潘靜云, 楊陽, 韓博平

南亞熱帶磷限制水庫中浮游植物群落對氮磷比變化的響應(yīng)

潘靜云1, 楊陽2*, 韓博平1

(1. 暨南大學(xué)水生生物研究所, 廣州 510632; 2. 貴州師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 貴陽 550025)

為了解P限制水體中浮游植物群落對N、P營養(yǎng)鹽的響應(yīng)，通過添加N、P營養(yǎng)鹽設(shè)置N/P梯度，對廣東省流溪河水庫中的浮游植物群落進行了研究。結(jié)果表明，添加N、P顯著促進浮游植物的生長，浮游植物群落受P鹽的影響比N鹽顯著;藻類的種屬特異性導(dǎo)致浮游植物群落對氮磷營養(yǎng)鹽的響應(yīng)不一致，浮游植物總豐度與N/P比值不相關(guān)，其中隱球藻(sp.)、擬柱胞藻()和假魚腥藻(sp.)等藍藻適合在高N高P條件下生長, 雙對柵藻()等綠藻優(yōu)勢種偏好中N高P環(huán)境，而曲殼藻(sp)、小環(huán)藻(sp.)等硅藻在低N低P的環(huán)境下占據(jù)優(yōu)勢；P濃度為0.8~2.0mol/L時存在誘導(dǎo)浮游植物堿性磷酸酶活性的閾值，當(dāng)P濃度大于2.0mol/L時則抑制酶活性; P濃度為2.0mol/L可能是浮游植物維持生長的最適濃度，浮游植物N/P維持動態(tài)平衡；藻細(xì)胞N/P、C/P與水體P濃度、N/P呈顯著正相關(guān)，而藻細(xì)胞C/N受N影響更明顯(<0.05)。這為熱帶亞熱帶水庫的水質(zhì)管理提供了理論參考。

浮游植物群落；氮磷比；堿性磷酸酶；藻；元素

Redfield比值[1]是指養(yǎng)分不受限制時，藻類健康生長和生理平衡的元素比值關(guān)系為C/N/P=106/ 16/1。然而，許多研究[2–3]表明，有機體的化學(xué)計量C/N/P比值在不同的環(huán)境中存在差異。N和P是浮游植物生長所必需的營養(yǎng)元素，不僅絕對濃度能夠影響藻類的生長，其比率(N/P)也直接影響藻類生長、細(xì)胞組成及其對營養(yǎng)的攝取效率。宋玉芝等[4]報道N/P為25時浮游藻類及附著植物的生物量隨水體N濃度的升高而顯著增加；Stockner等[5]報道，N/P比值從15提高到25時水體中的優(yōu)勢種從魚腥藻(sp.)逐漸發(fā)展為聚球藻(sp.)；純種或混合培養(yǎng)體系中，N/P比不僅影響藻類的最大現(xiàn)存量，還影響藻類種間競爭的抑制參數(shù)、比生長速率等[6–7]。研究表明，在一定范圍內(nèi)，N/P的降低有利于甲藻占優(yōu)勢，高N/P (256/1)則對硅藻生長有明顯促進作用[8]，而藍藻水華更容易出現(xiàn)在低N/P下的超富營養(yǎng)水庫中[9–10]。因此水體N、P供應(yīng)及其比率影響著浮游植物種間競爭，對浮游植物群落的結(jié)構(gòu)和演替有重要的決定作用[11]。

廣東省地處熱帶亞熱帶北沿，區(qū)域季節(jié)性降雨較充足，水體常年溫度較高，輻射較強，有助于浮游植物的全年生長，同時也提高了浮游植物對營養(yǎng)鹽的需求[12]。然而，熱帶亞熱帶水庫中磷酸鹽長期維持在低濃度水平，P成為浮游植物生長的限制因子[13–15]。浮游植物在生長繁殖過程中可以通過調(diào)整其化學(xué)計量比(C/N/P)來改變生長速率，從而適應(yīng)營養(yǎng)鹽限制環(huán)境[16–17]，還能通過分泌胞內(nèi)外堿性磷酸酶，通過裂解水體中的有機磷為無機磷[18], 供自身生長所需；此外，一些水華藻類如擬柱胞藻[19]對低磷環(huán)境有著特殊的適應(yīng)機制，能超額富集水體中較低濃度的P，這些特性使得這些水華藍藻能夠在P限制的水體中大量生長。本研究選取了一座典型低磷水平的南亞熱帶水庫，其全年水體的平均N/P比接近90/1[20]，通過氮磷營養(yǎng)鹽的添加試驗來探究自然磷限制水體中浮游植物群落對不同氮磷比營養(yǎng)鹽的響應(yīng)。本研究從群落水平研究了營養(yǎng)鹽的相對濃度對浮游植物的影響，為廣東省熱帶亞熱帶水庫的湖沼學(xué)研究和水質(zhì)管理提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗藻種來源和試驗設(shè)計

2019年2月20日于廣東省流溪河水庫取表層原水，經(jīng)60m濾網(wǎng)過濾浮游動物以及懸浮大顆粒物后，置于容量桶中帶回實驗室，測定原水的溶解態(tài)N濃度、溶解態(tài)P濃度、堿性磷酸酶活性(APA)、藻細(xì)胞C、N、P等指標(biāo)作為初始值；原水為試驗培養(yǎng)用水，原水中的浮游植物即為試驗浮游植物群落的來源。取搖晃均勻的原水400 mL分裝于T175細(xì)胞培養(yǎng)瓶(TC-Flasche T175，Stand，Vent. Cap), 為避免其他營養(yǎng)元素限制，事先已加入無N、P的WC培養(yǎng)基[21]。

基于經(jīng)典的Redfield比值，即N/P比為16的閾值，我們認(rèn)為該水庫浮游植物主要受到P鹽的限制，N鹽十分充足。處理組N/P濃度的設(shè)置中N最低為原水本身的濃度，即N1濃度(41.1mol/L)，N絕對濃度以20mol/L為梯度增加，而P最低是高于原水的P3濃度(0.8mol/L)，P絕對濃度以1.2mol/L為梯度增加，共設(shè)計9組N/P處理組, 1組空白對照(表1)。每組設(shè)3個平行, 試驗期間不再添加營養(yǎng)元素。培養(yǎng)條件：溫度為(25±1)℃、光周期為12 h/12 h、光照強度為40mol/(m2·s)，每天定時搖動藻液1次，隨機移動藻瓶位置，避免光照不均勻。

1.2 生長時期確定

隔天搖勻藻液，并移取于離心管中，用分光光度計在680 nm波長下測定OD值，以天數(shù)為橫坐標(biāo)、OD值為縱坐標(biāo)繪制浮游植物生長曲線來確定浮游植物生長時期，最終確定試驗開始的第1天為初始期,第13天為指數(shù)期，第21天為穩(wěn)定期。

1.3 藻細(xì)胞胞內(nèi)C、N、P含量測定

藻液過濾到酸化預(yù)處理后的玻璃纖維濾膜(Whatman GF/C，孔徑1.2m)上，烘干儲存于干燥器中。使用元素分析儀(型號Vario EL)進行C、N含量分析；藻細(xì)胞P含量采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893-89)。

表1 試驗設(shè)計的N、P濃度和N/P

1.4 堿性磷酸酶活性的測定

采用對硝基磷酸苯二鈉法[22]測定水樣堿性磷酸酶活性(APA)，反應(yīng)條件為pH 8.4、溫度35℃、反應(yīng)體積2 mL、反應(yīng)時間4 h、測量波長410 nm。依據(jù)對硝基苯酚的標(biāo)準(zhǔn)曲線，計算水解反應(yīng)產(chǎn)生的對硝基苯酚的量。計算公式：APA=/(×), 式中，APA為堿性磷酸酶活性[nmol/(L·min)]；為對硝基苯酚的變化量(nmol)，即水解反應(yīng)的產(chǎn)生對硝基苯酚量；為水解反應(yīng)的時間(min)；為測試水樣的體積(L)。

水樣不經(jīng)過過濾測定的酶活性值為總的堿性磷酸酶活性(TAPA)，經(jīng)Whatman GF/C濾膜(孔徑1.2m)過濾后測定的酶活值為細(xì)菌+溶解性堿性磷酸酶活性(BAPA+DAPA)，則浮游植物的堿性磷酸酶活性為PAPA=TAPA-(BAPA+DAPA)。為校正因生物量的增加引起的總體活性增長，PAPA與生物量指標(biāo)的比值即浮游植物單位生物量所表現(xiàn)的酶活性，也稱作酶的特異性活性(specific activity)，能更好地反映酶的內(nèi)在催化效力[23]。本試驗中，單位生物量酶活性(單位生物量APA)=PAPA/藻類總生物量，以nmol/(min·mg)表示。

1.5 浮游植物的種類和定量分析

采用Uterm?hl計數(shù)法于倒置顯微鏡下對浮游植物進行分類鑒定和計數(shù)[24]，每個樣品分別鏡檢多于400個浮游植物個體，其豐度計算公式為：=(×2)/(××),式中，為藻細(xì)胞豐度(cells/L)，為沉降水樣的體積(L)，為載玻片直徑(mm)，為計數(shù)鏡頭直徑(mm)，為計數(shù)鏡頭數(shù)，為計數(shù)細(xì)胞數(shù)(cells)。浮游植物種類鑒定主要參照《中國淡水藻類——系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[25]和有關(guān)文獻。根據(jù)浮游植物形態(tài)和大小計算各種浮游植物對應(yīng)的生物量，本文選擇粗分法進行生物量計算[26]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

運用IBM SPSS Statistics 22S統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行顯著性分析(One-Way ANONA)，采用LSD法進行驗后比較，差異顯著性水平設(shè)為=0.05，兩個變量之間進行Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 浮游植物群落的組成

試驗共觀察到浮游植物6門72種(屬)，其中綠藻門47種(屬)、硅藻門10種(屬)、藍藻門9種(屬)、甲藻門2種(屬)、金藻門2種(屬)、隱藻門2種(屬)，浮游植物群落主要以藍藻、綠藻和硅藻為主。原水浮游植物群落經(jīng)培養(yǎng)后發(fā)生了變化(圖1)。初始期原水中的浮游植物較少，總豐度為1.11×106cells/L, 優(yōu)勢類群為硅藻門，占51.50%，其次為藍藻門31.60%；指數(shù)期，浮游植物總豐度下降到0.89×106cells/L,而穩(wěn)定期總豐度上升為1.23×106cells/L。指數(shù)期和穩(wěn)定期群落主要以綠藻、硅藻為主，在穩(wěn)定期金藻豐度明顯上升。原水浮游植物總豐度先降低后升高，逐漸由硅、藍藻轉(zhuǎn)變?yōu)榫G、硅藻為優(yōu)勢的群落結(jié)構(gòu)。

添加N、P營養(yǎng)鹽后，浮游植物總豐度均顯著上升(圖2)。指數(shù)期，浮游植物總豐度為2.93×107~ 1.22×108cells/L，以N2P1處理的豐度最高、N2P3的最低；在N1水平下，不同P濃度的浮游植物總豐度差異不大，而在N2、N3水平下，P1的總豐度顯著高于P2，稍高于P3，表明N、P鹽越高，浮游植物的生長越快。穩(wěn)定期，浮游植物總豐度為3.33× 107~1.19×108cells/L，N3P2處理的豐度最高，N2P2的最低，且大多組比指數(shù)期有明顯上升，而N2P1、N2P2和N3P1總豐度降低，這可能是營養(yǎng)鹽濃度較高促進浮游植物迅速生長，提前進入了衰亡期，導(dǎo)致豐度出現(xiàn)下降。Pearson相關(guān)分析表明，指數(shù)期、穩(wěn)定期浮游植物總豐度與N/P比值的相關(guān)性不顯著(> 0.05)。

不同營養(yǎng)條件下，浮游植物豐度組成有明顯差異(圖2)。指數(shù)期，在N1水平下，藍、綠藻占比為P1>P2>P3，硅藻占比則相反，藍、綠藻優(yōu)勢隨P的增加更為明顯；在N2水平下，藍藻占比以P1> P2>P3，硅藻占比則相反，綠藻占比P2、P3均大于N1、N3水平下的P2、P3，表明相比于低、高N環(huán)境，中N水平下綠藻優(yōu)勢更大；在N3水平下, 綠藻占比以P1>P2>P3，硅藻占比以P2>P3>P1, 藍藻占比均高于N1、N2水平的同P水平。穩(wěn)定期, 相同N水平下綠藻占比均為P1>P2>P3，硅藻占比則相反，而藍藻在N3水平下均高于N1、N2水平下的各處理，與指數(shù)期一樣，表明藍藻在高N條件下的優(yōu)勢，而綠藻在高P下占比更大。

圖1 原水中的主要浮游植物豐度

圖2 不同N/P處理對浮游植物豐度的影響。A: 指數(shù)期; B: 穩(wěn)定期; N1P1~N3P3見表1。下圖同。

不同時期的藍藻、綠藻和硅藻豐度存在差異(圖3)。指數(shù)期時，同一N水平下，P1的藍藻豐度明顯高于P2、P3；同一P水平下，N3的藍藻豐度高于N1、N2，但N2P1的豐度最高，這可能是誤差造成的；同一N水平下，綠藻豐度以P1>P2>P3，同一P水平下，N2的綠藻豐度最高；N1水平下, 硅藻豐度以P3>P2>P1，在N2、N3水平下則相反。穩(wěn)定期時，不同N/P下藻類的豐度變化與指數(shù)期有差異，進入衰亡期的時間不同。綜合可知，藍藻在高N、P下的優(yōu)勢更明顯，而綠藻在中N高P下生長更好；N、P濃度的升高，均能促進硅藻的生長, 但優(yōu)勢上沒有藍、綠藻明顯。

2.2 浮游植物優(yōu)勢種的變化

不同營養(yǎng)條件下浮游植物優(yōu)勢種不同(圖4)。指數(shù)期時，對照組優(yōu)勢種為小環(huán)藻，其次是微小四角藻(和錐囊藻(sp.)；而處理組的優(yōu)勢種主要為曲殼藻、隱球藻和雙對柵藻，在N1、N2水平下，曲殼藻占比以P3>P2>P1,在P2、P3為第1優(yōu)勢種，而P1的隱球藻占比超過曲殼藻成為第1優(yōu)勢種，小環(huán)藻遠(yuǎn)不及曲殼藻，雙對柵藻則在N2水平有一定優(yōu)勢；在N3水平，P1和P3的第1優(yōu)勢種分別為假魚腥藻和隱球藻，而P2的第1優(yōu)勢種為曲殼藻，其次為鐮形纖維藻()。穩(wěn)定期時，對照組第1優(yōu)勢種為小環(huán)藻，其次為曲殼藻、錐囊藻；處理組的主要優(yōu)勢種為曲殼藻、假魚腥藻和擬柱胞藻。曲殼藻占比與指數(shù)期相比有所上升，均呈P3>P2>P1，并以N2P3為最大，N1水平下曲殼藻均為第1優(yōu)勢種, 在N2P3、N3P3下為第1優(yōu)勢種；N2水平下P1和P2的第1優(yōu)勢種分別為擬柱胞藻、假魚腥藻，N3水平下第1優(yōu)勢種主要為假魚腥藻，占比大于曲殼藻。

圖3 不同N/P處理下藍藻、綠藻和硅藻的豐度變化

2.3 浮游植物堿性磷酸酶活性的變化

原水中浮游植物在初始期具有較高的堿性磷酸酶活性(APA)，為2.17 nmol/(min·mg)，到指數(shù)期和穩(wěn)定期顯著上升，分別為32.42和146.38 nmol/(min·mg),且顯著高于同時期處理組。指數(shù)期時，同一N水平下，P1和P2的APA明顯低于P3，也低于初始期；穩(wěn)定期時，同一N水平下，P3的APA高于P1和P2，而同一P水平下，N1的APA低于N2和N3。方差分析表明，APA與P濃度和N/P有顯著相關(guān)性(<0.05)，指數(shù)期APA與N/P的正線性相關(guān)較差，線性方程為=0.0355+0.5372 (2=0.348 8)，穩(wěn)定期兩者的正線性相關(guān)極高，線性方程為=0.3719-5.3566 (R=0.890 1)(表2)。

2.4 浮游植物元素化學(xué)計量值變化

初始期，浮游植物藻細(xì)胞的N/P、C/N和C/P分別為45±4、5±1和256±36，指數(shù)期與穩(wěn)定期的細(xì)胞元素比值發(fā)生了明顯變化(表3)。指數(shù)期，對照組藻細(xì)胞N/P和C/P均顯著高于處理組，而藻細(xì)胞的C/N顯著低于處理組；同一N水平下，藻細(xì)胞的N/P顯示P3組>P2組>P1組，各處理間的差異顯著(<0.05)；藻細(xì)胞的C/P在P3顯著大于P2和P1，且P1與P2的差異不顯著(>0.05); 同一P水平下，藻細(xì)胞C/N在N1顯著大于N2和N3，N2與N3間差異不顯著(>0.05)。對浮游植物藻細(xì)胞元素計量值與N/P比值進行線性擬合(表2)，表明指數(shù)期的藻細(xì)胞N/P、C/P和C/N與水體N/P比值相關(guān)性不明顯。

穩(wěn)定期，對照藻細(xì)胞N/P顯著高于各處理組,藻細(xì)胞C/N低于各處理組，而藻細(xì)胞C/P顯著高于處理組中的所有P1、P2組，而低于P3組；同一N水平下，藻細(xì)胞N/P在P3組均顯著大于P2、P1組, P1組與P2組差異不顯著(>0.05)；不同處理組之間的藻細(xì)胞C/N差異不顯著，均值為10±1。穩(wěn)定期浮游植物元素各比值與N/P擬合線性相關(guān), 藻細(xì)胞N/P、C/P與N/P比值的正線性相關(guān)強，而藻細(xì)胞C/N與N/P比值不相關(guān)(2=0.001 6)。

圖4 不同N/P處理下優(yōu)勢物種豐度的變化。A: 指數(shù)期; B: 穩(wěn)定期。

表2 浮游植物的APA、細(xì)胞元素比值及與水體N/P的線性方程

表3 浮游植物的APA活性和細(xì)胞元素比值

試驗中藻細(xì)胞C/N為4~15，較C/P的變化范圍小，在Redfield值(6.6)附近變化；藻細(xì)胞C/P在穩(wěn)定期差異較大，與P處理濃度表現(xiàn)出線性相關(guān)。指數(shù)期藻細(xì)胞N/P為7.65~26.85，穩(wěn)定期為7.37~ 37.83。細(xì)胞內(nèi)元素的組成對不同N和P處理水平的響應(yīng)不同, 藻細(xì)胞N/P、C/P均受P和N/P影響顯著(<0.01)，而藻細(xì)胞C/N受N處理影響更明顯;在指數(shù)期，N和P處理的絕對濃度僅對細(xì)胞內(nèi)N和P含量有顯著的影響(<0.01)；在穩(wěn)定期，N水平的絕對濃度對細(xì)胞元素含量沒有顯著影響，P處理的絕對濃度對細(xì)胞C、N和P的含量均有顯著影響(<0.01)(表4)。

表4 ANOVA檢驗C/N、C/P和N/P與水體N、P和N/P的相關(guān)性

*:<0.05.

3 結(jié)論和討論

3.1 浮游植物群落結(jié)構(gòu)對營養(yǎng)鹽濃度的響應(yīng)

南亞熱帶水庫大多數(shù)為貧中營養(yǎng)型水體。在枯水期(11月-次年3月)，水體滯留時間短，水位波動較大，春季浮游植物群落中，以適應(yīng)這種環(huán)境生長的硅藻占比最大[14]。本研究中水庫水體以小環(huán)藻為優(yōu)勢藻，因為它們對P有較低半飽和濃度[15]，更適應(yīng)自然的P限制環(huán)境，其次是以微囊藻為主的藍藻。野外轉(zhuǎn)移到室內(nèi)，環(huán)境條件的變化導(dǎo)致部分不適應(yīng)的藻類生長遲緩或停止，因此浮游植物的總豐度表現(xiàn)為初期急劇降低，到后期適應(yīng)環(huán)境后上升。

與原水相比，添加N、P鹽顯著促進浮游植物的生長。然而，浮游植物總豐度與N/P比值(12~103)不相關(guān)，而與N、P的濃度有關(guān)，這表明水體N/P并不是影響藻細(xì)胞生長的唯一因素，而是應(yīng)該結(jié)合N、P的絕對濃度來綜合考慮[27–28]。水體N/P比能夠指示水體中營養(yǎng)鹽的不平衡以及對單個或多個藻種的N限制或P限制，但并不能指示群落所需營養(yǎng)情況。由于不同優(yōu)勢種對N、P濃度變化的響應(yīng)不一致，即可能導(dǎo)致某種物種急劇上升，而其他物種急劇下降，這種補償機制會掩蓋群落總體豐度的變化，因而群落豐度與水體N/P比的相關(guān)性不明顯。除了N、P營養(yǎng)物質(zhì)外，光照、水溫以及其他營養(yǎng)元素(鐵、硅等)[29]都可能影響到浮游植物的生長，成為浮游植物生長的限制因子。

浮游植物對營養(yǎng)鹽的變化和N/P比的響應(yīng)具有種屬特異性。本試驗條件下，浮游植物群落對P鹽的響應(yīng)程度要比N鹽顯著。高N條件下浮游植物的生長并沒有顯著優(yōu)于對照，一方面可能是熱帶亞熱帶水庫浮游植物已對野外N充裕、P限制的環(huán)境有一定適應(yīng)，另一方面是不同浮游植物利用營養(yǎng)鹽的方式存在差異[30], 對N、P濃度變化的響應(yīng)程度不一致導(dǎo)致群落的總體響應(yīng)有差異。無論在指數(shù)期或穩(wěn)定期，藍藻在高N (81.1 mol/L)或高P (3.3 mol/L)的營養(yǎng)條件下生長更好并占據(jù)優(yōu)勢。在穩(wěn)定期時,高N組中藍藻占據(jù)第1優(yōu)勢，但其豐度并不隨P濃度升高而增加，這表明相對于P鹽，藍藻受N鹽的影響更大。綠藻隨P濃度的升高豐度增加, 說明綠藻更喜好高P環(huán)境。另外，綠藻在N2濃度下的優(yōu)勢更大，與藍藻喜好高N高P環(huán)境特性不同，綠藻更適合在中N高P的條件下生長。低P環(huán)境下硅藻相對有優(yōu)勢，高N低P的環(huán)境可以促進硅藻豐度增加，但在與藍藻、綠藻的競爭的優(yōu)勢不明顯，因而硅藻在N1濃度下占比更高。營養(yǎng)鹽的比例主要通過影響物種間的競爭對浮游植物群落產(chǎn)生影響。因此，研究N/P比值對浮游植物的顯著影響應(yīng)固定在某一營養(yǎng)鹽濃度下進行探討更具有意義。

3.2 優(yōu)勢種對不同營養(yǎng)鹽的響應(yīng)

水體中的N、P濃度及比值能顯著影響水體中優(yōu)勢類群-硅藻的種類和豐度[30]。原水中硅藻門的小環(huán)藻屬始終為第1優(yōu)勢種類，其次為金藻門的錐囊藻；指數(shù)期以微小四角藻為主的綠藻在磷酸鹽的競爭中為次優(yōu)勢種，到了穩(wěn)定期則被曲殼藻替代。小環(huán)藻優(yōu)勢隨生長逐漸下降，而錐囊藻的優(yōu)勢升高。硅藻相對豐度的減少與其對硅酸鹽的需求有關(guān)，此外，以錐囊藻為優(yōu)勢種的金藻大量生長也會消耗水體中的硅酸鹽。與原水不同，同為硅藻優(yōu)勢種之一的曲殼藻是N、P處理的絕對優(yōu)勢種，可能是由于曲殼藻相比小環(huán)藻對水體硅的增加更為敏感[31]，添加N、P能促進曲殼藻吸收水體中的硅酸鹽用于自身生長, 但在高濃度下效果降低，因此低N低P條件下曲殼藻占據(jù)優(yōu)勢，這種優(yōu)勢在穩(wěn)定期更為明顯。

藍藻優(yōu)勢種隱球藻在指數(shù)期高N高P下明顯占據(jù)優(yōu)勢，在穩(wěn)定期則被假魚腥藻、擬柱胞藻替代。由于后期營養(yǎng)鹽消耗降低，而假魚腥藻和擬柱胞藻具有固氮特性[32–33]，在環(huán)境無機氮不足時可以進行固氮，從而滿足生長要求，同時，還能夠儲存P以適應(yīng)后期低營養(yǎng)鹽環(huán)境，這些機制使得其能超越隱球藻成為穩(wěn)定期的優(yōu)勢種之一。雙對柵藻作為綠藻門的主要優(yōu)勢種，在N濃度為62.3mol/L下有較好的生長優(yōu)勢，鐮形纖維藻的適應(yīng)范圍較窄，僅在N濃度為81.1mol/L、P濃度為2.0mol/L時占據(jù)第1優(yōu)勢，到了穩(wěn)定期更適應(yīng)低營養(yǎng)鹽環(huán)境的假魚腥藻可以通過消耗儲存在體內(nèi)的P鹽而繼續(xù)生長;雙對柵藻、卷曲纖維藻等綠藻優(yōu)勢度較低，說明在營養(yǎng)鹽相對降低的條件藍藻更占優(yōu)勢，生長后期一些綠藻競爭不過藍藻[32]，這與周起超[34]的研究結(jié)果相似。

3.2 浮游植物的堿性磷酸酶活性

藻類在P限制條件下產(chǎn)生APA將有機磷轉(zhuǎn)化為無機磷，是利用P元素的重要途徑[18]。初始期就檢測到較高的APA，表明浮游植物已經(jīng)產(chǎn)生AP來利用有機磷。指數(shù)期時，N、P處理的DIP充足, 當(dāng)P鹽高于2.0mol/L時的APA降低，這是因為正磷酸鹽抑制了AP的活性，這與APA特殊的抑制-誘導(dǎo)機制相關(guān)[18,23,35]。進入穩(wěn)定期后，浮游植物數(shù)量增加，培養(yǎng)液中的磷酸鹽被大量吸收，低P環(huán)境促進酶活性顯著增強。DIP誘導(dǎo)激發(fā)APA需要達到一個閾值，其濃度高于某一界限時影響不顯著[23]。P濃度≤0.8mol/L時，APA活性較高，P濃度≥2.0mol/L時APA活性差異不顯著，因此可以推測該水體中浮游植物APA的P濃度閾值可能為0.8~ 2.0mol/L，即2.0mol/L時抑制酶活性。這與高光等[35]的研究結(jié)果類似。

3.3 浮游植物細(xì)胞的元素化學(xué)計量比

南亞熱帶地區(qū)的水庫營養(yǎng)鹽普遍低于其他地區(qū)，這是由熱帶-亞熱帶紅壤中營養(yǎng)鹽組成的特點所決定的[20]。本研究中水庫春季水體的N/P比為111，原水浮游植物細(xì)胞的元素化學(xué)計量N/P為45±5, 與水體的N/P并不一致。從野外轉(zhuǎn)入室內(nèi)培養(yǎng)后,原水浮游植物細(xì)胞的N/P、C/P先上升后降低至與初始值相近，表明浮游植物細(xì)胞的元素組成在一定范圍內(nèi)具有可塑性。環(huán)境與有機體間的化學(xué)元素計量比存在復(fù)雜的關(guān)系[17]。當(dāng)環(huán)境元素組成發(fā)生改變時，浮游植物為適應(yīng)環(huán)境的變化，能夠調(diào)節(jié)自身營養(yǎng)鹽的需求和生長速率，從而改變自身的元素比值[2,3]。本研究表明，浮游植物藻細(xì)胞的N/P、C/P受不同P濃度影響顯著，而C/N受N影響較顯著，當(dāng)P濃度為2.0mol/L時，浮游植物細(xì)胞的化學(xué)元素計量比均接近于Redfield比值，因此2.0mol/L可能是浮游植物生長的最適P濃度。藻細(xì)胞N/P與不同處理組的關(guān)系顯示該水庫中浮游植物群落細(xì)胞為弱內(nèi)穩(wěn)態(tài)，藻細(xì)胞N/P隨著處理的不同而變化。高P條件(≥2.0mol/L)下浮游植物細(xì)胞N/P比值隨生長不再改變，表明浮游藻類的元素組成在一定的范圍內(nèi)與環(huán)境的養(yǎng)分供應(yīng)保持一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)[36]。

藻細(xì)胞的N/P、C/P、C/N比值在穩(wěn)定期高于指數(shù)期，可以歸因于藻細(xì)胞C、N、P含量隨藻類的生長而變化。根據(jù)生長速率假說，生長快速的有機體通常具有較低的N/P比，這是由于含P豐富的rRNA的增加，此時細(xì)胞需要大量的核糖體來快速合成蛋白質(zhì)以支持有機體快速生長[16–17]。在生長速率較高的指數(shù)期，浮游植物吸收營養(yǎng)鹽，其細(xì)胞內(nèi)N、P含量增加，有機物不斷積累，元素比值降低；到了培養(yǎng)后期營養(yǎng)鹽不足，浮游植物開始消耗自身P鹽以維持生長，同時積累更多的有機物，藻內(nèi)P含量下降、N含量上升，浮游植物各元素計量比相應(yīng)升高。水體N/P比與浮游植物細(xì)胞元素化學(xué)計量比的關(guān)系研究中，Bi等[37]認(rèn)為，藻細(xì)胞的N/P比與水體N/P比呈顯著正相關(guān)，但當(dāng)藻的生長速率較高時，藻的N/P比與水體N/P比的關(guān)系不大，這與本研究結(jié)果相似，并且藻細(xì)胞的C/P與水體N/P比也有類似情況。另外，不同種類藻細(xì)胞的元素組成存在差異，對各類營養(yǎng)物質(zhì)的需求不盡相同[2–3]，但本試驗僅探討了浮游植物群落整體化學(xué)計量比的變化。

綜上所述，N、P添加顯著地促進了浮游植物的生長，浮游植物群落受P鹽的影響要顯著大于N鹽；隱球藻、擬柱胞藻以及假魚腥藻等藍藻適合在高氮高磷條件下生長，而雙對柵藻等綠藻優(yōu)勢種偏好于中氮高磷，而曲殼藻、小環(huán)藻等硅藻優(yōu)勢種更能適應(yīng)低氮低磷的環(huán)境下生長；由于不同藻類對氮、磷鹽響應(yīng)情況不一致，浮游植物總體(豐度)與氮/磷比值變化不相關(guān)。P濃度為0.8~2.0mol/L時存在誘導(dǎo)激發(fā)浮游植物APA活性的閾值。2.0mol/L的P可能是該水庫浮游植物生長的最適P濃度, 浮游植物元素計量比值均接近于Redfield值。藻細(xì)胞的N/P、C/P與水體P濃度、N/P比值呈顯著正相關(guān)，而藻細(xì)胞的C/N受N濃度影響更明顯。

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Responses of Phytoplankton Communities to N/P Ratio Changes in Phosphorus-limited Subtropical Reservoir in Southern China

PAN Jing-yun1, YANY Yang2*, HAN Bo-ping1

(1. Institute of Hydrobiology, Jinan University,Guangzhou 510632, China; 2. College of Life Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550025, China)

In order to understand the response of phytoplankton community in P-restricted water from Liuxihe Reservoir in Guangdong Province to different N/P ratios, the structure of phytoplankton community was studied by adding N and P to create a gradient of N/P. The results showed that the growth of phytoplankton had been promoted significantly with the addition of N and P, and the effects of P was greater than that of N. The species specificity of phytoplankton led to the inconsistent response of phytoplankton community to nitrogen and phosphorus nutrients, phytoplankton abundance was not correlated with N/P ratio. Cyanobacteria, such assp.,andsp., was more favored in conditions with high level of N and P. Dominant species of green algae,preferred medium N and high P. Bacillariophyceae, such assp. andsp. had advantages in environment with low N and low P. The threshold of P concentration for alkaline phosphatase activity (APA) ranged from 0.8 to 2.0mol/L. When P concentration was above 2.0mol/L, APA was inhibited, and the optimal P concentration for phytoplankton to maintain growth may be around 2.0mol/L, and the ratio of cellular N/P reached equilibrium. The cellular N/P and C/P were significantly positively correlated with supplied P concentration and supplied N/P ratio, while cellular C/N was more correlated with supplied N (<0.05). So, these would provide a theoretical reference for water quality management in tropical and subtropical reservoirs.

Phytoplankton community; N/P ratio; Alkaline phosphatase; Phytoplankton; Element

10.11926/jtsb.4250

2020–05–14

2020–07–14

國家自然科學(xué)基金項目(31700399); 貴州省科技計劃項目([2020]1Y072); 貴州省高層次留學(xué)人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)擇優(yōu)項目[(2020)09]資助

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 31700399); the Planning Project for Science and Technology in Guizhou (Grant No. [2020]1Y072), and the Project for Innovation and entrepreneurship of high-level overseas talents in Guizhou [Grant No. (2020)09].

潘靜云(1995~)，女，碩士研究生。E-mail: PJY4379@163.com

E-mail: yangy@jun.edu.cn