氮磷比對(duì)洞頭島浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響

氮磷比對(duì)洞頭島浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響

浮游植物是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要初級(jí)生產(chǎn)者，在鏈中發(fā)揮著重要作用，在生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中起著重要作用。水動(dòng)力、水溫、鹽、光、營養(yǎng)鹽、碳氮比、競(jìng)爭、屠宰等因素對(duì)浮游植物群落有重要的控制作用。其中，營養(yǎng)鹽是浮游植物生存的基礎(chǔ)?？偟膩碚f，氮和磷是漂浮植物吸收的16:1左右的摩爾比。然而，浮游植物對(duì)營養(yǎng)鹽的需求和使用特點(diǎn)因藻而異。例如，角藻、假甲狀藻類、假甲狀藻類和其他種類的藻類對(duì)氮的需求非常高。因此，氮和磷的變化會(huì)影響浮游生物的生長和群落的形成，改變浮游生物群落的結(jié)構(gòu)組成。這一觀點(diǎn)也得到了妥羅港和長江口的長期監(jiān)測(cè)。此外,營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)變化對(duì)SanFranciso灣、膠州灣、大亞灣、珠江口和廈門灣等海域浮游植物的影響也已有報(bào)道.氮、磷對(duì)浮游植物影響的研究多集中于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和營養(yǎng)鹽加富試驗(yàn),很少維持氮磷摩爾比的恒定.而圍隔實(shí)驗(yàn)多集中于春夏季,很少有其他季節(jié)的報(bào)道.近年來,東海近岸氮磷營養(yǎng)鹽污染嚴(yán)重,比例嚴(yán)重失衡.因此,研究不同季節(jié)氮磷比對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響,對(duì)于東海近岸海洋生態(tài)系研究具有重要意義.我們以浙江省洞頭島海域浮游植物群落為研究對(duì)象,研究了不同氮磷比對(duì)浮游植物群落葉綠素a、細(xì)胞豐度及種類組成的影響,以期為深入了解浮游植物群落對(duì)營養(yǎng)鹽的響應(yīng)機(jī)制提供基礎(chǔ)資料.1材料和方法1.1浮游植物檢測(cè)方法及水樣實(shí)驗(yàn)于2011年1月在浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所洞頭基地進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)海水取自洞頭海域(27o51′N,121o10′E),現(xiàn)場(chǎng)用CQ14標(biāo)準(zhǔn)篩絹(505μm)濾去浮游動(dòng)物后,將海水加入一水池(經(jīng)漂白粉消毒)內(nèi),再分別取150L置于200L白色聚乙烯桶(經(jīng)漂白粉消毒)內(nèi).實(shí)驗(yàn)中N:P比為海水中溶解無機(jī)氮(DIN)與磷酸鹽(PO43--P)物質(zhì)的量濃度的比,其中DIN為硝酸鹽(NO3--N)、亞硝酸鹽(NO2--N)和銨鹽(NH4+-N)的物質(zhì)的量濃度之和.經(jīng)測(cè)定,NO3--N、NO2--N、NH4+-N、磷酸鹽(PO43--P)和硅酸鹽(SiO32--Si)的濃度分別為77.14、0.43、0.50、1.36和38.57μmol/L.實(shí)驗(yàn)共設(shè)8個(gè)比例梯度,N:P比分別設(shè)置為1:1、4:1、8:1、16:1、32:1、64:1、128:1和256:1,每個(gè)比例設(shè)3組重復(fù)(表1),對(duì)照組即為原始海水.實(shí)驗(yàn)時(shí)將聚乙烯桶放入一個(gè)加循環(huán)海水的水池中水浴控溫,使實(shí)驗(yàn)期間桶內(nèi)水溫與外界海水保持一致(7.9-12.0℃).實(shí)驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行30d,每隔2d取500mL水樣,觀察浮游植物的種類和數(shù)量.另取500mL水樣用于測(cè)定營養(yǎng)鹽濃度,根據(jù)每次對(duì)水樣的測(cè)定往桶內(nèi)添加氮、磷營養(yǎng)鹽(NaNO3NaH2PO4)以保證各實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組氮磷比例和絕對(duì)濃度與設(shè)計(jì)值一致,同時(shí)往桶內(nèi)添加Na2SiO3·5H2O以維持SiO32--Si濃度恒定.實(shí)驗(yàn)期間鹽度為26.8±0.2,pH為7.93±0.27.光源為自然光,光照強(qiáng)度為2000-4500lx,光周期約為14h:10h.1.2浮游植物光合酶活性的測(cè)定營養(yǎng)鹽水樣(NO3--N、NO2--N、NH4+-N、PO43--P和SiO32--Si)經(jīng)0.45μm的醋酸纖維膜過濾后按照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》的要求進(jìn)行分析測(cè)定.浮游植物采樣按《海洋調(diào)查規(guī)范》進(jìn)行,取500mL水樣于聚乙烯瓶中,加入中性福爾馬林進(jìn)行固定,使其終濃度為1%.樣品靜置24h后濃縮到適當(dāng)體積,用取樣管攪拌均勻,迅速將樣品移至0.1mL浮游植物計(jì)數(shù)框于顯微鏡(NikonE200,日本)下進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù),重復(fù)計(jì)數(shù)3次.葉綠素a在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用熒光法測(cè)定,樣品在低溫避光條件下經(jīng)90%的丙酮萃取24h后,使用TurnerdesignTrilogy熒光儀測(cè)定葉綠素a濃度.1.3單因子方差分析和s-n-k-ke作為一個(gè)單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分析,單因子方差分用SPSS13.0軟件對(duì)變量進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)(K-S檢驗(yàn))和方差齊次性檢驗(yàn)(Levene檢驗(yàn)),若數(shù)據(jù)同時(shí)滿足上述條件,則用單因子方差分析(One-wayANOVA)和S-N-K(StudentNewman-Keuls)多重比較法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析;若不滿足上述條件,則進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)(K-W檢驗(yàn)).繪圖采用SigmaPlot9.0軟件.2結(jié)果與分析2.1浮游植物種0-3d種類的變化共觀察到浮游植物4門58種,其中硅藻門43種,甲藻門12種,綠藻門2種,隱藻門1種.天然海水中優(yōu)勢(shì)種為硅藻中肋骨條藻(Skeletonemacostatum)、旋鏈海鏈藻(Thalassiosiracurviseriata)、綠藻塔胞藻(Pyramimonassp.)和甲藻錐狀施克里普藻(Scrippsiellatrochoidea),所占比例分別為55.33%、15.19%、13.94%和4.65%.實(shí)驗(yàn)初期(0-3d)浮游植物種類數(shù)較少,各N:P組無顯著差異(P>0.05;圖1).隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,各N:P組對(duì)種類數(shù)影響顯著(P<0.05).d6時(shí)高N:P組(256:1)種類數(shù)顯著高于低N:P組(1:1、16:1和32:1)(ANOVAS-N-K,P<0.05);d12時(shí)對(duì)照組物種較豐富(14種),顯著高于其他各組(ANOVAS-N-K,P<0.05);而d18時(shí)各N:P組間無顯著差異(ANOVAS-N-K,P>0.05);實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)高N:P組(128:1和256:1)顯著高于低N:P組(1:1、4:1和8:1)(ANOVAS-N-K,P<0.05).2.2chla的生長實(shí)驗(yàn)初期(0-6d),浮游植物生長緩慢,各組細(xì)胞豐度維持在較低水平,其中4:1組細(xì)胞豐度在d6顯著低于其他各組(ANOVAS-N-K,P<0.05;圖2).此后,各組細(xì)胞豐度逐漸增加,d12時(shí)低N:P組(8:1、16:1、32:1)和對(duì)照組細(xì)胞豐度達(dá)峰值,其中16:1組細(xì)胞豐度最高,為15.98×106cells/L.其他N:P組則在d18豐度達(dá)最高值,此時(shí)高N:P組(128:1)顯著高于低N:P組(1:1和8:1)(ANOVAS-N-K,P<0.05).隨后各組細(xì)胞豐度均呈下降趨勢(shì),實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)高N:P組(128:1和256:1)顯著高于低N:P組(1:1、4:1、8:1和32:1)(ANOVAS-N-K,P<0.05).實(shí)驗(yàn)初期(0-6d)各組Chla濃度維持在較低水平(1.34-4.83μg/L),N:P比對(duì)Chla影響不顯著(K-W,P>0.05;圖3).d12時(shí)各N:P組對(duì)Chla濃度影響顯著(K-W,P<0.05),此時(shí)16:1、128:1、256:1組與對(duì)照組相似,Chla濃度達(dá)峰值,隨后逐漸降低.4:1、8:1、32:1和64:1組Chla濃度則在d18時(shí)最高,此時(shí)各N:P組Chla濃度差異不顯著(K-W,P>0.05).實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)各組Chla濃度差異顯著(K-W,P<0.05),均低于對(duì)照組(118.09μg/L).2.3優(yōu)勢(shì)種和增殖細(xì)胞實(shí)驗(yàn)期間各組浮游植物群落均以硅藻→綠藻和隱藻→硅藻→甲藻順序發(fā)生演替(圖4).實(shí)驗(yàn)初期(0-3d)各組優(yōu)勢(shì)種相似,均為中肋骨條藻和旋鏈海鏈藻,其中8:1組旋鏈海鏈藻占主要優(yōu)勢(shì).d6時(shí)除4:1組外的其他各組塔胞藻和伸長斜片藻(Plagioselmisprolonga)大量增殖(圖4b),而4:1組塔胞藻和伸長斜片藻僅占2.41%和6.44%.隨后塔胞藻迅速消亡,6-18d中肋骨條藻又占據(jù)群落優(yōu)勢(shì).實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至中后期時(shí),各N:P組優(yōu)勢(shì)種不同.d24時(shí)對(duì)照組和4:1組相似,雙刺原多甲藻(Protoperidiniumbipes)、中肋骨條藻和圓海鏈藻(Thalassiosirarotula)生長較好;1:1組中肋骨條藻和圓海鏈藻(圖4c)占優(yōu)勢(shì);8:1、16:1和32:1組相似,雙刺原多甲藻占50%以上;64:1組柔弱根管藻(Rhizosoleniadelicatula)占主要優(yōu)勢(shì);128:1組中肋骨條藻和雙刺原多甲藻占優(yōu)勢(shì);而256:1組仍由中肋骨條藻占主要優(yōu)勢(shì).實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)(d30),除256:1組外,其他各組均由雙刺原多甲藻占優(yōu)勢(shì)(圖4e),256:1組硅藻占55.17%(主要優(yōu)勢(shì)種為海洋角管藻Cerataulinapelagica).實(shí)驗(yàn)期間優(yōu)勢(shì)種細(xì)胞豐度各不相同,且達(dá)到峰值的時(shí)間也不同(圖5).中肋骨條藻在d12時(shí)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),且16:1組細(xì)胞豐度高達(dá)15.31×106cells/L(圖5a).隨后各組的中肋骨條藻細(xì)胞豐度逐漸降低,但至d18時(shí)仍在整個(gè)群落中仍占主要優(yōu)勢(shì)(圖4c),至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),細(xì)胞豐度降至最低.旋鏈海鏈藻12-24d時(shí)在群落中也占優(yōu)勢(shì)(圖5b),d12時(shí)8:1組細(xì)胞豐度最高,達(dá)0.66×106cells/L.圓海鏈藻18-24d時(shí)逐漸占優(yōu)勢(shì),實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),16:1組細(xì)胞豐度顯著高于其他各組(ANOVAS-N-K,P<0.05)(圖5d).塔胞藻在d6時(shí)大量增殖(圖5f),其中128:1組(0.96×106cells/L)顯著高于對(duì)照組(ANOVAS-N-K,P<0.05).d6時(shí)伸長斜片藻也在群落中占優(yōu)勢(shì)(6.43%-26.04%),其中4:1組顯著低于其他各組(ANOVAS-N-K,P<0.05;圖5c),此后伸長斜片藻雖仍存在,但豐度維持在較低水平.24-30d雙刺原多甲藻細(xì)胞豐度逐漸升高,d24時(shí)16:1組顯著高于除對(duì)照組和32:1組外的其他各組(ANOVAS-N-K,P<0.05);實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),16:1組雙刺原多甲藻細(xì)胞豐度顯著高于其他各組(ANOVAS-N-K,P<0.05;圖5e).3浮游植物群落結(jié)構(gòu)受到限制實(shí)驗(yàn)初期(0-6d)浮游植物增殖緩慢,可能是由于此時(shí)藻類體內(nèi)儲(chǔ)存大量營養(yǎng)鹽,為其后期生長提供能量基礎(chǔ).隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,浮游植物迅速增殖,各組桶內(nèi)水色逐漸加深,呈深棕色.d12時(shí),8:1、16:1、32:1和對(duì)照組(57:1)浮游植物細(xì)胞豐度首先達(dá)峰值,優(yōu)勢(shì)種均為為中肋骨條藻,表明本實(shí)驗(yàn)條件下初期N:P比較接近16:1時(shí)對(duì)中肋骨條藻的生長有利.膠州灣海域中肋骨條藻赤潮爆發(fā)初期N:P比在22-56.7之間,這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似.實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),各N:P組細(xì)胞豐度差異顯著,高N:P組(128:1和256:1)顯著高于低N:P組(1:1、4:1、8:1和32:1),表明隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長,高N:P比對(duì)浮游植物的生長更為有利.此外,營養(yǎng)鹽濃度對(duì)浮游植物的生長亦具有重要影響.本實(shí)驗(yàn)中,對(duì)照組氮、磷濃度分別為78.07和1.36μmol/L,與對(duì)照組相比,32:1組氮濃度不變,磷濃度增加(2.44μmol/L),64:1組磷濃度不變,氮濃度增加(87.04μmol/L),但32:1和64:1組浮游植物細(xì)胞豐度和Chla濃度均低于對(duì)照組,氮、磷濃度少量增加并不能使其生長優(yōu)于野外條件,這是由于浮游植物對(duì)野外環(huán)境的營養(yǎng)鹽濃度及比例已有一定的適應(yīng).此外,東海典型赤潮藻的圍隔實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明磷濃度過高時(shí),浮游植物的生長將受到限制,這也可能是本實(shí)驗(yàn)中低N:P組(高磷組)浮游植物生長劣于對(duì)照組的原因之一.實(shí)驗(yàn)中,N:P比對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)具重要的調(diào)控作用:一定范圍內(nèi)N:P比(8:1、16:1和32:1)降低有利于甲藻占優(yōu)勢(shì);高N:P比(256:1)更有利于硅藻占優(yōu)勢(shì).實(shí)驗(yàn)d24時(shí),8:1、16:1和32:1組甲藻首先在群落中占主要優(yōu)勢(shì),隨后,其他各組甲藻比例逐漸升高;實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),8:1、16:1和32:1組雙刺原多甲藻占70.21%-87.59%,256:1組中硅藻占55.17%(主要優(yōu)勢(shì)種為海洋角管藻).在其他海域進(jìn)行的野外調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)N:P比下降有利于甲藻占優(yōu)勢(shì),例如,Heil發(fā)現(xiàn)短凱倫藻(Kareniabrevis)赤潮常發(fā)生在低N:P比的Florida西部海域;對(duì)Tolo港的長期監(jiān)測(cè)中也發(fā)現(xiàn),N:P比降低(由20:1降至10:1)有利于浮游植物群落由硅藻向甲藻演替;美國東部海岸甲藻赤潮頻發(fā)也與N:P比下降有關(guān);胡章喜等單種培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)也表明,低N:P比有利于甲藻(東海原甲藻Prorocentrumdonghaiense)生長.Escaravage等的圍隔實(shí)驗(yàn)表明高N:P比(64:1和128:1)有利于硅藻占群落優(yōu)勢(shì);在Florida南部海域也發(fā)現(xiàn),高N:P比有利于硅藻在群落中占優(yōu)勢(shì).Cloern和Dufford認(rèn)為硅藻在硝酸鹽充足的條件下對(duì)氮的同化速度加快,這也是本實(shí)驗(yàn)條件下高N:P比有利于硅藻生長的原因.實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),128:1柔弱偽菱形藻占優(yōu)勢(shì)(39.26%),而陳菊芳等的研究則表明大亞灣海域柔弱偽菱形藻在N:P為6.21-32.98范圍內(nèi)生長較好,這與地域差異有關(guān).本實(shí)驗(yàn)中,各N:P組浮游植物群落均呈硅藻→綠藻、隱藻→硅藻→甲藻的演替順序.Duarte等在地中海進(jìn)行的圍隔實(shí)驗(yàn)也表明,實(shí)驗(yàn)初期各組均由超微型浮游植物聚球藻(Synechoccocussp.)占據(jù)群落優(yōu)勢(shì),隨后被角毛藻Chaetoceros取代.而林昱等研究則表明,在圍隔生態(tài)系內(nèi)先出現(xiàn)硅藻水華,而后甲藻占優(yōu)勢(shì).這種演替順序的不同與實(shí)驗(yàn)環(huán)境及浮游植物利用營養(yǎng)鹽方式的差異有關(guān).實(shí)驗(yàn)初期(d6),綠藻塔胞藻迅速占據(jù)群落優(yōu)勢(shì),本實(shí)驗(yàn)在冬季進(jìn)行,水溫較低(7.0-12.0℃),Gradinger報(bào)道過發(fā)生在北極浮冰下的一次塔胞藻赤潮,由此推斷塔胞藻對(duì)低溫具有較強(qiáng)的耐受性.另外,塔胞藻增殖速度快,細(xì)胞生長周期較短(圖5f),推斷其更傾向于r對(duì)策生物;硅藻(中肋骨條藻等)具較高的最大比生長率,營養(yǎng)鹽儲(chǔ)存能力低,也屬于r對(duì)策生物,這些類群的生長特性有利于它們?cè)谘萏娉跗谡紦?jù)優(yōu)勢(shì).而甲藻(東海原甲藻等)具有低的最大比生長率,氮磷營養(yǎng)鹽儲(chǔ)存能力較高,這有利于其在演替后期占優(yōu)勢(shì).而且部分甲藻營混合營養(yǎng)生活,如東海原甲藻和尖葉原甲藻(P.triestinum)等,它們更傾向于利用顆粒營養(yǎng)物質(zhì).本實(shí)驗(yàn)中占優(yōu)勢(shì)的甲藻為雙刺原多甲藻,它是一種營異養(yǎng)生活的甲藻,可以攝取硅藻如中肋骨條藻作為營養(yǎng)物質(zhì).因此在實(shí)驗(yàn)中后期,藻類大量死亡,水體中顆粒有機(jī)物質(zhì)大量增加,也有利于雙刺原多甲藻取代硅藻成為優(yōu)勢(shì)種.這也是野外硅藻赤潮后經(jīng)常發(fā)生甲藻赤潮的重要原因.此外,實(shí)驗(yàn)期間硅藻粒級(jí)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化,各N:P組中硅藻優(yōu)勢(shì)種由微型(中肋骨條藻等)向小型(圓海鏈藻及海洋角管藻等)演替.其他現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和野外調(diào)查結(jié)果也發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果,例如,Carter等在Beatrix灣進(jìn)行的營養(yǎng)鹽加富實(shí)驗(yàn)表明,添加營養(yǎng)鹽后小細(xì)胞硅藻逐漸被大細(xì)胞硅藻取代;Hlaili等在Bizerte瀉湖進(jìn)行的加富實(shí)驗(yàn)也表明,實(shí)驗(yàn)期間硅