广利港夏季硅藻多样性指数与氮、磷营养盐组成的关系*

2021-07-06王忠全孙春晓乔洪金

广西科学 2021年2期

王忠全，程玲，孙春晓，乔洪金，李斌

(山东省海洋资源与环境研究院，山东省海洋生态修复重点实验室，山东烟台 264006)

0 引言

多样性指数、丰富度指数等参数主要反映生物群落内的种类数和种间数量分配，可用于表征浮游植物群落的结构特征[1]，其中，最有效的参数是生物多样性指数(H′)，常用于分析海域生物群落的稳定程度及其随时间的演替，多样性指数越高的海域生态系统越趋于稳定[2-4]。广利港是渤海海域一处重要的港口，受广利河等入海河流的影响，近年来富营养化程度较高。硅藻是海洋中最主要的浮游植物类群，其光合产量占海洋初级生产力的20%以上[5]。硅藻种类繁多，细胞粒径跨度大，可以从几微米到几百微米[6]。由于细胞体积和代谢特征的差异，不同种类的硅藻对海洋环境(温度、盐度、营养盐组成)的适应性不同，其中，营养盐浓度和组成是影响硅藻群落特征的重要因素[7]。浮游植物的营养元素主要为N、P，即硝态氮、氨氮和磷酸盐[8-10]。营养盐的组成和浓度决定藻类细胞的生长速率，因而直接影响浮游植物的物种丰度。N/P也是影响浮游植物组成的重要因素[11,12]，一般根据Redfield比值(N/P=16)判断海域是否存在N限制或P限制[13]，从而建立浮游植物群落演替与N/P的关系。有研究报道，在氮磷浓度都比较低的情况下，N/P的下降有利于小粒径硅藻细胞的生长[14,15]。硅藻种类繁多，不同海域硅藻种类组成差别较大，但是在营养盐丰富的近岸和河口海域，氮磷浓度的变化对硅藻群落组成影响的研究较少。因此，本文基于2016年夏季广利港38个站位的水质和浮游植物种类的调查数据，分析夏季广利港营养盐浓度与硅藻多样性指数H′的关系，拟为广利港富营养化治理和海洋生态环境保护提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 采样海域及采样方法

于2016年8月至9月在东营广利港的38个站位(15个断面)进行调查，各断面与取样站位的对应关系见表1。由于近河口区域受河流影响变动剧烈，因此距离河口近的每个站位都作为一个断面，而远离河口的区域按照距离河口的远近每3-5个站位为一个断面，每个断面均近似平行于海岸线，经纬度为118°57′30.52″-119°15′48.16″E，37°19′2.08″-37°27′16.47″N (图1)。

•站位Station

表1 不同断面对应的站位

使用采水器在各个站位采样(采样深度0.5 m)，水样用鲁哥氏液当场固定，每升水样加入10-15 mL鲁哥氏液。使用相同的方式采集水样进行营养盐测定。

1.2 计数及测定方法

将水样摇匀，取100 mL置于250 mL分液漏斗中，沉淀24 h 以上，去除上清液，浓缩至一定体积，在光学显微镜 (CX-21，奥林巴斯)10×40 镜头下采用视野法进行计数[16]、鉴定，每个样品计数2次，取其平均值。

样品采集带回实验室后，立即开始营养盐的测定。硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐、活性磷酸盐分别用锌镉还原比色法、奈乙二胺分光光度法、次溴酸盐氧化法和磷钼蓝分光光度法测定。每个样品做3个平行样，每20个样品做1个内控。样品分析均按照《海洋调查规范》(GB/T 12763.4-2007)进行[17]。

1.3 数据处理

硅藻的丰度用下列公式计算：

式中，N为硅藻的物种丰度(个/m3)，C为盖玻片面积(mm2)，Fs为每个视野面积(mm2)，Fn为计数视野数，V为1 m3水样沉淀浓缩体积(mL)，U为计数体积(mL)，Pn为计数视野中每种藻的总个数。

H′采用 Shannon-Weaver公式计算：

式中，H′为种类多样性指数，S为样品中的种类总数，P为第i种的个体数即丰度(ni)或生物量(wi)与总个体数即总丰度(N)或总生物量(W)的比值。

采用Origin 2017软件进行线性拟合，并根据Pearson相关系数衡量相关性，显著性差异设定为P<0.05，极显著差异设定为P<0.01。

2 结果与分析

2.1 硅藻的种类组成和多样性指数H′

本次调查共鉴定出硅藻19种(部分鉴定到属)，各站位累计丰度最高的3种硅藻分别为尖刺伪菱形藻(Pseudo-nitzschiapungens)、圆筛藻属(Coscinodiscussp.)、大洋角管藻(Cerataulinapelagica)，其中圆筛属藻在各个站位都有发现且丰度较高，最高可达4.27×106个/m3(ST17站位)。短角弯角藻(Eucampiazodiacus)、圆柱角毛藻(Chaetocerosteres)、中肋骨条藻(Skeletonemacostatum)和薄壁几内亚藻(Guinardiaflaccida)只在部分站位有发现且丰度较低，其中薄壁几内亚藻在ST39站位的丰度仅为1 900个/m3。

近岸站位Hh15、ST01-ST06优势藻种主要有圆筛藻属、旋链角毛藻(Chaetoceroscurvisetus)和尖刺伪菱形藻，断面8 (ST07-ST11站位)优势藻种为劳氏角毛藻(Chaetoceroslorenzianus)、角毛藻属和尖刺伪菱形藻，断面9 (ST12-ST14站位)、断面10 (ST17，ST20-ST21站位)、断面11 (ST23-ST26站位)优势藻种均为尖刺伪菱形藻、圆筛藻属和大洋角管藻，断面12 (ST27-ST31站位)优势藻种为尖刺伪菱形藻、圆筛藻属、旋链角毛藻，断面13 (ST32-ST36站位)、断面14 (ST37-ST39站位)优势藻种均为尖刺伪菱形藻、圆筛藻属和角毛藻属(Chaetocerossp.)，断面15 (ST40-ST42站位)尖刺伪菱形藻、圆筛藻属和旋链角毛藻。

将各断面站位对应的H′作散点图(图2)。H′在近岸的Hh15、ST03和ST04站位为0.95-1.62，在近岸的ST01、ST02、ST05、ST06站位为1.69-1.90，而在离岸更远的站位，H′的波动范围变大，其值为0.87-2.28。H′随着离岸距离的远近没有确定的变化趋势，这可能与夏季河流淡水输入造成的扰动有关。

图2 不同断面站位的多样性指数

2.2 营养盐的空间变化

如图3a所示，N营养盐浓度在近岸的Hh15、ST01、ST04 站位最高，分别为3.2，3.3和3.9 mg/L，但是在另外两个近岸站位(ST02和ST03)急剧降低，分别只有0.62，0.76 mg/L。随着离岸距离增大，N浓度水平相对下降，为0.14-1 mg/L，仅断面8的2个站位超过2 mg/L，各断面(断面3，4，6-15)间N浓度没有显著差别。

如图3b所示，P营养盐浓度在各站位的变化趋势与N浓度表现出相似的趋势，也是在Hh15、ST01、ST04站位最高，达到0.06-0.07 mg/L，而在ST02站位只有0.007 mg/L。在其他断面，P浓度在0.003-0.04 mg/L间波动。

如图3c所示，N/P为16.81-433.23，其中29个站位超过100。N/P在近岸ST03站位为16.81，与Redfield比值(16)相当;断面1至断面7的N/P稳定在110左右;在断面8及离岸更远断面的很多站位，N/P都显著增加，甚至超过400 (ST13、ST33站位)，与Redfield比值相差近30倍。

图3 不同断面站位的氮浓度、磷浓度和氮磷比

2.3 营养盐与H′的相关性

将所有站位的N浓度、P浓度和N/P分别与其对应的H′进行线性拟合(图4)，N浓度和P浓度与H′无明显相关关系；随着N/P的增加，H′呈下降趋势，H′与N/P之间的相关系数R=-0.43 (n=45，P<0.01)，呈中等程度的负相关关系。

图4 多样性指数与N/P的关系

3 讨论

此次调查海域广利港位于广利河和淄脉河的出海口，属于近岸河口区。由于河水带来大量的营养物质，N、P的浓度较高，处于富营养状态。但是在离岸较远的多数站位，N、P浓度显著下降，尤其是P的浓度下降更明显，低于一般近海海湾[18]。除少数站位外，N/P都超过100，有数个站位甚至达到400，远大于Redfield比值(16)，因此认为离岸海域处于P限制的环境，这与Moon等[19]的报道一致。

浮游植物对磷酸盐的吸收存在种间差异，洪华生等[20]通过分析钙质角毛藻、三角褐指藻和亚心形扁藻对32P的吸收实验，表明藻类对磷酸盐的吸收动力学参数因种类而异。Suttle等[18]应用半连续培养研究天然湖泊中浮游植物种类组成对N/P的响应，结果发现，聚球藻属(Synechococcussp.)在高N/P时(45∶1)是优势种，而在低N/P(5∶1)时，硅藻类中的菱形藻(Nitzschia)和针杆藻(Synedra)为优势种。此次调查站位多为高N/P，圆筛藻属在各站位中都有较高的丰度，说明这类藻适合较高的营养盐N/P。

除不同藻类细胞的特性外，藻类细胞大小也会影响对营养盐的吸收。Litchman等[21]研究硅藻细胞大小与营养盐关系，发现持续的N或P限制均有利于小粒径硅藻生长。另有研究发现，N/P下降有利于小粒径硅藻细胞的生长[14,15]。曲克明等[22]专门研究硅藻的组成，认为N/P及其比例对浮游硅藻的组成可能有着明显的影响，氮磷浓度越高，N/P离Redfiled越远，浮游植物种类越少，Shannon指数越低，这与本次调查的结果一致，即N/P远离Redfield比值的站位H′也显著下降。