夏末亚热带太平洋至楚科奇海微微型浮游植物群落

2021-08-09徐勤增邵和宾张学雷

海洋科学进展 2021年3期

袁超,徐勤增,邵和宾,郑洲,张学雷*

(1.自然资源部第一海洋研究所,自然资源部海洋生态环境科学与技术重点实验室,山东青岛266061；2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋生态与环境科学功能实验室,山东青岛266071；3.中国极地研究中心,上海201306)

微微型浮游植物是粒径最小(＜2μm)的浮游植物,包括聚球藻(Synechococcus,Syn)、原绿球藻(Prochlorococcus,Pro)和微微型真核藻(Picoeukaryotes,Peuk)三大类群。微微型浮游植物虽然个体较小,但分布广泛、数量庞大、周转率高,是海洋生态系统中浮游植物生物量和初级生产的重要贡献者[1-2],在海洋生态系统的物质循环和能量流动中扮演着重要的角色[3]。

长期以来,相关学者已利用流式细胞术对西北太平洋的微微型浮游植物群落结构的时空分布特征进行了广泛而深入的研究。Jiao等[4]对东海微微型浮游生物群落的季节变化进行了研究,发现Pro丰度在夏季高于冬季,而Peuk丰度在冬季高于夏季。在南黄海,微微型浮游植物群落由Syn和Peuk组成,其分布主要受光照和温度的影响[5]。在亚北极太平洋和白令海南部,微微型浮游植物群落由Syn和Peuk构成,丰度在103～104个/m L。2个类群的红色荧光和前向散射光均表现出显著的水平和垂直差异[6]。在第三次北极科学考察期间,张芳等[7]发现Syn和Peuk细胞大小和色素含量之间存在同向变化。这些研究为阐明微微型浮游植物群落对区域生态环境的响应机制,进一步探索不同海区群落结构的变化特征等积累了宝贵资料。

先前的研究均局限在对小范围的微微型浮游植物群落结构的分析,大空间尺度范围的微微型浮游植物群落组成和细胞特性等相关问题尚未得到很好的验证和分析。温度个体大小准则(Temperature-Size Rule,TSR)指出成体大小与环境温度呈负相关[8]。TSR准则在各类生物中均存在,包括动物、植物、原生生物、细菌甚至浮游植物[9-12]。然而,对于微微型浮游植物是否遵从TSR准则仍存在争议。Morán等[13]报道东北大西洋Pro和Syn的平均细胞大小与温度呈负相关,而Sato等[14]在太平洋的研究指出微微型浮游植物细胞大小与温度不存在显著相关关系。此外,光照强度是影响微微型浮游植物色素含量的重要因素。从垂向变化来看,微微型浮游植物的色素含量随深度而增加[6,15-16]。光照强度通常随纬度升高而降低,微微型浮游植物色素含量在纬度方向是否会随光照强度降低而升高有待进一步探究。

本研究拟利用流式细胞术,针对亚热带太平洋至楚科奇海海域的近表层样品,分析其群落结构和细胞光学特征,研究在不同海区之间的差异和共性,探讨影响微微型浮游植物丰度、细胞大小和色素含量的主要环境控制因子,为明确大空间尺度范围的微微型浮游植物群落组成和细胞特性等相关问题奠定基础。

1 材料与方法

1.1 调查站位和理化分析

2019-08-22—09-15在中国第十次北极考察期间乘“向阳红01号”科考船,利用船载表层水采样系统在白令海、楚科奇海和北太平洋(162°06′E～168°42′W,37°48′～73°12′N)进行样品采集(图1)。对于微微型浮游植物样品,在各站位采集海水4.5 m L,加入终浓度为1%的多聚甲醛固定15 min后,放入-80℃冰箱中保存。各站位的温度和盐度通过船载CTD直接读取。总叶绿素a(Chla)和营养盐浓度的取样和测定方法参照《海洋调查规范》(GB/T 12763—2017)[17]。在各站位,泵取的近表层(～7 m)海水经Whatman GF/F滤膜过滤后,将滤膜放入-80℃冰箱保存；过滤后的海水装入250 m L高密度聚乙烯瓶中,保存于-20℃冰箱。返回实验室后,利用萃取荧光法进行Chla浓度的测定；用Qu AAtro连续流动分析仪分析测定海水中的硝酸盐和磷酸盐浓度。

图1 研究海区站位和流向Fig.1 Sampling stations and currents in the surveyed area

1.2 微微型浮游植物测定原理和方法

利用BD FACSCalibur流式细胞仪进行微微型浮游植物的分类和计数。BD FACSCalibur流式细胞仪配有波长为488 nm的激发光,可以对流动细胞或颗粒的物理和荧光特征进行检测。所测参数中,前向散射光(Forward Scattering,FSC)与细胞长度有关；侧向散射光(Side Scattering,SSC)与细胞的内容物含量有关。相关研究表明,FSC和SSC均与微微型浮游植物细胞直径呈显著正相关[18-20]。FL1,FL2和FL3分别为绿色(530/30 nm)、黄橙色(585/42 nm)和红色(＞670 nm)荧光的强度。将Pro、Peuk和Syn三类微微型浮游植物按细胞大小和细胞叶绿素a(或二乙烯基叶绿素a)含量进行排序,则2类要素均有Pro＜Syn＜Peuk的关系。这3类微微型浮游植物均具有叶绿素a(或二乙烯基叶绿素a),被激发后会产生红色荧光,具有较高的FL3值。其中,Syn特有的藻胆蛋白被激发后会产生橙色荧光,具有较高的FL2值。本研究中,样品检测均在统一参数设置下一次完成,以便于样品间比较。取1 m L样品,加入1μm荧光微球(PolyScience)为内参,上机检测3 min。通过SSC对FL2和FL3对FL2双参数图对微微型浮游植物进行区分和计数。微微型浮游植物的生物量通过固定碳转换系数进行估算。Syn和Peuk的碳转换系数分别为250和2 100 fg/个。

1.3 数据分析

用Ocean Data View 4.7软件分析微微型浮游植物细胞的丰度、细胞大小(以SSC指示)和色素含量(以FL2和FL3指示)的水平分布状况。将细胞丰度和光学参数数据进行lgx+1转换后,在R软件Vegan包中进行冗余分析(Redundancy Analysis,RDA),研究与环境因子间的相关性。

2 结果

2.1 水文环境

按照环境条件,研究海区可以划分为亚热带太平洋、亚北极太平洋、白令海盆、白令海陆架区和楚科奇海五个区域(图1和图2)。亚热带太平洋包括研究海区最南部4个站位,具有高温(＞20℃)、高盐(＞34)、寡硝酸盐浓度和低Chla浓度特征。亚北极太平洋包括东侧阿留申群岛南部2个站位,具有约12℃的相对低温、低盐、高硝酸盐浓度和低Chla浓度特征。白令海盆区包括研究海区西侧断面的6个站位,具有相对低温、低盐、低硝酸盐浓度和低Chla浓度特征。白令海陆架区的6个站位位于白令海东侧,其相对白令海盆具有较高的硝酸盐浓度和Chla浓度。楚科奇海的3个站位位于研究海区最北端,具有最低温度和盐度、低硝酸盐浓度和低Chla浓度的特征(图2)。

图2 2019年夏季亚热带太平洋至楚科奇海温度、盐度、硝酸盐浓度和叶绿素a浓度丰度分布Fig.2 Distribution of temperature,salinity,nitrate concentrations and Chl a concentrations from subtropical Pacific to Chukchi Sea in summer,2019

2.2 微微型浮游植物丰度和生物量

本研究未检测到Pro,仅检测到Syn和Peuk。Syn丰度变化范围为(0.1～46.7)×103个/m L,平均值为12.1×103个/m L。Syn丰度最高值出现在白令海陆架区,而最低值出现在楚科奇海。Peuk丰度变化范围为(1.1～43.2)×103个/m L,平均值为10.3×103个/m L。Peuk丰度高值出现在白令海陆架区,低值出现在亚热带太平洋(图3)。

图3 2019年夏季亚热带太平洋至楚科奇海边缘海聚球藻丰度、微微型真核藻丰度、微微型浮游植物总碳生物量和聚球藻碳生物量占比分布Fig.3 Distribution of Synechococcus abundance,picoeukaryotes abundance,total picophytoplankton carbon biomass and proportion of Syn to total picophytoplankton carbon biomass from subtropical Pacific to Chukchi Sea in summer,2019

微微型浮游植物碳生物量范围为2.8～102.3μg/L,平均值为24.7μg/L。其最大值出现在白令海陆架区,最小值出现在亚热带太平洋。Syn和Peuk虽然丰度相近,但后者具有更高的碳转化系数,因此碳生物量占比更高。Syn和Peuk碳生物量占比的分布趋势相反。Syn碳生物量占比的均值为13.6%,高值出现在白令海陆架区和亚热带太平洋,而在楚科奇海则小于1%。

2.3 微微型浮游植物细胞大小和色素含量

Syn和Peuk的细胞大小(Syn_SSC和Peuk_SSC)和色素含量(Syn_FL2,Syn_FL3和Peuk_FL3)等光学参数存在两倍以上的变化,且随纬度不存在一致变化关系(图4)。Syn_SSC在白令海盆和亚北极太平洋最低,在亚热带太平洋和白令海陆架区较高,在楚科奇海最高。Syn_FL2和Syn_FL3显著正相关,在亚北极太平洋和白令海海峡口较高,而在楚科奇海和亚热带太平洋最低。Peuk_SSC在亚热带太平洋和白令海盆最低,而在白令海峡口和亚北极太平洋最高。Peuk_FL3与Peuk_SSC显著正相关,最大值同样出现在白令海峡口和亚北极太平洋(图4和图5)。

图4 2019年夏季亚热带太平洋至楚科奇海Syn_SSC、Syn_FL2、Syn_FL3、Peuk_SSC和Peuk_FL3分布Fig.4 Distribution of Syn_SSC,Syn_FL2,Syn_FL3,Peuk_SSC and Peuk_FL3 from subtropical Pacific to Chukchi Sea in summer,2019

图5 微微型浮游植物细胞丰度、细胞大小和色素含量的相关性Fig.5 Pearson’s correlation heatmap between abundance,cell size and pigments of picophytoplankton

2.4 微微型浮游植物丰度、细胞大小和色素含量与环境因子的关系

RDA分析结果显示,第一和第二约束轴共解释了79%微微型浮游植物丰度、细胞大小和色素含量的变异(图6)。由图6可见,Peuk丰度与营养盐浓度呈显著正相关,而与温度呈负相关；Syn丰度与盐度成正比,而与纬度呈反比。Peuk_SSC和Peuk_FL3与环境因子表现为同向变化,与Chla正相关,而与盐度呈负相关；Syn_SSC与纬度正相关,与盐度负相关；Syn_FL2和Syn_FL3与硝酸盐和磷酸盐浓度呈正相关,而与纬度和盐度无明显相关关系。

图6 微微型浮游植物丰度和细胞光学特性与环境因子的冗余分析Fig.6 Redundancy analysis between picophytoplankton abundance and cell optical properties and environmental factors

3 讨论

3.1 微微型浮游植物丰度和生物量分布及其影响因素

在微微型浮游植物群落中,各站位均检测到Syn和Peuk,而未检测到Pro。Pro是热带和亚热带寡营养海区丰度最高的自养类群,但在高纬度(或低温)和近岸海域其丰度会显著下降[21]。在东海夏季,原绿球藻的分布主要受到黑潮移动和淡水输入的影响。在北太平洋夏季,较低的温度和盐度将原绿球藻限制在45°N以南区域[6]。本研究中,亚北极太平洋及以北海域受地表径流和融冰影响显著,可能是导致Pro没有分布的原因。在亚热带太平洋,表层Pro具有非常低的荧光值,在检测过程中易与非生物颗粒混淆,也会引起Pro未被检出。

研究海区环境条件变化剧烈,对微微型浮游植物丰度分布存在显著影响。Syn和Peuk丰度高值均出现在白令海陆架区,表明两个类群均适宜生长在营养盐浓度较高的水域。受白令海涡流运动的影响,白令海盆区的高营养盐深层水不断向白令海陆架区补充,维持了陆架区较高的生产力水平。然而,夏季海冰融水的覆盖引起白令海盆和楚科奇海水体层结增强,当上层营养物质被浮游植物耗尽后,产生了不利于Syn和Peuk生长的寡营养条件。低温可能是影响Syn分布的另一重要因素。第3次北极科学考察期间,仅在白令海峡周边海域少量站位检出Syn。张芳等[7]认为该海域的Syn为耐寒型,而非嗜寒型。分子生物学结果表明Syn低温适应类群Clade I和Clade IV是北冰洋大西洋扇区和白令海海区的主要类群[22-23]。在大西洋扇区,Syn可以向北分布至82°30′N,且在2℃下仍存在净生长。因此,楚科奇海Syn丰度的最低值可能是由低温和寡营养盐两个限制因素共同造成。相对而言,Peuk更能够耐受低温。低温适应型微胞藻是北极海域Peuk群落的优势种,金藻和沟鞭藻也可能有着重要的贡献[24-26]。

本研究中,虽然Peuk和Syn具有相近的细胞丰度,但Peuk对碳生物量的贡献更高。利用固定碳转换系数来计算2个类群(尤其是Peuk)的碳生物量具有很大的不确定性[27]。尤其是在较大空间尺度上,Peuk_SSC和Syn_SSC均存在很大变异(图4)。然而,Peuk_SSC的平均值约为Syn_SSC的4倍。即使Peuk用最小的碳转化系数,也会不影响我们的研究结果,这一点与前期的研究结果是一致的[6]。

3.2 微微型浮游植物细胞大小和色素含量及其影响因素

Syn和Peuk的细胞大小(Syn_SSC和Peuk_SSC)均未与纬度(或温度)表现出较强的正(或负)相关关系(图4和图5),表明它们在群落水平上均不服从TSR准则。昼夜节律是影响微微型浮游植物细胞大小的一个重要因素。微型和微微型浮游植物均有着近似同步的细胞分裂周期。细胞一般在傍晚最大而清晨最小,表明其可能利用白天光合作用产生的能量进行细胞分裂[14,28-30]。有报道指出若不考虑细胞生长阶段,TSR准则将无法在Pro和Syn中得到揭示[30]。本研究样品覆盖白天和黑夜(每隔6或8 h取样),但细胞大小在同一海区保持相对稳定,表明昼夜节律不是影响细胞大小的重要因素。

Syn细胞大小不存在随纬度一致变化的趋势,可能是由于各海区具有不同优势物种所造成的。Xia等[23]利用rpoC1基因序列揭示研究海区Syn的物种组成,发现Clade II和CRD-1C分别在亚热带和亚北极太平洋占优势,而Clade I是白令海和楚科奇海的优势物种。在相似群落条件下,Syn_SSC自白令海盆向北至楚科奇海渐增。这种变化趋势不能只归因于纬度或温度的影响。研究期间,整个白令海海区的海表温度维持在10～12℃。Syn_SSC在寡营养的白令海盆区明显低于高营养盐的白令海陆架区,表明营养盐限制可能会引起细胞体积的缩小。Syn_SSC向北的继续升高则体现出低温的影响。

Peuk相对Syn具有更丰富的物种多样性,细胞大小和色素组成差别更大,且不同类群的Peuk可能占据不同的生态位[31]。由于低温适应型微胞藻具有较小的细胞直径,因此Peuk_SSC在最北部站位降低。个体小的细胞具有高比表面积和薄的扩散边界层,有利于营养盐的跨膜转运,使其在寡营养条件下占据优势[32-34]。因此,Peuk_SSC在白令海盆和西北太平洋出现低值,而在白令海陆架区出现高值。亚北极海域属于高硝酸盐低叶绿素a区,微微型浮游植物是浮游植物生物量的主要贡献者[6]。该海域Peuk_SSC较高而Syn_SSC较低,表明2个类群可能采取不同的策略来应对铁限制。此外,微型浮游动物摄食等其他因素也可能会对细胞大小产生显著影响[35-36]。

Syn和Peuk细胞内色素含量与纬度(或温度)也不存在正(或负)相关关系,表明表层光强不是影响浮游植物色素含量的重要因素(图4)。Syn细胞内色素含量表现出同向变化,与第3次北极科学结果一致[7]。由于Syn细胞藻胆色素含量与细胞大小呈微弱负相关,白令海盆的Syn具有最高的单位体积色素含量。与Syn不同,Peuk细胞色素含量和细胞大小呈显著正相关。这可能与两个类群各自的物种组成和不同的环境适应性有关。

北极是受全球气候变暖影响最严重的区域,海冰面积以每10 a约3%的速率递减。2019年联合国气候变化政府间专家委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)发布北极海冰面积出现自20世纪70年代以来的历史第二低值。海冰融化和温度升高加剧了水体层化,导致上层水体处于寡营养状态,限制了浮游植物的生长。近些年来,浮游植物小型化的趋势正得到广泛的关注[10,26,37]。在北冰洋和白令海的开放水体,微微型浮游植物是Chla和初级生产力的主要贡献者[26,38-39]。由于微微型浮游植物丰度主要受到异养鞭毛虫和微型浮游动物摄食的控制,其生物量很大程度上在微食物环中循环,而对牧食食物链的贡献很小。因此,北极冰盖的减少更利于“浮游植物-浮游动物”的生态系统,而非经典的“冰藻-底栖生物”生态系统[40]。这种生态系统的转变减少了有机碳的输出和浮游生物与底栖生物的耦合,进而对北冰洋海洋生态系统的食物链和能量流动产生重要的影响[41-43]。