不同光照水平下浮游藻类对氮、磷营养盐添加的响应

方 涛 , 冯志华 高 磊

(1. 淮海工学院 江苏省海洋生物技术重点建设实验室, 江苏 连云港 222005; 2. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室, 上海 200062)

光照和营养盐氮磷是限制浮游藻类生长的主要因子, 如有学者观察到, 在美国Puget Sound北部的一个泥沼河口, 所有实验期间, 可溶解无机N与P比例小于16 : 1, 这样在河口环境, 每单位P只有小于浮游植物细胞结构所需要的 N可供利用, 因此推测N是这些河口光合作用的限制因子[1]。长江口过高N/P比使江口外沿的浮游植物受到P的限制, 离河口500 km以上的区域则受N的限制, 在河口内部, 特别是最大浑浊带水域, 由于较高的悬浮物浓度, 初级生产力主要受光的限制[2]。Goosen等[3]比较了欧洲的Elbe、Westerschelde和Gironde河口, 发现总悬浮物浓度在Gironde河口最高, 在Elbe河口最低, 浮游植物初级生产在 Gironde河口最低且与光亮层深度呈正相关。

目前关于自然光照和营养盐对藻类的影响研究多是通过室内培养实验或者现场调查自然海区浮游藻类生物的分布或者模型计算来得出结论, 现场的生理生态培养实验还比较缺乏。现场培养实验能够尽量模拟现场的各种环境因子, 浮游藻类的生长环境相对于室内浮游植物培养更接近于真实的海洋环境[4], 由现场培养实验所得到的浮游植物与环境因子相互作用的各项参数更有实际意义, 因此近年来有不少学者采用该方法研究海水营养盐与浮游植物之间的关系[5-8]。本文着重以现场培养实验为手段,来对不同光照水平下浮游藻类对氮、磷营养盐添加后的叶绿素a以及生长速率变化进行研究。

1 材料与方法

1.1 培养方法

2007年11月于长江口邻近海域站点 (122°40′E,30°50.8′N), 取表层海水经孔径为 100 μm 的筛绢滤出较大型浮游生物的明显干扰[9], 混匀后分装入 78个 5L透明塑料桶中(C1～C78)(表 1)。根据长江口营养盐浓度的变化范围[10], 确定往培养瓶中添加不同体积的5 mmol/L NaH2PO4溶液或5 mmol/L KNO3溶液, 使得培养瓶中磷酸盐和硝酸盐处于不同的浓度水平。同时分别套上事先打好细孔的遮光布, 控制其透光率为现场光强的100%, 80%, 60%, 40%, 20%, 0,培养桶固定在岸边通有循环海水的水槽中, 水温约16℃, 采样时间间隔分别为 0、15、26、39、48、70、109 h。

表1 实验组的设计Tab. 1 The experiment groups

1.2 样品采集与分析方法

样品采集及营养盐和叶绿素 a的测定同文献[11]。

1.3 数据处理

浮游藻类生长速率按下列计算公式得出:

式中,μ为比生长速率,Ct和C0表示在t和t0时测得的叶绿素a质量浓度。

2 结果与讨论

2.1 叶绿素a质量浓度变化

对照组叶绿素 a质量浓度初始值为 0.56 μg/L,磷酸盐浓度初始值为0.94 μmol/L, 以P1表示, 其余6个实验瓶中浓度分别为1, 1.05, 1.2, 1.45, 1.95, 2.95 μmol/L, 以P2～P7表示。加氮组对照瓶硝酸盐浓度初始值为21.6 μmol/L, 以 N1表示, 其余6个实验瓶中浓度分别为21.7 , 22.1, 22.6, 23.6, 26.6, 31.6μmol/L,以N2～N7表示。

现场培养实验组中, 加磷加氮组无光照下叶绿素a质量浓度基本没有增加的趋势(图1), 而100%光照下浮游藻类生长有着很长的平台期, 加磷组前 6次采样时, 叶绿素a质量浓度缓慢增加, 达到初始浓度的4倍, 但在最后1次采样, 叶绿素a质量浓度可以增加到初始值的40倍, 加氮组也可以达到初始浓度的35倍, 说明浮游植物从这个时刻开始进入了指数生长期, 其他光照下, 浮游植物生长变化与此类似, 只是终浓度要小于100%光照。相同光照水平下在P1～P7、N1～N7, 叶绿素a质量浓度最大值往往不是出现在P7或者N7水平, 如加磷组40%和100%光照下, 叶绿素 a质量浓度最高值都出现在 P5水平,分别为7.4、20.8 μg/L;加氮组40%光照下叶绿素a最大值出现在N4水平, 为4.92 μg/L, 60%光照最大值为9.98 μg/L, 出现在N3水平。

总体来说, 随着光照强度的增加, 叶绿素a质量浓度显著增加, 100%光照下叶绿素 a终质量浓度可以为80%、60%、40%、20%光照的1.5倍、2倍、4倍、15倍。而在同等光照下, 叶绿素 a质量浓度在不同营养盐水平之间差异不大, 说明浮游藻类生长的营养盐限制性不明显。培养介质磷酸盐初始浓度为 0.94 μmol/L, 而总无机氮浓度为 28.9 μmol/L, N/P值为31, 根据Redfield比值应该属于磷限制, 但在添加磷营养盐后, 浮游藻类生长并没有得到明显促进,可见在营养盐绝对浓度较高且N/P值接近于16 : 1时藻类生长才会非常快, 而两者不能达到浮游植物最适状态时, 营养盐的绝对浓度对吸收速率的影响较比例的影响更明显, 由于本实验培养水体磷酸盐、硝酸盐的绝对浓度都比较高, 浮游藻类不受营养盐限制, 而主要受光照水平的限制。

2.2 氮、磷浓度对比生长速率的影响

培养介质中的磷浓度与浮游藻类比生长速率之间有一个临界点(图 2), 且不同光照水平下该临界阈值大小近似, 当磷浓度低于该临界浓度时, 随着磷浓度的增加会促进浮游藻类比生长速率的增加, 但当磷浓度高于该临界浓度时, 浮游藻类比生长速率的增加会受到抑制。这可能由于磷浓度增大, 藻类生长受磷的限制程度逐渐降低, 但由于氮浓度相对减小, 此时受氮的限制程度就会逐渐增强, 由此可能限制了浮游植物的生长, 本实验中磷酸盐的这一临界浓度为 1～2 μmol/L。同样加氮组也表现出相同的规律。硝酸盐阈值为20～25 μmol/L。兰智文等[12]在巢湖中的试验曾经发现正磷酸盐与叶绿素 a之间有一个临界点, 正磷酸盐超过某一浓度后叶绿素浓度几乎不再增加, 而本实验研究发现营养盐浓度较高会抑制浮游植物的生长。

图1 不同光照水平下加磷加氮组叶绿素a质量浓度变化Fig. 1 Temporal variations of chlorophyll a concentrations under different irradiance in the group of phosphate or nitrate added

图2 不同光照水平下磷、氮浓度对比生长速率的影响Fig. 2 Effect of phosphate or nitrate concentrations on specific growth rate under different irradiance

3 结论

无光照下叶绿素 a没有增加趋势, 其他光照下浮游藻类生长有着很长的平台期, 随后呈指数增长,且100%光照下叶绿素a终浓度可以为80%、60%、40%、20%光照的 1.5倍、2倍、4倍、15倍, 且相同光照下, 叶绿素 a质量浓度在不同营养盐水平之间差异不明显。

培养介质中磷酸盐和硝酸盐浓度与浮游藻类比生长速率之间有一个临界点, 氮磷浓度超过这个临界浓度时, 浮游藻类生长会出现抑制, 其中磷酸盐的临界浓度约为 1～2 μmol/L, 硝酸盐阈值为 20～25 μmol/L。

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