牡蠣對浮游植物群落下行控制作用的圍隔實驗研究

王兆慧 , 張光濤

(1. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院大學, 北京 100049; 3. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室, 山東 青島 266237)

因為強大的濾食能力, 牡蠣對浮游植物生物量有重要的下行控制[1], 甚至可以用作富營養化修復[2]。雖然通常認為牡蠣攝食選擇性較低, 能夠濾食細菌、浮游植物和碎屑等幾乎所有的顆粒有機物, 但是有研究表明它也能對浮游植物群落結構造成顯著影響[3]。由于目前研究還比較少, 還無法確定具體的影響和作用機制。在鹽沼河口區的觀測認為牡蠣優先利用自養微型藻類[3], 另外的研究則發現對小型浮游植物的影響最顯著[4]。

綜合所有濾食性貝類的研究結果, 攝食作用對浮游植物群落結構的直接影響主要與微藻體型有關。首先是大型或者鏈狀浮游植物無法直接被攝食,從而在群落中的優勢度逐漸提升。這一點在淡水生態系統最明顯, 入侵的貽貝會導致鏈狀藍藻水華[5]。桑溝灣的研究也發現, 扇貝養殖區鏈狀硅藻豐度明顯高于非養殖區[6]。第二是浮游植物群落的小型化,因為在相同的捕食壓力下小型種類的種群擴增更快。在瀉湖生態系統的長期變化過程中, 伴隨貝類生物量倍增, 浮游植物總豐度降低的同時小型浮游植物優勢度提升[2]。

另外, 牡蠣等濾食性貝類攝食對浮游植物群落的影響之所以因地而異, 還與環境特征和營養鹽對浮游植物群落的上行控制有關。攝食直接去除浮游植物, 但是代謝產生的營養鹽又會刺激浮游植物生長。本研究選擇硅氮營養水平較高的養殖池塘探究牡蠣攝食對浮游植物種群動態變化的影響。實驗環境中持續的磷酸鹽限制是決定浮游植物群落的根本因素, 假設牡蠣的營養鹽再生作用無法完全克服磷酸鹽限制, 那么通過養殖和非養殖圍隔的對比就可以揭示牡蠣攝食對浮游植物群落結構的直接影響。

1 材料與方法

1.1 實驗設計

現場圍隔實驗于2019 年4 月在即墨鰲山灣沿岸養殖池塘內進行。池塘水體營養鹽結構表現為明顯的磷酸鹽限制(N/P>100, Si/P>70)。圍隔采用透明聚乙烯材料, 為上層開口直筒型塑料袋, 上部以PVC塑料管為骨架, 周圍綁有浮球, 并用繩索將其固定在池塘水平面表面, 圍隔底面積為0.7 m × 0.7 m, 高1.2 m。 實驗用長牡蠣(Crassostrea gigas)取自臨近養殖海域。選取體長約6 cm 的長牡蠣為實驗對象, 刷去其表面附著物, 并在實驗前提前馴養72 h。長牡蠣的放養方式采用網兜掛養法, 網兜孔徑約0.5 cm, 懸掛于圍隔底部上層10 cm 處。實驗周期15 天, 實驗設4 個處理, 每個處理設3 個平行, 共12 個圍隔。各圍隔進水400 L, 并用200 μm 篩絹過濾一次, 每組分別放養長牡蠣0 只(C 組)、5 只(L 組)、10 只(M 組)、20 只(H 組)。實驗期間天氣狀況良好, 日間水溫從15℃到22℃逐漸升高。

1.2 樣品處理與分析

樣品的采集、處理和保存均按照國家標準《海洋調查規范》第 4 部分海水化學要素調查(GB/T12763.4-2007), 第 6 部分海洋生物調查(GB/T12763.6-2007)執行。取樣隔日進行, 每次量取300 mL 水樣, 現場用0.7 μm 的Whatman GF/F 玻璃纖維濾膜(使用前450℃灼燒4 h)抽濾后, 濾液用聚乙烯塑料瓶貯存, 用 QuAAtro-SFA(Bran+Luebbe GmbH Co., Germany)營養鹽自動分析儀測定五項營養鹽(包括PO4-P、NO3-N、NO2-N、NH4-N 和SiO3-Si)的含量; 濾膜用錫紙包裹, –20℃冷凍保存, 帶回實驗室用5 mL 體積分數為90%的丙酮溶液萃取24 h后, 用Turner7200 熒光計測定水體葉綠素的變化。量取500 mL 水樣, 并用15 mL 甲醛溶液固定, 放到樣品儲藏室儲存, 用以后期進行浮游植物的種類鑒定和計數。由于實驗樣品過多, 我們選取了部分樣品進行鑒定和計數, 每個處理組各選取一個圍隔。量取27 mL 的水樣到沉降杯內, 用倒置顯微鏡對樣品進行鑒定和計數。

1.3 數據分析

浮游植物群落的優勢種是由每個種群的優勢度值(Y)所決定的。優勢度的計算方法為Y=(ni/N)×fi, 其中ni為樣品中i 種群豐度, N 是樣品中所有種群豐度的總和, fi為該種在所有樣品中出現的頻率。當Y>0.05 時, 該種為優勢種。采用SPSS 22.0 進行單因素方差分析, 以P<0.05 為判斷統計顯著性的標準,確定各處理組間葉綠素水平的差異。采用Origin9.0軟件繪制各實驗指標變化趨勢圖。

圖1 營養鹽濃度和結構的時間變化Fig. 1 Temporal variation in nutrient concentration and structure

2 結果

2.1 營養鹽濃度和結構

由于浮游植物對硅的吸收利用, 各圍隔內硅酸鹽濃度逐漸降低, 且下降幅度與牡蠣放養密度呈正比關系。其中, 高牡蠣密度的H 組硅酸鹽濃度減小幅度最大, 最低降到0.82 μmol/L, 小于浮游植物吸收最低閾值(圖1a)。實驗期間, 磷酸鹽快速消耗且沒有明顯的組間差異。從實驗第三天開始, 各圍隔內磷酸鹽的絕對濃度就降到了0.1 μmol/L 以下, 此后一直處于磷限制狀態(圖1b)?？偀o機氮(DIN)濃度雖然也有降低的趨勢,但是幅度較小, 并且下降幅度隨牡蠣養殖密度升高而降低, 特別是在H 組中, DIN 不僅沒有被消耗, 反而有了一定的累積(圖1c)。與對照組相比, 3 個牡蠣養殖圍隔中, 其硅/氮比值呈現顯著下降的趨勢, 原因就在于牡蠣養殖增加了氮的累積和硅的消耗(圖1d)。

圖2 養殖試驗中不同處理下浮游植物的豐度和組成Fig. 2 Effect of treatment on cultured phytoplankton abundance and composition

2.2 浮游植物豐度的變化

對照組中, 浮游植物總豐度呈現前期波動, 實驗后期逐級升高的趨勢。從葉綠素濃度來看, 最終濃度為11.24 μg/L, 較實驗開始升高了28%。然而, 細胞豐度的增加更加明顯, 從開始的3.2×105個/L 升高到36.2×105個/L, 其中硅藻和甲藻豐度分別增加了11.3×105個/L和21.7×105個/L。牡蠣實驗組浮游植物總量下降速率與養殖密度呈正比, 其中高密度組在第3 天葉綠素濃度降低了80%, 且不同處理組間變化差異顯著(P<0.05),細胞豐度降低了74%。隨著時間推移, 不同牡蠣密度組間的浮游植物生物量差異逐級消失。以葉綠素濃度計, 第9 天后維持在0.27～0.68 μg/L 的極低水平上, 如圖2a—圖2b 所示。

通過對一組圍隔水體的浮游植物種類鏡檢, 共鑒定出浮游植物3 門30 屬, 其中甲藻門和硅藻門的種類占絕大多數, 占比96.7%。實驗初期, 圍隔內甲藻處于絕對優勢地位, 同時硅藻種類雖多但豐度占比只有0.5%。在對照組中, 甲藻持續增殖的同時硅藻在實驗第9 天開始呈指數式增長。牡蠣實驗組中細胞豐度的降低主要是由甲藻群落的衰退導致的,但是值得注意的是, 在此期間浮游植物細胞豐度卻表現出明顯的組間差異, 主要是甲藻豐度維持在較低水平的同時硅藻豐度出現增長, 并且在高牡蠣密度組增長最顯著, 如圖2c—圖2e 所示。

2.3 優勢種群

根據這3 種藻每天的實時豐度以及在每3 個平行圍隔間出現的頻率, 選取實驗第1 d、5 d、9 d、13 d四個時間節點, 優勢度指數Y大于0.5 的只有3 種, 分別是纖細原甲藻(Prorocentrum gracile)、扁壓原甲藻(Prorocentrum compressum)和新月柱鞘藻(Cylindrotheca closterium)(表1)。

表1 3 種浮游植物優勢種的時間變化特征Tab. 1 Temporal variation in three dominant phytoplankton species

水體初始環境中主要以纖細原甲藻和扁壓原甲藻為優勢種, 其中纖細原甲藻豐度最高,占浮游植物總豐度的 86%以上, 對照組中豐度最高時達到6.79×105個/L, 占據絕對優勢地位; 但在牡蠣組中,隨著時間的前進, 各圍隔內纖細原甲藻豐度迅速降低, 在第五天時被攝食殆盡, 如圖3 所示。同時在實驗的前5 天內, 隨著纖細原甲藻種群的衰退, 扁壓原甲藻迅速增殖, 成為水體內的主要優勢種, 其在各圍隔內的優勢度Y值皆達到了0.97 以上, 這種情形在未投放牡蠣的空白組中一直存在, 即使在實驗末期, 其Y值依然有0.77, 扁壓原甲藻在空白組中持續增殖, 其豐度最終達到了24.9×105個/L。但在投放牡蠣的圍隔內, 隨著纖細原甲藻被逐漸耗盡, 牡蠣選擇攝食扁壓原甲藻, 其在圍隔內的優勢地位逐漸降低。在投放牡蠣的圍隔內, 浮游植物群落結構的變化主要體現在甲藻的衰退以及硅藻的增值上, 增值的硅藻主要是新月柱鞘藻。隨著甲藻群落的衰敗, 新月柱鞘藻逐漸成為圍隔內新的優勢種, 在實驗末期, M組圍隔中優勢度Y值達到了0.96。這種優勢種的轉變, 與牡蠣的投放有關, 牡蠣培養密度越大, 新月柱鞘藻的優勢度增加越快。

3 討論

本研究中對照組和牡蠣組的浮游植物群落結構演替表現出截然不同的趨勢。對浮游植物群落豐度的測定結果顯示, 對照組中浮游植物持續增殖、葉綠素水平升高, 投放牡蠣的圍隔中浮游植物豐度、葉綠素水平迅速降低。這與我們的預期相符合, 許多研究也表明養殖貝類的下行控制作用可以影響甚至控制特定水域浮游植物的生長, 影響海區浮游植物生物量。Cloern 發現在有大量營養鹽輸入的淺水海灣, 即使出現富營養化, 浮游植物的生物量依舊很低, 而浮游動物的攝食壓力僅占很小的一部分, 高密度的貝類濾食壓力是出現這種情形的首要原因[1]。貽貝每日水體中懸浮顆粒物的去除率達總懸浮顆粒物的64%, 降低水體中懸浮顆粒物和葉綠素-a的濃度, 增強了生物沉積速率[7]。我們的圍隔實驗結果顯示, 牡蠣密度越高的圍隔, 其浮游植物總豐度和葉綠素-a水平越低, 說明牡蠣攝食作用是造成浮游植物低生物量的主要原因。

圖3 不同處理組浮游植物優勢種豐度的變化Fig. 3 Effect of treatment on the abundance of dominant cultured phytoplankton species

浮游植物是貝類的重要餌料, 是貝類生長的主要貢獻者, 貝類超負荷養殖勢必造成浮游植物群落結構的改變[8]。貝類的選擇性攝食可以導致生長速率快或貝類較難濾食的種類容易成為優勢種, 例如扇貝養殖對甲藻密度的控制作用[6], 同樣, 我們的數據顯示, 在投放牡蠣的圍隔中, 浮游植物種群的變化在時間序列上得以顯現, 浮游植物群落結構表現為由甲藻優勢向硅藻優勢轉變的趨勢明顯。

由于兩種原甲藻都是水華種[9], 無法判斷其優勢地位更替的原因。圍隔環境與原來環境相比最大的差別是隔絕了沉積物營養鹽的補充, 而從營養鹽濃度時間變化來看受影響最大的是磷酸鹽, 各圍隔內磷酸鹽含量在短短的一兩天內就降到了極低水平,而硅氮含量下降相對較慢。耐受性實驗表明, 赤潮藻的最大比生長速率隨著氮磷比的降低而降低[10], 所以推測是扁壓原甲藻競爭磷酸鹽的能力更強。在牡蠣實驗中, 這兩種甲藻豐度在實驗前期和中期都明顯受到牡蠣養殖密度的制約, 因此攝食作用對其種群規模起到了重要的控制作用。從營養鹽濃度看, 牡蠣組相比對照組只有硅酸鹽濃度是顯著降低的, 由此排除了營養鹽再生的影響, 支持攝食的控制作用。

從新月柱鞘藻的豐度比較來看, 牡蠣對它也有控制作用, 但是強度不及原甲藻。對照組中豐度高于牡蠣組, 如果再考慮到牡蠣對其他攝食硅藻的原生動物也有去除作用, 那么牡蠣對它的攝食壓力可能還要高于本研究的觀測值。但是, 與原甲藻結果不同,新月柱鞘藻的豐度并沒有表現出對牡蠣密度的依賴,反而是高密度組豐度最高, 說明牡蠣的攝食效率不及原甲藻。從營養鹽的結果來看, 牡蠣養殖密度越高,再生的氮含量越多, 較高的氮磷比更加支持新月柱鞘藻的生長[11]。

雖然硅甲藻轉變的趨勢在所有養殖牡蠣的圍隔內都有發生, 但不同處理組間的轉變程度顯著不同,養殖密度越大, 浮游植物群落結構受影響越劇烈。首先, 所有牡蠣組中葉綠素濃度都在3～5 天內就降到了較低水平, 但在高密度攝食壓力下, 浮游植物豐度降低更迅速。同時, 牡蠣生長代謝釋放大量的氨氮,養殖密度越高的圍隔具有更高的氮磷比和更低的硅氮比, H 組圍隔中在實驗第九天就出現了明顯的硅藻群落的爆發, 新月柱鞘藻豐度占比達61%, 要遠遠地高于L 組和M 組。因此, 牡蠣攝食能力和代謝能力的強弱, 造成了在不同養殖密度下, 浮游植物群落結構的變化出現顯著差異。

實驗結果支持攝食導致浮游植物小型化的觀點。在實驗后期新月柱鞘藻為主要的優勢種, 其粒徑要遠小于兩種原甲藻。這一點與桑溝灣的研究結果一致, 即濾食作用提高了微型硅藻的優勢度。雖然另外的研究觀察到相反的轉換趨勢, 但是硅/甲藻的轉換并不是直接攝食, 而是誘發營養鹽(硅)限制的結果[12-13]。在非選擇性攝食壓力下, 養殖貝類以同等的速度去除所有物種, 小型浮游植物具有較高的比生長速率[14]。較大攝食壓力下更有利于小型硅藻的生長, 粒徑大、周轉周期長的甲藻數量逐漸減少, 而粒徑小、周轉周期短的硅藻成為優勢。這種現象可能與小型浮游植物有更強的環境適應力有關。有研究表明, 小型浮游植物可以從貝類代謝、生物沉積等作用改變海灣營養物質循環中獲益[15], 首先, 再生氮主要以氨[16]的形式存在, 通過生理活動或碎屑分解直接釋放, 在模型研究中, 小型藻類在氨控制系統中通常具有最高的比生長速率[17]。其次, Si︰N 比值的降低可以促進甲藻的生長, 或者使鏈狀中心硅藻生長到一些非常小的形態[18]。

在小型硅藻中, 中肋骨條藻和丹麥細柱藻都有形成赤潮的報道[18], 在貝類養殖海域也是常見的優勢種。厘清其種群規模與貝類攝食的關系, 對于合理養殖和環境保護有重要的意義。

4 結論

本文通過圍隔生態實驗方法, 探究在不同攝食壓力下, 養殖水體內浮游植物群落結構的變化, 主要結論如下:

牡蠣攝食作用調節浮游植物群落結構, 降低浮游植物生物量和葉綠素水平, 牡蠣培養密度越大,對浮游植物的攝食壓力越大; 投放牡蠣的圍隔內,浮游植物群落結構由甲藻優勢向硅藻占優勢轉變,牡蠣攝食沒有硅藻特異性, 有效去除甲藻, 提升硅/甲藻比, 浮游植物群落粒徑變化呈小型化的趨勢。