氮磷比对洞头岛浮游植物群落结构的影响

氮磷比对洞头岛浮游植物群落结构的影响

浮游植物是海洋生态系统的重要初级生产者，在链中发挥着重要作用，在生态系统的物质循环和能量流动中起着重要作用。水动力、水温、盐、光、营养盐、碳氮比、竞争、屠宰等因素对浮游植物群落有重要的控制作用。其中，营养盐是浮游植物生存的基础。总的来说，氮和磷是漂浮植物吸收的16:1左右的摩尔比。然而，浮游植物对营养盐的需求和使用特点因藻而异。例如，角藻、假甲状藻类、假甲状藻类和其他种类的藻类对氮的需求非常高。因此，氮和磷的变化会影响浮游生物的生长和群落的形成，改变浮游生物群落的结构组成。这一观点也得到了妥罗港和长江口的长期监测。此外,营养盐结构变化对SanFranciso湾、胶州湾、大亚湾、珠江口和厦门湾等海域浮游植物的影响也已有报道.氮、磷对浮游植物影响的研究多集中于现场调查和营养盐加富试验,很少维持氮磷摩尔比的恒定.而围隔实验多集中于春夏季,很少有其他季节的报道.近年来,东海近岸氮磷营养盐污染严重,比例严重失衡.因此,研究不同季节氮磷比对浮游植物群落结构的影响,对于东海近岸海洋生态系研究具有重要意义.我们以浙江省洞头岛海域浮游植物群落为研究对象,研究了不同氮磷比对浮游植物群落叶绿素a、细胞丰度及种类组成的影响,以期为深入了解浮游植物群落对营养盐的响应机制提供基础资料.1材料和方法1.1浮游植物检测方法及水样实验于2011年1月在浙江省海洋水产养殖研究所洞头基地进行.实验海水取自洞头海域(27º51´N,121º10´E),现场用CQ14标准筛绢(505μm)滤去浮游动物后,将海水加入一水池(经漂白粉消毒)内,再分别取150L置于200L白色聚乙烯桶(经漂白粉消毒)内.实验中N:P比为海水中溶解无机氮(DIN)与磷酸盐(PO43--P)物质的量浓度的比,其中DIN为硝酸盐(NO3--N)、亚硝酸盐(NO2--N)和铵盐(NH4+-N)的物质的量浓度之和.经测定,NO3--N、NO2--N、NH4+-N、磷酸盐(PO43--P)和硅酸盐(SiO32--Si)的浓度分别为77.14、0.43、0.50、1.36和38.57μmol/L.实验共设8个比例梯度,N:P比分别设置为1:1、4:1、8:1、16:1、32:1、64:1、128:1和256:1,每个比例设3组重复(表1),对照组即为原始海水.实验时将聚乙烯桶放入一个加循环海水的水池中水浴控温,使实验期间桶内水温与外界海水保持一致(7.9-12.0℃).实验持续进行30d,每隔2d取500mL水样,观察浮游植物的种类和数量.另取500mL水样用于测定营养盐浓度,根据每次对水样的测定往桶内添加氮、磷营养盐(NaNO3NaH2PO4)以保证各实验组及对照组氮磷比例和绝对浓度与设计值一致,同时往桶内添加Na2SiO3·5H2O以维持SiO32--Si浓度恒定.实验期间盐度为26.8±0.2,pH为7.93±0.27.光源为自然光,光照强度为2000-4500lx,光周期约为14h:10h.1.2浮游植物光合酶活性的测定营养盐水样(NO3--N、NO2--N、NH4+-N、PO43--P和SiO32--Si)经0.45μm的醋酸纤维膜过滤后按照《海洋监测规范》的要求进行分析测定.浮游植物采样按《海洋调查规范》进行,取500mL水样于聚乙烯瓶中,加入中性福尔马林进行固定,使其终浓度为1%.样品静置24h后浓缩到适当体积,用取样管搅拌均匀,迅速将样品移至0.1mL浮游植物计数框于显微镜(NikonE200,日本)下进行细胞计数,重复计数3次.叶绿素a在实验室内采用荧光法测定,样品在低温避光条件下经90%的丙酮萃取24h后,使用TurnerdesignTrilogy荧光仪测定叶绿素a浓度.1.3单因子方差分析和s-n-k-ke作为一个单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分析,单因子方差分用SPSS13.0软件对变量进行正态检验(K-S检验)和方差齐次性检验(Levene检验),若数据同时满足上述条件,则用单因子方差分析(One-wayANOVA)和S-N-K(StudentNewman-Keuls)多重比较法对数据进行差异显著性分析;若不满足上述条件,则进行非参数检验(K-W检验).绘图采用SigmaPlot9.0软件.2结果与分析2.1浮游植物种0-3d种类的变化共观察到浮游植物4门58种,其中硅藻门43种,甲藻门12种,绿藻门2种,隐藻门1种.天然海水中优势种为硅藻中肋骨条藻(Skeletonemacostatum)、旋链海链藻(Thalassiosiracurviseriata)、绿藻塔胞藻(Pyramimonassp.)和甲藻锥状施克里普藻(Scrippsiellatrochoidea),所占比例分别为55.33%、15.19%、13.94%和4.65%.实验初期(0-3d)浮游植物种类数较少,各N:P组无显著差异(P>0.05;图1).随着实验的进行,各N:P组对种类数影响显著(P<0.05).d6时高N:P组(256:1)种类数显著高于低N:P组(1:1、16:1和32:1)(ANOVAS-N-K,P<0.05);d12时对照组物种较丰富(14种),显著高于其他各组(ANOVAS-N-K,P<0.05);而d18时各N:P组间无显著差异(ANOVAS-N-K,P>0.05);实验结束时高N:P组(128:1和256:1)显著高于低N:P组(1:1、4:1和8:1)(ANOVAS-N-K,P<0.05).2.2chla的生长实验初期(0-6d),浮游植物生长缓慢,各组细胞丰度维持在较低水平,其中4:1组细胞丰度在d6显著低于其他各组(ANOVAS-N-K,P<0.05;图2).此后,各组细胞丰度逐渐增加,d12时低N:P组(8:1、16:1、32:1)和对照组细胞丰度达峰值,其中16:1组细胞丰度最高,为15.98×106cells/L.其他N:P组则在d18丰度达最高值,此时高N:P组(128:1)显著高于低N:P组(1:1和8:1)(ANOVAS-N-K,P<0.05).随后各组细胞丰度均呈下降趋势,实验结束时高N:P组(128:1和256:1)显著高于低N:P组(1:1、4:1、8:1和32:1)(ANOVAS-N-K,P<0.05).实验初期(0-6d)各组Chla浓度维持在较低水平(1.34-4.83μg/L),N:P比对Chla影响不显著(K-W,P>0.05;图3).d12时各N:P组对Chla浓度影响显著(K-W,P<0.05),此时16:1、128:1、256:1组与对照组相似,Chla浓度达峰值,随后逐渐降低.4:1、8:1、32:1和64:1组Chla浓度则在d18时最高,此时各N:P组Chla浓度差异不显著(K-W,P>0.05).实验结束时各组Chla浓度差异显著(K-W,P<0.05),均低于对照组(118.09μg/L).2.3优势种和增殖细胞实验期间各组浮游植物群落均以硅藻→绿藻和隐藻→硅藻→甲藻顺序发生演替(图4).实验初期(0-3d)各组优势种相似,均为中肋骨条藻和旋链海链藻,其中8:1组旋链海链藻占主要优势.d6时除4:1组外的其他各组塔胞藻和伸长斜片藻(Plagioselmisprolonga)大量增殖(图4b),而4:1组塔胞藻和伸长斜片藻仅占2.41%和6.44%.随后塔胞藻迅速消亡,6-18d中肋骨条藻又占据群落优势.实验进行至中后期时,各N:P组优势种不同.d24时对照组和4:1组相似,双刺原多甲藻(Protoperidiniumbipes)、中肋骨条藻和圆海链藻(Thalassiosirarotula)生长较好;1:1组中肋骨条藻和圆海链藻(图4c)占优势;8:1、16:1和32:1组相似,双刺原多甲藻占50%以上;64:1组柔弱根管藻(Rhizosoleniadelicatula)占主要优势;128:1组中肋骨条藻和双刺原多甲藻占优势;而256:1组仍由中肋骨条藻占主要优势.实验结束时(d30),除256:1组外,其他各组均由双刺原多甲藻占优势(图4e),256:1组硅藻占55.17%(主要优势种为海洋角管藻Cerataulinapelagica).实验期间优势种细胞丰度各不相同,且达到峰值的时间也不同(图5).中肋骨条藻在d12时占绝对优势,且16:1组细胞丰度高达15.31×106cells/L(图5a).随后各组的中肋骨条藻细胞丰度逐渐降低,但至d18时仍在整个群落中仍占主要优势(图4c),至实验结束时,细胞丰度降至最低.旋链海链藻12-24d时在群落中也占优势(图5b),d12时8:1组细胞丰度最高,达0.66×106cells/L.圆海链藻18-24d时逐渐占优势,实验结束时,16:1组细胞丰度显著高于其他各组(ANOVAS-N-K,P<0.05)(图5d).塔胞藻在d6时大量增殖(图5f),其中128:1组(0.96×106cells/L)显著高于对照组(ANOVAS-N-K,P<0.05).d6时伸长斜片藻也在群落中占优势(6.43%-26.04%),其中4:1组显著低于其他各组(ANOVAS-N-K,P<0.05;图5c),此后伸长斜片藻虽仍存在,但丰度维持在较低水平.24-30d双刺原多甲藻细胞丰度逐渐升高,d24时16:1组显著高于除对照组和32:1组外的其他各组(ANOVAS-N-K,P<0.05);实验结束时,16:1组双刺原多甲藻细胞丰度显著高于其他各组(ANOVAS-N-K,P<0.05;图5e).3浮游植物群落结构受到限制实验初期(0-6d)浮游植物增殖缓慢,可能是由于此时藻类体内储存大量营养盐,为其后期生长提供能量基础.随着实验的进行,浮游植物迅速增殖,各组桶内水色逐渐加深,呈深棕色.d12时,8:1、16:1、32:1和对照组(57:1)浮游植物细胞丰度首先达峰值,优势种均为为中肋骨条藻,表明本实验条件下初期N:P比较接近16:1时对中肋骨条藻的生长有利.胶州湾海域中肋骨条藻赤潮爆发初期N:P比在22-56.7之间,这与本实验结果类似.实验结束时,各N:P组细胞丰度差异显著,高N:P组(128:1和256:1)显著高于低N:P组(1:1、4:1、8:1和32:1),表明随着培养时间的延长,高N:P比对浮游植物的生长更为有利.此外,营养盐浓度对浮游植物的生长亦具有重要影响.本实验中,对照组氮、磷浓度分别为78.07和1.36μmol/L,与对照组相比,32:1组氮浓度不变,磷浓度增加(2.44μmol/L),64:1组磷浓度不变,氮浓度增加(87.04μmol/L),但32:1和64:1组浮游植物细胞丰度和Chla浓度均低于对照组,氮、磷浓度少量增加并不能使其生长优于野外条件,这是由于浮游植物对野外环境的营养盐浓度及比例已有一定的适应.此外,东海典型赤潮藻的围隔实验结果表明磷浓度过高时,浮游植物的生长将受到限制,这也可能是本实验中低N:P组(高磷组)浮游植物生长劣于对照组的原因之一.实验中,N:P比对浮游植物群落结构具重要的调控作用:一定范围内N:P比(8:1、16:1和32:1)降低有利于甲藻占优势;高N:P比(256:1)更有利于硅藻占优势.实验d24时,8:1、16:1和32:1组甲藻首先在群落中占主要优势,随后,其他各组甲藻比例逐渐升高;实验结束时,8:1、16:1和32:1组双刺原多甲藻占70.21%-87.59%,256:1组中硅藻占55.17%(主要优势种为海洋角管藻).在其他海域进行的野外调查和室内试验也发现N:P比下降有利于甲藻占优势,例如,Heil发现短凯伦藻(Kareniabrevis)赤潮常发生在低N:P比的Florida西部海域;对Tolo港的长期监测中也发现,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;美国东部海岸甲藻赤潮频发也与N:P比下降有关;胡章喜等单种培养实验也表明,低N:P比有利于甲藻(东海原甲藻Prorocentrumdonghaiense)生长.Escaravage等的围隔实验表明高N:P比(64:1和128:1)有利于硅藻占群落优势;在Florida南部海域也发现,高N:P比有利于硅藻在群落中占优势.Cloern和Dufford认为硅藻在硝酸盐充足的条件下对氮的同化速度加快,这也是本实验条件下高N:P比有利于硅藻生长的原因.实验结束时,128:1柔弱伪菱形藻占优势(39.26%),而陈菊芳等的研究则表明大亚湾海域柔弱伪菱形藻在N:P为6.21-32.98范围内生长较好,这与地域差异有关.本实验中,各N:P组浮游植物群落均呈硅藻→绿藻、隐藻→硅藻→甲藻的演替顺序.Duarte等在地中海进行的围隔实验也表明,实验初期各组均由超微型浮游植物聚球藻(Synechoccocussp.)占据群落优势,随后被角毛藻Chaetoceros取代.而林昱等研究则表明,在围隔生态系内先出现硅藻水华,而后甲藻占优势.这种演替顺序的不同与实验环境及浮游植物利用营养盐方式的差异有关.实验初期(d6),绿藻塔胞藻迅速占据群落优势,本实验在冬季进行,水温较低(7.0-12.0℃),Gradinger报道过发生在北极浮冰下的一次塔胞藻赤潮,由此推断塔胞藻对低温具有较强的耐受性.另外,塔胞藻增殖速度快,细胞生长周期较短(图5f),推断其更倾向于r对策生物;硅藻(中肋骨条藻等)具较高的最大比生长率,营养盐储存能力低,也属于r对策生物,这些类群的生长特性有利于它们在演替初期占据优势.而甲藻(东海原甲藻等)具有低的最大比生长率,氮磷营养盐储存能力较高,这有利于其在演替后期占优势.而且部分甲藻营混合营养生活,如东海原甲藻和尖叶原甲藻(P.triestinum)等,它们更倾向于利用颗粒营养物质.本实验中占优势的甲藻为双刺原多甲藻,它是一种营异养生活的甲藻,可以摄取硅藻如中肋骨条藻作为营养物质.因此在实验中后期,藻类大量死亡,水体中颗粒有机物质大量增加,也有利于双刺原多甲藻取代硅藻成为优势种.这也是野外硅藻赤潮后经常发生甲藻赤潮的重要原因.此外,实验期间硅藻粒级结构也发生了变化,各N:P组中硅藻优势种由微型(中肋骨条藻等)向小型(圆海链藻及海洋角管藻等)演替.其他现场培养实验和野外调查结果也发现类似结果,例如,Carter等在Beatrix湾进行的营养盐加富实验表明,添加营养盐后小细胞硅藻逐渐被大细胞硅藻取代;Hlaili等在Bizerte泻湖进行的加富实验也表明,实验期间硅