黄海微微型浮游植物对灰霾颗粒添加以及光照变化的响应❋

潘志伟, 张 潮,2, 高会旺,2❋❋

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院, 山东 青岛 266100;2.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室, 山东 青岛 266100)

大气沉降通过提供氮、磷等营养物质,对海洋生态系统及碳循环产生重要影响[1-2]。近年来,随着东亚经济的快速发展,人为源大气污染物对海洋的影响愈加显著。其中,中国以细颗粒为主要成分的空气污染物(如灰霾颗粒)可通过长距离传输到达中国近海甚至是西北太平洋开阔海域,影响浮游植物的生长及群落结构[3]。一方面,大气沉降物质入海后,会在重力及海水垂直运动的作用下到达海洋表层以下的位置,伴随着光照的迅速衰减,大气沉降对不同深度海洋初级生产过程的影响也会发生改变[4-5];另一方面,由于受陆地径流影响,近岸水体浊度整体高于开阔大洋,光照强度在海水中的衰减速率更快[6]。因此,研究不同光照条件下大气沉降对海洋浮游植物生长及群落演替的影响,可为全面理解大气沉降对上层海洋不同深度处初级生产过程的影响提供参考。

微微型浮游植物(Picophytoplankton)是一类细胞粒级范围在0.2～2 μm之间的光合自养生物,广泛分布于大洋和近岸海域,在热带以及亚热带海域对浮游植物生物量的贡献高达60%以上[7],对海洋生物地球化学循环过程具有重要影响。相较于开阔大洋,近海由于营养水平较高,大部分关于大气沉降影响的研究主要聚焦于引起赤潮的硅藻、甲藻等大粒级藻类,有关微微型浮游植物的研究较为缺乏。目前有限的研究主要集中于南海的贫营养海域。Guo等[8]在南海开展的围隔培养实验发现,人为气溶胶添加可显著促进微微型浮游植物的生长,而Duan等[9]在南海开展的实验观测到人为气溶胶添加抑制微微型浮游植物中的聚球藻和原绿球藻生长的现象;牟英春等[2]的研究则指出,低浓度灰霾颗粒添加对微微型浮游植物生长存在促进作用,而高浓度灰霾添加具有抑制作用。可以看出,大气沉降对微微型浮游植物生长的影响目前仍存在较大的不确定性。另一方面,光照作为影响浮游植物生长的重要因素之一,能够通过改变浮游植物细胞内的色素含量,引起浮游植物生长速率和群落结构的变化。这种改变是否会耦合大气沉降共同影响微微型浮游植物的生长,目前尚不明确。

黄海作为典型的半封闭陆架海区,受到人为源大气污染物的影响显著。为了更好地理解人为污染物灰霾颗粒沉降以及光照变化对黄海微微型浮游植物生长的影响,本研究分别于2020年夏、秋两季在黄海不同营养水平海域开展了船基围隔培养实验,通过添加灰霾颗粒和设置不同的光照梯度,以阐明大气沉降和光照强度对微微型浮游植物生长、群落结构及碳生物量的双因子作用。

1 材料与方法

1.1 船基围隔培养实验设计

分别于2020年夏、秋两季在黄海N11(夏季)、N02(夏季)和NSA-1(秋季)3个站位开展灰霾颗粒添加的船基围隔培养实验,具体站位见图1。本研究根据遮光材料遮光效果的差异,设置了三组不同的光照衰减条件模拟不同水深处的光照强度,依次相较于海面光照强度衰减:(1)约40%(表层光照[10]);(2)约68%(弱衰减光照);(3)约82%(强衰减光照)。不同站位培养期间平均日照辐射强度见表1。灰霾颗粒添加浓度为2 μmol N/L[3],详细实验方案见表2。围隔实验在科考船的后甲板上进行,培养容器为窄口的20 L聚碳酸酯培养桶(Nalgene),加入一定体积海水后置于装有循环海水的围隔装置内进行培养,每组实验设置3个平行样。

图1 围隔实验培养站位图Fig.1 Map of the sampling stations used for microcosm incubation experiments

表1 培养期间各站位平均日照辐射强度Table 1 Average intensity of solar radiation at each station during the incubations

表2 围隔实验培养设置方案Table 2 Protocol of microcosm incubation experiments

1.2 灰霾颗粒样品的采集和分析

选取典型灰霾天气,分别于2019年1月14日和2022年9月19日在中国海洋大学崂山校区采集总悬浮颗粒物样品(Total suspended particulate, TSP)A1和A2。采样器型号为KC-1000(青岛崂山电子厂),采样膜为聚碳酸酯膜(Whatman 41),采样流量为1.05 m3/min,时间为12 h。在灰霾颗粒样品采集结束后,用锡箔纸包裹放入盛有硅胶颗粒的样品盒中,于-20 ℃条件下密封冷冻保存。

1.3 营养盐

1.4 叶绿素a(Chl a)

采集150 mL原位海水经Whatman GF/F滤膜过滤后用于原始海水总叶绿素a(Chla)浓度的测定。培养期间每天从培养桶中量取150 mL海水样品,依次经2和0.2 μm聚碳酸酯滤膜(Whatman)过滤,截留在0.2 μm滤膜上的色素用于测定微微型浮游植物的Chla浓度(Chlapico)。过滤完成后,将滤膜装入15 mL离心管中,加入体积分数为90%的丙酮溶液,于-20 ℃条件下避光萃取18～24 h。萃取结束后,使用Trilogy叶绿素荧光仪对总Chla浓度和Chlapico浓度(0.2 μm聚碳酸酯滤膜)进行测定[12]。

1.5 微微型浮游植物细胞丰度

在培养的第0天和最后1天,从培养桶中取1.8 mL水样,加入0.2 mL 10%的多聚甲醛,室温避光条件下放置15 min,经液氮速冻,置于-20 ℃条件下避光保存,带回陆地实验室后利用流式细胞仪(Beckman Coulter,USA)进行测定。采用PC5.5-A/PE-A/VSSC PB450-A通道进行波长分析,通过添加已知粒径大小的荧光微球(R3,d=2.14 μm)判别藻细胞粒径大小,进而得出微微型浮游植物的圈门,其中聚球藻(Synechococcus)和微微型真核浮游植物(Picoeukaryotes)的圈门如图2所示。原绿球藻(Prochlorococcus)在本研究中未显现出明显的圈门,之前在相同海域的研究也有类似报道[13],因此本文选取微微型真核浮游植物和聚球藻为主要研究对象。

(其中PE-A是发射波长为575 nm的通道;PC5.5-A是发射波长为675 nm的通道;VSSC PB450-A是发射波长为450 nm的通道。R1为微微型真核浮游植物;R2为聚球藻;R3为微球。PE-A is the channel with the emission wavelength of 575 nm; PC5.5-A is the channel with the emission wavelength of 675 nm and VSSC PB450-A is the channel with the emission wavelength of 450 nm. R1 means picoeukaryotes; R2 means Synechococcus and R3 means microspheres.)图2 双参数散点图Fig.2 Two-parameter scatter plot

1.6 数据分析

使用单因素方差分析(one-way ANOVA)评估不同处理组之间均值是否存在显著性差异,其中p<0.05视为存在显著性差异。

2 结果

2.1 培养站位表层海水的初始生化特征

表3 培养站位初始生化特征Table 3 Characteristics of baseline seawaters used for incubation experiment

2.2 微微型浮游植物Chl a浓度的变化趋势

在不同光照条件下,灰霾颗粒添加均不同程度地促进了3个站位微微型浮游植物的生长。其中N11站位的响应最为显著(p<0.05),培养期间灰霾颗粒添加组Chlapico浓度始终高于对照组,并在第3天达到峰值,相比于对照组增加了2.7～3.5倍(见图3(a))。N02站位表层光照条件下灰霾颗粒的添加存在一定的促进作用,而在弱衰减以及强衰减光照条件下灰霾颗粒添加的作用均不显著(p>0.05)(见图3(b))。NSA-1站位灰霾颗粒添加组Chlapico浓度相较于对照组无显著变化(p>0.05)(见图3(c))。

图3 培养期间灰霾颗粒添加和光照变化对Chl apico浓度的影响Fig.3 Effect of haze particle additions and light changes on Chl apico concentration during the incubations

通过单因素方差检验分析发现,N11站位灰霾颗粒添加组Chlapico浓度在不同光照条件下无显著差别(p>0.05),而N02和NSA-1灰霾颗粒添加组Chlapico浓度随着光照衰减逐渐降低(p<0.05)。

2.3 微微型浮游植物主要类群细胞丰度的变化

在不同光照条件下,N11站位培养期间对照组中微微型真核浮游植物细胞丰度基本保持不变,聚球藻细胞丰度有所上升;培养末期灰霾颗粒添加相较于对照组均不同程度地促进了微微型浮游植物细胞丰度的增加(见图4(a))。N02站位灰霾颗粒添加组和对照组中两类微微型浮游植物细胞丰度相较于初始水平均有所下降,但不同处理组之间无显著差别(见图4(b))。与N02站位相似,在富营养水平的NSA-1站位,灰霾颗粒添加组与对照组Chlapico浓度无显著差别。不同的是,表层光照与弱衰减光照条件下,培养末期微微型浮游植物细胞丰度相较于培养初期有所上升,而强衰减光照条件下呈现下降的趋势(见图4(c))。

图4 培养期间对照组和灰霾颗粒添加组中微微型浮游植物细胞丰度的变化Fig.4 Changes in cell abundance of picophytoplankton in the control and haze particle treatments during the incubations

单因素方差分析结果显示,N11和N02站位不同光照条件下灰霾颗粒添加组的微微型真核浮游植物以及聚球藻的细胞丰度无显著差别(p>0.05)。不同的是,对于NSA-1站位,随着光照的衰减,微微型真核浮游植物和聚球藻细胞丰度均呈下降趋势(p<0.05)。

2.4 微微型浮游植物Cpico/Chl apico的变化

本研究根据公式(1)估算微微型浮游植物碳生物量和Chlapico比值的变化:

Cpico=Apico·α。

(1)

式中:Cpico为微微型浮游植物碳生物量(mg·m-3);Apico为微微型浮游植物细胞丰度(cell·m-3);α为碳转化因子(fg·cell-1)。参照MingzhuFu等[15]的研究,在黄海海域,微微型真核浮游植物碳转化因子为2 590 fg·cell-1,聚球藻的碳转化因子为255 fg·cell-1。由此得出各处理组中两类微微型浮游植物碳生物量的变化特征。结果表明,微微型真核浮游植物是微微型浮游植物碳生物量的主要贡献者(见图5)。

图5 培养期间对照组和灰霾颗粒添加组中微微型浮游植物碳生物量的变化Fig.5 Changes in the carbon biomass of picophytoplankton in the control and haze particle treatments during the incubations

将微微型浮游植物碳生物量(微微型真核浮游植物与聚球藻碳生物量之和)与Chla浓度相比较,即可得出培养初期和末期Cpico/Chlapico的变化情况(见图6)。相比于对照组,培养末期N11站位灰霾颗粒添加降低了Cpico/Chlapico的比值,N02站位以及NSA-1站位中Cpico/Chlapico的比值受灰霾颗粒添加的影响较小。

图6 培养期间对照组和灰霾颗粒添加组中Cpico/Chl apico的变化Fig.6 Changes in Cpico/Chl apico in the control and haze particle treatments during the incubations

在三种不同光照条件下,N11站位与NSA-1站位Cpico/Chlapico的比值均不同程度地受到光照变化的调控,无论对照组还是灰霾颗粒添加组Cpico/Chlapico的比值均随着光照的衰减而降低(见图6(a),(c))。N02站位光照变化对对照组和灰霾颗粒添加组Cpico/Chlapico的比值均无显著影响(p>0.05)(见图6(b))。

3 讨论

整体而言,秋季NSA-1站位离岸较近,不仅海表光照强度较低,而且受到黄海西岸陆地径流的影响较为明显,水体营养盐浓度及浊度整体较高[16]。夏季N11站位与N02站位分别位于黄海北部和中部,海表光照强度较高,相较于NSA-1受陆地径流输入的影响较小,海水接近贫营养状态,且透光性较好。

小粒径细胞具有较大的比表面积,相较于大粒径浮游植物更容易从海水中吸收低浓度的营养盐,因此存在较低的营养盐吸收阈值,并且对营养盐的需求也更小,这使得贫营养海域通常由微微型浮游植物占据主导地位[17]。微微型浮游植物拥有较大的比表面积,能够在光限制条件下通过增加光吸收截面以提高对光的吸收能力[18-19],从而使其在光照较弱的情况下依然能保持一定的竞争力。因此,3个站位初始海水中微微型浮游植物贡献了相当甚至是主导的生物量。

3.1 微微型浮游植物Chl a浓度及细胞丰度响应的异同

在秋季富营养水平的NSA-1站位,水体中的营养盐储量能够满足微微型浮游植物的需求,因此灰霾颗粒添加的影响较小。类似地,Chen等[24]在黄海现场开展的实验发现,气溶胶添加对富营养海域中Chla浓度的影响较小。本研究中NSA-1站位微微型浮游植物Chlapico浓度、细胞丰度均与光照密切相关(p<0.05),即随着光照强度的衰减,微微型浮游植物Chlapico浓度与细胞丰度均呈降低趋势,且细胞丰度的降低更为明显。这是由于该站位表层培养光照较弱(见表1),光照的进一步衰减限制了微微型浮游植物细胞丰度的增加。与此同时,微微型浮游植物可以通过增加细胞内的Chlapico含量以适应低光照的条件[25]。

3.2 微微型浮游植物Cpico/Chl apico的变化

Chla浓度作为反应浮游植物碳生物量的指标被广泛应用,然而浮游植物C/Chla的比值易受到环境因子的影响而发生变化。因此,探究C/Chla比值的变化规律有助于更加精确地使用Chla评估浮游植物的碳生物量。本研究发现,夏季贫营养水平的N11站位Cpico/Chlapico的比值受灰霾颗粒添加以及光照变化的联合调控。灰霾颗粒的添加在一定程度上可能降低了浮游植物接受的光照强度,即增加了浮游植物之间的“包裹效应”(Package effect)。微微型浮游植物为适应光照强度的降低,会一定程度地增加细胞内的Chlapico含量,表现为单位细胞内具有更高的Chlapico浓度。因此,随着光照强度的衰减,Cpico/Chlapico的比值逐渐降低。N02站位培养末期浮游植物已处于衰亡阶段,Cpico/Chlapico的比值并未表现出明显的差异。

在秋季富营养水平的NSA-1站位,培养期间海面光照强度低于其它两个站位,且受到陆地径流等因素的影响,水体浊度较高[26],光照在海水中的衰减速率快,导致微微型浮游植物生长主要受到光照的影响,表现为Cpico/Chlapico的比值随着光照的衰减逐渐降低,这主要是由弱光照条件下单位细胞Chlapico含量增加导致的。

4 结论

本研究分别于2020年夏季和秋季在黄海中部、北部和近岸开展了3组灰霾颗粒添加的船基受控培养实验,通过设置不同光照强度,研究了灰霾颗粒和光照双因子对微微型浮游植物生长、碳生物量及其与Chlapico浓度比值的影响,解析了灰霾颗粒添加和光照变化的相对贡献,为深入理解大气沉降对上层海洋初级生产过程的影响提供了一定的科学依据,具体结论如下:

(1)在夏季贫营养海域,海面光照较为充足,灰霾颗粒添加提供的氮能够促进微微型浮游植物的生长,表现为Chlapico浓度、微微型真核浮游植物和聚球藻细胞丰度的增加,光照变化的影响不显著;在秋季富营养海域,海面光照强度较低,光照相较于灰霾颗粒添加对微微型浮游植物生长的影响更为明显,Chlapico浓度和细胞丰度均随着光照强度的衰减而降低。

(2)微微型浮游植物Cpico/Chlapico比值在夏季贫营养海域受到灰霾颗粒和光照的联合调控,灰霾颗粒添加和光照强度衰减均可降低Cpico/Chlapico的比值。秋季富营养海域微微型浮游植物Cpico/Chlapico的比值主要受光照强度的调控,表现为随着光照强度的衰减而降低,灰霾颗粒添加的影响不显著。

致谢：该航次分别由蓝海“101”号科考船(航次编号:NORC2020-01;NORC2020-02)以及向阳红“18”号科考船(2020年中国近海综合开放秋季航次)实施,在此一并致谢。