潿洲島海域球形棕囊藻藻華過程中營養鹽及浮游植物群落組成分析

蘇芯瑩,陳波,牙韓爭,朱冬琳,張榮燦,覃仙玲

(廣西近海海洋環境科學重點實驗室,廣西科學院,南寧530007)

球形棕囊藻(Phaeocystis globosa)是近年來我國沿岸海域常見的藻華原因種，適溫適鹽范圍廣，在全球海域均有廣泛分布[1]。球形棕囊藻存在群體與游離單細胞互相交替的異形生活史[2]。在發生藻華時，球形棕囊藻細胞以形成球狀囊體為主。球形棕囊藻的生長及囊體的形成受到環境因素(營養鹽，溫度、鹽度、光照等)的影響[3–6]，浮游生物群落組成也可以影響棕囊藻的生長和囊體形成[7–10]。棕囊藻藻華的發生不僅會嚴重危害水體生態，其產生的溶血毒素及細胞毒素會導致魚類等水產經濟動物死亡，造成嚴重的經濟損失，還會產生二甲基硫化物等有毒有害物質，嚴重危害沿岸海洋環境。此外,球形棕囊藻形成的巨大囊體可堵塞沿海核電廠冷卻水過濾系統，從而對核電廠的安全運行構成威脅[7,11]。因此棕囊藻囊體的形成與調控機制，以及藻華暴發的原因是近年來的重要研究方向之一[2]。

自2010年以來，廣西北部灣海域連續10 a 都發生以球形棕囊藻為主的藻華[12–13]。從報道中可見，球形棕囊藻藻華發生的范圍幾乎遍布整個灣區，對北部灣海域生態環境的影響不可輕視，嚴重時發生囊體堵塞防城港核電站冷卻水水源口，造成嚴重的生態安全隱患事件[11]，因此，研究和治理球形棕囊藻藻華也得到了相關部門的重視和大力支持。目前針對該區域球形棕囊藻藻華的研究包括藻華種的鑒定[14–15]、治理[16–17]及影響藻華生消影響因素等的探索[18–22]。關于營養鹽調控的研究中，研究表明球形棕囊藻的生消過程與氮磷營養鹽密切相關[22–24]。有學者提出在北部灣海域水體中溶解無機氮的增加是造成藻華多發的重要因素之一，而水體中溶解無機磷的缺乏，是藻華消亡的關鍵限制因素[23–25]。但是這些研究主要集中于中大尺度的走航調查和實驗室室內的培養研究。而具有針對性的小尺度區域研究至今仍舊未見相關研究報道。北部灣三面環海，海岸線較長，不同區域營養鹽含量存在差異[26]，球形棕囊藻藻華生消過程的影響因素是否一致仍不清楚，因此提高研究區域精度可為區域化針對性治理球形棕囊藻藻華提供重要的基礎依據。

在北部灣海域“盛行”球形棕囊藻藻華期間，潿洲島也未能幸免。潿洲島位于北部灣海域，距離北海市約有50 km，與雷州半島直線距離約260 km,島總面積24.74 km2，年均氣溫23 ℃[27]，是我國最年輕的火山島，島周遍布珊瑚礁，怡人的氣候和獨特的風景成為廣西壯族自治區重要的旅游景點。但是遠離大陸的潿洲島海域卻也是廣西沿海赤潮發生的高發區之一[28–29]，為了進一步了解球形棕囊藻藻華過程在遠岸區域及小尺度范圍所受的影響因素，浮游植物群落組成對藻華過程是否存在一定關聯性，本文將根據2017年3月下旬，潿洲島周邊海域發生的球形棕囊藻藻華事件，對其過程中浮游植物種群組成和溫度、鹽度、營養鹽等理化因素進行分析研究，探討球形棕囊藻藻華過程中，浮游植物的營養狀況及該藻華對浮游植物群落結構的影響,為預防及治理該類藻華補充小尺度數據。

1 材料和方法

1.1 站點的設置

本次調查于2017年3月23日展開，根據此次球形棕囊藻藻華發生的范圍和分布特征，共設置13個站點(圖1)。現場水樣的溫度、鹽度、溶解氧(DO)和pH 等使用AAQ-RINKO 直讀式多項目水質分析儀測定(JFE，日本)。

圖1 潿洲島海域調查站點分布圖Fig.1 Maps showing sampling stations in the sea area near Weizhou Island

1.2 樣品的采集及處理

水樣只采集表層海水，適量體積的水樣采集后立即用0.45μm 孔徑的醋酸纖維濾膜過濾，并保存于500 mL 聚乙烯瓶中用于測定營養鹽。取1 000 mL水樣過濾于GF/F 膜上，用90%丙酮在4 ℃黑暗下提取24 h 后由熒光分光光度計測定葉綠素a (Chl a)含量。各項營養鹽[NO3–、NO2–、NH4+、溶解無機磷(dissolved inorganic phosphate,DIP)和硅酸鹽(silicate,SiO32–)]檢測均按照國家《海洋監測規范》(GB 17378.3—2007)進行,其中溶解無機氮(dissolved inorganic nitrogen,DIN)=NO3–+NO2–+NH4+，溶解有機磷(dissolved organic phosphorus,DOP)=總溶解磷(total dissolved phosphorus,TDP)-DIP。

取1 000 mL 水樣用魯哥試劑固定于聚乙烯瓶中,用于檢測浮游植物的種類組成和密度。其中,球形棕囊藻的細胞密度為水樣中游離單細胞密度和囊體及囊體碎片上細胞密度的總和。

球形棕囊藻囊體密度檢測方法為現場肉眼觀察計數，取適量海水根據密度采取濃縮或者不濃縮處理，將一定體積水樣倒在白色瓷盤中，在燈光下進行囊體計數。用浮游植物優勢度(y)計算群落種類中的優勢種[30]，采用Shannon-Wiener 指數(H′)描述群落種類多樣性。

優勢度y=Pi×fi,式中:Pi為第i個物種個數占總數的比例，fi為第i種在各樣點中出現的頻率；當y>0.02 時定義為優勢種。

1.3 數據處理和分析

文中通過冗余分析(RDA)環境因子對球形棕囊藻藻華特征及浮游植物群落組成及分布的影響，由R 語言vegan 包完成。通過統計學軟件SPSS 19.0 分析檢驗環境因子與球形棕囊藻藻華特征及浮游植物群落組成的相關性。

2 結果和分析

2.1 環境因子分布特征及營養鹽狀況

表1和圖2為環境因子的分布特征。調查區域的溫度平均為(22.5±0.5) ℃,島西南和東北兩側較高，在南灣東部溫度較低(圖2: A)。鹽度平均為32.6±0.2，呈現西北向東南遞增的分布趨勢(圖2:B)。pH 與溶解氧(DO)平均值分別為(8.26±0.10)和(10.92±0.36) mg/L (表1)。

表1 調查海域的環境理化因子Table 1 Environmental physical and chemical factors in the study area

采樣期間DIN 平均為(4.62±2.28)μmol/L，南灣附近含量相對較高，由南灣向周邊遞減(圖2: E)。DIP 含量平均為(0.44±0.24)μmol/L，最大值出現在南灣西側(圖2: F)。硅酸鹽(SiO32–)平均為(5.80±1.74)μmol/L，離岸越近，含量越高(圖2: G)。DOP平均為(0.49±0.20)μmol/L，在調查海域西北側及南灣偏東側相對較高(圖2: H)。DIN/DIP 整體較低(表2),平均為13.03±8.74，調查區域多個站點小于10。SiO32–/DIN 平均為1.75±1.58，除個別區域外均大于1。SiO32–/DIP 平均為16.76±9.18。

圖2 環境因子分布特征 A: 溫度(℃); B: 鹽度; C: pH; D: DO; E: DIN (μmol/L); F: DIP (μmol/L); G : SiO32– (μmol/L); H: DOP (μmol/L)。Fig.2 Distribution characteristics of environmental factors.A: Temperature (℃); B: Salinity; C: pH; D: Dissolved oxygen; E: DIN (μmol/L); F: DIP (μmol/L);G: SiO32– (μmol/L); H: DOP (μmol/L).

表2 站點的無機營養鹽比值Table 2 Inorganic nutrient ratio of stations

2.2 球形棕囊藻分布及浮游植物群落組成

本次調查中，各調查區域水面可見明顯球形棕囊藻囊體，采集表層水樣并通過光學顯微鏡鏡檢共鑒定出金藻門、硅藻門、甲藻門、藍藻門共4 門58種浮游植物(表3)。球形棕囊藻為本次調查的唯一優勢種，優勢度(y)為0.98，囊體密度為4×103～1.78×105cells/L，細胞總密度為2.34×106～1.04×108cells/L,球形棕囊藻細胞密度占浮游植物總細胞密度的98.28%。葉綠素a 為1.29～19.71μg/L，平均4.63μg/L(表1)，各站點浮游植物物種多樣性指數為0.01～1.29(表4)，整體上球形棕囊藻藻細胞密度及囊體密度與葉綠素a 呈顯著正相關關系(t=0.94,P<0.01),與物種多樣性指數呈顯著負相關關系(t=–0.97,P<0.01)。

表3 浮游植物種類及分布Table 3 Phytoplankton species and distribution

續表(Continued)

表4 浮游植物群落的物種豐度(cells /L)和物種多樣性指數(H′)Table 4 Species abundance (cells /L) of phytoplankton community and species diversity index (H′)

本次調查除球形棕囊藻外，硅藻細胞密度較大,占總細胞密度的1.59%，尤其是聚生角毛藻(Chaetoceros socialis)、柔弱擬菱形藻(Pseudonitzschia delicatissima)及環紋婁氏藻(Lauderia annulata)。

2.3 冗余分析結果

將球形棕囊藻、環紋婁氏藻、柔弱擬菱形藻、聚生角毛藻細胞密度進行排序，根據第一軸值為0.30,選擇冗余分析(RDA)。根據分值可分為4 個區域(圖3)，Ⅰ區：RDA1<0,RDA2>0；Ⅱ區：RDA1>0,RDA2>0；Ⅲ區：RDA1<0,RDA2<0；Ⅳ區：RDA1>0,RDA2<0。其中Ⅰ和Ⅲ區的球形棕囊藻細胞密度及囊體個數較高，除DOP、SiO32–外，其余因素值較低。Ⅱ和Ⅳ區的DIN 均高于Ⅰ和Ⅲ區，另外，Ⅰ和Ⅱ區的DIN/DIP 及聚生角毛藻的細胞密度和囊體個數較Ⅲ和Ⅳ區高，但SiO32–小，表明位于這2 個區域的站點DIN/DIP比值均較高，且含有較多的聚生角毛藻，但SiO32–含量較低。

圖3 RDA 分析圖Fig.3 Map of RDA analysis

統計學檢驗表明，DOP、SiO32–與球形棕囊藻細胞密度(tDOP=0.81,P<0.01；tSiO32–=0.69，P<0.05)囊體密度(tDOP=0.8156,P<0.05)呈正相關，與溫度(Temp)、鹽度(Sal)、pH、DIN 及DIP 呈負相關。3類主要硅藻(環紋婁氏藻、柔弱擬菱形藻及聚生角毛藻)與球形棕囊藻囊體密度的相關性大于與球形棕囊藻藻細胞密度的相關性，均存在負相關關系，其中環紋婁氏藻與囊體個數呈顯著負相關(t=–0.63,P<0.05)。物種多樣性指數(H′)與球形棕囊藻細胞密度(t=–0.97，P<0.01)、囊體密度(t=–0.79,P<0.01)呈負相關關系。

3 結論和討論

3.1 環境因子對球形棕囊藻藻華的影響分析

在采樣前期，潿洲島周邊區域因為出現連續降雨且以東風為主，使溫度有驟降現象，以致水體溫度相對較低(平均水溫22.46 ℃)，相對較低的溫度有利于球形棕囊藻生長[23]。同時降雨促進營養物質從陸源及大氣向海水中輸入，適宜的溫度和較高營養的環境對球形棕囊藻的生長都極其有利，并且東風利于營養物質在島周的聚集尤其是在南灣周圍,可為本次球形棕囊藻藻華的暴發奠定物質基礎[31]。

結合當地漁民發現赤潮的時間以及現場水體中球形棕囊藻囊體的完整度及囊體密度，推測在進行本次調查時已為藻華后期階段，并且部分站點存在消亡過程。受囊體破裂和藻細胞死亡氧化分解釋放大量的CO2和有機物影響，球形棕囊藻藻細胞密度與pH 值及DOP 相關性較高。這與李波[24]等對潿洲島鄰近水域北海市鐵山港及廉州灣區域暴發的球形棕囊藻赤潮監測研究得到的結論一致。藻華發生過程中大量的藻細胞繁殖生長會消耗大量DIN以及DIP，所以在本次調查結果中各區域水體中的DIN、DIP 含量較低，與前人[23–24]的研究結論一致。但與他們提出的磷限制是球形棕囊藻消亡的主要原因的結論不同。根據Justic 等[32]和Dortch 等[33]建立的營養鹽化學計量限制標準，當DIN/DIP<10,DSiO/DIN>1 時海域為氮限制，本次球形棕囊藻藻華消亡過程更多考慮是由氮限制造成的。

球形棕囊藻生長和囊體的形成與氮、磷營養鹽息息相關，DIN 和DIP 可影響細胞密度及囊體的形成與大小。球形棕囊藻生長繁殖會大量消耗水體中的無機氮磷營養，造成此處的無機氮磷(DIN、DIP)含量相對較低，但在囊體破裂和細胞消亡過程中,又會產生大量的DOP[5,9,34]。而浮游植物赤潮發生達到高峰時，堿性磷酸酶的活性在浮游植物的生長中可達到最大值，而與DIN 代謝相關的硝酸還原酶活性則會隨著環境中NO3–濃度減少而下降，因此在自然水體中棕囊藻藻華形成及維持，DOP 可發揮重要作用[25,35]。在磷缺乏情況下，球形棕囊藻北部灣株通過高親和力來競爭磷源，以維持生長[36]，而對DIN 的依賴性更強[37]。前人的研究監測范圍主要分布在北海沿岸區域，陸源輸入對無機營養鹽的補充效率更快，影響更大[38]，且DIN 補充速率大于DIP，因而DIN/DIP 呈升高的趨勢，磷成為藻華消亡的限制因素。而潿洲島周邊水域與沿岸區域不同，潿洲島受陸源的影響較小，潿洲島周邊易形成眾多的小型渦旋及上升流，水體交換弱，營養物質的補給主要受其周圍的風場及流場影響[38]，潿洲島周邊水體的氮磷比值在北部灣海域中相對較低，春季及夏季平均約為30[38–39]。本次調查中DIN/DIP 和SiO32–/DIN 值均主要受DIN 影響，整體比值較低，DIN/DIP與球形棕囊藻細胞密度及囊體密度均存在負相關關系。以分析對比藻細胞密度最大的兩個區域(A1、E1)的營養鹽成分含量及球形棕囊藻形成囊體的完整度差異為例來進一步闡述氮限制觀點：首先，E1處出現大量的囊體碎片，A1 處囊體形態較好，研究發現球形棕囊藻囊體形成依賴于硝酸鹽的濃度,在氮限制時，球形棕囊藻囊體的形成受到嚴重抑制[5,9,34]。結合兩個站點位置差異可以發現，A1 靠近南灣口，南灣沿岸是潿洲島居民及游客的主要生活聚集地,人類活動排放的生活廢水等對水體營養鹽含量的影響更大；其次，受外海及通過瓊州海峽進入北部灣的珠江口及粵西沿岸富營養水體影響,在流場和風場作用下污染物更易滯留在南灣處[31,40]。這2 個因素都有利于外界對A1 處水體中DIN 的補給，所以兩處DIP 含量差異較小，但E1 處DIN/DIP(5.72)遠低于A1 處(12.41)，而DIN 的補給在一定程度上也可以緩解A1 處球形棕囊藻的氮脅迫程度,使球形棕囊藻生長得到維持。

3.2 球形棕囊藻藻華的發生對浮游植物群落結構的影響

本次潿洲島周邊水體球形棕囊藻藻華期間，浮游植物的物種多樣性指數與球形棕囊藻細胞密度及囊體個數呈顯著負相關，與學者在北部灣海域球形棕囊藻藻華期間發現球形棕囊藻囊體豐度與群落多樣性指數變化趨勢相反[23]結果一致。且通過相關性分析可以發現，球形棕囊藻囊體密度與環紋婁氏藻、柔弱擬菱形藻及聚生角毛藻等這3 種硅藻均存在一定的負相關關系。這3 種硅藻與球形棕囊藻囊體一樣主要受溫度及DIN/DIP 值影響，因此溫度及營養鹽較低的環境下，競爭的弱勢使得其余類群的藻類生長繁殖受到限制，也造成球形棕囊藻囊體個數較大時，物種多樣性下降。但是與一些硅藻及甲藻相比，硅藻中的聚生角毛藻、柔弱擬菱形藻及環紋婁氏藻，密度相對較高，且這3 種藻類在各站點中均有分布，意味著棕囊藻囊體的形成可能與這些硅藻有著密切的聯系。

多項研究表明，不同種類的硅藻對于球形棕囊藻囊體形成的影響存在種類差異性，在棕囊藻多個生活史階段，都不同程度地發現硅藻的參與[1]。在潿洲島及其鄰近海域角毛藻、擬菱形藻、骨條藻和海線藻(Thalassionema)等硅藻在溫度較高的春、夏季占優勢[41–43]，這些種類多為具有棘、刺或鏈狀結構的硅藻，可以為球形棕囊藻前期的成囊提供附著的基質。本研究發現在調查期間角毛藻屬和柔弱擬菱形藻數量較大，且在采樣區域均有分布，而這2類硅藻都是有利于球形棕囊藻生存發展的硅藻種類，尤其是角毛藻，其角毛被認為是棕囊藻常見的附著位置之一[44]。而環毛藻(Corethron)等此類藻細胞不僅可以為棕囊藻提供可附著的基質，其硅質細胞壁可保護棕囊藻不被小的捕食者所攝食，從而促進棕囊藻形成更多的囊體，提高棕囊藻的生存機率。不僅如此，硅藻與棕囊藻間還是一種兼性共生的生態類型，硅藻為棕囊藻提供防御攝食的環境,而棕囊藻囊體可作為硅藻棲息地和生長底物[1,5]。因此與其他硅藻及甲藻相比，聚生角毛藻、柔弱擬菱形藻及環紋婁氏藻等鏈狀硅藻在球形棕囊藻藻華過程中，營養物質相對缺乏的條件下，仍可維持一定數量細胞密度。

綜上所述，本次調查期中潿洲島周邊水體球形棕囊藻藻華暴發使水體中無機氮磷以及硅酸鹽含量相對較低，在藻華明顯發生消亡的區域中存在氮限制的現象。因此，本次潿洲島周邊水體球形棕囊藻藻華的消亡主要受氮限制影響。潿洲島周邊水體發生球形棕囊藻藻華時，球形棕囊藻生長處于優勢，消耗水體中大量營養物質，導致其他藻類的生長受到一定程度的抑制，因此球形棕囊藻藻細胞、囊體密度皆與物種多樣性指數呈顯著的負相關。但在營養受限條件下，仍有一部分具有鏈狀結構的硅藻維持相對較高的密度，而這一類硅藻都具有與球形棕囊藻共生的自身優勢。