李苏恒 董 逸 赵 苑 孙晓霞,5 张光涛 赵 丽① 张武昌① 肖 天

(1. 中国科学院海洋研究所 中国科学院海洋生态与环境科学重点实验室 山东青岛 266071; 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 266237; 3. 中国科学院大学 北京 100049; 4. 中国科学院海洋大科学研究中心 山东青岛 266071; 5. 中国科学院海洋研究所 山东胶州湾海洋生态系统国家野外科学观测研究站 山东青岛

266071)

海洋微微型浮游植物(picophytoplankton)细胞粒径介于0.22～2 μm 之间, 是迄今为止发现的最小的光合自养浮游生物, 主要包括蓝细菌中的原绿球藻(Prochlorococcus, PRO) 和聚球藻(Synechococcus,SYN), 以及微微型真核浮游植物(Picoeukaryotes,PEUK)。SYN 最适生长温度为17～25 °C, 决定了它在热带、亚热带和温带海域丰度较高, 较强的温度适应能力使其在70°N 到 69°S 水体都可以生存(Lietal,1983; Jointetal, 1986)。PRO 对温度敏感, 尤其是低温对其影响明显, 其生长海区被限制在南北纬40°之间。在我国东海、南海、黄海东南部检测到了PRO, 渤海尚未发现(焦念志等, 2002)。PEUK 分布广泛, 因其种类丰富, 包含多种耐低温的藻类, 从赤道到极地海区都可以检测到(Marieetal, 2006; Worden, 2006)。微微型浮游植物对初级生产力和浮游植物生物量的贡献显著, 被认为是世界上大多海区浮游植物群落中的重要组分(Olsonetal, 1990)。微微型浮游植物具有粒径小、比表面积大, 种类丰富, 数量多等特点(Campbelletal, 1994), 因而决定了它是海洋生态系统物质循环和能量流动的重要推动者, 对维持海洋生态系统的稳定起着重要的作用。

獐子岛海域位于黄海北部(38°42'～39°12'N, 122°24'～123°6'E)外长山群岛的最南端, 拥有全国最大的虾夷扇贝 养 殖 基 地。胶 州 湾 位 于 黄 海 南 部(35°8'～36°18'N,120°04'～120°23'E), 是典型的半封闭海湾, 有数十条河流流入, 是我国北方重要的港口、养殖及经济贸易区域。

獐子岛海域和胶州湾同属于温带海域, 受大陆气候和黄海暖流等因素的影响, 海水理化环境有明显的季节变化(俞建銮等, 1993), 两海区都受到人类活动的影响。对獐子岛海域微微型浮游植物的研究相对较少(Zhaoetal, 2018), 胶州湾的研究相对较多(肖天等, 1995; 赵三军等, 2005; 杨琳等, 2012), 但已有研究主要集中在单个海区, 并未系统对比过海区间存在的差异。本文对比了北黄海和南黄海典型海区微微型浮游植物的分布及环境影响因素, 旨在全面了解受不同理化因素及人类活动影响海区的微微型浮游植物丰度及季节变化情况, 为黄海的生态环境评估提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 调查站位及样品采集

2009 年7 月至2010 年6 月搭乘大连獐子岛渔业集团有限公司“辽长渔科研19 号”对獐子岛海域进行逐月调查采样(因天气原因, 2010 年1 月和5 月未采样), 共设13 个观测站。其中A6、B6、C6 站位于非养殖海区, 最大水深约55 m, 其他站均位于养殖海区, 水深小于50 m。2010 年1～12 月搭乘“创新号”考察船对胶州湾常规站位进行逐月调查采样, 共设12个观测站, 除D5 站最大水深约36 m 外, 其余站位水深在1～26 m 不等, 采样站位如图1 所示。獐子岛海域和胶州湾季节按如下进行划分: 春季3～5 月, 夏季6～8 月, 秋季9～11 月, 冬季12～2 月。季节取值为3个月的平均值。使用Niskin 采水器采集海水样品, 取4 mL 海水置于5 mL 离心管中, 加入10%多聚甲醛固定, 终浓度为1%, 样品4 °C 避光保存, 带回实验室后液氮速冻, 然后转移至－80 °C 冰箱保存(Marieetal,2001), 为便于比较, 本文獐子岛海域和胶州湾均选取表层海水样品进行分析。

图1 獐子岛海域和胶州湾采样站位Fig.1 Sampling stations in the Zhangzi Island Area and Jiaozhou Bay

1.2 微微型浮游植物计数

将样品从－80 °C 冰箱中取出, 室温避光融化, 利用流式细胞仪(BD FACSVantage SE, Becton Dickinson, USA)检测到聚球藻(Synechococcus, SYN)和微微型真核浮游植物(Picoeukaryotes, PEUK), 未发现原绿球藻(Prochlorococcus, PRO), 故本文提到的微微型浮游植物包括SYN 和PEUK。取2 mL 海水样品, 加入2 μm 绿色荧光微球(Polysciences)作标准内参, 上机检测3 min。SYN 和PEUK 自身含有荧光,可直接进行检测。通过前向散射光(FSC)和侧向散射光(SSC)的双参数散点图FSC-SSC、橙色荧光(FL2)和红色荧光(FL3)的双参数散点图FL2-FL3 可以检测并区分SYN 和PEUK(Zhaoetal, 2016)。

1.3 理化因子的测定

1.4 丰度和生物量计算

用CellQuest 软件(Version 3.3, Becton Dickinson)收集和分析流式细胞仪数据, 获得SYN 和PEUK 丰度。微微型浮游植物生物量由丰度乘以碳转换系数(SYN 和PEUK 碳转换系数分别为250 fg C/cell 和1 500 fg C/cell)获得 (Zubkovetal, 1998)。浮游植物生物量通过叶绿素a浓度转换获得, 转换系数为50(Krempinetal, 1981)。

1.5 数据处理与统计分析

采用克鲁斯卡尔-沃利斯检验(Kruskal-Wallis)方法, 分别检验獐子岛海域和胶州湾的理化环境因子、微微型浮游植物丰度和生物量在季节之间的差异显著性。采用曼惠特尼U检验(Mann-WhitneyUTest) 的方法检验獐子岛海域和胶州湾理化环境因子、微微型浮游植物丰度和生物量在海区之间的差异显著性。采用斯皮尔曼相关性(Spearman correlation)方法分析各个海区环境因子和微微型浮游植物丰度之间的相关关系。所有数据进行分析前均经过log(x+1)转换。

利用Origin Pro 2015 绘制微微型浮游植物丰度和生物量的季节变化图。用SPSS 23.0 软件进行数据的克鲁斯卡尔-沃利斯检验、曼惠特尼U检验和斯皮尔曼相关性分析。

2 结果

2.1 温盐、叶绿素a、营养盐及砂壳纤毛虫丰度季节分布及海区间差异比较

獐子岛海域和胶州湾均表现出相似的温带季节变化特征, 即夏秋季节温度高, 冬春季节温度低, 二者全年温度变化范围分别在2.55～23.53 °C 和1.85～26.40 °C 之间, 獐子岛海域表层温度略低于胶州湾(图2a, 表1)。獐子岛海域和胶州湾的盐度高值均出现在冬春季, 低值出现在夏秋季, 盐度变化范围分别是30.54～32.27 和28.52～31.69, 全年大部分时间獐子岛海域表层盐度略高于胶州湾(图2b, 表1)。獐子岛海域和胶州湾叶绿素a浓度高值均出现在夏季, 低值均出现在冬季(图2c, 表1)。獐子岛海域DIN 和 PO34-浓度高值均出现在冬季, 低值分别出现在春季和夏季; 胶州湾DIN 和PO34-浓度高值分别出现在秋季和春季, 低值均出现在夏季(图2d, 2e, 表1)。两海区营养盐浓度均无明显的季节分布特征。獐子岛海域砂壳纤毛虫丰度春夏季高于秋冬季; 胶州湾砂壳纤毛虫丰度冬春季高于夏秋季(图2f, 表1)。

图2 獐子岛海域和胶州湾理化因子和相关生物因子月份比较Fig.2 Seasonal comparison of environmental parameters and related biological factors in Zhangzi Island Area and Jiaozhou Bay

曼惠特尼U检验分析结果表征了獐子岛海域和胶州湾主要环境因子之间的差异情况: 獐子岛海域盐度、P浓度和砂壳纤毛虫丰度均显著高于胶州湾(P＜0.01,表1); 獐子岛海域DIN 浓度显著低于胶州湾(P＜0.01,表1); 獐子岛海域与胶州湾两海区之间的温度、叶绿素a浓度均无显著性差异(P＞0.05, 表1)。

表1 獐子岛海域和胶州湾四季理化因子和相关生物因子数值Tab.1 Environmental parameters and related biological factors in four seasons of Zhangzi Island Area and Jiaozhou Bay

2.2 微微型浮游植物丰度季节分布及海区间差异比较

獐子岛海域SYN 丰度范围在0.05×103～120×103cells/mL 之间, 平均值为(11.82±7.35) ×103cells/mL(n=130)(图3a, 表2)。SYN 丰度在秋季最高, 且显著高于其他季节(Kruskal-Wallis,P＜0.01, 表2)。季节趋势总体表现为秋季＞夏季＞冬季＞春季(图3b)。胶州湾SYN 丰度范围在0.02×103～61.8×103cells/mL 之间, 平均值为(4.08±2.39)×103cells/mL (n=142) (图3a, 表2)。SYN 丰度在夏季最高, 丰度在夏秋季显著高于冬春季(Kruskal-Wallis,P＜0.01, 表2)。季节趋势总体表现为夏季＞秋季＞冬季＞春季(图3b)。

獐 子 岛 海 域 PEUK 丰 度 范 围 在 0.01×103～18.76×103cells/mL 之间, 平均值为(3.33±1.68) ×103cells/mL(n=130) (图3c, 表2)。PEUK 丰度在秋季最高, 且夏秋季显著高于冬春季(Kruskal-Wallis,P＜0.01,表2)。季节趋势总体表现为秋季＞夏季＞冬季＞春季(图3d)。胶州湾PEUK 丰度范围在0.25×103～95.57×103cells/mL 之 间, 平 均 值 为(5.1±4.43)×103cells/mL(n=142) (图3c, 表2)。PEUK 丰度在春季最高, 冬季最低(Kruskal-Wallis,P＜0.01, 表2)。季节趋势总体表现为春季＞秋季＞夏季＞冬季(图3d)。

图3 獐子岛海域和胶州湾微微型浮游植物丰度的月份和季节变化Fig.3 Monthly and seasonal variation in picophytoplankton abundance in Zhangzi Island Area and Jiaozhou Bay

通过对两海区进行比较发现, 獐子岛海域与胶州湾SYN 丰度存在显著性差异(Mann-WhitneyUTest,P＜0.01), 獐子岛海域SYN 丰度显著高于胶州湾(表2);两海区PEUK 丰度不存在显著性差异(Mann-WhitneyUTest,P＞0.05, 表2)。

比较微微型浮游植物丰度组成发现, 两海区微微型浮游植物丰度组成存在差异, 其中獐子岛海域除春季外, 以 SYN 为主; 而胶州湾除夏季外, 以PEUK 为主(图4)。

图4 獐子岛海域和胶州湾微微型浮游植物丰度组成季节变化Fig.4 Seasonal variation in composition of picophytoplankton abundance in Zhangzi Island Area and Jiaozhou Bay

2.3 微微型浮游植物生物量季节分布及海区间差异比较

獐子岛海域SYN 和PEUK 的生物量季节变化均为夏秋季＞冬春季, 微微型浮游植物生物量变化范围在0.16～22.87 μg C/L 之间, 最高值出现在秋季 (图5a), SYN 和PEUK 平均生物量百分比分别为43.52%和56.48%, PEUK 略微占优势, 其余季节PEUK 也占明显优势(图5b)。

胶州湾SYN 的生物量季节变化为夏季＞秋季＞冬季＞春季, PEUK 生物量季节变化与SYN 不同, 表现为春季＞秋季＞夏季＞冬季。微微型浮游植物生物量变化范围在0.72～30.61 μg C/L 之间, 最高值出现在春季(图5a), SYN 和PEUK 平均生物量百分比分别为0.34%和99.66%, PEUK 占明显优势。其余季节PEUK也表现出明显优势。由此可见, 獐子岛海域和胶州湾PEUK 对微微型浮游植物生物量的贡献大于SYN, 胶州湾SYN 对微微型浮游植物生物量的贡献远小于獐子岛海域(图5b)。

獐子岛海域微微型浮游植物年平均生物量为(7.95±4.03) μg C/L, 胶州湾微微型浮游植物年平均生物量为(8.67±6.9) μg C/L (表2)。通过对比獐子岛海域与胶州湾微微型浮游植物生物量发现, 两海区间微微型浮游植物生物量不存在显著性差异(Mann-WhitneyUTest,P＞0.05, 表2)。

表2 獐子岛海域和胶州湾四季微微型浮游植物丰度、生物量Tab.2 Abundance and biomass of picophytoplankton in four seasons of Zhangzi Island Area and Jiaozhou Bay

比较獐子岛海域和胶州湾微微型浮游植物对浮游植物总生物量的贡献发现, 獐子岛海域微微型浮游植物年平均贡献为 39.01%, 其中夏季贡献最大,超过 54%, 春季贡献最小, 不超过10%; 胶州湾微微型浮游植物年平均贡献为39.44%, 其中春季贡献最大, 超过67%, 冬季贡献最小, 为26.15% (图5c)。

图5 獐子岛海域和胶州湾微微型浮游植物生物量组成季节变化比较Fig.5 Seasonal variation in composition of picophytoplankton biomass in Zhangzi Island Area and Jiaozhou Bay

2.4 微微型浮游植物丰度与环境因子和其他生物因子的关系

相关性分析结果表明, 獐子岛海域SYN 丰度与温度极显著正相关, 与DIN 和PO34-浓度显著正相关,与盐度和砂壳纤毛虫丰度极显著负相关; PEUK 丰度与温度极显著正相关, 与DIN 浓度显著正相关, 与盐度极显著负相关, 与砂壳纤毛虫丰度显著负相关(表3)。

表3 微微型浮游植物丰度和理化因子的斯皮尔曼相关性分析Tab.3 Spearman correlation analysis of picophytoplankton abundance and physicochemical factors

胶州湾SYN 丰度与温度极显著正相关, 与盐度和砂壳纤毛虫丰度显著负相关; PEUK 丰度与温度极显著正相关(表3)。

3 讨论

3.1 獐子岛海域和胶州湾环境因子的季节变化和海区差异

3.2 獐子岛海域和胶州湾微微型浮游植物丰度季节变化

3.3 獐子岛海域和胶州湾微微型浮游植物丰度海区差异

比较两个海区微微型浮游植物的丰度组成发现,在獐子岛海域除春季外, 以SYN 为主; 而在胶州湾除夏季外, 以PEUK 为主(图4)。对比两海区的SYN和PEUK 丰度, 獐子岛海域SYN 丰度高于胶州湾, 而PEUK 丰度无显著性差异。理论上来讲, 獐子岛海域温度低于胶州湾, SYN 丰度也应该更低, 然而比较发现, 獐子岛海域SYN 丰度更高, 尤其在7～9 月的高温季节, 獐子岛海域SYN 丰度明显高于胶州湾, 推测可能是除温度外的其他因素导致了SYN 丰度在两海区间的丰度差异。比较两个海区的营养盐发现, 胶州湾营养盐浓度通常高于獐子岛海域(图2d, 2e, 表1)。已有研究证明, SYN 由于细胞体积小, 单位比表面积大, 在寡营养环境中能有效利用低浓度的营养盐维持生长, 因此更具有竞争优势(Agawinetal, 2000)。胶州湾高浓度的营养盐更有利于促进较大浮游植物的生长, 由于存在竞争关系, 可能在一定程度上抑制了SYN 的生长, 因此PEUK 成为胶州湾微微型浮游植物的主要成分。SYN 在獐子岛海域相对较低的营养盐浓度下更具竞争力, 从而成为微微型浮游植物的主要成分。

3.4 獐子岛海域和胶州湾微微型浮游植物生物量对浮游植物生物量的贡献

尽管獐子岛海域和胶州湾微微型浮游植物丰度组成存在差异, 獐子岛海域以SYN 为主, 胶州湾以PEUK 为主, 但PEUK 均是两海区微微型浮游植物生物量的主要贡献者。獐子岛海域微微型浮游植物生物量年平均贡献为39.01%±25.3%, 其中夏季贡献最大,超过54%, 春季贡献最小; 胶州湾微微型浮游植物生物量年平均贡献为39.44%±35.57%, 其中春季贡献最大, 超过67%, 冬季贡献最小。本研究中两海区微微型浮游植物生物量的年平均贡献与西班牙比开斯湾和地中海沿岸的泻湖中的数值相符(Becetal, 2005,Calvo-Díazetal, 2006)。西班牙比开斯湾在夏季贡献最大, 约为30%; 地中海沿岸泻湖在冬季贡献最大,超过40%。不同海区微微型浮游植物对浮游植物贡献的高值出现的季节不一致, 可能与不同海区间的环境因素有关。在寡营养大洋海域, 微微型浮游植物是浮游植物生物量和初级生产力的主要贡献者, 对浮游植物总生物量的贡献占绝对优势, 在热带海域的贡献超过 80% (Lietal, 1983), 亚热带海域约为60%～80% (Plattetal, 1983), 而在近海沿岸区, 微微型浮游植物的贡献通常不超过30% (Modighetal,1996)。例如, 在河北沿岸, 微微型浮游植物对浮游植物总生物量贡献为 1.84%～8.91%, 年平均贡献为5.32%, 最大值和最小值分别出现在春季和秋季(李洪波等, 2012)。在桑沟湾养殖区, 春、夏和秋季PEUK对浮游植物总生物量的贡献在21.46%～27.74%之间,冬季降至6.39%; SYN 贡献很小, 秋季贡献为6.82%,其他季节不超过1.5% (Zhaoetal, 2016)。本文中獐子岛海域微微型浮游植物生物量在夏季的贡献超过54%, 胶州湾微微型浮游植物生物量在春季的贡献超过67%, 由此可见微微型浮游植物在獐子岛海域和胶州湾生态系统中的重要性。

致谢 本研究中獐子岛海域海上调查得到了大连獐子岛渔业集团有限公司“辽长渔科研19 号”全体工作人员的支持, 样品采集工作由徐剑虹老师和于莹博士共同完成; 胶州湾海上调查和样品采集得到了中国科学院山东胶州湾海洋生态系统野外科学观测研究站各位老师、同学和“创新号”考察船全体工作人员的支持, 谨致谢忱。