黄海春季贫营养和富营养水域浮游植物对灰霾添加的响应❋

王 钦， 张 潮，2， 贾世杰， 金昊宇， 高会旺，2❋❋

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院， 山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室， 山东 青岛 266100)

大气沉降是陆源物质输送入海的重要方式。大气沉降带来的常量元素(氮(N)、磷(P)等)和微量元素(铁(Fe)、镁(Mg)等)，在丰富海洋营养盐储库的同时，也影响了浮游植物的生长和群落结构[1-2]，从而调节海洋中碳(C)、N、P等元素的生物地球化学循环[3-5]。许多研究表明，贫营养海域浮游植物对大气沉降表现出较为明显的响应[6-7]。例如，Zhang等[4]在西太平洋低营养盐低叶绿素(LNLC)海域的培养实验表明，大气沉降可以通过提供限制性营养盐(N)来促进浮游植物的生长并影响群落粒径分布。与贫营养海域相比，富营养海域营养盐储量较为充足，通常认为大气沉降的影响不明显。然而，Kim等[7]基于大量观测数据，发现大气沉降是造成黄海部分海域N相对P过剩的主要原因；Zheng等[8]发现，大气沉降对渤海中部海域N储量的贡献达到近30%。在此背景下，相比于大气沉降对近海营养盐储量贡献的研究，人们对大气沉降由此引起的生态效应并不明确。

黄海位于太平洋西北部，是一个半封闭的边缘海，受陆源物质影响显著。黄海近岸至中部区域，营养水平呈现较大的差异[13-14]。因此，本研究选取黄海营养水平显著不同的两个站点开展灰霾加富的船基围隔培养实验，通过测定培养期间分级Chl-a、营养盐、碱性磷酸酶活性(APA)等参数，旨在阐明灰霾天大气沉降对贫营养和富营养水域浮游植物生长及对粒级结构影响的异同。

1 材料与方法

1.1 灰霾样品的采集与成分分析

本研究于2019年1月12日在中国海洋大学崂山校区(36°9′39″N，120°29′29″E)采集了用于船基围隔培养实验的气溶胶样品。因气溶胶样品是在灰霾天采集，故在下文中将灰霾天采集的气溶胶简称为灰霾，添加灰霾的培养组称为灰霾添加组。灰霾样品是利用KC-1000型大流量采样器(青岛崂山电子仪器总厂有限公司)连续采集20 h得到的，采样流量为1.05 m3·min-1。采样膜为醋酸纤维膜(Whatman 41)，预处理过程参考文献[15]。采集时的空气湿度为80%～94%，能见度小于2 km，且PM2.5质量(161～263 μg·m-3)约占PM10的73%(152～322 μg·m-3)，属于重污染天气。分别用离子色谱仪(ICS-3000, Dionex)和电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS: ELAN DRCII, Perkin Elmer Ltd.)测量灰霾样品中的溶解性营养盐和金属元素含量，结果见表1。

表1 灰霾样品中营养盐和金属元素的浓度

1.2 船基围隔培养试验

本研究于2019年4—5月(春季)搭载北斗号(国家自然科学基金委共享航次NORC2019-01)在黄海P1站位(36°0′13″N，124°29′8″E)和P2站位(32°59′30″N,124°0′46″E)开展船基围隔培养实验，站位位置见图1。用CTD控制Niskin瓶采集表层(～3 m)海水，将水样混匀后过200 μm筛绢滤去大粒径浮游动物，然后分配到20 L酸洗过的干净聚碳酸酯培养瓶中，按表2的实验设计添加灰霾(Haze)和营养盐，每个添加组中设置三个平行样，处理后的培养瓶放在围隔系统中进行培养。培养期间用泵持续抽取表层海水经过围隔系统，保持培养海水与表层海水温度一致，同时用遮光材料使照射在围隔系统内的光照强度衰减～40%[6]。

图1 船基围隔培养实验站位分布图

表2 营养盐和灰霾添加方案

1.3 样品采集与测定

在培养实验期间，每天从每个培养桶中量取150 mL水样，将水样依次通过20 μm的尼龙滤膜，2和0.22 μm的聚碳酸酯滤膜(Whatman)，分别获得含有小型(20～200 μm)、微型(2～20 μm)和超微型(0.22～2 μm)浮游植物的样品。用体积分数为90%的丙酮溶液在-20 ℃的黑暗环境下萃取20～24 h，并用Trilogy荧光仪检测萃取液中的叶绿素a(Chl-a)浓度。总Chl-a浓度为各分级Chl-a浓度之和。

在培养实验期间，定期从培养桶中取45 mL的培养海水，加入0.5 mL荧光底物甲基伞形磷酸酯(MUF-P)作为混合底物。向样品管中加入1 mL混合硼砂碳酸钠缓冲溶液(pH =～11)和3 mL混合底物后，使用Trilogy荧光计测量并记录荧光值[13]，在得到混合底物后的0和1.5 h进行上述操作[18]，求得两次测得数值的斜率作为水解率，用APA表示。

2 实验结果

2.1 海水初始生化特征

表3 采样站位原始海水生化参数

2.2 培养期间浮游植物Chl-a变化

总Chl-a浓度变化见图2。在P1站的培养期间，灰霾添加组的总Chl-a浓度始终呈上升趋势，且高于其他添加组。灰霾添加组的总Chl-a浓度最高可达对照组的2.0倍(培养第5天)，表明灰霾添加对浮游植物增长有明显的促进作用。对照组与N添加组和N+Fe添加组的总Chl-a浓度在培养期间均存在显著性差异(p<0.05)，与P添加组之间无显著性差异(p>0.05)。且培养期间N+Fe添加组的总Chl-a浓度显著高于对照组(p<0.05)，但显著低于N添加组(p<0.05)。

图2 各培养组的总叶绿素a浓度变化

P2站对照组与灰霾和营养盐添加组的总Chl-a浓度间无显著性差异(p>0.05)。在培养期间，各培养组的总Chl-a浓度均呈上升趋势，且各组之间浓度相近。与原始海水相比，各培养组培养第6天的总Chl-a浓度(>12.44 μg·L-1)升高了6倍以上。

从分级Chl-a浓度来看(见图3)，在P1站培养的第6天，灰霾添加组小型浮游植物的Chl-a浓度是对照组的2.1倍，高于微型和超微型浮游植物相比于对照组的增长倍数，分别为1.7和1.6倍。培养期间，N添加组与灰霾添加组的小型与微型浮游植物变化趋势一致。

图3 各培养组分粒级叶绿素a浓度的变化

在P2站培养期间，灰霾添加组的小型浮游植物显著增长，Chl-a浓度最高可达对照组的1.5倍(培养第5天)。超微型浮游植物的Chl-a浓度在培养第2～5天为对照组的1.2～1.6倍。而微型浮游植物在培养期间的Chl-a浓度与对照组无显著差异(p>0.05)。在培养第6天，N和N+Fe添加组小型浮游植物显著增长，Chl-a浓度分别是对照组的1.3和1.4倍，而微型与超微型浮游植物与对照组无显著差异(p>0.05)。

在不同站位，各粒级浮游植物在培养期间对总Chl-a的贡献率产生了明显变化(见图4)。

图4 对照组和灰霾添加组各粒级浮游植物对总叶绿素a的贡献变化

P1站原始海水中小型浮游植物对总Chl-a的贡献率为9%，在培养期间，对照组的优势浮游植物始终是超微型浮游植物(≥48%)，而灰霾添加组的优势浮游植物则由超微型(48%)逐渐转变为小型(48%)，表明群落粒级结构发生了向大粒径的转移。

P2站原始海水中小型浮游植物对总Chl-a的贡献率为11%。在培养期间，对照组和灰霾添加组的优势浮游植物均从微型浮游植物(81%)逐渐转变为小型浮游植物(≥52%)，且从培养第3天开始灰霾添加组小型浮游植物对总Chl-a的贡献率明显高于对照组，表明灰霾添加组的浮游植物的群落粒级结构开始向大粒径转移。

2.3 营养盐及APA变化

(-C和-H分别指对照和灰霾添加组，数字表示培养天数。X在图中不同行分别代表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.)

(未检出数据计算带入检测限，并用向上的箭头表明实际值高于计算值、向下的箭头表明实际值低于计算值。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.)

培养期间APA的变化见图7。在P1站原始海水中 APA较低，培养第6天对照组和灰霾添加组的APA无明显差异。在P2站培养的第3天，灰霾添加组的APA(3.89 nmol·(L·h)-1)是对照组(2.68 nmol·(L·h)-1)的1.5倍。在培养第6天，灰霾添加组的APA为7.67 nmol·(L·h)-1，是对照组(2.57 nmol·(L·h)-1)的3倍。N+Fe添加组的APA为5.39 nmol·(L·h)-1， 接近灰霾添加组且明显高于对照组和N添加组(2.98 nmol·(L·h)-1)。

图7 各培养组的碱性磷酸酶活性变化

2.4 浮游植物与环境因子的相关性分析

本文使用社会科学统计软件(SPSS)20.0对各粒级浮游植物对总Chl-a的贡献率与环境因子进行了相关分析，结果见表4。

表4 浮游植物与环境因子的相关关系

3 讨论

3.1 营养盐限制状态

P1站位于南黄海中部，海水中营养盐浓度很低。原始海水中N/P小于1，且对照组与N添加组的总Chl-a浓度在培养期间存在显著差异(p<0.05)，说明浮游植物生长受N限制。对照组与N+Fe添加组的总Chl-a浓度在培养期间存在显著差异(p<0.05)，但N添加组在培养期间的总Chl-a浓度高于N+Fe添加组，说明Fe可能不是限制因子。南黄海春季表层海水中Fe的浓度高于其它季节，最高浓度可达75.0 nmol·L-1[20]，原始海水中较为充足的Fe使浮游植物生长不受Fe的限制。因此我们认为P1站浮游植物的生长主要受N限制。

P2受长江冲淡水、大气沉降、黄海暖流等因素的共同影响，海水营养盐浓度较高[21-22]。春季温度回升，光照充足，导致藻类大量繁殖，甚至可能爆发藻华[23]。对照组总Chl-a浓度在6天时间里从2.04 μg·L-1升高到了13.17 μg·L-1，增幅为546%。在培养过程中，营养盐浓度逐渐降低，但对照组与各营养盐添加组的总Chl-a浓度间无显著差异(p>0.05)，因此我们认为P2站的营养盐比较充足，未表现出营养盐限制特征。

3.2 浮游植物群落对灰霾添加的响应

3.3 灰霾添加影响下贫营养和富营养水域浮游植物对DON和DOP的利用

在贫营养站位(P1)，原始海水营养盐缺乏，培养期间对照组的N/P(≤1)远低于Redfield比值，始终处于N限制状态。DON的浓度在培养期间显著降低(p>0.05)，表明浮游植物通过降解DON来缓解水体中的N限制。虽然灰霾添加导致水体中的N/P始终高于Redfield比值。然而，未显著变化的DOP浓度和APA表明浮游植物对DOP的利用较少。总Chl-a浓度在P添加组与对照组无显著差异(p>0.05)，表明浮游植物对P的需求较小，这可能导致了浮游植物对DOP的利用较少。综上，P1站浮游植物相较于P对N有更大的需求。

在富营养站位(P2)，原始海水中无营养盐限制。培养过程中灰霾添加组的N/P始终高于Redfield比值，说明可能存在P限制。培养最后一天，灰霾添加组相比于对照组较低的DOP浓度和较高的APA，表明浮游植物通过利用DOP来缓解P限制。N+Fe添加组与灰霾添加组APA相似，且Fe能够作为碱性磷酸酶的辅酶因子[12]，故灰霾中较高的Fe含量可能是促进APA提高的重要原因。对照组的N/P降到1，说明水体可能逐渐转变为N限制，但灰霾添加组的DON浓度低于对照组，说明灰霾添加促进了浮游植物对DON的利用。研究表明，Mg元素可以促进水体中DON的降解[24]，灰霾中较高的Mg元素含量(204.00 nmol·m-3)可能促进了DON的利用。以上假设仍需开展进一步的实验予以证明。然而，可以肯定的是，灰霾沉降对富营养海区浮游植物利用DON和DOP有明显的促进作用。

4 结论

本研究于2019年春季在黄海贫营养和富营养海域开展了灰霾和营养盐添加实验，探究了灰霾天大气沉降对不同营养水平环境中各粒级浮游植物生长的影响。研究发现，小型浮游植物在营养限制环境中对灰霾添加的响应最为明显(均表现为浮游植物粒级结构向大粒级转移)，且在不同营养状态下，各粒级浮游植物对灰霾添加的响应机制有所差异：

致谢：本研究得到了国家自然科学基金委员会共享航次计划项目的支持。该航次(航次编号：NORC 2019-01)由“北斗”号科考船实施，在此一并致谢。