不同光照水平下浮游藻類對氮、磷營養鹽添加的響應

方 濤 , 馮志華 高 磊

(1. 淮海工學院 江蘇省海洋生物技術重點建設實驗室, 江蘇 連云港 222005; 2. 華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室, 上海 200062)

光照和營養鹽氮磷是限制浮游藻類生長的主要因子, 如有學者觀察到, 在美國Puget Sound北部的一個泥沼河口, 所有實驗期間, 可溶解無機N與P比例小于16 : 1, 這樣在河口環境, 每單位P只有小于浮游植物細胞結構所需要的 N可供利用, 因此推測N是這些河口光合作用的限制因子[1]。長江口過高N/P比使江口外沿的浮游植物受到P的限制, 離河口500 km以上的區域則受N的限制, 在河口內部, 特別是最大渾濁帶水域, 由于較高的懸浮物濃度, 初級生產力主要受光的限制[2]。Goosen等[3]比較了歐洲的Elbe、Westerschelde和Gironde河口, 發現總懸浮物濃度在Gironde河口最高, 在Elbe河口最低, 浮游植物初級生產在 Gironde河口最低且與光亮層深度呈正相關。

目前關于自然光照和營養鹽對藻類的影響研究多是通過室內培養實驗或者現場調查自然海區浮游藻類生物的分布或者模型計算來得出結論, 現場的生理生態培養實驗還比較缺乏。現場培養實驗能夠盡量模擬現場的各種環境因子, 浮游藻類的生長環境相對于室內浮游植物培養更接近于真實的海洋環境[4], 由現場培養實驗所得到的浮游植物與環境因子相互作用的各項參數更有實際意義, 因此近年來有不少學者采用該方法研究海水營養鹽與浮游植物之間的關系[5-8]。本文著重以現場培養實驗為手段,來對不同光照水平下浮游藻類對氮、磷營養鹽添加后的葉綠素a以及生長速率變化進行研究。

1 材料與方法

1.1 培養方法

2007年11月于長江口鄰近海域站點 (122°40′E,30°50.8′N), 取表層海水經孔徑為 100 μm 的篩絹濾出較大型浮游生物的明顯干擾[9], 混勻后分裝入 78個 5L透明塑料桶中(C1～C78)(表 1)。根據長江口營養鹽濃度的變化范圍[10], 確定往培養瓶中添加不同體積的5 mmol/L NaH2PO4溶液或5 mmol/L KNO3溶液, 使得培養瓶中磷酸鹽和硝酸鹽處于不同的濃度水平。同時分別套上事先打好細孔的遮光布, 控制其透光率為現場光強的100%, 80%, 60%, 40%, 20%, 0,培養桶固定在岸邊通有循環海水的水槽中, 水溫約16℃, 采樣時間間隔分別為 0、15、26、39、48、70、109 h。

表1 實驗組的設計Tab. 1 The experiment groups

1.2 樣品采集與分析方法

樣品采集及營養鹽和葉綠素 a的測定同文獻[11]。

1.3 數據處理

浮游藻類生長速率按下列計算公式得出:

式中,μ為比生長速率,Ct和C0表示在t和t0時測得的葉綠素a質量濃度。

2 結果與討論

2.1 葉綠素a質量濃度變化

對照組葉綠素 a質量濃度初始值為 0.56 μg/L,磷酸鹽濃度初始值為0.94 μmol/L, 以P1表示, 其余6個實驗瓶中濃度分別為1, 1.05, 1.2, 1.45, 1.95, 2.95 μmol/L, 以P2～P7表示。加氮組對照瓶硝酸鹽濃度初始值為21.6 μmol/L, 以 N1表示, 其余6個實驗瓶中濃度分別為21.7 , 22.1, 22.6, 23.6, 26.6, 31.6μmol/L,以N2～N7表示。

現場培養實驗組中, 加磷加氮組無光照下葉綠素a質量濃度基本沒有增加的趨勢(圖1), 而100%光照下浮游藻類生長有著很長的平臺期, 加磷組前 6次采樣時, 葉綠素a質量濃度緩慢增加, 達到初始濃度的4倍, 但在最后1次采樣, 葉綠素a質量濃度可以增加到初始值的40倍, 加氮組也可以達到初始濃度的35倍, 說明浮游植物從這個時刻開始進入了指數生長期, 其他光照下, 浮游植物生長變化與此類似, 只是終濃度要小于100%光照。相同光照水平下在P1～P7、N1～N7, 葉綠素a質量濃度最大值往往不是出現在P7或者N7水平, 如加磷組40%和100%光照下, 葉綠素 a質量濃度最高值都出現在 P5水平,分別為7.4、20.8 μg/L;加氮組40%光照下葉綠素a最大值出現在N4水平, 為4.92 μg/L, 60%光照最大值為9.98 μg/L, 出現在N3水平。

總體來說, 隨著光照強度的增加, 葉綠素a質量濃度顯著增加, 100%光照下葉綠素 a終質量濃度可以為80%、60%、40%、20%光照的1.5倍、2倍、4倍、15倍。而在同等光照下, 葉綠素 a質量濃度在不同營養鹽水平之間差異不大, 說明浮游藻類生長的營養鹽限制性不明顯。培養介質磷酸鹽初始濃度為 0.94 μmol/L, 而總無機氮濃度為 28.9 μmol/L, N/P值為31, 根據Redfield比值應該屬于磷限制, 但在添加磷營養鹽后, 浮游藻類生長并沒有得到明顯促進,可見在營養鹽絕對濃度較高且N/P值接近于16 : 1時藻類生長才會非常快, 而兩者不能達到浮游植物最適狀態時, 營養鹽的絕對濃度對吸收速率的影響較比例的影響更明顯, 由于本實驗培養水體磷酸鹽、硝酸鹽的絕對濃度都比較高, 浮游藻類不受營養鹽限制, 而主要受光照水平的限制。

2.2 氮、磷濃度對比生長速率的影響

培養介質中的磷濃度與浮游藻類比生長速率之間有一個臨界點(圖 2), 且不同光照水平下該臨界閾值大小近似, 當磷濃度低于該臨界濃度時, 隨著磷濃度的增加會促進浮游藻類比生長速率的增加, 但當磷濃度高于該臨界濃度時, 浮游藻類比生長速率的增加會受到抑制。這可能由于磷濃度增大, 藻類生長受磷的限制程度逐漸降低, 但由于氮濃度相對減小, 此時受氮的限制程度就會逐漸增強, 由此可能限制了浮游植物的生長, 本實驗中磷酸鹽的這一臨界濃度為 1～2 μmol/L。同樣加氮組也表現出相同的規律。硝酸鹽閾值為20～25 μmol/L。蘭智文等[12]在巢湖中的試驗曾經發現正磷酸鹽與葉綠素 a之間有一個臨界點, 正磷酸鹽超過某一濃度后葉綠素濃度幾乎不再增加, 而本實驗研究發現營養鹽濃度較高會抑制浮游植物的生長。

圖1 不同光照水平下加磷加氮組葉綠素a質量濃度變化Fig. 1 Temporal variations of chlorophyll a concentrations under different irradiance in the group of phosphate or nitrate added

圖2 不同光照水平下磷、氮濃度對比生長速率的影響Fig. 2 Effect of phosphate or nitrate concentrations on specific growth rate under different irradiance

3 結論

無光照下葉綠素 a沒有增加趨勢, 其他光照下浮游藻類生長有著很長的平臺期, 隨后呈指數增長,且100%光照下葉綠素a終濃度可以為80%、60%、40%、20%光照的 1.5倍、2倍、4倍、15倍, 且相同光照下, 葉綠素 a質量濃度在不同營養鹽水平之間差異不明顯。

培養介質中磷酸鹽和硝酸鹽濃度與浮游藻類比生長速率之間有一個臨界點, 氮磷濃度超過這個臨界濃度時, 浮游藻類生長會出現抑制, 其中磷酸鹽的臨界濃度約為 1～2 μmol/L, 硝酸鹽閾值為 20～25 μmol/L。

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