灌河口鄰近海域春季浮游植物的生態(tài)分布及其營(yíng)養(yǎng)鹽限制

方 濤 ，賀心然，馮志華，陳斌林

(1.淮海工學(xué)院江蘇省海洋生物技術(shù)重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，連云港 222005;2.連云港市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，連云港 222001;3.連云港市環(huán)境保護(hù)局，連云港 222001)

在不同環(huán)境下的河口，限制浮游植物初級(jí)生產(chǎn)的營(yíng)養(yǎng)元素往往不同。如有學(xué)者在對(duì)北Carolina州的河口研究發(fā)現(xiàn)，N是這些河口系統(tǒng)主要限制因子，P偶爾發(fā)生協(xié)同發(fā)展［1］，但Smith指出有一些河口海岸最終P將限制初級(jí)生產(chǎn)力［2］，而Chesapeake灣，春季硅藻水花由可溶性硅所控制［3］。長(zhǎng)江口過(guò)高N/P使江口外沿的浮游植物受到P限制［4］，黃河口區(qū)5月和8月份N/P變化范圍分別是10—140和30—300，明顯高于正常值16［5］。而珠江口海域豐富的氮、磷、硅和較高的N/P均可能是形成該海域多年來(lái)浮游植物群落以硅藻類(lèi)占優(yōu)勢(shì)的主要原因［6］。相比而言，灌河口相關(guān)研究就顯得十分缺乏。目前灌河口及上游地區(qū)形成了較為發(fā)達(dá)的工業(yè)園區(qū)，大量工業(yè)污水的排放勢(shì)必對(duì)鄰近海域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響。因此開(kāi)展相關(guān)海域環(huán)境調(diào)查尤其是浮游植物的生態(tài)分布及營(yíng)養(yǎng)鹽限制的研究就顯得十分有意義。

1 站位與方法

1.1 研究站位與分析方法

2011年4月于灌河口鄰近海域共設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查站位7個(gè)(圖1)，浮游植物采用淺水III型浮游生物網(wǎng)從底至表層垂直拖網(wǎng)獲取和采水器采集表層水樣500mL，現(xiàn)場(chǎng)用5%福爾馬林溶液固定，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行種類(lèi)鑒定及個(gè)體計(jì)數(shù)，另取表層水樣經(jīng)0.45μm孔徑的醋酸纖維濾模過(guò)濾，濾液儲(chǔ)存于125mL聚乙烯塑料瓶中，用于測(cè)定磷酸鹽、銨鹽、亞硝酸鹽和硝酸鹽，濾膜儲(chǔ)存于10mL離心管，用于萃取測(cè)定葉綠素a。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)采樣站位Fig．1 Sampling Locations

各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的樣品采集、預(yù)處理、分析與鑒定均按《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB17378.1—7—1998)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行。磷酸鹽測(cè)定采用磷鉬藍(lán)法，氨的測(cè)定采用靛酚藍(lán)法，亞硝酸鹽的測(cè)定采用α-萘-乙二胺-偶氮法，硝酸鹽首先經(jīng)過(guò)鎘-銅柱還原為亞硝酸鹽，而后同上述測(cè)定亞硝酸鹽的方法分析。葉綠素a于630nm、647nm、664nm、752nm波長(zhǎng)下分別測(cè)定吸收度值，按下述公式計(jì)算:

葉綠素a單位為μg/L.式中，E為經(jīng)750nm波長(zhǎng)校正后的吸光值，即E值應(yīng)扣除E750的數(shù)值。

現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展于HS05站位，取表層海水經(jīng)孔徑為100μm的篩絹濾出較大型浮游生物的明顯干擾［7］，混勻后分裝入5個(gè)5L透明塑料瓶中。根據(jù)以往灌河口海域氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化范圍的數(shù)據(jù)資料［8］，確定往培養(yǎng)瓶中添加不同量的5mmol/L NaH2PO4溶液或0.4 mol/L NaNO3溶液，使得培養(yǎng)瓶中磷酸鹽和硝酸鹽處于不同的濃度水平(表1)。培養(yǎng)瓶固定在岸邊通有循環(huán)海水的水槽中，循環(huán)海水是由泵不斷從海上抽取的表層海水，從而使培養(yǎng)介質(zhì)的溫度與現(xiàn)場(chǎng)海水相近。

表1 實(shí)驗(yàn)組的設(shè)計(jì)Table 1 The design of experimental groups

培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)從23日22:00開(kāi)始至28日11:00結(jié)束，培養(yǎng)過(guò)程天氣晴好。每次采樣前先搖動(dòng)培養(yǎng)瓶，以使水樣混勻，并用光照度計(jì)測(cè)量當(dāng)日的自然光強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的測(cè)定參數(shù)主要包括NO3-N、NO2-N、NH4-N、PO4-P和葉綠素a。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)記錄如表2。

表2 現(xiàn)場(chǎng)加富培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)記錄Table 2 Records of In situ experiments

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 Shannon-Weaver多樣性指數(shù)(H)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Y)計(jì)算公式分別如下:

式中，S為樣品中的種類(lèi)總數(shù)，ni為第i種浮游植物的密度，fi為該種在各站位出現(xiàn)的頻率，N為浮游植物總密度。

1.2.2 營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收速率用以下公式計(jì)算［9］:

式中，μ為比吸收速率Nt和N0分別為t(結(jié)束)和t0(起始)時(shí)刻營(yíng)養(yǎng)鹽濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 浮游植物的生態(tài)分布

春季調(diào)查海域共鑒定出浮游植物6門(mén)24科36屬68種，其中硅藻門(mén)29屬61種，占總種類(lèi)數(shù)的89.71%，其次為甲藻和綠藻，各有2種，其他金藻門(mén)、藍(lán)藻門(mén)和裸藻門(mén)各有1種，硅藻在浮游植物種類(lèi)組成及群落結(jié)構(gòu)中占有重要地位。整個(gè)調(diào)查海域優(yōu)勢(shì)種類(lèi)(Y≥0.02)共15種。主要優(yōu)勢(shì)種類(lèi)為中肋骨條藻(Skeletonema costatum)、冰河擬星桿藻(Asterionellopsis glacialis)、長(zhǎng)菱形藻(Nitzschia longissima)、尖刺偽菱形藻(Pseuo-Nitschia pungens)、新月菱形藻(Nitzschia closterium)、剛毛根管藻(Rhizosolenia setigera)、舟形鞍鏈藻(Campylosira cymbelliformis)，優(yōu)勢(shì)度分別達(dá) 0.53、0.21、0.083、0.080、0.076 、0.059、0.056。

春季調(diào)查海域浮游植物的豐度范圍為0.84×106—2.25×106個(gè)/L，均值為1.54×106個(gè)/L，種類(lèi)范圍為29—39種，均值為35種，豐度和種類(lèi)數(shù)從整個(gè)調(diào)查區(qū)域來(lái)看，都主要呈現(xiàn)西邊高東邊低的特征;浮游植物的多樣性指數(shù)變化范圍為2.60—3.79，均值為3.20，呈現(xiàn)出北邊低南邊高的特征，在所有采樣站位中只有HS01和HS02兩站的多樣性指數(shù)介于2和3之間，屬于輕度污染，其它站位的多樣性指數(shù)介于3和4之間，屬于清潔狀態(tài)，本區(qū)海域環(huán)境尚適宜浮游植物的生長(zhǎng)。浮游植物葉綠素a濃度范圍為2.66—6.67μg/L，平均值為3.89μg/L，總體呈現(xiàn)近岸高外海低的特征(圖2)。

2.2 氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的分布及其對(duì)浮游植物的限制

調(diào)查海域磷酸鹽濃度的范圍為0.35—0.90μmol/L，平均值為0.58μmol/L，，亞硝酸鹽濃度范圍為1.57—3.93μmol/L，平均值為3.08μmol/L，兩者分布均具有近岸高外海低的特征;銨鹽濃度范圍為3.14—5.43μmol/L，平均值為3.95μmol/L，其分布則是近岸低外海高;硝酸鹽濃度在31.2—37.00μmol/L之間變化，平均值為34.55μmol/L，整個(gè)分布大小比較近似，差異不明顯(圖2)。

可以看出春季灌河口鄰近海域無(wú)機(jī)氮(DIN=NO3-N+NO2-N+NH4-N)濃度嚴(yán)重偏高，均超出四類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097—1997))，磷酸鹽濃度相對(duì)較低，均未超出二類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，這可能與灌河徑流的變化以及浮游植物的數(shù)量有關(guān)系，春季灌河進(jìn)入汛期，徑流量大，對(duì)河口污染物起到一定的稀釋作用，而春季又是浮游植物旺發(fā)時(shí)期，豐度較高的浮游植物會(huì)消耗一定量的磷酸鹽，而無(wú)機(jī)氮絕對(duì)濃度較高，因此導(dǎo)致調(diào)查區(qū)域N/P比嚴(yán)重偏高(圖2)，最小值為42，最大值可達(dá)到112。

圖2 灌河口鄰近海域表層浮游植物豐度、種類(lèi)數(shù)、多樣性、葉綠素a以及磷酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽及N/P比的分布Fig．2 Distribution of phytoplankton abundance，number of phytoplankton species，Shannon-Wiener index，chlorophyll a，phosphate，nitrate，nitrite，ammonium concentration and N/P ratios in surface water of adjacent sea of Guanhe Estuary

根據(jù)溶解態(tài)的N、P原子比確定水體中限制性的營(yíng)養(yǎng)鹽因子的研究已有不少，如Bernhard［10］指出在美國(guó)Puget Sound北部的一個(gè)泥沼河口，所有實(shí)驗(yàn)期間，可溶解無(wú)機(jī)N與P比例小于16∶1，因此推測(cè)N是這些河口光合作用的限制因子。Jiao［11］等根據(jù)國(guó)內(nèi)海岸河口N/P范圍(30∶1—80∶1)，認(rèn)為浮游植物可利用N含量遠(yuǎn)大于P，浮游植物生長(zhǎng)的P限制超過(guò)N。胡明輝［12］研究了三角褐指藻等4種藻的生長(zhǎng)所需要的最佳N/P比，并以此值同長(zhǎng)江口的N/P比相比而得出長(zhǎng)江口浮游植物受磷限制的結(jié)論。本次調(diào)查灌河口鄰近海域N/P范圍為42—112，據(jù)此，可初步推測(cè)春季灌河口鄰近海域浮游植物的生長(zhǎng)受到P限制。

通過(guò)浮游植物葉綠素a濃度與磷酸鹽和無(wú)機(jī)氮的相關(guān)性分析(圖3)，春季調(diào)查水域葉綠素a與磷酸鹽有著顯著的正相關(guān)，而葉綠素a濃度與無(wú)機(jī)氮之間線性關(guān)系不顯著。在某種營(yíng)養(yǎng)鹽為限制因子的海域，如添加該營(yíng)養(yǎng)鹽，會(huì)促進(jìn)藻類(lèi)的生長(zhǎng)，因此這種營(yíng)養(yǎng)鹽濃度高的水域，葉綠素a濃度也較高，若營(yíng)養(yǎng)鹽增加致游藻類(lèi)大量繁殖，甚至發(fā)生赤潮時(shí)，浮游植物勢(shì)必會(huì)大量消耗該營(yíng)養(yǎng)鹽，從而導(dǎo)致該營(yíng)養(yǎng)鹽濃度快速降低，而表現(xiàn)出營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與葉綠素a的負(fù)相關(guān)。從本文葉綠素a濃度與磷酸鹽的相關(guān)性來(lái)看，雖然不能得出春季灌河口鄰近海域浮游植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)鹽限制因子是P，但P可能是潛在的限制因子。

圖3 浮游植物葉綠素a與磷酸鹽和無(wú)機(jī)氮的相關(guān)性Fig．3 The lineal relationship between chlorophyll a and phosphate or DIN concentration

2.3 現(xiàn)場(chǎng)營(yíng)養(yǎng)鹽加富的藻類(lèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)N/P比例判斷營(yíng)養(yǎng)鹽限制因子的方法存在一定的不足，首先這種方法沒(méi)有考慮到各種類(lèi)型的藻類(lèi)吸收N、P的比例不完全相同，得出的結(jié)論有一定的片面性;其次，不同種類(lèi)的藻類(lèi)可吸收利用的N源不同，且三態(tài)N之間可以相互轉(zhuǎn)換，所以只能以總?cè)芙鉄o(wú)機(jī)氮作為標(biāo)準(zhǔn)，但帶來(lái)的問(wèn)題就是不能把藻類(lèi)吸收的N的不同形態(tài)這個(gè)因素考慮進(jìn)去，得出的結(jié)論會(huì)有一些偏差。再次，近岸受人類(lèi)活動(dòng)的影響較大，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度比例變動(dòng)較大，需要特別考慮。相比較而言，現(xiàn)場(chǎng)的營(yíng)養(yǎng)鹽加富培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，更接近于自然狀況，是檢驗(yàn)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽限制的較好的辦法，在國(guó)外應(yīng)用已很普遍［10，13-15］。

本次現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展于HS05站位，磷酸鹽、銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽和葉綠素a的初始濃度分別為0.61μmol/L、3.36μmol/L、35.14μmol/L、3.71μmol/L 和 3.25μg/L。在 P 加富培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，磷酸鹽可由初始濃度的0.61、1.22、1.65μmol/L分別降至培養(yǎng)結(jié)束后的0.12、0.18、0.17μmol/L，磷酸鹽的比吸收速率分別為0.36、0.43、0.51d-1，加P后促進(jìn)了P本身的吸收;與此同時(shí)，P的添加也促進(jìn)了硝酸鹽和亞硝酸鹽的吸收，銨鹽濃度由于浮游植物的釋放總體上呈增大趨勢(shì)。由于培養(yǎng)海水事先都濾除了大型浮游動(dòng)物的干擾，且固定在5L的培養(yǎng)桶中，與外界海水不流通，相對(duì)平靜，加上現(xiàn)場(chǎng)光照強(qiáng)度以及水溫都比較適宜，從而導(dǎo)致培養(yǎng)結(jié)速后葉綠素a濃度較高，對(duì)照組最大值可達(dá)到77.24μg/L，而+P組和++P組葉綠素a濃度最大值分別為90.57、96.49μg/L，P的添加也促進(jìn)了藻類(lèi)的生長(zhǎng)(圖4)。

在N加富培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，硝酸鹽由初始濃度的35.14、89.11、108.86μmol/L分別降至培養(yǎng)結(jié)束后的6.21、71.34、97.32μmol/L，硝酸鹽的比吸收速率分別為0.39、0.049、0.025d-1，加N后并未促進(jìn)硝酸鹽本身的吸收速率，而亞硝酸鹽在加N組中濃度反而是增加的，這主要與藻類(lèi)存在的亞硝酸鹽釋放機(jī)制有關(guān)，至于圖4中無(wú)此現(xiàn)象，可能是加磷實(shí)驗(yàn)體系中氮少，釋放的亞硝酸鹽又被浮游植物所吸收所致。同樣磷酸鹽的吸收也沒(méi)有得到促進(jìn)，培養(yǎng)期間3個(gè)實(shí)驗(yàn)組磷酸鹽濃度變化曲線相似，銨鹽總體上依然呈增大趨勢(shì)，培養(yǎng)結(jié)速后+N組和++N組葉綠素a濃度最大值分別為72.31、69.62μg/L，都小于對(duì)照組的77.24μg/L，表明N的添加也未促進(jìn)藻類(lèi)的生長(zhǎng)(圖5)。

圖4 P加富培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽及葉綠素a濃度的變化Fig．4 Changes of phosphate，nitrate，nitrite，ammonium and chlorophyll a concentration during P enrichment incubations

圖5 N加富培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽及葉綠素a濃度的變化Fig．5 Changes of phosphate，nitrate，nitrite，ammonium and chlorophyll a concentration during N enrichment incubations

利用現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽限制在國(guó)內(nèi)也逐漸得到了廣泛的應(yīng)用，如鄒立和張經(jīng)［16］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)外加營(yíng)養(yǎng)鹽的受控培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在萊州灣附近浮游植物生長(zhǎng)受到顯著的磷限制，硅酸鹽尚不成為限制因子，而渤海海峽及渤海中部不存在營(yíng)養(yǎng)鹽的限制問(wèn)題。王勇［17］等在膠州灣采用現(xiàn)場(chǎng)添加營(yíng)養(yǎng)鹽的實(shí)驗(yàn)方法指出在夏季，N或單獨(dú)、或與P同時(shí)限制浮游植物的生長(zhǎng)，在秋季則可能是N與P共同對(duì)浮游植物群落產(chǎn)生調(diào)控作用，而在冬季，Si是首要的限制浮游植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)元素。蒲新明［18］等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加富的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)添加KNO3的兩組與對(duì)照組的生長(zhǎng)曲線基本一致，而添加Na2HPO4的兩組與N、P都加的兩組的生長(zhǎng)曲線基本一致，表明:P是起限制作用的營(yíng)養(yǎng)鹽，而N不是。相比較而言，本文現(xiàn)場(chǎng)加P后促進(jìn)了浮游植物的生長(zhǎng)以及對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收，而加N并未促進(jìn)，表明了春季灌河口鄰近海域浮游植物的生長(zhǎng)主要受到P的限制，而不受N的限制。

3 結(jié)論

(1)春季調(diào)查海域共鑒定出浮游植物6門(mén)24科36屬68種，其中硅藻門(mén)29屬61種，占總種類(lèi)數(shù)的89.71%，優(yōu)勢(shì)度最高的為中肋骨條藻(Skeletonema costatum)。浮游植物豐度介于0.84×106—2.25×106個(gè)/L，種類(lèi)范圍為29—39種，葉綠素a濃度在2.66—6.67μg/L變化，多樣性指數(shù)介于2.60—3.79，基本處于清潔狀態(tài)。

(2)春季調(diào)查海域磷酸鹽濃度介于0.35—0.90μmol/L，硝酸鹽濃度在31.21—37.00μmol/L變化，灌河口鄰近海域無(wú)機(jī)氮濃度嚴(yán)重偏高，均超出四類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，磷酸鹽濃度相對(duì)較低，均未超出二類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致調(diào)查區(qū)域N/P比嚴(yán)重偏高，且浮游植物葉綠素a與磷酸鹽濃度有顯著的正相關(guān)，而與無(wú)機(jī)氮無(wú)明顯線性關(guān)系。

(3)在P加富培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，加P明顯促進(jìn)了P本身的吸收，也促進(jìn)了硝酸鹽和亞硝酸鹽的吸收，但沒(méi)有磷酸鹽那么顯著，銨鹽基本上呈增加趨勢(shì)，P的添加也明顯促進(jìn)了藻類(lèi)的生長(zhǎng)。在N加富培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，加N并未促進(jìn)硝酸鹽本身和磷酸鹽的吸收速率，亞硝酸鹽在加N組中濃度是增加的，銨鹽依然呈增加趨勢(shì)，培養(yǎng)結(jié)速后加N組葉綠素a濃度都小于對(duì)照組，N的添加也未促進(jìn)藻類(lèi)的生長(zhǎng)。加富培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明了春季灌河口鄰近海域浮游植物的生長(zhǎng)主要受到P的限制，而不是N限制。

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