胶州湾冬季浮游植物光合作用特征原位研究*

李俊磊 孙晓霞

(1.中国科学院海洋研究所 胶州湾海洋生态系统国家野外科学观测研究站 青岛 266071;2.中国科学院大学 北京 100049)

浮游植物是海洋生态系统中最主要的初级生产者,是食物链的基础环节,其全球生产力约占全球总初级生产力的45%(Fieldet al,1998)。为充分了解海洋生态系统,需要对浮游植物生物量和初级生产力进行详细研究,而浮游植物光合能力和光合生理生态特征的时空分布与变化对于了解海洋生态系统初级生产与物质循环以及浮游植物种群动力学具有重要意义。

浮游植物的生长繁殖受到自身生物学特性和周围生态因子如光照、温度、盐度、营养盐的共同影响(Lalliet al,1993)。光合作用是浮游植物初级生产中最为关键的过程,光合活性的高低对初级生产以及浮游植物的生长潜力、群落组成以及种群演替有重要影响,生活在不同海区的不同浮游植物具有不同的光合作用特征:在高营养盐低叶绿素海域(HNLC),浮游植物的最大光化学量子产量很低,但是在该海域进行铁“施肥”实验后,浮游植物的光合作用能力明显增强(Kolberet al,1994;Boydet al,2000);生活在北极海区的冰藻可以在极低的光照下达到光饱和(McMinnet al,2004);而热带和亚热带海区的硅藻必须在高光照下才能达到较高的光合效率(王小冬等,2012),这是因为他们形成了很好的耐强光能力和光保护能力;生活在近海和大洋的硅藻也被证实具有不同的光合作用机制,近岸铁丰富环境下的硅藻到了大洋铁贫瘠的环境中,通过光系统 I(PSI)活性的成倍降低和细胞色素b6f的浓度来调节并减少其快速补光能力,通过改变光合策略来适应新环境(例如铁贫瘠环境),深刻地影响了海洋浮游植物的分布与进化(Strzepeket al,2004)。不同海区浮游植物的不同光合特性对于这些藻类适应生活环境具有重要的意义。

浮游植物吸收的光能有三个走向:进行光合驱动产生氧气并制造有机物;以热能的形式耗散;将所吸收的光能重新发射出来形成叶绿素荧光(Papageorgiouet al,2007)。这三个过程具有竞争关系,任何一个效率的增加都能造成另外两个产量的下降。测量叶绿素荧光产量,可以获得光化学过程与热耗散效率的变化信息,并且可以进一步研究光合作用机理尤其是光系统Ⅱ(PSⅡ)功能(Schreiberet al,1995)以及不同生态因子对光合作用的影响机制(Bolhar-Nordenkampfet al,1989)。浮游植物是海洋食物网中低营养阶层的主体,对外界环境异常敏感,对抑制光合作用的环境因子都能够做出快速、准确的反应。最大光化学量子产量Fv/Fm常被用作反映各种外界胁迫条件对藻类光合作用的影响指标(Häder,1998),Fv/Fm通常情况下是一个稳定值,藻类约为0.65(Kolberet al,1988),但是当植物体受到胁迫时则明显下降。通过对大西洋热带海域调查发现,富营养盐水域浮游植物的Fv/Fm大于贫营养盐水域(Babinet al,1996)。快速光曲线、光化学淬灭以及非光化学淬灭等参数也可以很好地反映浮游植物的“生长潜能”,将浮游植物种群生物量的变化和不同类群光合作用潜力的变化与其它生态因子参数相结合,可以很好地解释藻类群落变化甚至进行早期的藻华预警。在海洋浮游植物生理生态学研究中,利用叶绿素荧光技术分析水体中不同藻类群落结构组成和环境因子对藻类光合作用的影响,很好地促进了水体初级生产力的预测、藻华暴发的检测和藻类光合机制的研究(Strzepeket al,2004;Jakobet al,2005;Napoléonet al,2012)。

胶州湾是一个半封闭的浅水海湾,属暖温带季风型气候,四周有高度密集的沿湾产业区,湾内用于海港建设和发展贝类、藻类养殖。近几十年来,胶州湾海洋生态系统受人类活动和海洋开发活动影响巨大(郭玉洁等,1992),浮游植物群落结构也发生了较大变化(吴玉霖等,2005)。许多学者对胶州湾浮游植物初级生产和群落结构组成与变化做过系统研究,研究显示,12月和次年1月胶州湾叶绿素浓度和初级生产力处于较低水平,浮游植物生物量通常也处于一年中的最低值,但 2月份是浮游植物生物量的高峰期(刘东艳等,2002;孙松等,2005;李艳等,2006;范文锋,2007),这是湾内浮游植物光合作用在温度、营养盐、光照等多种生态因子综合影响下动态响应的结果。本研究以胶州湾为研究对象,采用活体叶绿素荧光技术来检测胶州湾浮游植物的光合作用状态,结合相关环境因子,分析浮游植物结构组成和变化与光合作用特征的关系,结合世界其他海区浮游植物群落对当地生存环境的光适应机制研究案例,探讨浮游植物光合机制与其生境和生态位选择的内在联系,为胶州湾及近海生态系统的研究与管理提供重要科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样

具体采样时间为2012年12月12日和12月13日,胶州湾调查水域共布设10个采样站位(图1),采用 ULM-500光量子仪(Walz,Germany)测量表层光强。采用Niskin采水器采集表层水,注入50mL塑料离心管用于光合作用现场测定;取1000mL水样加入Logul’s试剂固定用于浮游植物种类鉴定和计数;取500mL水样用 GF/F滤膜过滤,存放于低温冰箱中(–20°C)冷冻保存用于测定表层叶绿素a浓度。采用CTD(SBE25-02)测定表层水温度、盐度。

图1 胶州湾调查站位图Fig.1 Sampling stations in the Jiaozhou Bay

1.2 光合活性原位测定

主要光合作用参数通过Phyto-PAM(Walz,Effeltrich,Germany)测定,控制软件为 Phytowin2.13(Walz)。本次调查采用实验室培养的中肋骨条藻(Skeletonema costatum)作为硅藻参考光谱,绿藻和蓝藻采用系统配置参照,校零采用0.2μm滤器过滤的相应水样。为保证原位环境因子一致,进行现场测量,每站位表层水用移液器取 2mL水样放入测量杯,经过暗适应10min,打开光通量密度很弱的测量光(Measuring Radiation)获得初始荧光F0,然后打开饱和脉冲(Saturation Pulse)获得最大荧光Fm,继而便可获得PSII的最大光化学量子产量Fv/Fm=(Fm–F0)/Fm,它反映着植物体进行光化学反应的最大潜力。光合有效辐射 PAR 从 1μmol/(s·m2)开始,每隔 20s使光化光(Actinic Light)增强 100μmol/(s·m2)直至 2000μmol/(s·m2),则得到快速光曲线 RLC。快速光曲线拟合采用Platt等(1980)的公式:

式中P代表光合速率,即相对电子传递速率(rETR);Pm代表无光抑制时的最大潜在相对电子传递速率(rETRmax);α是P-I曲线的初始斜率,反映了光能利用效率;β是光抑制参数;Pm与α的比值为半饱和光强Ik。所测得的其他荧光值经以下公式计算得到不同光强下的实际光化学量子产量ΦPSⅡ、光化学淬灭(qP)和非光化学淬灭(NPQ)(Bilgeret al,1990):

其中Fm′是某一光照强度下的稳定最大荧光值,Ft是浮游植物在稳定态时的荧光值。

1.3 浮游植物物种鉴定与生态因子测定

采集的浮游植物样品于 50mL沉降器(Hydro-Bios,Germany)沉降24h后使用Olympus IX51倒置显微镜进行计数分类,每站样品计数三次。叶绿素样品置于90%丙酮萃取12—24h后,使用Turner-Designs-Model 10荧光计测定叶绿素a含量。营养盐含量通过连续流动分析仪(QuAAtro,Germany)测定。

2 结果

2.1 胶州湾采样时的环境因子参数

12月份胶州湾采样各站位表层环境因子主要有:温度、盐度、光照、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、铵氮、磷酸盐、硅酸盐、叶绿素a(chla)。采样两天天气状况晴,光照充足,海面风浪较小。各项参数具体结果如见表1。

表1 胶州湾调查站位温盐、光照、营养盐、叶绿素aTab.1 Measurements of water temperature,salinity,irradiance,nutrients,and chlorophyll a in the bay stations

2.2 浮游植物群落结构组成、分布及丰度

为了解胶州湾表层浮游植物群落结构组成、分布及丰度,采用了显微镜镜检法对水样进行了分析。结果表明,处于冬季初期的 12月份,胶州湾浮游植物丰度较低,以硅藻为优势物种,甲藻、金藻偶尔出现,数量极少(表2)。其中,A2、B1、C1、C3站丰度相对较高,细胞数量在 10×104cell/m3以上,C1站最高,达 25.48×104cell/m3,其他站位丰度很低,浮游植物丰度的低值也导致叶绿素浓度的低值。中肋骨条藻(Skeletonema costatum)是 A2、B1、C1、C3、D2、D3站的优势种,其细胞数量占总细胞数量的50%以上;加拉星杆藻(Asteronella kariana)和奇异菱形藻(Nitzschia paradoxaGmelin)在大部分站位的藻类组成中丰度也较高,而且这两种藻分别是C2、D1、D4站的优势种。值得一提的是,在个别站位,裸藻的出现频率较高,甚至成为A1站的优势种(图2)。12月胶州湾表层浮游植物叶绿素a含量和浮游植物丰度都处于一个较低值,其空间分布见图3、图4。

2.3 胶州湾12月份浮游植物光合作用测定结果

2.3.1 各站位PSII的最大光化学量子产量Fv/Fm各站位PSII的最大光化学量子产量Fv/Fm都处于较高值,A2站最高达到0.8,C1站最低为0.59,其他各站保持在0.69左右(图5)。

表2 12月胶州湾表层浮游植物群落结构组成Tab.2 Species composition of phytoplankton in the Jiaozhou Bay

图2 浮游植物群落结构组成、分布及丰度Fig.2 Phytoplankton community structure,distribution,and abundance

图3 各站位表层浮游植物丰度空间分布图Fig.3 Horizontal distribution of phytoplankton图中等值线单位×104 cell/m3

图4 各站位表层叶绿素a空间分布图Fig.4 Horizontal distribution of concentration of chlorophyll a图中等值线单位mg/m3

2.3.2 快速光曲线 RLC 从图6可以看出,各站位样品快速光曲线十分典型,在低光强范围内,随光照强度的上升,浮游植物样品 rETR快速上升,当光强超过 1000μmol/(s·m2)后,rETR 增速缓慢并逐渐达到平稳状态(rETRmax),当光强超过 1500μmol/(s·m2)后,相对电子传递速率开始下降。

快速光曲线系数见表3,光能利用效率(α)大部分处于0.2—0.3之间,A2站最高,达到0.33;rETRmax大部分站位在 100—150之间,C3站最高,达到 211.4;半饱和光强(Ik)均值为 537.30μmol/(s·m2),最低值出现在A2站,最高值出现在C3站。

图5 浮游植物最大光化学量子产量Fig.5 The maximum quantum yield of phytoplankton

图6 浮游植物快速光曲线Fig.6 The rapid light curves of phytoplankton

2.3.3 实际光化学量子产量ΦPSⅡ从图8可以看出,各站位浮游植物ΦPSⅡ随着光强提高显著降低,当光照强度从 0μmol/(s·m2)增大到 2000μmol/(s·m2),ΦPSⅡ从最大光化学量子产量Fv/Fm逐渐趋近于 0,这表示用于PSⅡ光化学的能量占PSⅡ天线系统吸收的总光能的比例越来越低,从而保证光和系统不因吸收过量光能而受到损伤。

2.3.4 非光化学淬灭 NPQ 从图9可以看出,各站位浮游植物NPQ值随着光照强度的提高而增强,这表明样品中的海洋浮游植物将光合机构吸收的过量光能以热能的形式耗散掉,有效地保护了海洋浮游植物的光合器官不因高光强的照射而受到损伤。

表3 浮游植物快速光曲线系数Tab.3 The photosynthetic parameters obtained from the rapid light curves

图7 浮游植物实际光化学量子产量Fig.7 The actual photochemical efficiency of PSII in the light

2.3.5 光化学淬灭qP qP代表可变叶绿素荧光的光化学淬灭,即开放的反应中心捕获的激发能被转化为化学能而导致的荧光淬灭。qP越大,PSII反应中心的开放程度越大,电子传递活性也越大(Kootenet al,1990)。0≤qP＜1,除了 C3与 D4数值异常超过 1以外(图中未给出),其余各站位的 qP值均随着光照强度的增强而减弱,此趋势与 NPQ值正好相反,这表明弱光照阶段,浮游植物 qP较高,随着光照增强,海洋浮游植物进行光化学反应的能力逐渐减弱,PSⅡ电子传递活性逐渐降低,所吸收的光能更多的用于热耗散,从而保护光合系统不受损伤(图10)。

图8 浮游植物非光化学淬灭Fig.8 Non-photochemical quenching of phytoplankton

3 讨论

近二十年来,国外学者对世界许多海区的浮游植物光合作用特征做过研究,最大光化学量子产量Fv/Fm是研究中最常用和最具有代表性的一个光合活性指标,它不仅能够反映各种外界环境因子对藻类光合作用的影响,还有助于阐述浮游植物群落对某种生存环境的光适应机制。不同生存环境下不同种类的浮游植物具有不同的Fv/Fm值(Cermenoet al,2005)。通常情况下,在适宜浮游植物生长的高营养盐和光照充足的海区,粒径相对较大的浮游植物能保持较高的叶绿素含量并显示出更高的光合活性(Rosenbergl,1993;Tamigneauxet al,1999),而南大洋一些海区浮游植物Fv/Fm与浮游植物的粒径呈反比,这是因为在一些营养盐或者微量元素限制海区,个体更小的浮游植物具有较高的表面积/体积比,这有利于较小的浮游植物提高捕光效率和对营养盐的吸收并降低“封装效应”(package effect)(Kiørboe,1993;Raven,1998;Sosik,2002)。Fv/Fm与海区的光照和水深也有重要关系。有的海区表层Fv/Fm小于次表层或者 10—20m 深度层,这是因为表层强烈的光辐射和紫外线照射会降低甚至损伤浮游植物 PSⅡ光反应蛋白活性(Nealeet al,1991;Bergmannet al,2002;Bouchardet al,2005),因此在高光照区域,浮游植物可以通过降低 PSII反应中心活性来降低光合利用效率,而在低光强区域则通过激发光合机构活性来增强光合效率(Bracheret al,2000;Kaiblingeret al,2007)。北冰洋南部斯瓦尔巴群岛某些区域浮游植物群落的光合活性值也具有很强的水深变化特征,在20—40m水深范围内具有最大的Fv/Fm值,约为0.65,这一数值接近理论最佳Fv/Fm值,而表层Fv/Fm约比该值低 20%—30%,40m以下 Fv/Fm值逐渐下降,在400m深度处仅为0.1(McMinnet al,2004)。营养盐浓度和不同营养元素的比例也深刻影响浮游植物的光合活性。南极Metz冰舌附近海域真光层下方富营养盐海水的上涌导致夏季棕囊藻水华出现,而这期间浮游植物的Fv/Fm明显高于周围海域(Vaillancourtet al,2003)。营养盐结构严重失衡时,过高的无机氮磷比DIN/DIP和无机硅磷比DSi/DIP将导致Fv/Fm下降(Gotoet al,2008),磷限制使浮游植物细胞ATP合成的减少,将导致 PSII受损情况的进一步加剧(Lippemeieret al,2001),这也导致Fv/Fm持续下降。

图9 浮游植物光化学淬灭Fig.9 The photochemical quenching of phytoplankton

通常情况下,生活在营养盐丰富的温带海区的浮游植物具有较好的光合活性(Fv/Fm值接近 0.65)(McMinnet al,2004),例如处于美国大陆架边缘的乌尼马克岛海域具有丰富的营养元素,浮游植物Fv/Fm值为0.61,是整个阿留申群岛附近海域出现的最大值(Suzukiet al,2002)。本次调查各站位PSⅡ的最大光化学量子产量Fv/Fm都处于较高值,变动范围为0.58—0.8,均值为 0.69。分析环境因子结果可知,本月胶州湾各站DIN平均浓度为37.4μmol/L(其中硝酸盐氮比例最大),DIP为0.97μmol/L,DSi为9.71μmol/L,DIN/DIP约为38:1,DSi/DIP约为10:1,DSi/DIN约为0.26。近几十年来胶州湾各项营养盐浓度都呈现增加趋势,虽然营养盐比例一直偏离Redfield比值,但是2000年以后随着DIN增幅变缓,DIP和DSi增幅加大,营养盐比例严重失衡问题逐渐得到缓解(孙晓霞等,2011)。中肋骨条藻、尖刺拟菱形藻等被认为是嗜氮性硅藻,即使在氮磷比较高的情况下依然能够较好地生长(刘东艳等,2002b),充足的营养盐和相对有利的营养盐结构为这类硅藻数量的增长提供了良好的物质基础。虽然冬季水温较低,但是光照处于适宜强度(晴朗的中午光强达 700μmol/(s·m2)),较适宜的生态环境使得12月份胶州湾浮游植物处于很好的光合生理状态。

快速光曲线RLC可用于分析海洋浮游藻类的实际光合作用能力,并能反映海洋浮游藻类在一定光强范围内的潜在光合能力。本次调查显示各站位样品快速光曲线十分典型,饱和光强处于 1000—1500μmol/(s·m2)之间,浮游植物在该光强范围内rETR不断增加并逐渐达到平稳状态(rETRmax),当光强超过 1500μmol/(s·m2)后,相对电子传递速率开始下降,该阶段实际为PSII活性动态的下调阶段(Whiteet al,1999)。快速光曲线特征也能够表明12月份胶州湾浮游植物具有较好的光合活性和较强的生长潜力。

对快速光曲线进行拟合,得出光能利用效率(α)大部分处于0.2—0.3之间,rETRmax大部分站位在100—150 之间;半饱和光强(Ik)均值为 537.30μmol/(s·m2)。α是快速光曲线的初始斜率,由叶绿素的吸收截面积和最大光化学量子产量决定,反映了光能利用的效率(Dubinskyet al,2009),rETR与光合放氧速率和CO2固定速率在达到光饱和前具有良好的线性关系(Figueroaet al,2003),Ik可以反映浮游植物对强光的适应能力,不同海区的浮游植物具有不同的光适应机制,α等光和参数也随藻类生活环境的变化而改变。夏季大亚湾高光照条件下浮游植物的光能利用效率低于 0.2,而饱和光强超过 1500μmol/(s·m2),这有利于长期生活在高光强环境中的大亚湾浮游植物更加有效地利用光化学能(王小冬等,2012)。生活在北极多年海冰覆盖区域的棕囊藻属群落具有较弱的光合活性,该区域浮游植物Fv/Fm约为0.125,光合效率α为 0.022,但是饱和光强却高达 385.1μmol/(s·m2),它们具有极低的光合活性却需要较高的光强来达到光饱和,从而导致这种生活环境下浮游植物处于一种低活衰老的状态(McMinnet al,2004)。胶州湾冬季有效光合辐射较其他季节低,本次调查浮游植物的光能利用效率(α)大部分处于 0.2—0.3之间,这也有利于提高冬季胶州湾浮游植物对光能的利用效率。虽然处于冬季,但是胶州湾浮游植物具有较大的半饱和光强Ik和相对最大电子传递速率 rETRmax,表明此时浮游植物的光合潜力和光合活性比较高。

非光化学淬灭反映的是 PSⅡ天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉的光能部分(张守仁,1999),由于测定的简便性,NPQ通常被用作反映非光化学淬灭的指标(Schreiber,2004)。本次调查站位大部分水深在 20m左右,水体运动剧烈,底层浮游植物随水体到达光强较强的表层海区,需要有较强的耐强光辐射能力。由各站位的 NPQ结果(图8)可以看出,当光强从 0μmol/(s·m2)一直增大到2000μmol/(s·m2)时,胶州湾各站位浮游植物 NPQ 值随光照强度的提高而增强,卡尔文循环受到抑制,光合机构吸收的过量光能以热能的形式耗散掉,这与浮游植物的叶黄素循环和反应中心的可逆失活等光保护机制有关(Olaizolaet al,1994;Kashinoet al,2002),有效保护了胶州湾海域浮游植物的光合器官不因高光强的照射而受到损伤。硅藻是真核浮游植物的一种关键类群并且是全球碳固定的主要贡献者(Dugdaleet al,1998)。本研究中各站位优势物种为中肋骨条藻、加拉星杆藻、奇异菱形藻等成链状营群体生活硅藻,与单独生活的硅藻相比,这类硅藻具有较高的表面积/体积比率,不仅在营养盐竞争方面具有优势(Loganet al,1989),在捕获光子并传递光合电子方面的效率也高于单细胞,在光照较强的环境下,由于具有很好的光保护机制,可以耐受较高的光照,因此不会受到高光照的损伤;当处于光照较弱的环境时,它们也能提高光能利用效率,确保光合作用的顺利进行。本次胶州湾调查期间光照时间和强度处于一年中的最低值,这些硅藻相对较高的光捕获能力依然能够使它们在冬季良好生长,由此可见硅藻较强的光适应能力是其经常在海洋水体中成为优势种的原因之一。

本实验通过研究发现,12月份胶州湾浮游植物丰度以及叶绿素浓度极低,浮游植物主要以集群化浮游硅藻为主要优势种,这与以往胶州湾浮游植物群落结构调查结果相一致(刘东艳等,2002a;李艳等,2006;范文锋,2007)。孙松等(2005)研究表明,12月和次年 1月胶州湾叶绿素浓度和初级生产力处于较低水平,这主要是受冬季低温影响。通过对光合作用特征调查发现,这一季节胶州湾浮游植物光合作用活跃,光和潜力较强,具有较高的最大光化学量子产量Fv/Fm值,快速光曲线RLC十分典型,光合效率α也处于适中的水平,虽然水温较低,但是光照适宜、营养盐含量与结构较稳定。根据以往调查,2月份是胶州湾浮游植物的高峰期(刘东艳等,2002a;李艳等,2006;范文锋,2007),结合本次调查分析可知,冬季湾内浮游植物较强的光合活性,加上相对稳定的水文、生物等环境以及丰富的营养盐和相对有利的营养盐结构,有助于中肋骨条藻等嗜氮性集群化硅藻的生长,是推动2月份冬季浮游植物高峰期出现的关键生理生态因素。

4 小结

通过对胶州湾冬季浮游植物光合作用特征进行原位研究,可以得出如下结论:

胶州湾冬季浮游植物处于较好的光合生理状态,各站位PSII的最大光化学量子产量Fv/Fm都处于较高值,变动范围为0.58—0.8,均值为0.69。光能利用效率(α)大部分处于 0.2—0.3之间,快速光曲线十分典型,当光强超过 1000μmol/(s·m2)后依然能保持较好的光合活性,光化学淬灭值较高;当光强超过1500μmol/(s·m2)后,相对电子传递速率开始下降,实际光量子收益达到最低,非光化学淬灭升高,此时海洋浮游植物将光合机构吸收的过量光能以热能的形式耗散掉,有效保护了胶州湾浮游植物的光合器官不因高光强的照射而受到损伤。虽然处于冬季,但是胶州湾浮游植物具有较大的半饱和光强Ik和相对最大电子传递速率 rETRmax,表明此时浮游植物的光合潜力和光合活性较高。

本次研究中各站位优势物种为中肋骨条藻、加拉星杆藻、奇异菱形藻等具有较高的表面积/体积比率的成链状营群体生活硅藻。冬季大部分时期胶州湾浮游植物丰度和叶绿素含量极低,但是湾内浮游植物具有较强的光合活性,加上相对稳定的水文、生物等环境以及较丰富的营养盐和相对有利的营养盐结构,有助于中肋骨条藻等嗜氮性集群化硅藻的生长,是推动 2月份冬季浮游植物高峰期出现的关键生理生态因素。

致谢本研究中的海上调查和样品采集工作得到了本课题组赵增霞、王世伟、刘群、万艾勇老师和宁娟、杨洋同学以及“创新号”考察船全体工作人员的大力支持,谨致谢忱。

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