郜培怡，李克強，陳 衎，梁生康，王修林

(中國海洋大學海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

自1970年代末，隨著環(huán)萊州灣地區(qū)經濟高速增長和產業(yè)結構等人類活動壓力加大，陸源總氮(TN)等污染物入海排放數量逐漸增加，其組成也發(fā)生顯著變化，導致萊州灣生態(tài)環(huán)境問題加重[1]，包括氮營養(yǎng)鹽超標嚴重[2]、溶解有機態(tài)氮(DON)濃度升高[3]、赤潮災害仍居高位[4]、浮游植物群落結構失衡等[5]，是引起海灣水母旺發(fā)、漁業(yè)資源嚴重衰竭等生態(tài)災害的重要原因，對環(huán)灣經濟社會高質量發(fā)展形成瓶頸制約[6]。

健康的海洋浮游植物群落結構對海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和平衡具有重要作用，在近海主要受與人類活動有關的陸源營養(yǎng)鹽排放的影響，其中，氮營養(yǎng)鹽可能是主要的控制要素[7-8]，對浮游植物優(yōu)勢種演替具有調控作用[9]。一般而言，浮游植物易于吸收銨氮(NH4-N)，因其較硝氮(NO3-N)所需的能量更少[10]，但是某些硅藻可能更優(yōu)先吸收NO3-N[11]，NO3-N有利于其繁殖與生長[12]。隨著近岸海域DON濃度增加，甲藻或褐藻赤潮也呈現增加趨勢，或與其對DON吸收有關[13-14]。不同海域浮游植物對氮的吸收過程存在一定的差異性，如法國南部索潟湖(Thau Lagoon)硅藻水華的爆發(fā)主要由NO3-N引起，而鞭毛藻(A.tamarense)水華則主要是由有機態(tài)營養(yǎng)鹽引發(fā)[15]，類似現象在拉脫維亞的里加灣(the Gulf of Riga)也有報道，發(fā)現在春季硅藻的相對豐度與外源新氮(如NO3-N)的輸入相關，而在這之后N會以其他形式(如NH4-N、尿素和DON)循環(huán)再產生，即內源再生氮，可能會被鞭毛藻所利用，并且逐漸替代硅藻[16]；切薩皮克灣(Chesapeake Bay)浮游植物在春季主要吸收外源新氮(如NO3-N)，而在夏季和秋季則主要吸收內源再生氮[17]，可能是由于溶解的游離氨基酸是藻類生長的重要組成部分[18]，其微小原甲藻(Prorocentrumminimum)優(yōu)先吸收DON而非NO3-N等無機氮(DIN)[19]。

浮游植物競爭性生長與死亡等生態(tài)學過程，與溶解態(tài)營養(yǎng)鹽吸收、顆粒態(tài)降解和溶解有機態(tài)再礦化等營養(yǎng)鹽動力學過程密切相關[20-21]。其中，營養(yǎng)鹽吸收過程通常采用Michaelis-Menten方程表達[22]，顆粒態(tài)降解和DON的礦化過程可采用一級降解動力學方程來描述[23]；浮游植物生長過程可采用Slogistic方程擬合[24-25]。圍繞近海營養(yǎng)鹽動力學過程或浮游植物生態(tài)學過程，采用受控培養(yǎng)實驗，利用單過程線性或非線性方法進行動力學方程擬合，已有廣泛研究，并獲得大量動力學參數[26]。然而，目前多過程的現場實驗數據處理方法不夠完善，特別是過程發(fā)生顯著性識別、最佳動力學方程形式甄選、參數率定等連接松散甚至相脫節(jié)，不僅有可能誤加、遺漏或混淆過程，而且有可能造成參數取值偏差過大[27-28]。單過程動力學往往缺少了不同組分和不同過程之間的聯(lián)系，而對于多過程非線性動力學方程，從受控培養(yǎng)實驗到數據處理方法均明顯不足，盡管可采用生態(tài)動力學模型，但因模型構架的過程簡化和系統(tǒng)綜合等特征，對于單過程動力學規(guī)律處理略顯粗糙[28-29]。

綜上，不同形態(tài)氮對浮游植物群落結構的影響不同，相關的動力學過程機制也可能不同[9, 30]，同時在不同海域其地域性特征差別顯著。這樣，本文針對萊州灣硅藻向甲藻潛在的種群演替問題，采用船基圍隔生態(tài)系現場氮加富培養(yǎng)實驗，綜合應用非線性擬合以及蒙特卡洛靈敏度等方法對多過程實驗數據進行處理，研究NO3-N、NH4-N、陸源有機氮和藻源有機氮對海洋浮游植物群落結構的影響。研究結果可為改善萊州灣浮游植物群落結構甚至對消除有毒有害甲藻赤潮等提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

萊州灣是中國典型的半封閉性陸架海灣(見圖1)，位于山東半島西北部、渤海南部，是渤海的三大海灣之一，周邊有黃河、小清河、濰河和廣利河等10余條河流注入[31]，流域面積87 000 km2，其中小清河流域占萊州灣流域總面積的12.2%，以耕地為主，約占流域總面積的58.3%，其次是林地14.9%、建設用地11.4%(主要指城市和工業(yè)用地)和草地10.7%。與濰河、膠萊河等農業(yè)源為主的入海河流不同，小清河污染物來源較為綜合，流域內總氮污染物主要來源于農業(yè)非點源、工業(yè)源和生活源[32]。小清河流域屬溫帶季風氣候，降水變率大，暴雨時小清河攜帶大量污染物進入萊州灣，成為萊州灣陸源污染物的重要來源[33]，也是造成萊州灣灣底河口附近海域水質超標嚴重的原因，同時伴隨著灣底逆時針潮流輸送到萊州灣口[34]。

圖1 萊州灣船基圍隔培養(yǎng)實驗采水點及裝置

1.2 實驗設計

1.2.1 實驗設置與實驗步驟 不同溶解態(tài)氮(DN)加富現場培養(yǎng)實驗于2018年8月初(夏季)，依托國家自然科學基金委黃渤海共享航次(航次編號：NORC2018-01)，在中國海洋大學“東方紅2號”科考船后甲板上進行。DN包括NO3-N，NH4-N和DON，其中DON分別選取小清河水樣作為陸源DON(DONts)和中肋骨條藻(Skeletonemacostatum)培養(yǎng)過濾藻液作為藻源DON(DONss)。培養(yǎng)實驗主要研究浮游植物生長過程和營養(yǎng)鹽吸收、代謝和轉化的生物地球化學過程和參數。其中，小清河水樣中DON濃度為1 556.7 μmol/L，DIN濃度為943.3 μmol/L。陸源DON經800-1000 Da膜(Pall公司切向流)進行濃縮(濃縮比為1∶10)，減少無機氮干擾，濃縮后DON濃度為2 385.3 μmol/L，DIN濃度為435.6 μmol/L。中肋骨條藻(S.costatum)培養(yǎng)過濾藻液中DON濃度為52.9 μmol/L，DIN濃度為1.1 μmol/L(未濃縮)。DON樣品經0.22 μm 膜過濾處理備用?？紤]到培養(yǎng)海水氮營養(yǎng)鹽本底濃度要低，同時亦屬陸源污染物輸入能影響到的區(qū)域，培養(yǎng)海水和藻取自萊州灣灣口附近( 38°00′460″N，120°23′489″E)，無機氮營養(yǎng)鹽濃度約為1.5 μmol/L，數值模型模擬表明，該海域處于萊州灣陸源輸入水質響應區(qū)范圍[35]。取300 L海水過80～100目篩網，0.7 μm膜過濾后放置于大塑料箱，具體濃度值見表1。

16個20 L的培養(yǎng)瓶中瓶中分別加入15 L混勻的現場海水，控制初始藻密度一致，按表2添加營養(yǎng)鹽，其中陸源有機氮DONts和藻源有機氮DONss按不同體積添加，保證培養(yǎng)海水體積為15 L。為使P、Si、C的濃度不受限制，在培養(yǎng)實驗中添加KH2PO4、Na2SiO3·9H2O和NaHCO3，其他按照f/2微藻培養(yǎng)基[36]添加，分別按照N∶P值4∶1和 Si∶N值2∶1設置初始P和初始Si濃度，氮濃度根據萊州灣海上調查結果設定，DIN和DON的濃度分別約為50和 20 μmol/L。實驗設置雙樣，同時設置藻空白營養(yǎng)鹽加富對照培養(yǎng)實驗，藻空白實驗采用1.2 μm膜過濾處理，并分析DON19礦化過程的影響。培養(yǎng)周期為10 d，取樣頻次前期1次/天，后期頻次逐漸減少，一般固定取樣時間為上午9:00。

表1 培養(yǎng)海水營養(yǎng)鹽和葉綠素(Chl-a)濃度

表2 現場培養(yǎng)實驗方案

1.2.2 樣品采集與樣品分析方法 實驗過程中注意保持好氧環(huán)境，取樣前先測定水環(huán)境的溫度和光強數據，然后攪拌實驗瓶，使水體混合均勻后取樣，水樣用GF/F玻璃纖維濾膜(450 ℃灼燒5 h)過濾，濾液及濾膜于-20 ℃保存，帶回實驗室測量。浮游植物的豐度及藻種分析方法：取培養(yǎng)時間為第0天(初始生物量)和第8天(后期生物量)的50 mL樣品，采用魯哥試劑固定[37]，帶回實驗室在倒置顯微鏡下鑒定并計數。SiO3-Si、PO4-P、NO3-N、NO2-N、NH4-N、總溶解氮(TDN)、顆粒氮(PN)和葉綠素(Chl-a)濃度根據《海洋調查規(guī)范》標準方法，五項營養(yǎng)鹽采用自動營養(yǎng)鹽分析儀(QuAAtro，Seal，Germany)測定，TDN通過TOC-TN總碳分析儀(Multi N/C3100，Jena，Germany)采用高溫氧化方法測定[38]。DON為TDN與DIN的差值。葉綠素的含量采用90%的丙酮在低溫4 ℃下萃取24 h，離心10 min后取上清液，然后用紫外分光光度法測定吸光度，按Jeffrey改進的方程式進行計算[38]。

1.3 數據處理方法

1.3.1 實驗精密度分析 以雙樣實驗結果的重現性作為實驗的可信度，具體采用雙樣實驗結果的相對標準偏差(RSD)評價，以RSD<15%為標準，置信水平α為0.05。實驗精度船基現場實驗結果顯示，雙樣標準偏差RSD平均是(9.2±2.1)%。

1.3.2 過程發(fā)生顯著性識別 伴隨浮游植物生長，主要發(fā)生浮游植物營養(yǎng)鹽吸收、DON釋放過程，伴隨浮游植物死亡，可能主要發(fā)生DPN降解、DON礦化等過程，與此同時還有各種轉化過程發(fā)生。

對于實驗變量濃度的變幅與實驗精度顯著性差異判別，采用Partial Mann-Kendall (PMK)檢驗方法[39]，PMK檢驗法是基于MK檢驗的一種條件趨勢檢驗方法，通過去除相關變量對響應變量的潛在趨勢影響，來分析待檢驗的響應變量自身變化趨勢的顯著性，可以用于實驗變量濃度的變化趨勢與實驗精度的顯著性分析。本文采用TN/TDN狀態(tài)變量作為相關變量，以去除其對響應變量的潛在趨勢影響。

PMK和MK檢驗方法如下：

對于具有n個樣本量的時間序列Xt{xi,i= 1, 2, …,n}，構造統(tǒng)計量S：

當n>10，用下式計算正態(tài)分布的MK統(tǒng)計量：

而對于PMK統(tǒng)計量為：

式中Var(S)為方差，在給定的α置信水平上，如果|Z|≥Z1-α/2，則拒絕原假設，認為序列Xt存在顯著的上升或下降趨勢，Z的絕對值在大于等于1.28、1.64和2.32時，分別通過了置信度90%、95%、99%的顯著性檢驗。若Z>0，表示呈上升趨勢；若Z<0，表示呈下降趨勢。PMK檢驗采用MS Excel?工具進行。

1.3.3 動力學方程 本文采用單組分單過程非線性擬合方法，來擬合萊州灣浮游植物吸收動力過程[40]。主要采用Origin 9和Matlab 2016軟件分別對實驗結果進行非線性擬合，采用SPSS19軟件進行T檢驗來判別現場實驗結果與不同方程形式之間的差異性，采用R2>0.90(P<0.1)衡量兩者之間的吻合程度。

對于DON礦化過程，由于DON前期易降解組分消耗后，后期主要以難降解組分存在而變化不大，采用含有難降解組分(CRDON)的一級降解動力學方程[23]：

(1)

對于NH4-N硝化過程，采用一級降解動力學方程[59]:

(2)

式中：kDON_NH4代表DON礦化速率h-1；CRDON代表難降解組分μmol/L；kNH4_NO3代表氨氮硝化速率h-1。

海洋浮游植物生長和營養(yǎng)鹽吸收動力學方程一般采用Monod方程，然而在封閉實驗體系中，由于浮游植物的呼吸、代謝和死亡等衰亡過程，實測浮游植物濃度變化往往不完全符合Monod方程曲線，這樣，如果同時考慮浮游植物生長和死亡過程，浮游植物濃度時間變化應為生長部分減去死亡部分?？紤]到低濃度營養(yǎng)鹽限制性作用[41]，氮營養(yǎng)鹽增加了最小吸收閾值參數，而對于多氮的吸收動力學，考慮了銨的吸收及其對硝酸鹽吸收的抑制作用，同時為使浮游植物生長和營養(yǎng)鹽吸收兩個過程氮守恒，數學模型擬合時浮游植物采用PN計量。對于浮游植物生長和死亡過程通?？刹捎肔ogistic方程描述[42]，這樣，在氮吸收過程的同時，增加了葉綠素表征的浮游植物Logistic生長和死亡過程。

其中，針對在NO3-N和NH4-N組下的非線性微分方程為：

(3)

(4)

(5)

(6)

針對DON組下的非線性微分方程為:

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：NO3-N，NH4-N，DIN，和DON代表不同氮營養(yǎng)鹽的濃度(μmol/L)；PN：以氮衡量的浮游植物生物量(μmol/L)；kup：營養(yǎng)鹽吸收速率(h-1)；ksNO3、ksNH4、ksDIN,和ksDON：半飽和常數(μmol/L)；NH4in：氨氮限制因子；DNmin(NO3min,NH4min,DINmin, DONmin)為氮的最小濃度閾值(μmol/L)；kG：浮游植物生長速率(h-1)；kD：浮游植物死亡速率(h-1)；kde：碎屑的降解速率(h-1)。非線性擬合程序應用MATLAB (R2015b, MathWorksR)軟件開發(fā)，算法采用ode45函數，根據最小二乘法擬合動力學參數。

1.3.4 參數靈敏度分析 通過參數靈敏度分析，根據動力學參數對狀態(tài)變量的靈敏度大小，可識別影響浮游植物生態(tài)學過程的關鍵營養(yǎng)鹽動力學過程。其中，針對浮游植物生長、死亡等生態(tài)學過程，其動力學參數的靈敏度，采用生物量(Chl-a)為狀態(tài)變量，針對營養(yǎng)鹽動力學過程，其動力學參數的靈敏度，采用浮游植物顆粒態(tài)氮(PPN)濃度為狀態(tài)變量，具體采用狀態(tài)變量的變異系數(CV)衡量靈敏度大小，應用公式11計算：

(11)

其中：SD為標準方差，取平均值的20%；MV為隨機抽取100次的狀態(tài)變量的平均值。CV>0.5為高靈敏性參數，0.5>CV>0.1為中靈敏性參數，CV<0.1為低靈敏性參數。參數靈敏度分析采用蒙特卡羅(Monte Carlo)法[43]，應用ModelMaker4.0軟件平臺(Cherwell Scientific Ltd.)的Monte Carlo程序包[44]。

2 實驗結果與數據處理

2.1 實驗結果

2.1.1 浮游植物優(yōu)勢藻種變化 培養(yǎng)實驗不同藻種占比結果顯示(見表3)：萊州灣船基實驗培養(yǎng)前海水浮游植物包括了萊州灣典型優(yōu)勢藻種，如角毛藻屬(Chaetoceros)，丹麥細柱藻(Leptocylindrusdanicusm，3.1%)和剛毛根管藻(Rhizosoleniasetigera)和膝溝藻(Gonyaulax)等[45-46]，優(yōu)勢種主要有硅藻門中5個屬的5個藻種，分別是斯氏幾內亞藻(Gossleriellastriata，52.8%)，其次為條紋小環(huán)藻(Cyclotellastriata，10.8%)，丹麥細柱藻(L.danicusm，3.1%)，密連角毛藻(Chaetocerosdensus，2.2%)和剛毛根管藻(R.setigera，2.0%)。在添加不同營養(yǎng)鹽的條件下，浮游植物優(yōu)勢藻種類型發(fā)生了改變，同一培養(yǎng)條件下雙樣重現性為85.7%，而不同培養(yǎng)條件差異顯著，顯示出浮游植物群落組成對營養(yǎng)鹽響應的多樣性和各向異性。在4組加富DN現場實驗中，優(yōu)勢藻種共有硅藻門5個屬的5個藻種和甲藻門的春膝溝藻(Gonyaulaxverior)1個藻種，平均優(yōu)勢度(Y)按密連角毛藻(C.densus，24.4%)、春膝溝藻(G.verior，16.3%)、丹麥細柱藻(L.danicusm，15.4%)、舟形藻(Naviculaspp.，15.1%)、條紋小環(huán)藻(C.striata，11.0%)和特殊雙壁藻(Diploneisnootabilis，2.2%)依次遞減(見表3)。具體講，在加富陸源溶解有機氮(DONts)條件下，優(yōu)勢種群主要由密連角毛藻(57.4%)、條紋小環(huán)藻(28.3%)、丹麥細柱藻(4.9%)、斯氏幾內亞藻(2.08%)等組成，他們分別隸屬于硅藻門的4個屬；在加富藻源溶解有機氮(DONss)條件下，優(yōu)勢種群主要由甲藻門的春膝溝藻(60.2%)以及硅藻門的密連角毛藻(20.5%)和條紋小環(huán)藻(2.0%)等組成；在加富NH4-N條件下，優(yōu)勢種群主要有甲藻門的春膝溝藻(5.0%)與硅藻門的3個屬的3個藻種：丹麥細柱藻(56.6%)、條紋小環(huán)藻(15.6%)和密連角毛藻(2.8%)等組成；在加富NO3-N條件下，優(yōu)勢種群主要由舟形藻(60.4%)、密連角毛藻(16.7%)、特殊雙壁藻(8.8%)等組成，他們隸屬于硅藻門的3個屬。這說明，對于萊州灣優(yōu)勢藻種組成，NO3-N、NH4-N和 DONts似乎有利于舟形藻、丹麥細柱藻和角毛藻等硅藻的生長，DONss似乎有利于春膝溝藻等甲藻生長，與Crandall和Tzilkowski研究結果[13-14]相吻合。綜上所述，萊州灣浮游植物優(yōu)勢種與DN組成密切關聯(lián)，與袁琪等報道的浮游植物種類與N/P含量密切相關相吻合[47]。應當指出，由于取樣第8天處于浮游植物生長階段的后期，不能代表浮游植物群落結構的最大優(yōu)勢度，僅能指示浮游植物群落結構的演替趨勢。

2.1.2 葉綠素和營養(yǎng)鹽濃度變化 除DONss加富實驗組外，Chl-a濃度均約在第24 h進入指數生長期，到100 h達到平臺期，維持30 h左右進入死亡期，符合S型變化規(guī)律(見圖2)。而DONss加富實驗組Chla濃度滯后48 h以后才進入指數生長期，到120 h達到平臺期，維持20 h左右進入死亡期，這可能與DONss加富實驗組的優(yōu)勢甲藻(春膝溝藻，60%)生長過程不同于其它實驗組的優(yōu)勢硅藻的生長過程有關。在整個浮游植物生長期，顆粒有機氮(TPN)濃度的增長趨勢與Chl-a濃度的變化趨勢基本同步，但在死亡期差異顯著，其中，DONss和NO3加富實驗組TPN與Chl-a濃度變化基本一致，而DONts和NH4加富實驗組TPN變化滯后于Chl-a濃度變化。溶解態(tài)氮營養(yǎng)鹽中，添加的營養(yǎng)鹽隨時間變化基本上在浮游植物生長期下降，死亡期略有增加，但DONts加富實驗組與DONss加富實驗組氮吸收過程存在差異性。其中，DONts濃度變化不同于DONss，也不同于無機態(tài)氮的迅速下降，而是滯后48 h快速下降，與此同時DONts加富實驗組NH4-N和NO3-N濃度在藻指數生長期則迅速下降，不同于DONss加富實驗組的增加，NO2-N濃度處于相對活躍的狀態(tài)。這說明，DONts加富實驗組可能存在DON的礦化過程，并伴隨NH4-N通過NO2-N氧化為NO3-N的硝化過程，而DONss加富實驗組則主要是藻吸收過程。伴隨藻死亡，特別是TPN濃度降低，實驗過程中DON濃度升高，隨之NO3-N濃度升高，有可能存在DON的釋放、DPN的降解和硝化過程等。添加的PO4-P和SiO4-Si濃度變化與氮基本一致，在浮游植物生長期下降，死亡期略有升高，其中SiO4-Si對藻生長沒有限制，而PO4-P在浮游植物生長的后期基本耗盡，有可能與氮營養(yǎng)鹽共同限制了藻的生長(見圖2)。

表3 不同加富N實驗下的不同藻種占比

圖2 營養(yǎng)鹽加富培養(yǎng)實驗葉綠素和營養(yǎng)鹽濃度變化

DONts與DONss藻空白對照實驗中，DONts與DONss濃度整體呈現先快速下降，而后在第96 h左右開始緩慢下降，DIN濃度則與之相反(見圖3)，其中DONts藻空白對照組中的氨氮以及亞硝氮濃度在24～72 h期間都出現了短暫的增加隨后又開始下降，與DONss藻空白對照組的一致，說明DON礦化為氨氮之后，后續(xù)還發(fā)生了氨氮硝化為亞硝，并進一步氧化為硝氮等過程。NH4-N藻空白對照實驗，伴隨著氨氮濃度的降低，硝氮濃度整體呈現上升的趨勢，并且在第9天左右達到最大值，NO2-N濃度呈現活躍狀態(tài)，這說明發(fā)生了NH4-N通過NO2-N并進一步氧化為NO3-N的硝化過程(見圖3)。NO3-N藻空白對照實驗，硝氮濃度在前48 h呈現出緩慢下降的趨勢，但在這之后隨著氨氮濃度的下降，硝氮濃度又開始逐漸上升，并且在72 h之后開始平穩(wěn)波動，整體的下降趨勢不明顯(見圖3)。

圖3 藻空白對照培養(yǎng)實驗DN濃度變化

2.2 動力學過程與參數

2.2.1 過程發(fā)生顯著性識別 根據PMK檢驗結果(見圖4)，DONts，DONss，NH4與NO3組的生長過程的顯著性分別為Z=2.06，1.98，2.29，2.33，都通過了95%的置信度檢驗，而四個添加組分中的死亡過程的顯著性分別為Z=-1.35 -1.35，-1.98，-1.92，分別通過了90%的置信度檢驗與95%的置信度檢驗。而伴隨浮游植物生長與死亡的營養(yǎng)鹽轉化過程中，溶解態(tài)氮(DN)吸收、DON的釋放、和DPN的降解過程都比較顯著(Z=1.38),平均通過了90%的置信度檢驗。對于四個添加組分的實驗而言，不同過程的顯著性有差異。在加富NO3-N組，DN的吸收主要以NO3-N的吸收為主(Z=-2.74，P<0.01)；同樣地，在加富NH4-N組，DONts組和DONss組分別以NH4的吸收(Z=-2.33，P<0.01)與DON的吸收過程為主(Z=-1.64，-1.82)。但是在DONss組對DON的吸收過程的顯著性(Z=-1.82，P<0.05)大于DONts組的(Z=-1.64，P<0.05)，說明兩個實驗組對DON的吸收存在差異。此外，DPN的降解過程也顯著發(fā)生(Z=-1.49，-1.49，-1.92，-1.76)，平均通過了95%的置信度檢驗。直轉過程中，DONts礦化過程非常顯著(Z=-2.87，P<0.01)，而且DONts礦化過程大于DONss的礦化過程(Z=-1.55，P<0.1)；NH4-N硝化也很顯著(Z=-2.46，P<0.01)，但是NO3-N反硝化過程不明顯(Z=-0.45，P>0.1)。

2.2.2 動力學方程擬合 采用最小二乘法非線性擬合技術，應用Matlab軟件，可得到在不同實驗條件下海洋浮游植物生長和營養(yǎng)鹽吸收動力學擬合曲線(見圖5)，其中，無機態(tài)營養(yǎng)鹽組實驗采用非線性微分方程式(3)至(6)來擬合，有機態(tài)營養(yǎng)鹽組采用方程式(7)至(10)擬合，與實驗數據存在較好的相關性，主要變量的模擬相似性系數(SI)均在0.8以上，相對標準偏差(RSD)均在20%以內(見圖6)，進而可得到相應參數(見表4)。其中，浮游植物生長速率常數按照NO3-N>DONts>DONss>NH4-N(P<0.05)變化,分別為0.053,0.030,0.029和0.028 h-1，而吸收速率按照NO3-N>NH4-N>DONss>DONts(P>0.05)變化,分別為0.049,0.021,0.020和0.012 h-1，同時單一氮源加富下的N半飽和常數按照DONss0.05)變化，分別為0.000 2,0.000 3,0.000 4和0.000 6 h-1，對于在藻源DON條件下形成的春膝溝藻這種優(yōu)勢種而言具有相對于其他組分下的藻種低的死亡速率。但是對于浮游植物碎屑降解速率則按照DONts0.05)變化，分別為0.007,0.004,0.003和0.002 h-1。

(黑、紅、藍虛線分別代表z=1.28(a=0.1)、z=1.64(a=0.05)、z=2.32(a=0.01)。The black, red and blue dashed lines represent z=1.28 (a=0.1), z=1.64 (a=0.05) and z=2.32 (a=0.01), respectively.)

圖5 浮游植物生長與吸收動力學擬合曲線

表4 浮游植物生長、死亡和養(yǎng)分吸收的動力學參數

對于藻空白對照實驗，主要包括DON礦化和NH4-N硝化過程(見圖7)。對于DONts和DONss的礦化速率無顯著性差異(P>0.5)，均為0.014 h-1(見表5)。但是難降解物質(RDON)分別為8.63和4.83 μmol/L。而的氨氮的硝化速率為0.009 h-1(見表5)。

圖6 非線性擬合結果評價的泰勒圖

表5 礦化以及氨氮硝化過程動力學參數

3 討論

氮營養(yǎng)鹽吸收動力學是浮游植物生長等生態(tài)學過程的關鍵過程，表現為不同氮形態(tài)加富培養(yǎng)實驗中，均顯示氮吸收速率常數對浮游植物顆粒氮濃度變化呈高靈敏度性(見圖8)，說明本研究的浮游植物生長和演替等生態(tài)學過程主要受營養(yǎng)鹽吸收過程控制。進一步分析表明，DONss的半飽和常數(0.25 μmol/L)顯著低于NH4-N(0.86 μmol/L)和NO3-N(0.91 μmol/L)的，而DONTS的半飽和常數(1.05 μmol/L)卻較DIN的半飽和常數略高，表現為甲藻對DONss較強的親和力，硅藻對DIN較強的親和力[48-49]。事實上，DONTS加富培養(yǎng)實驗組中，優(yōu)勢藻為密連角毛藻(C.densus)，與NH4-N和NO3-N等DIN培養(yǎng)實驗組的丹麥細柱藻(L.danicusm)和舟形藻(Naviculaspp.)，在硅藻門類上一致，這也與硅藻更易于吸收無機態(tài)營養(yǎng)鹽的一般認識一致[11-12，50-51]，而DONss加富培養(yǎng)實驗組中，優(yōu)勢藻為甲藻的春膝溝藻(G.verior)，與甲藻能夠吸收DON，并易于在DON為氮源下成為優(yōu)勢藻的認識一致[13,52-54]。然而，相關的機制仍有待深入研究，可能與浮游植物營養(yǎng)鹽儲存[55]、代謝和生理機能[56]有關。

在DON加富培養(yǎng)的兩組實驗中，由于DON可以作為浮游植物生長的氮庫，DON的吸收和礦化速率都會對浮游植物生長有影響。其中，DONTS加富培養(yǎng)實驗組，除去浮游植物生長和死亡速率常數對生物量高靈敏性外，DON吸收速率常數、礦化速率常數和DIN吸收半飽和常數均表現為對浮游植物顆粒氮濃度變化的高靈敏度性，硝化速率常數也較為靈敏(CV=0.48)，而DON吸收半飽和常數卻顯示低靈敏度性(見圖8)，這說明陸域外來的生活源DON可能是通過礦化、硝化等動力學過程轉化為NO3-N后，再被浮游植物吸收利用。這點與現場培養(yǎng)實驗結果中，浮游植物指數生長期NO3-N和NH4-N濃度下降，NO2-N濃度保持較高水平，而DON濃度滯后2天才開始下降的現象一致，特別在動力學上，與DON礦化速率常數(28 ℃條件下同，0.014 h-1)大于DON浮游植物吸收速率常數(0.012 h-1)一致。研究表明，DON的礦化會促進以硅藻為主的浮游植物生長[57]，本文DONTS加富培養(yǎng)實驗組中，優(yōu)勢藻為密連角毛藻(C.densus)等硅藻群落，可能是由于DONTS通過礦化轉化為DIN，促進了硅藻的生長而成為優(yōu)勢種[58]。而DONSS加富培養(yǎng)實驗組，DON吸收速率常數、半飽和常數、硝化速率常數和顆粒態(tài)氮降解速率常數均表現為對浮游植物顆粒氮濃度變化的高靈敏度性(見圖8)，說明藻源DON可能主要通過直接吸收過程被浮游植物利用。這與現場培養(yǎng)實驗結果中，浮游植物指數生長期DON濃度迅速下降，而DIN(NO3-N、NO2-N和NH4-N)濃度基本不變等現象一致，特別是在動力學上，與DON浮游植物吸收速率常數(0.020 h-1)大于DON礦化速率常數(0.014 h-1)也基本一致。DONss的氮源來自中肋骨條藻(S.costatum)培養(yǎng)液，可能是由于其生長過程中釋放的游離(DFAA)和溶解氨基酸(DCAA)含量較高，春膝溝藻(G.verior)等甲藻可以直接吸收或吞噬這些內源DON[59]，而演替成為優(yōu)勢藻[60-61]。

圖8 靈敏度分析結果(CV)

綜上，硅藻在生長和死亡生理功能上，可能更適應一般的海洋環(huán)境，這也是海洋相當區(qū)域和時間上，浮游植物以硅藻為優(yōu)勢藻[62]，而甲藻則在特定條件下，如無機態(tài)營養(yǎng)鹽缺乏且以DON為氮源環(huán)境中，特別在春季末硅藻藻華后而成為優(yōu)勢藻，但持續(xù)時間短，其他時間或季節(jié)又會以硅藻為主[63]。

4 結論

本文通過氮加富現場培養(yǎng)實驗，利用實驗數據進行的非線性擬合和靈敏度分析，得出如下結論：

(1)陸源DON培養(yǎng)實驗組中，優(yōu)勢藻為密連角毛藻(C.densus)，與NH4-N和NO3-N等DIN培養(yǎng)實驗組下的優(yōu)勢種即丹麥細柱藻(L.danicusm)和舟形藻(Naviculaspp.)，在硅藻門類上一致，說明硅藻更易于吸收無機態(tài)營養(yǎng)鹽，而海上藻源DON培養(yǎng)實驗組中，優(yōu)勢藻為甲藻的春膝溝藻(G.verior)，說明甲藻能夠吸收DON，并易于在DON為氮源下成為優(yōu)勢藻。

(2)營養(yǎng)鹽吸收動力學速率常數對于浮游植物顆粒態(tài)氮的變化顯示高靈敏性，說明浮游植物生長等生態(tài)學過程主要受營養(yǎng)鹽吸收過程控制。

(3)陸源DON的礦化速率常數大于其浮游植物吸收速率常數，而藻源DON的浮游植物吸收速率常數大于其礦化速率常數，陸源DON的礦化速率常數表現為對浮游植物顆粒態(tài)氮的高靈敏性。說明陸源DON可能是通過礦化、硝化等動力學過程轉化為NO3-N后，再被浮游植物吸收利用，而藻源DON主要是通過直接吸收過程被浮游植物利用，形成了甲藻與硅藻不同的培養(yǎng)體系優(yōu)勢種群。