廣利港夏季硅藻多樣性指數與氮、磷營養鹽組成的關系*

王忠全，程 玲，孫春曉，喬洪金，李 斌

(山東省海洋資源與環境研究院，山東省海洋生態修復重點實驗室，山東煙臺 264006)

0 引言

多樣性指數、豐富度指數等參數主要反映生物群落內的種類數和種間數量分配，可用于表征浮游植物群落的結構特征[1]，其中，最有效的參數是生物多樣性指數(H′)，常用于分析海域生物群落的穩定程度及其隨時間的演替，多樣性指數越高的海域生態系統越趨于穩定[2-4]。廣利港是渤海海域一處重要的港口，受廣利河等入海河流的影響，近年來富營養化程度較高。硅藻是海洋中最主要的浮游植物類群，其光合產量占海洋初級生產力的20%以上[5]。硅藻種類繁多，細胞粒徑跨度大，可以從幾微米到幾百微米[6]。由于細胞體積和代謝特征的差異，不同種類的硅藻對海洋環境(溫度、鹽度、營養鹽組成)的適應性不同，其中，營養鹽濃度和組成是影響硅藻群落特征的重要因素[7]。浮游植物的營養元素主要為N、P，即硝態氮、氨氮和磷酸鹽[8-10]。營養鹽的組成和濃度決定藻類細胞的生長速率，因而直接影響浮游植物的物種豐度。N/P也是影響浮游植物組成的重要因素[11,12]，一般根據Redfield比值(N/P=16)判斷海域是否存在N限制或P限制[13]，從而建立浮游植物群落演替與N/P的關系。有研究報道，在氮磷濃度都比較低的情況下，N/P的下降有利于小粒徑硅藻細胞的生長[14,15]。硅藻種類繁多，不同海域硅藻種類組成差別較大，但是在營養鹽豐富的近岸和河口海域，氮磷濃度的變化對硅藻群落組成影響的研究較少。因此，本文基于2016年夏季廣利港38個站位的水質和浮游植物種類的調查數據，分析夏季廣利港營養鹽濃度與硅藻多樣性指數H′的關系，擬為廣利港富營養化治理和海洋生態環境保護提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣海域及采樣方法

于2016年8月至9月在東營廣利港的38個站位(15個斷面)進行調查，各斷面與取樣站位的對應關系見表1。由于近河口區域受河流影響變動劇烈，因此距離河口近的每個站位都作為一個斷面，而遠離河口的區域按照距離河口的遠近每3-5個站位為一個斷面，每個斷面均近似平行于海岸線，經緯度為118°57′30.52″-119°15′48.16″E，37°19′2.08″-37°27′16.47″N (圖1)。

?站位Station

表1 不同斷面對應的站位

使用采水器在各個站位采樣(采樣深度0.5 m)，水樣用魯哥氏液當場固定，每升水樣加入10-15 mL魯哥氏液。使用相同的方式采集水樣進行營養鹽測定。

1.2 計數及測定方法

將水樣搖勻，取100 mL置于250 mL分液漏斗中，沉淀24 h 以上，去除上清液，濃縮至一定體積，在光學顯微鏡 (CX-21，奧林巴斯)10×40 鏡頭下采用視野法進行計數[16]、鑒定，每個樣品計數2次，取其平均值。

樣品采集帶回實驗室后，立即開始營養鹽的測定。硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽、活性磷酸鹽分別用鋅鎘還原比色法、奈乙二胺分光光度法、次溴酸鹽氧化法和磷鉬藍分光光度法測定。每個樣品做3個平行樣，每20個樣品做1個內控。樣品分析均按照《海洋調查規范》(GB/T 12763.4-2007)進行[17]。

1.3 數據處理

硅藻的豐度用下列公式計算：

式中，N為硅藻的物種豐度(個/m3)，C為蓋玻片面積(mm2)，Fs為每個視野面積(mm2)，Fn為計數視野數，V為1 m3水樣沉淀濃縮體積(mL)，U為計數體積(mL)，Pn為計數視野中每種藻的總個數。

H′采用 Shannon-Weaver公式計算：

式中，H′為種類多樣性指數，S為樣品中的種類總數，P為第i種的個體數即豐度(ni)或生物量(wi)與總個體數即總豐度(N)或總生物量(W)的比值。

采用Origin 2017軟件進行線性擬合，并根據Pearson相關系數衡量相關性，顯著性差異設定為P<0.05，極顯著差異設定為P<0.01。

2 結果與分析

2.1 硅藻的種類組成和多樣性指數H′

本次調查共鑒定出硅藻19種(部分鑒定到屬)，各站位累計豐度最高的3種硅藻分別為尖刺偽菱形藻(Pseudo-nitzschiapungens)、圓篩藻屬(Coscinodiscussp.)、大洋角管藻(Cerataulinapelagica)，其中圓篩屬藻在各個站位都有發現且豐度較高，最高可達4.27×106個/m3(ST17站位)。短角彎角藻(Eucampiazodiacus)、圓柱角毛藻(Chaetocerosteres)、中肋骨條藻(Skeletonemacostatum)和薄壁幾內亞藻(Guinardiaflaccida)只在部分站位有發現且豐度較低，其中薄壁幾內亞藻在ST39站位的豐度僅為1 900個/m3。

近岸站位Hh15、ST01-ST06優勢藻種主要有圓篩藻屬、旋鏈角毛藻(Chaetoceroscurvisetus)和尖刺偽菱形藻，斷面8 (ST07-ST11站位)優勢藻種為勞氏角毛藻(Chaetoceroslorenzianus)、角毛藻屬和尖刺偽菱形藻，斷面9 (ST12-ST14站位)、斷面10 (ST17，ST20-ST21站位)、斷面11 (ST23-ST26站位)優勢藻種均為尖刺偽菱形藻、圓篩藻屬和大洋角管藻，斷面12 (ST27-ST31站位)優勢藻種為尖刺偽菱形藻、圓篩藻屬、旋鏈角毛藻，斷面13 (ST32-ST36站位)、斷面14 (ST37-ST39站位)優勢藻種均為尖刺偽菱形藻、圓篩藻屬和角毛藻屬(Chaetocerossp.)，斷面15 (ST40-ST42站位)尖刺偽菱形藻、圓篩藻屬和旋鏈角毛藻。

將各斷面站位對應的H′作散點圖(圖2)。H′在近岸的Hh15、ST03和ST04站位為0.95-1.62，在近岸的ST01、ST02、ST05、ST06站位為1.69-1.90， 而在離岸更遠的站位，H′的波動范圍變大， 其值為0.87-2.28。H′隨著離岸距離的遠近沒有確定的變化趨勢，這可能與夏季河流淡水輸入造成的擾動有關。

圖2 不同斷面站位的多樣性指數

2.2 營養鹽的空間變化

如圖3a所示，N營養鹽濃度在近岸的Hh15、ST01、ST04 站位最高，分別為3.2，3.3和3.9 mg/L，但是在另外兩個近岸站位(ST02和ST03)急劇降低，分別只有0.62，0.76 mg/L。隨著離岸距離增大，N濃度水平相對下降，為0.14-1 mg/L，僅斷面8的2個站位超過2 mg/L，各斷面(斷面3，4，6-15)間N濃度沒有顯著差別。

如圖3b所示，P營養鹽濃度在各站位的變化趨勢與N濃度表現出相似的趨勢，也是在Hh15、ST01、ST04站位最高，達到0.06-0.07 mg/L，而在ST02站位只有0.007 mg/L。在其他斷面，P濃度在0.003-0.04 mg/L間波動。

如圖3c所示，N/P為16.81-433.23，其中29個站位超過100。N/P在近岸ST03站位為16.81，與Redfield比值(16)相當;斷面1至斷面7的N/P穩定在110左右;在斷面8及離岸更遠斷面的很多站位，N/P都顯著增加，甚至超過400 (ST13、ST33站位)，與Redfield比值相差近30倍。

圖3 不同斷面站位的氮濃度、磷濃度和氮磷比

2.3 營養鹽與H′的相關性

將所有站位的N濃度、P濃度和N/P分別與其對應的H′進行線性擬合(圖4)，N濃度和P濃度與H′無明顯相關關系；隨著N/P的增加，H′呈下降趨勢，H′與N/P之間的相關系數R=-0.43 (n=45，P<0.01)，呈中等程度的負相關關系。

圖4 多樣性指數與N/P的關系

3 討論

此次調查海域廣利港位于廣利河和淄脈河的出海口，屬于近岸河口區。由于河水帶來大量的營養物質，N、P的濃度較高，處于富營養狀態。但是在離岸較遠的多數站位，N、P濃度顯著下降，尤其是P的濃度下降更明顯，低于一般近海海灣[18]。除少數站位外，N/P都超過100，有數個站位甚至達到400，遠大于Redfield比值(16)，因此認為離岸海域處于P限制的環境，這與Moon等[19]的報道一致。

浮游植物對磷酸鹽的吸收存在種間差異，洪華生等[20]通過分析鈣質角毛藻、三角褐指藻和亞心形扁藻對32P的吸收實驗，表明藻類對磷酸鹽的吸收動力學參數因種類而異。Suttle等[18]應用半連續培養研究天然湖泊中浮游植物種類組成對N/P的響應，結果發現，聚球藻屬(Synechococcussp.)在高N/P時(45∶1)是優勢種，而在低N/P(5∶1)時，硅藻類中的菱形藻(Nitzschia)和針桿藻(Synedra)為優勢種。此次調查站位多為高N/P，圓篩藻屬在各站位中都有較高的豐度，說明這類藻適合較高的營養鹽N/P。

除不同藻類細胞的特性外，藻類細胞大小也會影響對營養鹽的吸收。Litchman等[21]研究硅藻細胞大小與營養鹽關系，發現持續的N或P限制均有利于小粒徑硅藻生長。另有研究發現，N/P下降有利于小粒徑硅藻細胞的生長[14,15]。曲克明等[22]專門研究硅藻的組成，認為N/P及其比例對浮游硅藻的組成可能有著明顯的影響，氮磷濃度越高，N/P離Redfiled越遠，浮游植物種類越少，Shannon指數越低，這與本次調查的結果一致，即N/P遠離Redfield比值的站位H′也顯著下降。

4 結論

在本次的調查中，隨著離岸距離的增加，N和P濃度均呈現降低的趨勢，且N/P也隨之下降;同時，離岸斷面的N/P遠離Redfield比值，且這些斷面硅藻多樣性指數H′也顯著下降，表明東營廣利港海域夏季營養鹽結構變化可能對硅藻的組成造成重要影響[22]。