夏季北极斯瓦尔巴群岛周边海域微型浮游生物群落分布特征及环境影响初探＊

石涵琨，罗 玮，高 颖，何剑锋

（1.北京第八中学 北京 100032；2.中国极地研究中心 上海 200136）

海洋浮游生物泛指生活在海水中但缺乏有效移动能力的漂流生物。微型浮游生物是以粒径为标准的生态学概念，是指单细胞粒径小于20μm的浮游生物，它们包含浮游细菌、浮游植物及原生动物等［1］。微型浮游生物是地球上最重要的初级生产者，是海洋固碳过程中最为关键的角色，也是北冰洋生态系统丰度和生物量最高的生物类群；与此同时，微型浮游生物的群落结构和生物量对环境变化的反应极为敏感［1］。而近年来，北极的环境正在发生着深刻的变化：气温升高、夏季海冰覆盖面积快速下降、淡水输入增加等［2］。探索北极微型浮游生物群落特征及其与海洋环境因子之间的相关性，对于了解北极海洋生态系统及其对北极环境快速变化的响应具有重要意义。

斯瓦尔巴群岛是一个北极群岛，也是我国北极黄河站的所在地，位于挪威和北极点之间，60%的面积被冰川所覆盖。尽管受大西洋暖流的影响，气温要明显高于同纬度的其他地区，但仍属北极气候。近年来，受全球气候环境变化的影响，气温的上升导致夏季冰川消退、近岸海域淡水输入和无机悬浮颗粒物增加以及水温和盐度的剧烈波动，进而影响海洋浮游生态系统［3－5］。尽管对该海域的微型浮游生物已有研究［6－7］，但主要集中在该群岛新奥尔松地区（黄河站以及其他国家北极考察站所在地）的王湾海域［3－7］，对于环群岛不同近岸海域以及与北部冰缘区的对比研究，尚未见报道。

笔者利用环绕斯瓦尔巴群岛考察航行的机会，采集群岛沿岸及北冰洋中心区不同生境的海水温、盐数据和样品，通过荧光显微分析和分子生物学分析方法，分析它们的分布和优势种组成特征，研究它们与海水环境之间的关系，初步探讨全球变化对北极海洋生物群落的潜在影响。

1 采样站位与现场工作

2012年7月19日—8月3日，利用乘荷兰“奥特留斯”号船在斯瓦尔巴群岛（74°N～81°N，10°E～35°E）周边海域进行考察航行的机会，根据经纬度、离岸的远近、冰川或海冰分布等环境因素，共选择了6个采样站位，其中站位1、4、5、6位于斯瓦尔巴近岸海域，而站位2和站位3则位于斯瓦尔巴北部海冰冰缘附近的无冰海域。

每个站位用采样桶采集表层海水，立刻用温度计和盐度计测量并记录海水的温度和盐度，同步记录站位经纬度以及采样站位的基本环境描述并拍照。取其中的300ml水样，用经0.2μm孔径聚碳酸酯膜过滤的甲醛溶液固定（最终浓度1%）。取50ml经固定的样品利用真空过滤器过滤在0.2μm的聚碳酸酯黑膜上，用4′，6－二脒基－2－苯基吲哚（4′，6－diamidino－2－phenylindole，DAPI）进行染色。滤膜用铝箔包好，－20℃低温冷冻保存。另取200ml海水直接过滤在0.2μm的滤膜上，0℃低温保存。样品用保温箱低温保存带回国内，分别用于微型浮游生物群落丰度荧光显微分析和优势种群分析。

2 实验室分析

2.1 浮游细菌及微型浮游植物的显微观测和丰度统计

用Nikon 80i型倒置荧光显微镜进行DAPI染色样观察。用无荧光镜油（OPTON518C）将经DAPI染色的滤膜固定在载玻片上，滴上无荧光镜油，用盖玻片封存。用100x油镜在蓝色激发光（B－2A，Ex450－490，DM505，BA520）进行微型浮游植物观察分析，在紫外激发光（UV－2A，Ex330－380，DM440，BA420）下进行浮游细菌的观察和分析。分别进行20个随机视野的拍照，细胞的数量统计和大小测定采用JD801形态学图像分析系统进行处理、400个以上个体数量的统计。

2.2 微型浮游植物优势种群筛选与分析

2.2.1 优势种群的预筛选

将滤膜贴在海水培养基f／2上放入光照培养箱进行培养（表1）。培养温度为6℃，光暗周期为12h∶12h，一个月后获得具有显著培养生长优势的活体藻落。挑取优势单一藻落转入新鲜培养基，两周后进行光学显微镜观察，电镜观察委托上海交通大学测试中心完成。同时对分离获得的微型绿藻，进一步进行分子测序鉴定。

表1 f／2培养基组成成分

2.2.2 硅藻显微制片与分析

（1）样品的前处理。吸取少量标本，离心，去上清液，加蒸馏水并离心洗掉溶解性盐类，通常清洗2～3次。清洗后的样品加蒸馏水，使其体积等同于所取样品的原体积，加入等量体积的浓硫酸。将酸化的样品放在酒精灯上微微加热，直至标本变白、溶液呈透明棕黄色。若标本未能变白，加几滴浓硝酸或几粒硝酸钾。

（2）硅藻壳体标本的清洗、保存及制片。把经酸化处理的硅藻标本离心并倒去上清液，用蒸馏水清洗并离心，倒去上清液，重复数次。经清洗的标本中加入数滴95%浓度的酒精。将标本取出放在盖玻片上，并在酒精灯上烤干。烤干后的盖玻片上加一滴二甲苯，随即加一滴封片用的胶，然后将有胶的一面盖在准备好的载玻片正中。待胶风干后，在显微镜下观察。

2.2.3 微胞藻的分子生物学鉴定

对该藻样进行普通光学显微镜观察（Nikon 80i）。将藻样离心收集、利用试剂盒抽提脱氧核糖核酸（DNA），用Euk328f及Euk329r进行聚合酶链式反应（PCR）反应；对PCR产物进行胶回收纯化，克隆测序；将测序结果在美国国立生物技术信息中心（NCBI）中进行BLAST。系统发育树用Phylip3.67构建［8］。

3 研究结果与分析

3.1 站位周边海冰和冰川分布状况

各站位基本环境见表2的描述。本次考察的6个采样站位中，站位2和站位3位于北冰洋高纬冰缘区无冰水域，其中站位3离冰缘更近；站位1、4、5和6位于斯瓦尔巴群岛近岸海域，其中，站位1周边可见延伸至海边的较大冰盖；站位4被该区域最大的冰川所环绕；站位5周边的大型冰川融化显著，有大量的冰川融水入海；站位6处于较封闭海域，与外界水体交换不充分，且该站位远离该岛冰川融水入海处。

表2 站位经纬度及基本特征描述

3.2 水温和盐度分布

表层海水温度为－1.5℃～0.5℃，其中站位1、4、5、6温度接近0℃，站位2和3位于北冰洋高纬冰缘区无冰海域，温度最低，为－1.5℃，接近海水冰点温度－1.9℃。盐度在26～33.5之间波动，站位5盐度最低，为26；站位6最高，为33.5（表2）。

3.3 海水浮游细菌及微型浮游植物丰度

在紫外光激发下，细菌等异养细胞呈蓝色；在蓝光激发下，浮游植物由于叶绿素的存在呈红色荧光。其中，浮游细菌的丰度为4.2×105～1.2×106cells／ml，而微型浮游植物的丰度为2.7×103～4.1×104cells／ml。一个有趣的现象是，在温度最低的站位2和站位3，其浮游细菌（丰度分别为6.16×105和4.2×105cells／ml）和微型浮游植物（丰度分别为2.7×103和3.06×103cells／ml）的丰度是本次考察的两个低值；在盐度最低的两个站位——站位4和站位5，浮游细菌（丰度分别为1.2×106和9.2×105cells／ml）和微型浮游植物（丰度分别为4.1×104和2.1×104cells／ml）的丰度为本次考察的两个最大值；盐度最高的站位6，浮游细菌（丰度为6.2×105cells／ml）和微型浮游植物（丰度为3.1×103cells／ml）的丰度仅略高于最低值。

3.4 海水优势微型浮游植物种群

3.4.1 微胞藻（Micromonas sp.）

微胞藻是一种单细胞粒径仅为1～2μm的带鞭毛绿藻，细胞呈球形或椭圆形。隶属绿藻门（Chlorophyta），青绿藻纲（Prasinophyceae），Mamiellales目，Mamiellaceae科，微胞藻属（Micromonas）。它是北冰洋最常见的浮游生物类群，也是真核藻类个体最小的种类之一，具单根鞭毛，能快速游动。在本次考察的高纬度海水中微胞藻丰度最高，为0.864×103～1.073×104cells／ml。

3.4.2 微型海链藻（Thalassiosirasp.）

微型海链藻隶属硅藻门（Bacillariophyta）、中心硅藻纲（Centriae）、圆筛藻目（Coscinodiscaceae）、圆筛藻科（Thalassiosira）、海链藻属（Thalassiosira）。微型海链藻细胞呈圆盘状，粗硅质化，贯壳轴约6～10μm。壳面圆形，粒径为12～18μm。微型海链藻除具有1～2个唇形突外，还具有数量较多的支持突，少数种类具有闭合突，筛膜位于壳面内侧，中孔在壳面外侧。考察期间在斯瓦尔巴群岛周边海域的丰度为0.2×102～1.0×103cells／ml。

3.4.3 微型角毛藻

微型角毛藻为隶属硅藻门（Bacillariophyta）、中心硅藻纲（Centriae）、盒型藻目（Biddulphiales）、角毛藻科（Chaetoceroceae）、角毛藻属（Chaetoceros）。微型角毛藻细胞聚合成硬直的链。壳环面呈矩形。粒径12～20μm，侧面腰间带清晰可见。壳面长椭圆形。壳面平滑，边缘略弯曲，壳面中部延伸出一短小刺。刺毛具明显的条状分布点纹和小刺毛。叶绿体小而多，球形，也分布在角刺中。本次考察中，微型角毛藻丰度为0.2×102～0.8×103cells／ml，略低于微型海链藻。

4 研究结论与讨论

4.1 浮游细菌丰度

浮游细菌在海水中大量存在，它们通过微食物环为海洋生态系统提供碳源和能量。已有的研究表明，北冰洋异养细菌与低纬度海域类似，同样具有很高的丰度和生物量，并存在明显的季节演替［1］。表3显示了北冰洋各海域已有的细菌丰度研究资料，北极楚科奇海北部浮游细菌丰度较低，而与本次考察一样位于斯瓦尔巴群岛的王湾近岸海域，其丰度则较高，表明离海岸越近，浮游细菌的丰度越高。

表3 北冰洋各海域细菌丰度分布［1］

本次考察在斯瓦尔巴群岛周边海域获得的浮游细菌丰度为4.2×105～1.2×106cells／ml。其中斯瓦尔巴北部冰缘站位2和站位3的细菌丰度与楚科奇海北部的类似，而斯瓦尔巴近岸海域测得的丰度要低于在该地区近岸王湾海域浮游植物的丰度。如，2006年夏季北极王湾浮游细菌丰度为2.23×106cells／ml。在斯瓦尔巴地区，近岸海域浮游细菌丰度受夏季冰川融水的影响明显。浮游细菌丰度差异应与调查海域受冰川融水的影响程度有关。

4.2 微型浮游植物丰度与优势种

本次考察微型浮游植物的丰度为2.7×103～4.1×104cells／ml。与2006年夏季北极斯瓦尔巴岛王湾的丰度值6.43×103cells／ml相比［1］，斯瓦尔巴北部冰缘丰度较低，而斯瓦尔巴近岸海域则明显高于2006年该地区王湾海域的丰度。在王湾海域的研究显示，冰川融水对浮游植物的影响明显。本次考察微型浮游植物丰度较高，而浮游细菌的丰度较低，可能源于相对王湾海域而言，受冰川融水的影响程度较少。

本次考察通过培养获得了几株优势种，其中最具优势的为微胞藻，它在世界各海域微型浮游真核生物群落中普遍存在［8－10］。同北冰洋各海域获得的历史资料相比（表4），同样证明本次考察海域微胞藻是占绝对优势的浮游植物种群［11］。通过富集培养获得的另外两株优势硅藻：微型海链藻和微型角毛藻，也是北冰洋海域的常见种。

表4 微微型青绿藻（Picoprasinophytes）在北冰洋的分布的历史资料［11］

4.3 微型浮游生物与环境相关性

本次考察所选取的6个站位中，有4个站位为斯瓦尔巴群岛沿岸海域，两个为北冰洋开阔海域。研究显示，表层海水温盐受环境影响明显。斯瓦尔巴群岛遍布山地冰川，夏季气温升高，大量冰川融水携带泥沙注入沿岸海域，使得表层海水的盐度降低。受显著冰川融水的影响，站位4和站位5表层海水盐度显著低于其他站位，而站位6因相对封闭，水体交换不充分，又远离冰川融水入海区域，盐度值为33.5，是所有站位中盐度最高的。温度方面，斯瓦尔巴北部冰缘海域，受海冰融化过程的影响，水温要明显低于斯瓦尔巴沿岸海域。

从各站位的丰度可见，斯瓦尔巴北部冰缘站位2和3受低温的影响，无论是浮游细菌还是微型浮游植物丰度均为最低，表明北冰洋高纬海域，纬度越高，温度越低，丰度也越低。同时，站位4和站位5盐度最低，表明冰川融水对该站点海域的影响也最为显著，说明淡水输入会带入陆源微生物、并促进微型浮游植物的生长。

4.4 全球变化对北极浮游生态系统的潜在影响

北极海域是目前受全球变暖影响最深的海域，北冰洋在最近几十年发生了明显的异常变化：北极海冰面积以每10年约3%的速率减少；永久性海冰的覆盖面积和厚度发生了显著减少［12］。北极陆地冰川融化、降雨增加，径流加大，使北冰洋的淡水增多，表层盐度降低；大西洋水的温度在升高，北冰洋海盆中大西洋暖水入侵的增加造成了北冰洋中层水的增暖［13］。已有研究表明，正经历着海水持续快速升温、海冰融化、冰盖迅速消失这些显著变化的北极环境，将对北冰洋海洋生态系统产生深远的影响［14－15］。

北冰洋气候的快速变化使其生态系统正在发生深刻的变化，而微型浮游生物作为高纬度浮游生态系统中最为脆弱环节之一，可能更容易受到冲击［14］。本考察研究证实，北极增温将导致输入近岸海域的冰川融水增加，能促进微型浮游生物的生长；而夏季海冰消退和海水增温，同样会促进微型浮游生物的生长。因而，目前北极地区的变化趋势将导致海洋微型浮游生物生物量的增加，与加拿大在加拿大海盆的监测研究结果一致［14］。对已有研究的综合分析显示，北冰洋气温上升导致海冰融化和淡水输入的增加、温盐跃层增强、中下层营养盐对上表层的输送减少，进而影响上表层的产量以及对中下层的输送。上表层浮游游生物的微型化会进一步导致向中下层食物输出的减少，对大型海洋生物产生负面影响［15］。鉴于其在生态系统中的重要作用以及对环境变化的极度敏感，有必要对该类群进行长期监测和分析。

5 结论

（1）北极环斯瓦尔巴群岛周边海域的水温和盐度受周边冰川或海冰分布影响明显；冰川融水注入会显著降低海水盐度，而海冰会明显影响附近海水的温度。

（2）冰川融水会给附近海域带来陆源微生物，并在一定程度上促进微型浮游植物的生长，而海冰的存在和低温则会导致微型浮游生物丰度较低。

（3）北极环斯瓦尔巴群岛海水优势微型浮游植物种群显示了较为丰富的多样性，其中微胞藻为最为优势的种群，与北冰洋其他海域的报道一致。

（4）北冰洋升温和海冰消融会导致海冰浮游生物群落的微型化，这种趋势会影响大型海洋生物对它们的利用，进而影响整个海洋生态系统；对该类群的持续监测与分析是必需的。

6 展望

北冰洋是全球海域最具特色、变化最快的海域之一。受全球变化的影响，北冰洋海冰覆盖面积持续减少，2012年夏季的海冰覆盖面积达到有历史记录以来的新低。北冰洋生态系统与冰雪的关系密切，北冰洋的快速变化会对海洋生态系统，包括从食物网最底层的浮游生物群落到最顶端的北极熊等大型哺乳动物，产生深远的影响。与此同时，上表层海洋浮游生物的微型化，除对海洋生态系统有明显的影响外，沉降能力的减弱意味着生物碳输出能力和海洋对大气CO2吸收能力的减弱［16］，将对碳的生物地球化学循环产生深远的影响。微型浮游生物群落研究将是未来北冰洋海洋生态系统研究的一个热点。

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