東海原甲藻與中肋骨條藻的種間競爭數值模擬

孫 科, 丘仲鋒, 何宜軍, 尹寶樹

(1. 中國科學院 海洋研究所 海洋環流與波動重點實驗室, 青島 266071; 2. 中國科學院大學, 北京 100049; 3. 南京信息工程大學 海洋學院, 南京 210044)

東海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)與中肋骨條藻(Skeletonemacostatum)是我國東海兩種常見的赤潮藻種。因兩者生態位的不同, 由其所引發的赤潮通常出現在不同時間。中肋骨條藻赤潮多發生于早春, 東海原甲藻赤潮發生于4月初到5月間[1]。赤潮優勢種的演替是多因素(如溫度、鹽度、光照、營養鹽、他感作用等)共同作用的復雜過程, 且對其發生原因與控制機制等方面的了解仍處于探索階段。在以往的研究中, 針對這種演替現象已經做了大量的現場調查與室內實驗, 如張傳松[2]通過對2002—2007年長江口及其鄰近海域調查數據的分析, 得到了赤潮優勢種與各環境因子之間的關系; 王宗靈等[3]通過半連續培養實驗研究了溫度和營養鹽對中肋骨條藻與東海原甲藻種間競爭的影響。除生物實驗外, 模型也常被應用于這兩種藻的競爭研究中, 但所使用的模型多為Lotka-Voltetta模型[4- 5], 只能估計最終競爭結果, 難以體現競爭過程中藻的生長與營養鹽吸收。已有學者利用動態數值模型來研究藻類的競爭關系, 如Chapelle等[6]利用校正后的Alexandriumminutum與Heterocapsatriquetra單種生長模型, 成功地模擬了兩者在共培養條件下的生長。在此思路基礎上, 本文根據東海原甲藻與中肋骨條藻的生長特性建立了兩個箱式模型, 分別用于模擬兩種藻在單種培養條件下的生長情況, 并通過結合兩個模型模擬了兩種藻的共培養實驗, 初步探討了該模型在東海原甲藻與中肋骨條藻競爭研究中的應用。

1 模型簡介與參數

1.1 模型簡介

為了能夠以生物機制為基礎來描述浮游植物生物過程, Baklouti等[7- 8]綜述了浮游植物生物關鍵過程的先進模擬方法, 包含了對光合作用、呼吸作用、營養鹽吸收等生物過程機制的深入理解, 最終提出了一組包含多營養、多物種的浮游植物模型, 即Eco3M。

本文所采用的兩個單藻種模型均改編自模型Eco3M的浮游植物和營養鹽部分, 分別包括了東海原甲藻與中肋骨條藻的光合作用、營養鹽吸收、呼吸作用、葉綠素合成等過程。模型中光照對藻類生長的影響采用Han[9]的機理模型來描述, 并使用Droop[10]的公式來體現營養鹽限制對生長的影響。此外, 原Eco3M模型針對可能存在的多營養共限制給出了幾種可選公式, 本文選用了利比希法則。模型中考慮的營養鹽包括硝酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽(僅中肋骨條藻單種實驗與共培養實驗)。營養鹽的吸收速率與外部營養鹽濃度和細胞內營養鹽狀態都密切相關, 本模型對前者用米氏方程來描述, 對后者用Lehman等[11]的公式表示。呼吸作用表示為每一生物過程的單位呼吸消耗率與發生速率乘積的總和。葉綠素合成的表達式選用Geider等[12]和Flynn等[13]公式的組合。由于實驗在滅菌海水中進行, 本文模型中未考慮營養鹽的再循環過程。共培養模型為兩個單藻種模型的組合, 假設兩藻種共同利用同一營養鹽來源維持各自生長, 未加入其它相互作用過程。參數校正與模型驗證部分所使用的實驗數據均取自于李慧[14], 實驗培養溫度為(20±1) ℃, 光照度為4000 lx, 光暗比為12 h∶12 h, 模型的設置與實驗條件相同。四階龍格-庫塔算法被用于求解微分方程, 為足夠精確地估計狀態變量, 進行了不同積分步長的預實驗, 確定步長為60 s。

1.2 參數選取與校正

模型參數多取自東海原甲藻和中肋骨條藻相關的研究文獻, 其它參數設置為Eco3M中參數取值范圍的中間值。由敏感性分析可知[8], 生物量主要受光合作用參數與營養鹽配額參數的影響, 本文對這些敏感性參數進行了校正。由于兩種藻具有不同的光飽和點, 且Baklouti等[7]指出這種光適應可以通過調節σ和τ來體現(表1,表2), 根據預實驗的結果, 本文僅對光合作用參數中的τ進行校正。因其它直接決定光合作用及營養鹽吸收速率的參數未經過校正, 本文加入了參數B來緩沖由此造成的誤差。由于實驗結果中未體現硅酸鹽的利用, 且硅酸鹽不是限制性因子, 故本文僅對營養鹽配額參數中N、P相關參數(QminN,QmaxN,QminP,QmaxP)進行校正。

本文使用不同接種密度下的東海原甲藻單種培養實驗數據對其單種模型參數進行校正[14], 實驗采用f/2培養液, 初始接種密度分別為(0.3, 0.5, 1.0, 1.5, 2.25)×104個/mL。在對中肋骨條藻單種模型參數的校正中[14], 實驗仍采用f/2培養液, 初始密度分別為(0.225, 0.45, 0.75, 1.5, 2.25)×104個/mL。模擬結果表明, 模擬的細胞數和營養鹽變化趨勢與實驗結果基本一致(圖1,圖2), 較好地體現了細胞生長與營養鹽消耗的大體趨勢。模型參數的最終取值如表1—表3所示。

圖1 不同接種密度下東海原甲藻單種培養實驗結果與模擬結果比較

圖2 不同接種密度下中肋骨條藻單種培養實驗結果與模擬結果比較

表1 東海原甲藻參數值

表2 中肋骨條藻參數值

表3 共用參數值

2 模型驗證

完成模型參數的選取與校正后, 本文進行了三組不同的數值模擬, 分別為東海原甲藻在不同N/P條件下單種培養、中肋骨條藻在不同N/P條件下單種培養、東海原甲藻與中肋骨條藻混合培養, 采用相應的實驗室結果對模擬結果進行驗證, 為與實驗室數據保持一致, 藻細胞密度表示為log10(密度)。

2.1 不同N/P對東海原甲藻生長的影響

在本部分數值模擬中, 培養液按3種方式進行營養鹽加富: ①f/2水平, 880 μmol/L NO3-N和32 μmol/L PO4-P; ②N/P=40水平, 530 μmol/L NO3-N和13 μmol/L PO4-P; ③N/P=120水平, 450 μmol/L NO3-N和3.7 μmol/L PO4-P。東海原甲藻的接種密度為1.0×104個/mL, 實驗進行10 d, 結果如圖3所示。

從圖中可以看出, 隨著細胞數的增長, NO3與PO4的消耗量不斷增加。3種營養鹽加富條件下藻細胞數均呈現出較一致的變化趨勢, 即隨著培養時間延長, 細胞密度不斷增加, 其中①②條件下的最終密度高于③(圖3)；PO4的消耗與細胞數變化大體一致, 即①②的PO4消耗量明顯大于③(圖3)；而NO3的結果較為不同, ②③的NO3消耗量相差不大, 且遠小于①(圖3)。模擬結果與實驗結果吻合較好, 且變化趨勢也較為一致, 表明東海原甲藻單種模型可以較好地重現該藻在不同N/P條件下的生長及對營養鹽的利用情況。

圖3 不同N/P條件下東海原甲藻單種培養實驗結果與模擬結果比較

2.2 不同N/P對中肋骨條藻生長的影響

與東海原甲藻單種模型的驗證類似, 對于中肋骨條藻同樣使用不同N/P條件下的單種培養實驗進行驗證。N/P實驗設置與2.1中所述相同, 中肋骨條藻的接種密度為1.5×104個/mL。實驗進行10d, 結果如圖4所示。

從圖中可以看出, NO3與PO4的消耗量隨著細胞數的上升而增加, 且在NO3還有大量剩余的情況下, PO4均已耗盡。細胞數在3種營養鹽加富條件下均呈現較一致的變化趨勢, 最終密度差別不大, 由高到低依次為①>②>③(圖4); 營養鹽的消耗量與細胞數變化趨勢大體一致, 但不同營養鹽條件下的消耗量存在明顯的差異, 最終消耗量由高到低依次為①>②>③(圖4)。模擬結果與實驗值吻合較好, 變化趨勢也較為一致, 特別是對PO4消耗量的模擬, 表明中肋骨條藻單種模型可以較好地重現該藻在不同N/P條件下的生長以及對營養鹽的利用情況。

2.3 東海原甲藻與中肋骨條藻混合培養實驗

共培養實驗中, 根據東海原甲藻與中肋骨條藻初始接種比例的不同共設置7個實驗組, 為與單種培養實驗結果對比, 初始接種比例為兩種藻在單種培養實驗中不同接種密度的排列組合, 具體初始密度如表4所示, 實驗采用f/2培養液, 進行10d, 細胞生長、NO3消耗、PO4消耗結果分別如圖5—圖7所示。

圖5中實驗結果顯示, 共培養條件下中肋骨條藻的生長曲線與其在單種培養實驗中非常相似; 東海原甲藻的生長曲線前段與其在單種培養實驗中非常接近, 但分別在第4 天或第6 天出現了細胞數的迅速衰減, 這在其單種培養實驗中并沒有出現; 比較共培養實驗中兩藻種的生長曲線發現, 無論在何種初始細胞接種比例下, 中肋骨條藻的最終密度均會超過東海原甲藻, 即中肋骨條藻會在兩藻種競爭中占優勢。模擬結果中, 共培養條件下中肋骨條藻生長曲線與其在單種培養條件下差別不大, 且生長曲線與實驗結果吻合較好; 而共培養條件下東海原甲藻生長曲線前段與其在單種培養條件下生長曲線差別不大, 但在圖5所示的第5 天或第6 天出現了較為明顯的偏離, 并未能體現實驗結果中細胞數迅速衰減這一特征; 無論在何種初始細胞接種比例下, 模擬的中肋骨條藻最終密度均超過了東海原甲藻, 這與實驗結果是一致的。

圖4 不同N/P條件下中肋骨條藻單種培養實驗結果與模擬結果比較

表4 共培養實驗中東海原甲藻與中肋骨條藻的初始藻細胞密度

圖6中實驗結果顯示, 共培養實驗組A中NO3的變化曲線與中肋骨條藻單種培養條件下非常相近, 但東海原甲藻單種培養條件下的NO3消耗較低, 說明實驗組A中的NO3減少主要由中肋骨條藻消耗引起; 其它各實驗組中肋骨條藻單種培養條件下的NO3消耗量均高于東海原甲藻, 但后者的消耗量對總消耗量仍具有一定的貢獻, 且這種貢獻隨著東海原甲藻初始接種比例的增加而增大, 由此可見共培養條件下NO3的減少是由兩種藻共同消耗造成的。模擬結果中, 共培養各實驗組的NO3消耗量均略高于實驗結果, 雖然兩種藻在其單種培養條件下模擬結果與其實驗結果之間存在一定誤差, 但仍然體現出東海原甲藻對總NO3消耗量貢獻隨著東海原甲藻初始接種比例增加而增大的特征。

圖7中實驗結果顯示, 共培養各實驗組的PO4均在第4—6 天被消耗盡, 且PO4的變化曲線與中肋骨條藻在單種培養條件下非常接近, 而與東海原甲藻在單種培養條件下的PO4變化曲線差別較大, 說明PO4主要被中肋骨條藻所消耗。模擬結果中, 除實驗組G中PO4比實驗結果提前1d被消耗盡外, 共培養各實驗組中PO4的消耗情況均與實驗結果較為一致; 實驗組A—D中, 模擬的共培養PO4變化曲線與在中肋骨條藻單種培養條件下較為接近, 體現了PO4主要被中肋骨條藻所消耗的特征, 但實驗組E—G的模擬結果顯示PO4的減少是中肋骨條藻與東海原甲藻共同消耗的結果, 這可能是由于模擬的單種培養條件下中肋骨條藻PO4消耗較實驗結果偏慢(圖2C)而東海原甲藻偏快(圖1C)導致的。由上述驗證結果可見, 模型能夠較好地重現共培養實驗中東海原甲藻與中肋骨條藻的競爭結果及對營養鹽的競爭利用關系。

圖5 不同接種比例共培養實驗結果與模擬結果比較(生長曲線)

圖6 不同接種比例共培養實驗結果與模擬結果比較(NO3消耗曲線)

圖7 不同接種比例共培養實驗結果與模擬結果比較 (PO4消耗曲線)

3 討論

3.1 營養鹽對生長的影響

在單種培養和共培養實驗條件下, 對PO4的模擬結果均優于對NO3的模擬。其原因一方面由于模型的最初目的是用于解釋長江口的赤潮現象, 而長江口一直被認為是P限制的[15- 17], 故此前的模擬重點放在對P營養的模擬上; 另一方面, 相對于P營養, N營養的生物化學過程較為復雜。

赤潮優勢種的演替是由多因素(如溫度、鹽度、光照、營養鹽、他感作用等)共同作用的復雜過程, 由于東海水體富營養化程度日趨嚴重, 營養鹽及其結構常被認為是影響演替的一個重要因素, 因此本文的共培養模型主要研究兩種藻對營養鹽的競爭過程及其結果。模擬結果顯示, 兩種藻的競爭結果并不依賴于初始接種密度比例, 中肋骨條藻是完全的優勢種, 這與實驗結果是一致的。中肋骨條藻的這種競爭優勢主要是由于其對營養鹽的利用方式以及較高的生長率[18], 這在模擬結果中也得到了充分的體現, 如圖7中PO4的消耗主要源于中肋骨條藻的吸收, 且圖5顯示中肋骨條藻的生長率明顯高于東海原甲藻。本文的實驗條件中營養鹽相對充足, 但有研究表明在營養鹽相對匱乏的條件下東海原甲藻往往會在與中肋骨條藻的競爭中取得優勢[1,3,19], 因此在營養鹽貧乏條件下的模擬結果還需要實驗來進一步驗證。

3.2 種間相互作用

共培養各實驗組中東海原甲藻分別在第4 天或第6天出現了在單種培養實驗中未出現的細胞數迅速衰減現象, 李慧[14]將其解釋為中肋骨條藻對東海原甲藻產生的黏性共沉降。王江濤等[20]的實驗結果表明, 中肋骨條藻過濾液對東海原甲藻的生長沒有明顯影響; 而Yamasaki等[21]證明, 中肋骨條藻過濾液對東海原甲藻具有抑制作用, 但抑制物與促進物是同時存在的; 趙衛紅與陳玫玫[22, 23]的實驗結果則表明, 中肋骨條藻與東海原甲藻的過濾液會促進彼此生長。可見, 對于兩藻種之間的他感作用尚無定論。此外, Jeong等[24]指出東海原甲藻能夠攝食粒徑小于(12.1±2.5) μm的微藻, 且其生長快于同等條件下僅依靠光照的生長, 而隨后Yoo等[25]證明東海原甲藻能夠捕食中肋骨條藻。模擬結果并未捕捉到東海原甲藻細胞數迅速衰減這一現象, 主要由于本文的共培養模型僅為兩個單藻種模型結合, 未考慮兩藻種之間的他感作用, 只能夠體現兩者對營養鹽的競爭。即使如此, 在圖5中, 模擬的共培養條件下東海原甲藻生長曲線分別在第5 天或第6天明顯偏離于其在單種培養條件下的生長曲線, 說明營養鹽競爭在東海原甲藻細胞迅速衰減這一現象中也起到一定的作用。因此, 在種間競爭模擬中考慮更多的營養形態(如可溶解有機物), 他感作用與捕食關系將是此后工作的研究方向。

4 結論與展望

本文通過對兩個單種模型的校正與驗證, 初步探討了模型在東海原甲藻與中肋骨條藻競爭中的應用。結果表明, 校正后的模型能夠較好地模擬兩種藻在不同N/P情況下單種培養的生長情況, 并能體現出營養鹽消耗的大體趨勢; 共培養模型雖然不能模擬除營養鹽競爭以外的相互作用, 但模擬結果已經能夠明顯地體現出兩種藻的競爭結果以及對營養鹽的競爭利用關系。本文所使用的模型在校正與驗證中所提到的實驗藻種均取自東海或直接取自長江口赤潮高發區, 因此該箱式模型與生態系統模型結合后, 可用于東海赤潮藻競爭與演替的研究。

致謝： 本文得到了中國科學院海洋研究所申輝老師等的協助, 特此致謝。

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