船基围隔条件下沙尘和营养盐添加对近海浮游植物群落结构的影响

陈锦峰，张家卫，李 朗，陈长平,2*，孙 琳，梁君荣,2，高亚辉,2,*

(1.厦门大学生命科学学院,福建 厦门361102;2.滨海湿地生态系统教育部重点实验室(厦门大学),福建 厦门361102;3.近海海洋环境科学国家重点实验室(厦门大学),福建 厦门361102)

亚洲作为世界沙尘的四大排放区之一，已成为全球沙尘的重要组成部分。沙尘在强气流的影响下，形成沙尘暴，经过长距离运输并通过大气沉降进入海洋，从而影响中国近海甚至西北太平洋的生态系统[1-2]，其中以中国黄海及东海海域受亚洲沙尘影响较大。中国黄东海沙尘主要有2个来源，其中来自内蒙古西部沙地和黄土高原的沙尘粒子经过华北平原并汇入中国渤海、黄海及东海，而来自青海东部的沙尘经过黄土高原加强，从长江中下游地区汇入东海海域[3]。

沙尘沉降是海洋营养盐和污染物输入的重要方式之一，尤其是寡营养盐海域营养盐的重要来源[4-5]，沙尘沉降能为海洋浮游植物提供可利用的氮(N)、磷(P)、硅(Si)、铁(Fe)和锰(Mn)等营养盐和微量元素，同时铅(Pb)、镉(Cd)等重金属元素和其他污染物也会附着在沙尘表面通过沙尘沉降的方式输入到海区。浮游植物是海洋生态系统中重要的初级生产者，营养盐和污染物输入可能会改变浮游植物的初级生产力及群落结构[6]，并且在一定程度上影响海洋浮游植物的固碳能力和固氮能力，从而对海洋生态系统和全球气候产生一定的影响[7]。

研究沙尘沉降带来的海洋营养盐和污染物输入及其对海洋生态系统的影响，已成为海洋生物科学研究的热点[8]。沙尘沉降对海洋生态系统中浮游植物的影响机制较为复杂，本研究利用2017年中国黄东海区春季航次进行沙尘添加及营养盐添加的船基围隔实验，探讨沙尘沉降入海和营养盐添加对近海海洋浮游植物叶绿素a含量和群落结构的影响，为揭示大气沉降物对海洋生态系统和全球气候变化的影响提供基础数据和理论依据。

1 材料和方法

1.1 沙尘来源

表1 沙尘(GBW08306)标准物质成分Tab.1 Dust standard material composition

1.2 实验方法

表2 围隔培养实验方案Tab.2 Different treatments in the enclosure experiment

1.3 样品采集与分析

培养期间，分别于第0、1、3、5、6、7、8、9、10、11、13天每天定时采集水样，用于叶绿素a(以下简称Chl a)含量测定，测定方法按照《海洋调查规范》[11]进行，具体如下：取围隔水样300 mL，加入1%碳酸镁悬浊液，使用GF/F玻璃纤维滤膜(直径25 mm，Whatman公司)过滤，将滤膜置于冻存管中于液氮保存，带回实验室后，将滤膜转移至15 mL连盖离心管，加入10 mL 90%丙酮萃取24 h (4 ℃，避光)，高速离心机(J-30I，BECMAN，美国)离心15 min (4 ℃，4 000 r/min)，取上清液用Turner Designs Trilogy荧光计测量荧光值，计算其含量。在培养期的第0、1、5、7、9、11、13天每天定时取围隔水样500 mL，用于浮游植物群落结构分析，加入鲁格氏碘液(1%)固定，避光保存带回实验室，静置沉降一段时间后，使用虹吸管吸取上清液并逐步浓缩到10 mL，对浮游植物进行种类的鉴定和计数。

参考Liu(2013)[12]、李佳慧等(2017)[13]提出的转化效率公式用来评估N转化成Chl a的转化效率(conversion efficiency index,CEI)，公式如下：

(1)

式(1)中:t表示培养时间13 d，Chlai表示Chl a在第i天的含量(μg/L)，Chla0为培养前初始Chl a含量，Ntotal为总DIN浓度(μmol/L)。

根据马尔萨斯(Malthus)模型公式x(t)=x0eμt拟合计算得到浮游植物生长速率μ[14-15]。

2 结果与讨论

2.1 浮游植物种类组成

围隔实验中共鉴定到浮游植物2门20属29种，其中硅藻种类共计17属26种，甲藻3属3种。

2.2 Chl a含量

培养期间不同实验组浮游植物Chl a含量一般呈先增高后减少的单峰形态(图1)。对照组M6 Chl a含量在培养前期逐渐增长，在培养第7天达到最大值，为4.20 μg/L，随后逐渐降低；实验组M1(N∶P=16∶1)Chl a含量在培养第7天达到峰值，为14.59 μg/L，在培养第11天达到次高峰值，为5.50 μg/L；实验组M2(N∶P=8∶1)变化趋势和M1相同，但其最高峰值显著低于M1、M3组(p<0.01)；实验组M3(N∶P=64∶1)变化趋势与M1相同，Chl a含量于培养第7天达到最高峰值，且高于M1组峰值。实验组M4(尿素)Chl a含量在培养的第6天达到最高峰值，为3.30 μg/L，随后下降，Chl a含量在第11天出现次高峰，为2.34 μg/L，M4组Chl a含量与对照组差异不显著(p>0.05)。相比无机氮源组，有机氮源尿素促进浮游植物生长的效果并不明显。M5(沙尘)实验组Chl a含量在培养第5天达到最高值，为4.19 μg/L，M5组Chl a含量与对照组差异不显著(p>0.05)，说明沙尘添加没有显著地促进浮游植物生长。

图1 不同氮源和不同氮磷比实验组叶绿素a含量的变化Fig.1 Changes of Chl a contents in different treatments(a)为不同氮源实验组，(b)为不同氮磷比实验组。

2.3 浮游植物密度变化

浮游植物密度变化和Chl a含量的变化趋势相似(图2)。培养前期各组浮游植物密度差异不显著，之后M6组和M5组浮游植物密度有所上升，但变化幅度不大，且浮游植物密度相对其他各组均处在较低水平。M6组和M5组浮游植物密度均在培养第7天达到峰值，最高密度分别为1.17×105cells/L和1.09×105cells/L。无机氮、磷营养盐的添加显著增加了浮游植物密度(p<0.05)。M1、M2、M3三组的变化趋势较为一致，均在培养第7天达到峰值，分别为4.56×105、4.00×105、7.86×105cells/L，最高密度分别为对照组的3.89、3.41、6.71倍，浮游植物密度在培养后期趋于平稳。M4(尿素)组浮游植物密度和对照组类似，一直保持较低水平，在第5天浮游植物密度达到次高峰(1.10×105cells/L)，随后降低，在培养后期浮游植物密度达到最高密度值，为1.43×105cells/L。

图2 浮游植物密度对不同氮源和不同氮磷比营养盐添加的响应Fig.2 Changes of phytoplankton densities in different treatments(a)为不同氮源实验组，(b)为不同氮磷比实验组。

2.4 CEI和浮游植物生长速率的变化

结果表明，M1、M2、M3、M4、M5、M6组中的CEI分别为2.82、3.05、1.95、2.09、1.75、1.73。沙尘组和对照组CEI没有明显区别，说明低浓度的模拟黄沙对培养海水的影响不大，其他各组CEI均高于对照组，M3组的Chl a含量峰值虽然是各组最高，但CEI并不是最高，营养盐添加组M1、M2、M3中，Chl a峰值较低的M2组，CEI反而较高，M3组外源氮的添加是M2组的4倍，而M2组的外源磷是M3组的2倍；M1组外源氮是M2组的2倍，而外源磷添加量一样，M1组CEI较M2低，说明外源氮的添加能有效促进Chl a的含量，但单纯的高氮含量并不能有效地提高N向Chl a的转化效率。

为计算浮游植物生长速率，分别对增长期浮游植物Chl a含量和浮游植物密度进行拟合，得到Chl a含量和浮游植物密度的增长速率μ。用浮游植物密度来衡量浮游植物生长速率，M3增长最快，其次是M1，M6的增长最慢。用Chl a含量来衡量浮游植物增长速率，M1增长最快，增长速率为0.59；其次是M3组(0.56)；M4的增长最慢，为0.38(表3)。

表3 实验期间各围隔培养中浮游植物的生长速率Tab.3 Growth rate of phytoplankton in the enclosures during experiment

2.5 浮游植物优势种变化

浮游植物主要优势种为海链藻(Thalassiosirasp.)、绕孢角毛藻(Chaetoceroscinctus)、劳氏角毛藻(Chaetoceroslorenzianus)、旋链角毛藻(Chaetoceroscurvisetus)、冕孢角毛藻(Chaetocerosdiadema)以及新月菱形藻(Nitzschiaclosterium)，见图3。在培养过程中，无机氮磷营养盐添加组M1、M2、M3变化趋势较为一致，硅藻密度在培养期间大幅度上升，在培养第7天硅藻密度达到最高值，分别为4.54×105、3.88×105、7.81×105cells/L。M4、M5、M6组硅藻密度相对较低，其最高密度也较低，分别为1.18×105、1.03×105、1.13×105cells/L。在培养过程中，硅藻的密度始终占浮游植物密度的主体。甲藻呈现出和硅藻不一样的生长状态，虽然M1、M2、M3组硅藻密度远高于M4、M5、M6组，但6组的甲藻密度变化趋势相似。在整个培养过程中甲藻生长受限，增长缓慢，但密度始终处于持续增长状态。虽然不同组的培养实验营养盐和浮游植物密度差异极大，但无论营养盐种类、含量以及浮游植物多寡都不影响浮游植物演替的次序和过程，先硅藻占优后甲藻占优的演替顺序各实验组表现一致。

图3 不同实验组浮游植物优势种及其所占比例Fig.3 Dominant species and species compositons of the phytoplankton community in different treatments

本研究利用围隔实验添加沙尘和营养盐，模拟自然条件下沙尘沉降和营养盐输入对近海海域浮游植物群落的影响，探讨浮游植物群落对营养盐输入和沙尘沉降的不同响应。

本研究使用的模拟黄沙(GBW08306)含Sc、Mn、Ni、Cu、Zn、Sr、Ba、Fe等金属元素，其中一些重金属可能对浮游植物生物具有一定毒害作用，抑制其生长，同时沙尘中N、Si含量较少，对浮游植物生长的促进并不明显，因此本研究结果表明该质量浓度的沙尘添加对浮游植物生长的影响不显著。目前沙尘对浮游植物具体的作用机制尚未明确，需要进一步关注与研究。而N、P、Si等无机营养盐的添加，明显改变了海水浮游植物的群落结构，硅藻和甲藻表现出不同的生长趋势。在营养盐较为充足的条件下，硅藻表现出较强的竞争优势，当营养盐浓度降低后，硅藻逐渐开始死亡，而甲藻逐渐开始繁殖，生物量逐渐增大。这与衣晓燕等(2017)[27]、孙萍(2007)[28]等的研究结果相似。

3 结论

沙尘沉降和营养盐输入是影响海洋浮游植物群落结构的重要因素。本研究基于船基围隔培养实验，通过添加沙尘(2 mg/L)和不同营养盐研究其对浮游植物群落结构的影响，结果表明，与对照组相比，沙尘和尿素添加实验组的浮游植物群落细胞密度、叶绿素a含量及群落结构影响不显著，而氮磷比为64∶1的实验组浮游植物叶绿素a含量和细胞密度最高。研究结果为揭示大气沉降物和营养盐变化对海洋生态系统和全球气候变化的影响提供了基础数据和理论依据。