浮游植物粒径测量方法对比及其分布特征探究※

●郭吴霖安 何铭茗 徐华兵（广东海洋大学电子与信息工程学院 广东 湛江 524088）

浮游植物是海洋主要的初级生产者，其粒径影响着海洋生态的物质循环和能量流动。浮游植物粒径按照个体大小可分为：微微型浮游植物（picophyto plankton，＜2 µm）、微型浮游植物（nanophyto plankton，2～20 µm）、小型浮游植物（microphyto plankton，20～200 µm）、中型浮游植物（meso plankton，200～2000 µm）。也可以将粒径小于5 µm的部分统称为超微型浮游植物。在海洋浮游植物群落结构中，由于浮游植物体积较小，增殖速度快，奠定了其在海洋环境中重要的生态学地位[1]。

随着养殖业的发展，海洋养殖区的生物排泄也会促进浮游植物生长[2]。但据统计，自1990—2019年，长江口临近海域暴发共计144次[3]；珠江口附近也赤潮频发。可是在面对“蓝眼泪”等特殊浮游植物现象，人们的关注点并不在于赤潮突然暴发可能带来的环境污染，而是对美丽景象的称赞，可见人们对赤潮的危害知之甚少。本文对微微型、微型和小型浮游植物粒径的测量方法进行阐述，归纳总结不同海域中浮游植物粒径的分布情况和生态功能，并探讨不同浮游植物粒径与各种环境因子之间关系，帮助人类预测海洋生态系统变化和预防海水富营养等危害，对沿海城市发展也有相当重要的作用。

1 浮游植物粒径测量方法

1.1 电子粒度分析仪法

能够测量浮游植物粒径。对浮游植物溶液样品经行稀释或浓缩，待溶液达到仪器可测量浓度范围后，将溶液样品放入激光粒度分析仪进行粒径分析。该方法虽操作简洁，但粒径数据误差较大[4]。

1.2 叶绿素a粒级分离法

可先取进行孔径为200 µm的滤膜对水样进行预处理，使用不同孔径大小的滤膜经行过滤，获得小型（＞20 µm）、微型（＞2 µm）和微微型（＞0.45 µm）粒级的叶绿素a浓度（具体可根据需要选用不同孔径滤膜）。使用差减法计算对应粒级的浮游植物粒径。滤膜样品在低温条件下使用90%丙酮萃取24 h后，经离心后用 UV-2600紫外分光光度计于750 nm、664 nm、647 nm、 630 nm波段处进行测量。利用该方法可测量不同粒级浮游植物所含叶绿素a，与总叶绿素a浓度对比可得到各种浮游植物粒径所占比例，为后续研究奠定基础。相较于前一种探究浮游植物粒径的方法，叶绿素a粒级分离法误差更小。

1.3 显微镜测量粒径分析法

这是测定浮游植物粒径最原始但精度相对较高的方法。各采样站根据《海洋生物调查规范》[5]使用特定孔径的生物网从水底而上垂直拖取，采集后用甲醛溶液固定，根据样品浓度进行稀释后静置一周。去除上清液，取沉淀层放置于显微镜下，放大200～400倍进行种类鉴别和细胞计数。利用显微镜自带软件（NIS-ElementsAR）测量浮游植物的体长、宽、高等体型特征值。然后根据几何公式计算出浮游植物的表面积、体积、等效直径和半径等。不足的是，微微型浮游生物体积过小，使用该方法观测较为困难[4，6]。

1.4 光散射法

利用浮游植物粒子的光散射特性获取信息，不破坏粒子本身且更加方便快速。有学者提出，可以构建对应散射体计算模型，了解不同浮游植物形状特征[7]。依照此方法可以得到较为精准的单个浮游植物粒径大小和形状信息，但对细胞群的观测能力较弱，因此该方法适合对单个浮游植物进行研究[7]。

1.5 数字全息技术图像法

图像法采用CCD或CMOS图像传感器记录粒子图像，后通过数据分析得到浮游植物粒径大小。传统的图像法与现代数字全息技术相结合，测量量程可达纳米级别，可以重建出粒径的三维图像甚至对其追踪和测量[8]。应用该技术于生物粒径的测量和研究可以大面积关注整个颗粒场的动态变化，但算法和平台都仍在开发阶段[8]。

1.6 流式细胞仪

李胜男等[9]针对微型浮游生物提出了可以使用流式细胞仪的方法。由于浮游植物会发射不同的荧光信号，当样品流经检测区时，激光光束照射在浮游植物颗粒上，颗粒发射散射光和激发出不同颜色波长的荧光。接收器接收这些光束，分析其强弱和性质就可以将不同浮游植物颗粒及其浓度区分开来。该方法由于精度高，速度快且便捷，被广泛使用。

2 浮游植物粒径分布情况及其影响因素

由于水域位置不同，水文气象和营养盐等存在差异，不同水域的浮游植物粒径及其时空分布特征存在较大差别。根据已有报道，可了解到部分海域和湖泊中，不同浮游植物粒径组成结构以及与各种水质环境因子的相关性。

不同周期的海洋浮游植物的细胞粒径生命体现出的特点大致是相同的。如在硅藻生命初期，细胞分裂和繁殖使体积持续减小，减小到临界值时，细胞繁殖转变为有性生殖，细胞体积达到最大状态[10]。不同形态的无机营养盐会对水体中不同粒径的浮游植物造成不同的影响[11]。研究表明，NO3-、PO43-、NH4+3种无机营养盐形态对微型浮游植物有显著的影响，NO2-对微微型浮游植物也有显著的影响[11]。同时，不同的营养盐成分也会对粒径大小不同的浮游植物造成影响。如氮营养盐的减少对马鞍列岛的硅藻等浮游植物有抑制作用，随着营养盐的降低，硅藻粒径越来 越小[12]。

基于水质指标和叶绿素a的浓度可以了解到海域的营养化水平。随着人类活动的增加，污水排放等原因造成的水体富营养化会导致水体浮游植物总量增加[13]。有学者认为，小粒径的浮游植物更适宜生长于寡营养盐环境，而较大粒径浮游植物在富营养盐环境中存在生长优势[14]。这是由于分子扩散作用，海水中的营养盐更易传输到粒径较小的浮游植物细胞内部[15]。依据以上理论对不同营养盐湖泊中浮游植物优势种进行具体分析，对于寡营养盐的新丰江水库来说，浮游生物主要由小粒径的浮游植物构成[16]，充分说明小粒径浮游植物会在寡营养盐水体中更占优势[17]。淀山湖全湖为富营养盐水体，其微微型浮游植物贡献最小，说明其水体中适合寡营养盐水体的微微型浮游植物较少[18]。其原因可能是在营养富集的水域中，微微型浮游植物的生物量会随着氮营养盐的增高而减少[19]。在中度污染的辽宁典型水 库[20-21]和富营养化的严冬湖，水体浮游植物的生长受水体中磷的限制。严冬湖水域微型和微微型粒径的浮游植物在TP和无机磷含量较高的夏季呈现优势[22]。而严冬湖营养水平最低点（西区）以微微型浮游植物为主，而营养水平较高点（中区和东区）以微型浮游植物为主[22]，同一湖泊中因营养盐含量不同呈现出不同的浮游植物粒径优势种也论证了上述观点。针对近海而言，大部分营养盐来源于陆源输入。象山港微型、小型浮游植物细胞丰度与营养盐都存在正相关关系[23]。桑沟湾中小型浮游植物在总浮游植物中占比与N、P等营养盐呈负相关，但微型浮游植物所占比例与营养盐呈正相关[24]。综上所述，不论是湖泊还是海洋，营养盐含量都是影响浮游植物粒径结构组成的主要原因。

但在黄东海高温高盐海域微微型浮游植物对总叶绿素a贡献量却可达25.85%[25]，说明除去营养盐因素的影响，水体温度也影响着浮游植物粒径大小。根据已有研究表明，大部分地区浮游植物粒径存在明显的季节性变化，其中主要影响因素为温度变化。李凤雪等[24]对桑沟湾养殖水体浮游植物粒径结构的研究结果表明温度显著影响浮游植物粒径结构组成，即在没有海带生长带来的营养盐竞争的夏季，水温升高引起浮游植物快速生长。长江口富营养临海海域浮游植物生物总量呈现春季最高，冬季最低的趋势，同时夏季略高于秋季[26]。马鞍列岛海域硅藻的平均粒径改变也有明显的季节变化，8～11月出现最小值、3～5月出现最大值。平均而言，从3～8月水温升高12.6℃，硅藻粒径降低了30.7 μm[12]。对于淀山湖而言，微型浮游植物比例受水温影响较 大[18]。在水温较高的夏季，微型浮游植物对淀山湖的贡献率较大[18]。而在较冷的南极普里兹湾，小型浮游植物对初级生产力的贡献为69%，显著高于微型和微微型浮游植物[27]。说明不论是湖泊还是近海，水温对浮游植物粒径影响呈现相似结果。研究中表明无论硅藻大小，它们的粒径都会随着水温的升高而减小，平均每升高1℃体积减少4%[12，28]。由此可知硅藻粒径大体呈现与同期水温呈反比趋势。综上所述，随着季节变化，浮游植物粒径大小的变化和水温高低大致成反比。但温度并不能完全决定浮游植物粒径的大小，要根据具体情况展开分析及讨论。

悬浮物质浓度也会影响浮游植物粒径，其原因在于悬浮物质浓度改变会使浮游植物的生长环境发生改变。海水中悬浮物浓度的增加，一方面增加了营养物质的浓度，另一方面降低了水体中的光照强度和溶解氧含量[12]，这些对浮游植物生长有负面影响，因此它们对浮游植物粒径也有着同样的负面影响[12]。同时，当悬浮物超过一定浓度或持续一段时间后，浮游植物会受到光限制等负面影响[29]。

针对外海而言，浮游植物的突然暴发有可能来源于急流对浮游植物的水平输送。2014年9月南海西部夏季表层水体出现的从沿岸向海盆区的喷射状离岸藻华，导致表层水体出现高浓度的叶绿素a，就源于急流输送的浮游植物[30]。其中，微型和小型浮游植物与总叶绿素a浓度呈线性正相关，而微微型浮游植物呈线性负相关[30]，说明输送过程中的环境变化会改变浮游植物粒径大小。长江口由于黄海沿岸流和台湾暖流与冲淡水交汇，导致大量浮游生物集中在表层，其主要以微微型和小型浮游生物为主[25]。也说明在外海，流场和涡旋辐合辐散是改变浮游植物粒径大小的因素，需要考虑其影响。

海洋滤食性生物在很大程度上影响浮游植物粒径的组成。滤食性生物生长发育和排泄在不同程度上影响该海域营养盐的浓度，间接影响浮游植物粒径大小[3]。养殖区设施的阻流作用也会使浮游植物在区域内滞留[3]。所以，面对养殖区水体，需考虑不同放养密度下滤食动物对水体中浮游植物的影响。如冬季是桑沟湾中贝类快速生长的时期，虽然此时营养盐水平并不低于夏季，但浮游植物数量逐渐减少[24]。这也揭示了利用生物操控可以有效改善水体中湖泊富营养化。刘建康等[31]提出的非经典生物操纵理论，已在武汉东湖、滇池和巢湖等富营养化湖泊的污染治理得到应用，利用滤食性鱼类的放养可以减少浮游植物生物量，从而改善了水质。对于桑沟湾这个贫营养型海域来说，滤食性贝类对食物颗粒的大小有选择性，会更多的摄食小型和微型浮游植物，为微微型浮游植物提供了生长空间[24]，证明水域中含有以浮游植物为食的生物也会对浮游植物粒径造成影响。

3 总结

对目前常用的浮游植物粒径测量方法进行简单的介绍，在调查过程中可以根据实验条件和实验精度要求选取合适的测量方法。浮游植物粒径的结构组成和环境因子密切相关。营养盐、温度和悬浮物质不仅影响着浮游植物粒径的大小，也影响着养殖区生物的生长情况。外海输入会突然改变浮游植物的生存环境，进而影响浮游植物粒径大小。有害赤潮等环境问题对我们国家的生态和经济影响重大，所以研究浮游植物粒径与各种环境因子的协同作用及结果是十分有必要的。