9-12].這些研究較多關(guān)注了沙塵對浮游植物生長影響的現(xiàn)象,但對于沙塵濃度與浮游植物生物量之間定量關(guān)系研究較為缺乏.

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,以灰霾污染為主要特征的大氣污染已成為全球關(guān)注的大氣環(huán)境問題[13].然而,目前世界范圍內(nèi)對灰霾沉降及其影響的研究較少,灰霾沉降物中含有較高濃度的N、P等營養(yǎng)物質(zhì)和Cu、Pb、Zn等痕量金屬元素[14],其中Cu、Zn等痕量金屬是浮游植物生長的必需元素,但在亞北極太平洋的研究發(fā)現(xiàn),若這些金屬元素在海水中超過一定的濃度閾值時(shí),就會(huì)對浮游植物的生長產(chǎn)生毒性作用[1,15-16].通過研究發(fā)現(xiàn),高濃度的灰霾顆粒(2mg/L, [Cu]≈10-9mol/L)沉降到海洋中會(huì)抑制海洋浮游植物的生長,進(jìn)而影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[17].同時(shí),有研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)海水中Cu的濃度高于10-12mol/L時(shí),就會(huì)抑制聚球藻的生長[18].但就目前而言,人們對灰霾沉降如何影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)識仍嚴(yán)重不足.

南海是世界上最大的邊緣海之一,葉綠素a濃度和N、P等營養(yǎng)元素的濃度都較低[3],具有典型的寡營養(yǎng)鹽特征[2,19].受季風(fēng)的影響,亞洲沙塵及其攜帶的N、P、Fe等營養(yǎng)物質(zhì)能夠經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸?shù)街袊虾：^(qū),對浮游植物的生長產(chǎn)生影響[20-21].另外,有研究表明,南海每年約20%的新生產(chǎn)力來源于大氣N沉降,在未來幾十年里,南海將成為世界上大氣N沉降增加最快的邊緣海[22-23].同時(shí),南海毗鄰的中國大陸及東南亞各國是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的區(qū)域之一,高排放導(dǎo)致灰霾天氣及其伴隨的灰霾沉降可能會(huì)影響南海陸架與中央海盆,從而對海洋浮游植物的生長產(chǎn)生影響[24-26].

為了更好地理解沙塵和灰霾沉降對南海生態(tài)系統(tǒng)的影響,本文利用船基圍隔培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過營養(yǎng)鹽、沙塵和灰霾添加,研究了沙塵和灰霾對浮游植物生物量及群落結(jié)構(gòu)變化的影響,沙塵和灰霾對聚球藻、原綠球藻和超微型真核浮游植物細(xì)胞豐度的影響.

1 材料與方法

1.1 船基圍隔培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2016年5月~6月搭載東方紅2號科考船在南海開展了3組船基圍隔培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),采樣站位是SEATs(18°04′N、116°05′E)、E4(19°08′N、112°16′E)和D5(22°00′N、118°25′E)(圖1),分別代表了海盆、陸架和陸坡3個(gè)不同特征的水域.利用Sea-Bird 911plus CTD采水系統(tǒng)在每個(gè)站位采集表層(2~5m)海水,經(jīng)過200μm篩絹過濾除去大粒徑浮游動(dòng)物后分裝到各培養(yǎng)桶中,待培養(yǎng)桶中海水體積約1/2時(shí),分別添加沙塵、灰霾(沙塵的最終濃度為0.33,1mg/L,灰霾的最終濃度為0.05,0.11mg/L)和各種營養(yǎng)鹽(表1),然后定容至規(guī)定體積(20L和2L),并輕輕晃動(dòng)培養(yǎng)桶使桶內(nèi)海水和添加物混合均勻,最后置于裝有循環(huán)海水的水槽中,遮光40%進(jìn)行現(xiàn)場培養(yǎng).每個(gè)站位的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)均設(shè)置20,2L 2種培養(yǎng)體積,分別用于研究沙塵、灰霾和N、P等營養(yǎng)物質(zhì)添加對浮游植物的影響.對照組和每個(gè)處理組均設(shè)置3個(gè)平行樣(實(shí)驗(yàn)結(jié)果以3個(gè)平行樣的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的方式呈現(xiàn)),培養(yǎng)時(shí)間為5~6d(含采樣當(dāng)天,第0d).

沙塵的添加濃度為0.33,1mg/L.根據(jù)研究表明,南海每年沙塵沉降量為2.5~52g/m2,沉降深度為27~57m[27],通過計(jì)算每年沉降到海洋表層的沙塵大約為0.04~1.9mg/L[19,21].灰霾添加根據(jù)沙塵添加濃度中無機(jī)氮含量相對添加,添加濃度為0.05, 0.11mg/L.N、P、Fe等營養(yǎng)鹽的添加濃度是依據(jù)Guo等[2]在南海實(shí)驗(yàn)的添加濃度而確定.

圖1 船基圍隔培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)海水采集站位

表1 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)添加方案

注:[DIN]為NO3-、NO2-和NH4+的濃度之和.Control代表對照組, Dust-L代表低濃度沙塵添加組,Dust-H代表高濃度沙塵添加組,Haze-L代表低濃度灰霾添加組,Haze-H代表高濃度灰霾添加組.

1.2 沙塵和灰霾樣品的采集和分析

實(shí)驗(yàn)中添加的沙塵樣品(Dust)為在騰格里沙漠(38°47′N、105°30′E)采集的表層土壤,經(jīng)過20μm篩網(wǎng)過濾、人工老化處理后[4],在－20℃冷凍保存的人工處理沙塵(簡稱為沙塵).灰霾樣品(Haze)為重度霾污染期間(2015年12月)在中國海洋大學(xué)嶗山校區(qū)采集的總懸浮顆粒物(TSP),采樣器為KC-1000大流量采樣器(青島嶗山電子公司),采樣時(shí)間為15h.

沙塵和灰霾顆粒中的營養(yǎng)鹽濃度采用Auto Analyzer 3營養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀進(jìn)行測定,溶解態(tài)的Fe、Cu、Zn等微量金屬元素采用Agilent 7500c ICP- MS進(jìn)行測定[28-29](表2).比較表2中沙塵和灰霾的化學(xué)組成可知:灰霾顆粒中的N、P等營養(yǎng)組分濃度明顯高于沙塵,溶解無機(jī)氮(DIN)濃度約為沙塵的8.8倍,SiO32-和PO43-濃度分別約為沙塵的4.6和7.6倍.灰霾中Cu、Pb等重金屬元素的濃度也高于沙塵,Cu濃度約為沙塵的40倍,Pb濃度約為沙塵的108倍.

表2 沙塵和灰霾顆粒中營養(yǎng)鹽和可溶性微量元素濃度

1.3 營養(yǎng)鹽濃度測定

培養(yǎng)期間,在第0,2,4d和最后1d早晨8:00采集水樣用于測定培養(yǎng)系統(tǒng)的營養(yǎng)鹽濃度.利用0.45μm的醋酸纖維濾膜過濾200mL水樣至高密度聚乙烯樣品瓶中,在-20℃條件下保存.將樣品帶回陸地實(shí)驗(yàn)室,并利用Auto Analyzer 3營養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀進(jìn)行NO3-、NO2-、NH4+、SiO32-和PO43-的測定.營養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀對NO3-、NO2-、NH4+、SiO32-和PO43-的檢測限分別為0.02,0.003,0.04,0.03和0.005μmol/L.

1.4 葉綠素a濃度測定

培養(yǎng)期間,每天早晨8:00采集水樣用于測定培養(yǎng)系統(tǒng)的葉綠素a濃度.從2L培養(yǎng)桶中取200mL水樣并經(jīng)Whatman GF/F濾膜過濾,濾膜用于測定總?cè)~綠素a濃度;從20L培養(yǎng)桶中取300mL水樣,依次經(jīng)20,2和0.2μm孔徑的Whatman濾膜過濾,濾膜用于測定分粒級(小型浮游植物20~200μm、微型浮游植物2~20μm和超微型浮游植物0.2~2μm)葉綠素a濃度.過濾后的濾膜在-20℃、避光條件下利用90%丙酮萃取18~24h,然后利用Trilogy(Turner Designs)熒光儀測定葉綠素a濃度.

1.5 超微型浮游植物細(xì)胞豐度測定

在培養(yǎng)期間的第0d和最后1d,從20L培養(yǎng)桶中取1.8mL水樣,然后加入0.2mL10%的多聚甲醛,室溫避光條件下放置15min,然后利用液氮速凍,速凍后的樣品在-20℃避光條件下保存,之后帶回陸地實(shí)驗(yàn)室利用Becton-Dickson FACSCalibur流式細(xì)胞儀測定超微型浮游植物的主要藻種——聚球藻、原綠球藻、超微型真核浮游植物picoeukaryotes的細(xì)胞豐度.

1.6 數(shù)據(jù)分析

文中使用單因素方差分析(ANOVA)的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn).

2 結(jié)果與分析

2.1 培養(yǎng)站位表層海水初始特征

表3 培養(yǎng)站位信息

培養(yǎng)站位表層海水初始營養(yǎng)鹽和葉綠素a濃度均較低(表3).在3個(gè)站位中,NO3-+NO2-濃度為0.06~ 0.09μmol/L;PO43-濃度低于0.03μmol/L,陸坡(D5)處濃度最高,陸架(E4)和海盆(SEATs)濃度相當(dāng);硅酸鹽的濃度為1.28~2.11μmol/L,葉綠素a濃度低于0.19μg/L,海盆處(SEATs)最高.在3個(gè)站位中,各粒級浮游植物均為超微型浮游植物占主導(dǎo),其對總?cè)~綠素a質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)率約為84%~86%.

2.2 營養(yǎng)鹽添加組總?cè)~綠素a濃度與營養(yǎng)鹽濃度的變化

培養(yǎng)期間,SEATs、E4和D5站浮游植物對N+P+Fe和N+P添加的響應(yīng)最顯著(ANOVA,<0.05),但N+P+Fe與N+P組之間沒有顯著差異(ANOVA,>0.05).其中,N+P組中葉綠素a濃度最大值依次是1.29,1.38和0.87μg/L,分別是其對照組的4.6、9.2和4.8倍(圖2).單獨(dú)添加N或者P,也能一定程度上促進(jìn)浮游植物生長,加N組中葉綠素a濃度最大值是對照組的1.2~2倍,加P組是對照組的1.2~ 1.9倍.在SEATs站位(其他站位沒有做Fe的添加實(shí)驗(yàn)),加Fe組中葉綠素a濃度與對照組相比并沒有顯著差異(ANOVA,>0.05).

圖2 各站位營養(yǎng)鹽添加組總?cè)~綠素a濃度的變化

2.3 沙塵和灰霾添加組總?cè)~綠素a濃度與營養(yǎng)鹽濃度的變化

沙塵和灰霾添加組中,各站總?cè)~綠素a濃度在培養(yǎng)期間相較于對照組均顯著增加(ANOVA,<0.05)(圖3),并呈現(xiàn)雙峰變化的特征.在培養(yǎng)第1d達(dá)到第1個(gè)峰值,第2~3d處于下降(SEATs)或平緩變化(E4、D5)過程,第4~6d再次增長達(dá)到第2個(gè)峰值(培養(yǎng)過程的最大值).沙塵添加組中,葉綠素a濃度隨沙塵添加量的增加而增大:Dust-L組中葉綠素a濃度最大值為對照組的2.0~2.9倍;Dust-H組中葉綠素a濃度最大值為對照組的3.7~5.6倍.灰霾添加組中,葉綠素a濃度隨灰霾添加量的增加呈先增大后降低的趨勢:Haze-H組中葉綠素a濃度最大值為對照組的1.5~3.7倍,且在SEATs站Haze-L組中葉綠素a濃度最大值要高于Haze-H組,是對照組的2.2倍.

沙塵添加組中,NO3-+NO2-、SiO32-和PO43-濃度在培養(yǎng)過程中整體呈下降趨勢(圖4).在葉綠素a濃度達(dá)到最大值當(dāng)天(SEATs和D5站的第6d和E4站的第4或5d),NO3-+NO2-濃度為初始濃度的0%~72%,SiO32-濃度為初始濃度的72%~86%. SEATs站PO43-濃度為初始濃度的77%~81%,E4和D5站PO43-濃度無明顯變化.灰霾添加組中,Haze-H的NO3-+NO2-最終濃度在SEATs和E4站分別是初始濃度的1.7和2.5倍.D5站位NO3-+NO2-濃度下降為初始濃度的87%;各站位SiO32-和PO43-濃度變化不明顯.

圖3 各站位沙塵和灰霾添加組總?cè)~綠素a濃度的變化

3 討論

3.1 沙塵和灰霾添加對浮游植物生長的影響

3.1.1 浮游植物生長的營養(yǎng)鹽限制 營養(yǎng)鹽限制會(huì)影響海洋浮游植物的群落結(jié)構(gòu)、初級生產(chǎn)力和海洋碳循環(huán)[30],在南大洋、赤道太平洋上升流區(qū)及亞北極太平洋等HNLC海區(qū),Fe是浮游植物生長的主要限制性營養(yǎng)鹽[31-32];北大西洋副熱帶區(qū)域和西北太平洋熱帶區(qū)域等LNLC海區(qū),N是主要限制性營養(yǎng)鹽[33];一些研究中也發(fā)現(xiàn),在貧營養(yǎng)環(huán)境中,由于水體中營養(yǎng)鹽含量極低,浮游植物的生長可能受到多種營養(yǎng)鹽的共同影響[6].本培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中,3個(gè)站位海水的初始N、P營養(yǎng)鹽濃度均處于較低水平(表3),是典型的貧營養(yǎng)鹽水體.在各營養(yǎng)鹽添加實(shí)驗(yàn)中,僅N與P同時(shí)添加時(shí)(N+P和N+P+Fe組)葉綠素a濃度有顯著增加,明顯高于加N組、加P組和加Fe組(圖2),表明3個(gè)站位浮游植物的生長受到了N和P的共同限制.這種營養(yǎng)鹽限制狀況,在海盆、陸架和陸坡等不同海域并沒有顯示區(qū)域性差異.其他研究中,Wu等[34]認(rèn)為N是南海主要的限制性營養(yǎng)鹽,而Guo等[2]在研究中發(fā)現(xiàn)南海浮游植物的生長并非只受到N的限制.在其他貧營養(yǎng)鹽海區(qū)的研究中,Moore等[30]發(fā)現(xiàn),亞熱帶北大西洋N和P營養(yǎng)鹽含量同樣處于較低水平,N+P添加組葉綠素a的生長量要明顯高于單獨(dú)加N組和加P組,也表現(xiàn)出了N和P的共同限制作用.由于海洋生態(tài)系統(tǒng)中浮游植物種類較多,不同藻種對營養(yǎng)鹽的需求不同,而表層海水的營養(yǎng)鹽供給也容易受到多種外源因素的影響,因此營養(yǎng)鹽限制問題還需要進(jìn)一步研究.

3.1.2 沙塵和灰霾添加對浮游植物生長的促進(jìn)作用 沙塵和灰霾添加在一定程度上優(yōu)化了海水的初始營養(yǎng)鹽狀況,促進(jìn)了浮游植物的生長.為反映不同濃度的沙塵和灰霾添加對浮游植物生長的影響,引入CEI(營養(yǎng)鹽指數(shù))表征沙塵和灰霾添加前后海水的營養(yǎng)鹽水平[35],CC(葉綠素a累積濃度)表征培養(yǎng)期間葉綠素a的累積量:

式中:代表培養(yǎng)體系中每種營養(yǎng)鹽的初始濃度;代表營養(yǎng)鹽的種類;代表葉綠素a濃度.

式中:[DIN]和[DIP]分別代表NO3-+ NO2-+ NH4+和PO43-的濃度;[Si]代表SiO32-的濃度.

通過對各站位沙塵添加組和對照組第0d的CEI與各對應(yīng)組前5d的CC進(jìn)行線性擬合(圖5),發(fā)現(xiàn)CEI與CC呈明顯的正相關(guān)關(guān)系(2=0.87,<0.01),即沙塵添加濃度越高,葉綠素a累積濃度越大.比較圖5中灰霾添加組CEI與CC的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)當(dāng)灰霾濃度較低時(shí),CEI與CC呈明顯的正相關(guān)關(guān)系(2=0.91,<0.01),灰霾對浮游植物的促進(jìn)作用與沙塵添加組相似,但當(dāng)灰霾濃度增大時(shí)(圖中黑色圓圈內(nèi)的點(diǎn)),灰霾添加組的CC要明顯低于沙塵添加組.通過對比灰霾添加組和沙塵添加組中的營養(yǎng)元素及可溶性重金屬元素的濃度發(fā)現(xiàn)(表2),Haze-H組中的DIN含量與Dust-H組中含量相當(dāng),但是Haze-H組中含有的可溶性重金屬Cu、Pb等的濃度明顯較高.Haze- H組中,CC的偏離可能是由于重金屬對浮游植物存在一定程度的毒性作用.有研究表明,如果氣溶膠中重金屬Cu濃度超過2mg Cu/(mg Chl),會(huì)對浮游植物的生長產(chǎn)生毒性作用,降低浮游植物的初級生產(chǎn)力[1].即當(dāng)灰霾中重金屬濃度未達(dá)到浮游植物生長毒性閾值時(shí),海水中的營養(yǎng)鹽濃度與浮游植物的生長量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系,但當(dāng)重金屬濃度過高,灰霾則呈現(xiàn)對浮游植物生長的抑制作用.

圖5 葉綠素a累積濃度隨營養(yǎng)鹽指數(shù)的變化

□對照組,●沙塵添加組,▲灰霾添加組;長線由沙塵組擬合得到,短線由灰霾組擬合得到

與對照組相比,灰霾和沙塵的添加在3個(gè)站中的總體作用相似,都能夠促進(jìn)浮游植物的生長.同時(shí),不同站位相同培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)的葉綠素a累積濃度差異也不明顯(ANOVA,>0.05)(圖6).低濃度與高濃度沙塵添加組中,葉綠素a累積濃度隨站位的變化相似,E4站稍大,SEATs和D5站次之.灰霾添加組中,3個(gè)站位葉綠素a累積濃度無差異.對比3個(gè)站位的初始狀態(tài)(表3),其理化特征(溫度、鹽度、營養(yǎng)鹽濃度)及生物學(xué)特征(總?cè)~綠素a濃度及不同粒級浮游植物的比例)均沒有明顯差異.因此,當(dāng)添加相同濃度的沙塵和灰霾時(shí),各站位葉綠素a累積濃度之間也會(huì)保持一致.

圖6 各培養(yǎng)站位沙塵和灰霾添加組葉綠素a累積濃度的對比

3.2 沙塵和灰霾添加組浮游植物的生長變化過程

3.2.1 沙塵和灰霾添加組葉綠素a濃度的變化 在過去的研究中,現(xiàn)場觀測和模型模擬更多地關(guān)注浮游植物受營養(yǎng)鹽影響的最終結(jié)果,對其增長變化過程的研究較少[2,36-37].在培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),沙塵和灰霾添加組葉綠素a濃度變化呈現(xiàn)雙峰分布特征(圖2~3):在培養(yǎng)的第1d就有明顯增長,第4~6d出現(xiàn)再次增長.Paytan等[1]的研究中也曾出現(xiàn)了浮游植物生長的雙峰現(xiàn)象,但沒做具體討論.沙塵和灰霾添加均能促進(jìn)各粒級浮游植物的生長,從總?cè)~綠素a和分粒級葉綠素a濃度的變化可以看出(圖3,圖7),葉綠素a的第1個(gè)峰值是由于超微型浮游植物能夠較快地利用添加的營養(yǎng)物質(zhì),因此出現(xiàn)了浮游植物的短暫生長;在第1個(gè)峰值之后,葉綠素a濃度出現(xiàn)下降或平緩變化的現(xiàn)象,可能是由于更多種類的浮游植物對添加營養(yǎng)鹽的適應(yīng)過程導(dǎo)致的;由于小型、微型浮游植物和超微型浮游植物的共同增長造成了第4~6d葉綠素a濃度的快速增加.

在3個(gè)站位中(圖3),SEATs站對照組葉綠素a濃度與沙塵和灰霾添加組的增長趨勢相似,均在第1~2d出現(xiàn)第1個(gè)峰值,但沙塵和灰霾的添加促進(jìn)了葉綠素a濃度第2個(gè)峰值的形成.同時(shí),與對照組相比,沙塵和灰霾添加能為浮游植物提供營養(yǎng)物質(zhì),使添加組第1個(gè)峰值略高于對照組.E4站,沙塵和灰霾添加能夠明顯促進(jìn)雙峰現(xiàn)象的出現(xiàn),可能是由于該區(qū)域浮游植物能夠較快適應(yīng)營養(yǎng)環(huán)境的變化.D5站,灰霾添加組中,葉綠素a濃度的雙峰現(xiàn)象不明顯,對比灰霾添加組各粒級葉綠素a濃度變化可見,灰霾的添加在培養(yǎng)第1天并沒有明顯促進(jìn)超微型浮游植物的生長,這可能是由于在D5站位灰霾添加組的重金屬對超微型浮游植物的生長表現(xiàn)出了抑制作用.

3.2.2 沙塵和灰霾添加組浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化 沙塵和灰霾的添加能夠通過影響不同粒級浮游植物的生長優(yōu)勢來改變浮游植物的群落結(jié)構(gòu).通過培養(yǎng)過程中第0,1d和最后1d(出現(xiàn)第2個(gè)峰值)各粒級葉綠素a占總?cè)~綠素a比例發(fā)現(xiàn)(圖8~9):在培養(yǎng)第1d(出現(xiàn)第1個(gè)峰值)與第0d相比變化不明顯,仍然是超微型浮游植物占絕對優(yōu)勢,這也是導(dǎo)致總?cè)~綠素a濃度在培養(yǎng)第1d出現(xiàn)一個(gè)峰值的原因;但最后1d與對照組相比,各站位添加組中超微型浮游植物貢獻(xiàn)率有明顯變化.

SEATs站培養(yǎng)的最后1d,在對照組,超微型浮游植物葉綠素a濃度占總?cè)~綠素a濃度的比例仍在80%以上;在低、高濃度沙塵添加組,超微型浮游植物葉綠素a濃度占總?cè)~綠素a濃度比例降為32%和24%.在E4站位,對照組超微型浮游植物貢獻(xiàn)率降為58%,低、高濃度沙塵組超微型浮游植物的貢獻(xiàn)率較對照組貢獻(xiàn)率下降更明顯,分別為45%和39%.在D5站,對照組超微型浮游植物貢獻(xiàn)率降為67%,低、高濃度沙塵組超微型浮游植物貢獻(xiàn)率略有下降,分別為61%和48%.可見,培養(yǎng)開始時(shí),各站位超微型浮游植物占比具有明顯優(yōu)勢(84%~86%),沙塵添加后,能夠顯著提高小型和微型浮游植物的比率,明顯降低超微型浮游植物的比率,使浮游植物優(yōu)勢種群由超微型向小型和微型浮游植物轉(zhuǎn)變.

圖7 各站位灰霾和沙塵添加組不同粒級葉綠素a濃度的變化

C、L、H分別代表對照組、低濃度沙塵添加組、高濃度沙塵添加組

在SEATs站,培養(yǎng)的最后1d,低濃度灰霾添加組中超微型浮游植物貢獻(xiàn)率比例降為26%,明顯低于對照組;高濃度灰霾添加組中,超微型浮游植物貢獻(xiàn)率降為55%,與對照組相比變化不大.在E4和D5站,灰霾添加組各粒級浮游植物的比例與對照組相比無顯著差異.培養(yǎng)初期,超微型浮游植物貢獻(xiàn)率最大,但在培養(yǎng)末期,各粒級浮游植物都有一定程度增長,導(dǎo)致了群落結(jié)構(gòu)的一定變化,使超微型浮游植物占絕對優(yōu)勢(>80%)變?yōu)橐猿⑿透∮沃参餅橹?>50%).

圖9 各站位灰霾添加組分粒級葉綠素a貢獻(xiàn)率的變化

C、L、H分別代表對照組、低濃度灰霾添加組、高濃度灰霾添加組

南海等寡營養(yǎng)海區(qū),超微型浮游植物具有競爭優(yōu)勢,因此成為海區(qū)浮游植物的優(yōu)勢種群.而在營養(yǎng)鹽添加條件下,硅藻等小型浮游植物具有較強(qiáng)的吸收營養(yǎng)鹽能力[2,38-39],在種間競爭中逐漸占優(yōu),故導(dǎo)致在有沙塵添加的條件下,由超微型浮游植物占絕對優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)樾⌒突蛭⑿驼純?yōu).高濃度灰霾添加組與對照組相比,在培養(yǎng)末期各站位并沒有出現(xiàn)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的明顯變化,這可能是由于高濃度灰霾中既含有豐富的營養(yǎng)鹽,也含有較高濃度的Cu、Pb等重金屬,這些物質(zhì)對小型和微型浮游植物生長的促進(jìn)和抑制作用可能產(chǎn)生了某種程度的抵消.

3.3 沙塵和灰霾添加對超微型浮游植物的影響

在南海的貧營養(yǎng)海域,相對于硅藻等小型浮游植物,超微型浮游植物能夠更好地適應(yīng)低營養(yǎng)鹽環(huán)境,在浮游植物群落中占有明顯的優(yōu)勢[2].本研究對比了培養(yǎng)第0和最后1d聚球藻(Syn)、原綠球藻(Pro)和超微型真核浮游植物(Peuk)在沙塵和灰霾添加組中的細(xì)胞豐度變化(圖10).沙塵添加組與對照組相比,培養(yǎng)的最后1d各站超微型浮游植物的細(xì)胞豐度都有明顯增大.SEATs站低、高濃度沙塵添加組原綠球藻分別是對照組的2.1倍和1.7倍,聚球藻和超微型真核浮游植物略有增長.E4站低、高濃度沙塵添加組原綠球藻細(xì)胞豐度略有變化,聚球藻細(xì)胞豐度分別為對照組的1.7倍和1.8倍;超微型真核浮游植物細(xì)胞豐度分別為對照組的2.8倍和3.9倍.D5站低、高濃度沙塵添加組3種藻種細(xì)胞豐度都有一定的增長,原綠球藻細(xì)胞豐度分別是對照組的1.8倍和1.7倍,聚球藻分別為對照組的2.3倍和3.0倍,超微型真核浮游植物分別為對照組的3.0倍和2.0倍.由此可見,低、高濃度沙塵對超微型浮游植物藻種生長的影響與沙塵添加量沒有明顯的正相關(guān)關(guān)系.灰霾添加組與沙塵添加組不同,培養(yǎng)的最后1d,各站位高濃度灰霾組的原綠球藻與對照組相比變化不大,但聚球藻和超微型真核浮游植物有不同程度的降低,SEATs、E4和D5站位聚球藻細(xì)胞豐度分別降為對照組的10%、19%和59%,超微型真核浮游植物分別降為對照組的71%、48%和48%.由此可見,高濃度灰霾對聚球藻和超微型真核浮游植物生長有一定的抑制作用,而對原綠球藻無明顯的抑制作用.Paytan等[1]發(fā)現(xiàn),自然沙塵對原綠球藻、聚球藻和超微型真核浮游植物的生長有促進(jìn)作用,而含有高濃度重金屬的撒哈拉沙塵對聚球藻和超微型真核浮游植物有一定的毒性作用.本實(shí)驗(yàn)中,由于灰霾中含有較高濃度的重金屬,導(dǎo)致了聚球藻和超微型真核浮游植物細(xì)胞豐度的減少.

有研究認(rèn)為,超微型浮游植物的碳含量是高營養(yǎng)級生物的有機(jī)碳來源,也對上層海洋向深海的碳輸出有貢獻(xiàn)[38].本文定義CA為超微型浮游植物碳生物量(mg/m3),b為超微型浮游植物細(xì)胞豐度,為碳轉(zhuǎn)化因子,則根據(jù)樂鳳鳳等[38]的公式,

CA=b×

參照Liu等[40]的工作,在海洋表層,聚球藻和原綠球藻的碳轉(zhuǎn)化因子分別是67fg (10-12mg)/cell和24fg/cell,超微型真核浮游植物的碳轉(zhuǎn)化因子是1500fg/cell.

圖10 各站位超微型浮游植物細(xì)胞豐度的變化

由此得到了沙塵和灰霾添加組總碳生物量(聚球藻、原綠球藻和超微型真核浮游植物碳生物量的總和)的分布(圖11).培養(yǎng)最后1d與培養(yǎng)第0d相比,各站位對照組的碳生物量都有一定量增加.沙塵的添加能夠促進(jìn)超微型浮游植物總碳生物量的增大,培養(yǎng)的最后1d,在SEATs站,低、高濃度沙塵添加組總碳生物量分別是對照組的1.3倍和1.2倍;在E4站,低、高濃度沙塵添加組總碳生物量分別是對照組的2.2倍和2.9倍;在D5站,低、高濃度沙塵添加組總碳生物量分別是對照組的2.5倍和2.2倍.由于超微型真核浮游植物的細(xì)胞含碳量較大且其細(xì)胞豐度隨沙塵濃度變化較小,導(dǎo)致低濃度和高濃度沙塵之間總碳生物量差異較小.在SEATs、E4和D5站,灰霾添加導(dǎo)致超微型浮游植物總碳生物量的減少,培養(yǎng)最后1d分別降為對照組的63%、51%和74%.由于各超微型浮游植物不同的細(xì)胞碳含量及培養(yǎng)前后所占比例的變化,總體來看灰霾添加對超微型浮游植物葉綠素a濃度有促進(jìn)作用(圖7),而對細(xì)胞豐度和碳生物量有一定的抑制作用(圖10,圖11).這種高濃度灰霾對超微型浮游植物固碳的抑制作用,可能會(huì)對貧營養(yǎng)海區(qū)的碳循環(huán)過程以及海洋表層向深層的碳輸出產(chǎn)生影響,因此大氣灰霾沉降對海洋生物地球化學(xué)過程影響的研究亟待加強(qiáng).

4 結(jié)論

4.1 在南海的陸坡、陸架和海盆區(qū)域,海洋表層浮游植物的生長均受到N和P的共同限制.沙塵和灰霾添加均能夠促進(jìn)浮游植物的生長,且培養(yǎng)期間葉綠素a累積濃度與沙塵添加濃度之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系.在南海的3個(gè)不同海區(qū),沙塵和灰霾添加對浮游植物生長的影響無顯著差別.

4.2 在沙塵和灰霾添加實(shí)驗(yàn)中,葉綠素a濃度的變化呈現(xiàn)雙峰分布特征,第1~2d出現(xiàn)第1個(gè)峰值,主要是超微型浮游植物的生長造成的;在第5~6d出現(xiàn)浮游植物的再次增長,第2個(gè)峰值是小型、微型和超微型3種粒級浮游植物的共同貢獻(xiàn),且在陸坡(E4)區(qū)域的雙峰現(xiàn)象最為明顯.

4.3 沙塵和低濃度灰霾溶出的營養(yǎng)鹽使小型和微型浮游植物葉綠素a濃度增加幅度較大,浮游植物粒級結(jié)構(gòu)由超微型向小型和微型轉(zhuǎn)移,超微型浮游植物貢獻(xiàn)率由高于80%降至24%~61%;在高濃度灰霾添加組,由于營養(yǎng)鹽與毒性物質(zhì)的綜合作用,小型和微型浮游植物的生長幅度較小,浮游植物粒級結(jié)構(gòu)變化不明顯,培養(yǎng)期間超微型浮游植物的貢獻(xiàn)率始終高于50%.

4.4 沙塵添加能夠促進(jìn)超微型浮游植物細(xì)胞豐度和碳生物量的增加,而高濃度灰霾添加抑制聚球藻和超微型真核浮游植物的生長,從而降低超微型浮游植物的細(xì)胞豐度和碳生物量.

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致謝：感謝中國海洋大學(xué)張國玲老師對本研究中營養(yǎng)鹽樣品測定的幫助、石金輝老師組對氣溶膠樣品采集和測定的幫助、高陽老師對文章內(nèi)容修改的幫助;感謝國家海洋局第一海洋研究所王宗靈課題組對研究中超微型浮游植物樣品的測定;感謝為實(shí)驗(yàn)提供幫助的所有老師和同學(xué).

Responses of phytoplankton to dust and haze particle additions in the South China Sea.

MU Ying-chun1, CHU Qiang1, ZHANG Chao1, HE Jing-yi1, GAO Hui-wang1,2*

(1.Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China；2.Laboratory for Marine Ecology and Environmental Science, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China)., 2018,38(9)：3512~3523

On-board incubation experiments were conducted at three sampling stations from May to June 2016 in the South China Sea (SCS) to explore the impact of dust and haze addition on phytoplankton biomass and community structure. By providing the nutrients such as N and P, the addition of dust and haze in general promoted the growth of phytoplankton, and the promotion magnitude is tightly related to the amount of dust and haze addition. By calculation of nutrient index and chlorophyll a cumulative concentration, it was found that the accumulatedchlorophyll a during the incubation experiment showed statistically significant positive correlation with the amount of added dust (2=0.87,<0.01); In terms of the dust, similar promotion mechanism was found when the haze concentration was low (2=0.91,<0.01). However, when the haze concentration continued to increase, the accumulation of chlorophyll a was hindered to some extent, likely an effect of the high content of toxic substances in haze. Size-fraction chlorophyll a showed that the addition of dust and low concentration of haze facilitated that the transition of dominant phytoplankton species from pico-sized phytoplankton to micro- and nano-sized phytoplankton, while the synthetic effect of nutrients and toxic substance, resulting from the addition of high haze concentration, yielded no obvious effect on the size structure of phytoplankton. The pico-sized phytoplankton abundance tests showed that the dust addition promoted the development of all three species includingand picoeukaryotes, whereas the addition of high concentration haze addition may inhibit the growth ofand picoeukaryotes.

dust；haze；South China Sea；phytoplankton；inhibition；promotion

X513

A

1000-6923(2018)09-3512-12

牟英春(1991-),女,山東濱州人,中國海洋大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)楹Ｑ笊鷳B(tài)動(dòng)力學(xué).

2018-01-29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41210008);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項(xiàng)目(2014CB953702)

* 責(zé)任作者, 教授, hwgao@ouc.edu.cn