黃海春季貧營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)水域浮游植物對(duì)灰霾添加的響應(yīng)?

王 欽， 張 潮，2， 賈世杰， 金昊宇， 高會(huì)旺，2??

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266100； 2.中國(guó)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)

大氣沉降是陸源物質(zhì)輸送入海的重要方式。大氣沉降帶來的常量元素(氮(N)、磷(P)等)和微量元素(鐵(Fe)、鎂(Mg)等)，在豐富海洋營(yíng)養(yǎng)鹽儲(chǔ)庫(kù)的同時(shí)，也影響了浮游植物的生長(zhǎng)和群落結(jié)構(gòu)[1-2]，從而調(diào)節(jié)海洋中碳(C)、N、P等元素的生物地球化學(xué)循環(huán)[3-5]。許多研究表明，貧營(yíng)養(yǎng)海域浮游植物對(duì)大氣沉降表現(xiàn)出較為明顯的響應(yīng)[6-7]。例如，Zhang等[4]在西太平洋低營(yíng)養(yǎng)鹽低葉綠素(LNLC)海域的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，大氣沉降可以通過提供限制性營(yíng)養(yǎng)鹽(N)來促進(jìn)浮游植物的生長(zhǎng)并影響群落粒徑分布。與貧營(yíng)養(yǎng)海域相比，富營(yíng)養(yǎng)海域營(yíng)養(yǎng)鹽儲(chǔ)量較為充足，通常認(rèn)為大氣沉降的影響不明顯。然而，Kim等[7]基于大量觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)大氣沉降是造成黃海部分海域N相對(duì)P過剩的主要原因；Zheng等[8]發(fā)現(xiàn)，大氣沉降對(duì)渤海中部海域N儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)達(dá)到近30%。在此背景下，相比于大氣沉降對(duì)近海營(yíng)養(yǎng)鹽儲(chǔ)量貢獻(xiàn)的研究，人們對(duì)大氣沉降由此引起的生態(tài)效應(yīng)并不明確。

黃海位于太平洋西北部，是一個(gè)半封閉的邊緣海，受陸源物質(zhì)影響顯著。黃海近岸至中部區(qū)域，營(yíng)養(yǎng)水平呈現(xiàn)較大的差異[13-14]。因此，本研究選取黃海營(yíng)養(yǎng)水平顯著不同的兩個(gè)站點(diǎn)開展灰霾加富的船基圍隔培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，通過測(cè)定培養(yǎng)期間分級(jí)Chl-a、營(yíng)養(yǎng)鹽、堿性磷酸酶活性(APA)等參數(shù)，旨在闡明灰霾天大氣沉降對(duì)貧營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)水域浮游植物生長(zhǎng)及對(duì)粒級(jí)結(jié)構(gòu)影響的異同。

1 材料與方法

1.1 灰霾樣品的采集與成分分析

本研究于2019年1月12日在中國(guó)海洋大學(xué)嶗山校區(qū)(36°9′39″N，120°29′29″E)采集了用于船基圍隔培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的氣溶膠樣品。因氣溶膠樣品是在灰霾天采集，故在下文中將灰霾天采集的氣溶膠簡(jiǎn)稱為灰霾，添加灰霾的培養(yǎng)組稱為灰霾添加組?；姻矘悠肥抢肒C-1000型大流量采樣器(青島嶗山電子儀器總廠有限公司)連續(xù)采集20 h得到的，采樣流量為1.05 m3·min-1。采樣膜為醋酸纖維膜(Whatman 41)，預(yù)處理過程參考文獻(xiàn)[15]。采集時(shí)的空氣濕度為80%～94%，能見度小于2 km，且PM2.5質(zhì)量(161～263 μg·m-3)約占PM10的73%(152～322 μg·m-3)，屬于重污染天氣。分別用離子色譜儀(ICS-3000, Dionex)和電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS: ELAN DRCII, Perkin Elmer Ltd.)測(cè)量灰霾樣品中的溶解性營(yíng)養(yǎng)鹽和金屬元素含量，結(jié)果見表1。

表1 灰霾樣品中營(yíng)養(yǎng)鹽和金屬元素的濃度

1.2 船基圍隔培養(yǎng)試驗(yàn)

本研究于2019年4—5月(春季)搭載北斗號(hào)(國(guó)家自然科學(xué)基金委共享航次NORC2019-01)在黃海P1站位(36°0′13″N，124°29′8″E)和P2站位(32°59′30″N,124°0′46″E)開展船基圍隔培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，站位位置見圖1。用CTD控制Niskin瓶采集表層(～3 m)海水，將水樣混勻后過200 μm篩絹濾去大粒徑浮游動(dòng)物，然后分配到20 L酸洗過的干凈聚碳酸酯培養(yǎng)瓶中，按表2的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)添加灰霾(Haze)和營(yíng)養(yǎng)鹽，每個(gè)添加組中設(shè)置三個(gè)平行樣，處理后的培養(yǎng)瓶放在圍隔系統(tǒng)中進(jìn)行培養(yǎng)。培養(yǎng)期間用泵持續(xù)抽取表層海水經(jīng)過圍隔系統(tǒng)，保持培養(yǎng)海水與表層海水溫度一致，同時(shí)用遮光材料使照射在圍隔系統(tǒng)內(nèi)的光照強(qiáng)度衰減～40%[6]。

圖1 船基圍隔培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)站位分布圖

表2 營(yíng)養(yǎng)鹽和灰霾添加方案

1.3 樣品采集與測(cè)定

在培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)期間，每天從每個(gè)培養(yǎng)桶中量取150 mL水樣，將水樣依次通過20 μm的尼龍濾膜，2和0.22 μm的聚碳酸酯濾膜(Whatman)，分別獲得含有小型(20～200 μm)、微型(2～20 μm)和超微型(0.22～2 μm)浮游植物的樣品。用體積分?jǐn)?shù)為90%的丙酮溶液在-20 ℃的黑暗環(huán)境下萃取20～24 h，并用Trilogy熒光儀檢測(cè)萃取液中的葉綠素a(Chl-a)濃度?？侰hl-a濃度為各分級(jí)Chl-a濃度之和。

在培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)期間，定期從培養(yǎng)桶中取45 mL的培養(yǎng)海水，加入0.5 mL熒光底物甲基傘形磷酸酯(MUF-P)作為混合底物。向樣品管中加入1 mL混合硼砂碳酸鈉緩沖溶液(pH =～11)和3 mL混合底物后，使用Trilogy熒光計(jì)測(cè)量并記錄熒光值[13]，在得到混合底物后的0和1.5 h進(jìn)行上述操作[18]，求得兩次測(cè)得數(shù)值的斜率作為水解率，用APA表示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 海水初始生化特征

表3 采樣站位原始海水生化參數(shù)

2.2 培養(yǎng)期間浮游植物Chl-a變化

總Chl-a濃度變化見圖2。在P1站的培養(yǎng)期間，灰霾添加組的總Chl-a濃度始終呈上升趨勢(shì)，且高于其他添加組?；姻蔡砑咏M的總Chl-a濃度最高可達(dá)對(duì)照組的2.0倍(培養(yǎng)第5天)，表明灰霾添加對(duì)浮游植物增長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)作用。對(duì)照組與N添加組和N+Fe添加組的總Chl-a濃度在培養(yǎng)期間均存在顯著性差異(p<0.05)，與P添加組之間無(wú)顯著性差異(p>0.05)。且培養(yǎng)期間N+Fe添加組的總Chl-a濃度顯著高于對(duì)照組(p<0.05)，但顯著低于N添加組(p<0.05)。

圖2 各培養(yǎng)組的總?cè)~綠素a濃度變化

P2站對(duì)照組與灰霾和營(yíng)養(yǎng)鹽添加組的總Chl-a濃度間無(wú)顯著性差異(p>0.05)。在培養(yǎng)期間，各培養(yǎng)組的總Chl-a濃度均呈上升趨勢(shì)，且各組之間濃度相近。與原始海水相比，各培養(yǎng)組培養(yǎng)第6天的總Chl-a濃度(>12.44 μg·L-1)升高了6倍以上。

從分級(jí)Chl-a濃度來看(見圖3)，在P1站培養(yǎng)的第6天，灰霾添加組小型浮游植物的Chl-a濃度是對(duì)照組的2.1倍，高于微型和超微型浮游植物相比于對(duì)照組的增長(zhǎng)倍數(shù)，分別為1.7和1.6倍。培養(yǎng)期間，N添加組與灰霾添加組的小型與微型浮游植物變化趨勢(shì)一致。

圖3 各培養(yǎng)組分粒級(jí)葉綠素a濃度的變化

在P2站培養(yǎng)期間，灰霾添加組的小型浮游植物顯著增長(zhǎng)，Chl-a濃度最高可達(dá)對(duì)照組的1.5倍(培養(yǎng)第5天)。超微型浮游植物的Chl-a濃度在培養(yǎng)第2～5天為對(duì)照組的1.2～1.6倍。而微型浮游植物在培養(yǎng)期間的Chl-a濃度與對(duì)照組無(wú)顯著差異(p>0.05)。在培養(yǎng)第6天，N和N+Fe添加組小型浮游植物顯著增長(zhǎng)，Chl-a濃度分別是對(duì)照組的1.3和1.4倍，而微型與超微型浮游植物與對(duì)照組無(wú)顯著差異(p>0.05)。

在不同站位，各粒級(jí)浮游植物在培養(yǎng)期間對(duì)總Chl-a的貢獻(xiàn)率產(chǎn)生了明顯變化(見圖4)。

圖4 對(duì)照組和灰霾添加組各粒級(jí)浮游植物對(duì)總?cè)~綠素a的貢獻(xiàn)變化

P1站原始海水中小型浮游植物對(duì)總Chl-a的貢獻(xiàn)率為9%，在培養(yǎng)期間，對(duì)照組的優(yōu)勢(shì)浮游植物始終是超微型浮游植物(≥48%)，而灰霾添加組的優(yōu)勢(shì)浮游植物則由超微型(48%)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾⌒?48%)，表明群落粒級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生了向大粒徑的轉(zhuǎn)移。

P2站原始海水中小型浮游植物對(duì)總Chl-a的貢獻(xiàn)率為11%。在培養(yǎng)期間，對(duì)照組和灰霾添加組的優(yōu)勢(shì)浮游植物均從微型浮游植物(81%)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾⌒透∮沃参?≥52%)，且從培養(yǎng)第3天開始灰霾添加組小型浮游植物對(duì)總Chl-a的貢獻(xiàn)率明顯高于對(duì)照組，表明灰霾添加組的浮游植物的群落粒級(jí)結(jié)構(gòu)開始向大粒徑轉(zhuǎn)移。

2.3 營(yíng)養(yǎng)鹽及APA變化

(-C和-H分別指對(duì)照和灰霾添加組，數(shù)字表示培養(yǎng)天數(shù)。X在圖中不同行分別代表N、P和Si。 Where -C and -H were refer to the control and haze treatments, The number indicates days of incubation，X refer to N, P and Si in different rows in the diagram.)

(未檢出數(shù)據(jù)計(jì)算帶入檢測(cè)限，并用向上的箭頭表明實(shí)際值高于計(jì)算值、向下的箭頭表明實(shí)際值低于計(jì)算值。The calculation of undetected data is carried into the detection limit, and the upward arrow indicates that the actual value is higher than the calculated value, While the downward arrow indicates that the actual value is lower than the calculated value.)

培養(yǎng)期間APA的變化見圖7。在P1站原始海水中 APA較低，培養(yǎng)第6天對(duì)照組和灰霾添加組的APA無(wú)明顯差異。在P2站培養(yǎng)的第3天，灰霾添加組的APA(3.89 nmol·(L·h)-1)是對(duì)照組(2.68 nmol·(L·h)-1)的1.5倍。在培養(yǎng)第6天，灰霾添加組的APA為7.67 nmol·(L·h)-1，是對(duì)照組(2.57 nmol·(L·h)-1)的3倍。N+Fe添加組的APA為5.39 nmol·(L·h)-1， 接近灰霾添加組且明顯高于對(duì)照組和N添加組(2.98 nmol·(L·h)-1)。

圖7 各培養(yǎng)組的堿性磷酸酶活性變化

2.4 浮游植物與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

本文使用社會(huì)科學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件(SPSS)20.0對(duì)各粒級(jí)浮游植物對(duì)總Chl-a的貢獻(xiàn)率與環(huán)境因子進(jìn)行了相關(guān)分析，結(jié)果見表4。

表4 浮游植物與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系

3 討論

3.1 營(yíng)養(yǎng)鹽限制狀態(tài)

P1站位于南黃海中部，海水中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度很低。原始海水中N/P小于1，且對(duì)照組與N添加組的總Chl-a濃度在培養(yǎng)期間存在顯著差異(p<0.05)，說明浮游植物生長(zhǎng)受N限制。對(duì)照組與N+Fe添加組的總Chl-a濃度在培養(yǎng)期間存在顯著差異(p<0.05)，但N添加組在培養(yǎng)期間的總Chl-a濃度高于N+Fe添加組，說明Fe可能不是限制因子。南黃海春季表層海水中Fe的濃度高于其它季節(jié)，最高濃度可達(dá)75.0 nmol·L-1[20]，原始海水中較為充足的Fe使浮游植物生長(zhǎng)不受Fe的限制。因此我們認(rèn)為P1站浮游植物的生長(zhǎng)主要受N限制。

P2受長(zhǎng)江沖淡水、大氣沉降、黃海暖流等因素的共同影響，海水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高[21-22]。春季溫度回升，光照充足，導(dǎo)致藻類大量繁殖，甚至可能爆發(fā)藻華[23]。對(duì)照組總Chl-a濃度在6天時(shí)間里從2.04 μg·L-1升高到了13.17 μg·L-1，增幅為546%。在培養(yǎng)過程中，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度逐漸降低，但對(duì)照組與各營(yíng)養(yǎng)鹽添加組的總Chl-a濃度間無(wú)顯著差異(p>0.05)，因此我們認(rèn)為P2站的營(yíng)養(yǎng)鹽比較充足，未表現(xiàn)出營(yíng)養(yǎng)鹽限制特征。

3.2 浮游植物群落對(duì)灰霾添加的響應(yīng)

3.3 灰霾添加影響下貧營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)水域浮游植物對(duì)DON和DOP的利用

在貧營(yíng)養(yǎng)站位(P1)，原始海水營(yíng)養(yǎng)鹽缺乏，培養(yǎng)期間對(duì)照組的N/P(≤1)遠(yuǎn)低于Redfield比值，始終處于N限制狀態(tài)。DON的濃度在培養(yǎng)期間顯著降低(p>0.05)，表明浮游植物通過降解DON來緩解水體中的N限制。雖然灰霾添加導(dǎo)致水體中的N/P始終高于Redfield比值。然而，未顯著變化的DOP濃度和APA表明浮游植物對(duì)DOP的利用較少。總Chl-a濃度在P添加組與對(duì)照組無(wú)顯著差異(p>0.05)，表明浮游植物對(duì)P的需求較小，這可能導(dǎo)致了浮游植物對(duì)DOP的利用較少。綜上，P1站浮游植物相較于P對(duì)N有更大的需求。

在富營(yíng)養(yǎng)站位(P2)，原始海水中無(wú)營(yíng)養(yǎng)鹽限制。培養(yǎng)過程中灰霾添加組的N/P始終高于Redfield比值，說明可能存在P限制。培養(yǎng)最后一天，灰霾添加組相比于對(duì)照組較低的DOP濃度和較高的APA，表明浮游植物通過利用DOP來緩解P限制。N+Fe添加組與灰霾添加組APA相似，且Fe能夠作為堿性磷酸酶的輔酶因子[12]，故灰霾中較高的Fe含量可能是促進(jìn)APA提高的重要原因。對(duì)照組的N/P降到1，說明水體可能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镹限制，但灰霾添加組的DON濃度低于對(duì)照組，說明灰霾添加促進(jìn)了浮游植物對(duì)DON的利用。研究表明，Mg元素可以促進(jìn)水體中DON的降解[24]，灰霾中較高的Mg元素含量(204.00 nmol·m-3)可能促進(jìn)了DON的利用。以上假設(shè)仍需開展進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)予以證明。然而，可以肯定的是，灰霾沉降對(duì)富營(yíng)養(yǎng)海區(qū)浮游植物利用DON和DOP有明顯的促進(jìn)作用。

4 結(jié)論

本研究于2019年春季在黃海貧營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)海域開展了灰霾和營(yíng)養(yǎng)鹽添加實(shí)驗(yàn)，探究了灰霾天大氣沉降對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)水平環(huán)境中各粒級(jí)浮游植物生長(zhǎng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，小型浮游植物在營(yíng)養(yǎng)限制環(huán)境中對(duì)灰霾添加的響應(yīng)最為明顯(均表現(xiàn)為浮游植物粒級(jí)結(jié)構(gòu)向大粒級(jí)轉(zhuǎn)移)，且在不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下，各粒級(jí)浮游植物對(duì)灰霾添加的響應(yīng)機(jī)制有所差異：

致謝：本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)共享航次計(jì)劃項(xiàng)目的支持。該航次(航次編號(hào)：NORC 2019-01)由“北斗”號(hào)科考船實(shí)施，在此一并致謝。