楊安強(qiáng), 趙麗俠, 宋淑貞, 劉 倢, 何彥龍, 王艷娜

（1. 華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200241; 2. 自然資源部 東海生態(tài)中心, 上海201206; 3. 自然資源部 海洋生態(tài)監(jiān)測(cè)與修復(fù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201206;4. 卑爾根大學(xué) 生物科學(xué)系, 卑爾根 N-5020, 挪威;5. 長(zhǎng)江三角洲河口濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部/上海市野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 上海 202162）

0 引 言

自工業(yè)革命以來(lái), 人類(lèi)活動(dòng)特別是化石燃料的燃燒導(dǎo)致全球大氣中CO2含量不斷上升. 根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì) (intergovernmental panel on climate change, IPCC) 預(yù)測(cè), 到21 世紀(jì)末, 大氣CO2濃度(一百萬(wàn)體積的空氣中CO2的體積數(shù))將由現(xiàn)在的416 ppm 上升到1 000 ppm[1]. 海洋作為大氣CO2最大的匯, 約1/3 的大氣CO2增量被海洋吸收, 導(dǎo)致海水pH 值降低, 這一現(xiàn)象被稱(chēng)為海洋酸化[2]. 全球海洋平均pH 值已經(jīng)下降了0.1 個(gè)單位, 預(yù)計(jì)到21 世紀(jì)末還將下降0.4 個(gè)單位[2]. 目前, 我國(guó)近岸海域已監(jiān)測(cè)到了海水酸化現(xiàn)象[3-5]. 同時(shí), CO2等溫室氣體的增加導(dǎo)致全球氣候變暖, 預(yù)計(jì)到21 世紀(jì)末全球平均溫度將升高2 ～ 4℃ (相對(duì)于1990—1999 年的平均氣溫)[2]. 2021 年IPCC 發(fā)布的報(bào)告中指出, 在人為大量排放溫室氣體的情景下, 全球平均溫度將在21 世紀(jì)末升高2.8 ～ 5.7℃[6].全球變暖將會(huì)加劇海洋水體層化: 一方面, 這會(huì)阻礙營(yíng)養(yǎng)鹽從底部向上輸送至表層供浮游植物利用;另一方面, 混合層變淺, 使浮游植物暴露在更多的太陽(yáng)輻射下, 影響海洋初級(jí)生產(chǎn)力的生產(chǎn)[7].

浮游植物是海洋中重要的初級(jí)生產(chǎn)者, 海洋浮游植物對(duì)CO2濃度升高和氣候變暖的響應(yīng)一直是研究的熱點(diǎn). CO2濃度升高對(duì)不同浮游植物的影響不同, 但對(duì)于多數(shù)有害藻華種的生長(zhǎng)是有利的. 例如: 增加CO2濃度可以顯著提升赤潮異彎藻 (Heterosigma akashiwo)[8]、短凱倫藻 (Karenia brevis)[9]、血紅哈卡藻 (Akashiwo sanguinea)[10]和米氏凱倫藻 (Karenia mikimotoi)[11]等的比生長(zhǎng)速率. CO2濃度升高還將促使有害藻華種逐漸成為浮游植物群落中的優(yōu)勢(shì)種[12]. 此外, 氣候模型預(yù)測(cè)結(jié)果顯示, 隨著溫度的上升, 北大西洋和太平洋的產(chǎn)毒有害藻華種會(huì)季節(jié)性向北擴(kuò)張[13]. 因此, CO2濃度升高和氣候變暖均有利于多數(shù)有害藻華種的生長(zhǎng)和繁殖, 從而加劇河口及近岸暴發(fā)有害藻華的風(fēng)險(xiǎn)[14].

赤潮異彎藻是一種針胞藻綱的有害藻華種, 廣泛分布在近岸海域, 是日本[15]、美國(guó)[16]、加拿大[17]及我國(guó)近岸海域[18-21]常見(jiàn)的赤潮種. 由于該藻可以產(chǎn)生魚(yú)毒素, 對(duì)魚(yú)類(lèi)和貝類(lèi)有致死作用, 這種藻華的爆發(fā)往往會(huì)造成海洋漁業(yè)和生態(tài)資源的巨大損失[22]. 目前已有大量研究通過(guò)營(yíng)養(yǎng)鹽控制實(shí)驗(yàn)[16,23-25], 探究了赤潮異彎藻對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的響應(yīng), 但是營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的設(shè)定往往比實(shí)際海洋環(huán)境中的濃度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí). 然而, 營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的變化會(huì)影響細(xì)胞的生理、生長(zhǎng)狀態(tài), 例如: 低營(yíng)養(yǎng)鹽條件可抑制浮游植物的與溫度相關(guān)的代謝速率[26]. Hennon 等[27]研究發(fā)現(xiàn), 在營(yíng)養(yǎng)鹽充足的條件下, 赤潮異彎藻對(duì)CO2濃度升高的響應(yīng)呈非線性, 然而在低營(yíng)養(yǎng)濃度下這種關(guān)系是否成立還有待進(jìn)一步探討. 因此, 本文參考我國(guó)長(zhǎng)江口鄰近海域的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平, 以及當(dāng)前和21 世紀(jì)末 (預(yù)測(cè)) 的CO2濃度和溫度變化情況, 在不同的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度 (氮、磷)、CO2濃度和溫度條件下, 探討了赤潮異彎藻的生長(zhǎng)變化. 通過(guò)該研究, 以期進(jìn)一步理解赤潮異彎藻爆發(fā)藻華的機(jī)制, 為預(yù)警和防控赤潮異彎藻藻華爆發(fā)提供科學(xué)參考.

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)藻種及培養(yǎng)方法

實(shí)驗(yàn)所用赤潮異彎藻藻種 (CCMA-266) 由廈門(mén)大學(xué)提供, 該藻株于2010 年5 月分離自長(zhǎng)江口鄰近海域. 采用由人工海水配置的無(wú)硅f/2 培養(yǎng)基, 將藻種培養(yǎng)在人工光照培養(yǎng)箱內(nèi) (GXZ-280D), 溫度設(shè)置為20℃, 光照強(qiáng)度為200 μmol·m—2·s—1, 光照黑暗周期為12 h∶12 h. 實(shí)驗(yàn)前, 將赤潮異彎藻在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期反復(fù)傳代培養(yǎng), 使其保持較高的細(xì)胞活性和良好的細(xì)胞狀態(tài).

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探究赤潮異彎藻對(duì)CO2濃度和溫度變化的響應(yīng), 本研究設(shè)計(jì)了具有不同CO2濃度和溫度的3 組實(shí)驗(yàn), 分別為: 實(shí)驗(yàn)1, 為當(dāng)前大氣CO2濃度和當(dāng)前長(zhǎng)江口鄰近海域春末海表溫度[28](CO2濃度為430 ppm, 溫度為20℃); 實(shí)驗(yàn)2, 為IPCC 預(yù)測(cè)的21 世紀(jì)末CO2濃度和當(dāng)前長(zhǎng)江口鄰近海域春末海表溫度 (CO2濃度為1 000 ppm, 溫度為20℃); 實(shí)驗(yàn)3, 為預(yù)測(cè)的21 世紀(jì)末的CO2濃度和長(zhǎng)江口鄰近海域春末海表溫度 (CO2濃度為1 000 ppm, 溫度為25℃) (圖1). 此外, 為探究營(yíng)養(yǎng)條件對(duì)赤潮異彎藻生長(zhǎng)的影響, 本研究參考了長(zhǎng)江口鄰近海域的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平[29], 在每組實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了4 種營(yíng)養(yǎng)鹽組合(圖1), 分 別 為: 高 氮 高 磷(high nitrogen and high phosphorus concentration, HNHP) (N 濃 度 為30 μmol·L—1, P 濃 度 為1 μmol·L—1)、高 氮 低 磷(high nitrogen and low phosphorus concentration,HNLP) (N 濃度為30 μmol·L—1, P 濃度為0.5 μmol·L—1)、低氮高磷(low nitrogen and high phosphorus concentration, LNHP) (N 濃度為15 μmol·L—1, P 濃度為1 μmol·L—1)和低氮低磷(low nitrogen and low phosphorus concentration, LNLP) (N 濃度為15 μmol·L—1, P 濃度為0.5 μmol·L—1).

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖Fig. 1 Diagram of experimental setup

實(shí)驗(yàn)所使用的培養(yǎng)基均以人工海水為基底, 其微量元素和維生素濃度與f/2 培養(yǎng)基保持一致, 根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)添加不同濃度的氮和磷. 培養(yǎng)基經(jīng)水下紫外燈照射30 min 后, 取3 L 用0.22 μm 的無(wú)菌濾膜過(guò)濾至已滅菌的4 L 高硼硅玻璃瓶中, 每個(gè)處理組分別過(guò)濾3 瓶. 取適量 (大約20 mL) 預(yù)培養(yǎng)的赤潮異彎藻細(xì)胞接種至3 L 培養(yǎng)基中, 并使初始細(xì)胞密度達(dá)到1 000 cells·mL—1. 實(shí)驗(yàn)采用一次性批培養(yǎng)方法開(kāi)展. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, CO2濃度由二氧化碳培養(yǎng)箱 (GXZ-280D-CO2) 調(diào)控, 并用氣泵將含不同CO2濃度的混合氣體以100 mL·min—1的速度通入培養(yǎng)瓶. 同時(shí), 培養(yǎng)箱調(diào)控實(shí)驗(yàn)所需的溫度, 設(shè)定光照強(qiáng)度均為200 μmol·m—2·s—1、光暗時(shí)常為12 h∶12 h.

1.3 生長(zhǎng)測(cè)定

從 實(shí) 驗(yàn) 起 始, 每 隔24 h 取5 mL 樣 品, 用 顆 粒 成 像 分 析 儀 (FlowCAM 8400, Fluid Imaging Technologies) 測(cè)定細(xì)胞密度. 比生長(zhǎng)速率 (μ, d—1)計(jì)算公式為

式中:N1和N2分別表示t1和t2時(shí)的細(xì)胞密度; 根據(jù)細(xì)胞密度及增長(zhǎng)率, 判斷不同培養(yǎng)條件下赤潮異彎藻對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的開(kāi)始時(shí)間 (t1) 和結(jié)束時(shí)間 (t2).

1.4 葉綠素測(cè)定

在培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的第6 天, 取20 mL 樣品過(guò)濾到0.7 μm 孔徑的 GF/F (Whatman?) 膜上, 將膜對(duì)折放入15 mL 離心管, 避光保存在 —20℃的冰箱備用. 葉綠素測(cè)定前, 在含樣品的離心管中加入5 mL 90%的丙酮溶液, 在4℃條件下提取24 h 后在4℃、5 000 r/min 條件下離心10 min. 離心后取上清液,用葉綠素?zé)晒鈨x (Trilogy Laboratory Fluorometer 7200-000, Turner Designs, USA) 測(cè)定葉綠素含量.

1.5 數(shù)據(jù)分析

本文統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差 (n= 3) 的形式. 利用Origin 軟件 (版本9.5.0) 中的內(nèi)置函數(shù)“Extreme”“Logistic”或者“Logistpk”分析各實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞密度隨時(shí)間的變化情況. 利用R 軟件 (版本4.0.3) 中的方差分析及Fisher 最小顯著差檢驗(yàn)法 (least significant difference, LSD) 分別分析不同營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、CO2濃度和溫度條件對(duì)赤潮異彎藻細(xì)胞密度、比生長(zhǎng)速率和葉綠素含量的影響.

這次演出他老婆沒(méi)像往常一樣因擔(dān)心他而相跟上來(lái)。老太太把一只蚊子打死在廚房窗戶(hù)上，看著臟，就上灶臺(tái)擦，結(jié)果下不來(lái)了，喊王爺，王爺在另一端屋子做木偶，太專(zhuān)心，沒(méi)聽(tīng)到，老太太只好自己跳下來(lái)，就崴了腳。這些天被他大兒子在城里的樓房里照顧著。每天，王爺打電話過(guò)去問(wèn)問(wèn)情況。

2 結(jié) 果

2.1 赤潮異彎藻在不同營(yíng)養(yǎng)鹽條件下的生長(zhǎng)情況

每組實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了9 d, 所有實(shí)驗(yàn)組中赤潮異彎藻表現(xiàn)出相似的生長(zhǎng)過(guò)程, 即細(xì)胞密度先增大后減小. 培養(yǎng)中后期, 細(xì)胞密度均表現(xiàn)出顯著差異, 并且與磷濃度有顯著的相關(guān)性 (圖2, 表1).

表1 在不同時(shí)間對(duì)不同硝酸鹽 (N)、磷酸鹽 (P) 濃度和氣候情景 (Climate)下的赤潮異彎藻細(xì)胞密度的方差分析Tab. 1 Summary of ANOVA results of the effects of nitrate (N), phosphate (P), and climate on the cell density on different days

圖2 不同CO2 濃度和溫度下赤潮異彎藻的生長(zhǎng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽變化的響應(yīng)Fig. 2 Growth response of Heterosigma akashiwo to changes in nutrients, CO2, and temperature

在當(dāng)前CO2濃度和溫度的條件下 (實(shí)驗(yàn)1), 不同營(yíng)養(yǎng)鹽濃度對(duì)赤潮異彎藻細(xì)胞密度的影響在第4 天開(kāi)始出現(xiàn)差異. 與高磷組相比, 低磷組顯著降低了赤潮異彎藻的細(xì)胞密度, 降低約41% (圖2(a),HP∶LP,F= 61.18,p＜ 0.001); 而氮濃度的變化并沒(méi)有顯著影響赤潮異彎藻的細(xì)胞密度 (圖2(a),HN∶LN,F= 0.147,p= 0.712). 營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的不同改變了赤潮異彎藻的細(xì)胞密度峰值以及到達(dá)生長(zhǎng)峰值的時(shí)間, 高氮高磷組、高氮低磷組、低氮高磷組和低氮低磷組分別在第6、5、7、7 天達(dá)到細(xì)胞密度峰值, 分別為(17.03 ± 1.26) × 103、(10.02 ± 0.44) × 103、(16.65 ± 1.36) × 103和(9.7 ± 0.68) ×103cells·mL—1. 另外, 低磷組顯著抑制了赤潮異彎藻的比生長(zhǎng)速率 (圖2(d), 實(shí)驗(yàn)1: HP∶LP,F=16.295,p= 0.004; HN∶LN,F= 0.459,p= 0.517) .

CO2濃度的升高改變了營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)赤潮異彎藻生長(zhǎng)的影響 (圖2(b)、2(d), 表1). 一方面, 自第4 天起, 除低磷組赤潮異彎藻的細(xì)胞密度顯著降低外 (降低24% ～ 36%), 低氮組赤潮異彎藻的細(xì)胞密度也顯著降低 (圖2(b), HN∶LN,F= 23.396,p= 0.001; HP∶LP,F= 55.854,p＜ 0.001; HNHP∶LNHP,p＜ 0.001). 另一方面, 赤潮異彎藻達(dá)到生長(zhǎng)峰值的時(shí)間也與實(shí)驗(yàn)1 不同. 高氮高磷組、高氮低磷組、低氮高磷組和低氮低磷組分別在第7、8、6、7 天達(dá)到細(xì)胞密度峰值, 分別為(18.32 ± 0.58) × 103、(11.72 ± 0.09) × 103、(15.16 ± 1.37) × 103和(11.56 ± 1.19) × 103cells·mL—1. 盡管赤潮異彎藻細(xì)胞密度在達(dá)到峰值后略有下降, 但在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)細(xì)胞密度降低的趨勢(shì)并不明顯. 此外, 低磷處理依然顯著抑制了赤潮異彎藻的比生長(zhǎng)速率 (圖2(d), 實(shí)驗(yàn)2: HP∶LP,F= 17.952,p= 0.003; HN∶LN,F=2.582,p= 0.147).

當(dāng)同時(shí)升高CO2濃度和溫度時(shí), 赤潮異彎藻的生長(zhǎng)表現(xiàn)出對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的依賴(lài)性. 一方面, 實(shí)驗(yàn)3 中在實(shí)驗(yàn)的前3 天, 細(xì)胞密度均高于實(shí)驗(yàn)1 和實(shí)驗(yàn)2 (圖2(c), 圖3); 另一方面, 最大細(xì)胞密度卻低于實(shí)驗(yàn)1 和實(shí)驗(yàn)2, 并且種群較早達(dá)到生長(zhǎng)峰值 (圖2(c), 圖3). 高氮高磷組、高氮低磷組、低氮高磷組和低氮低磷組分別在第5、3、4、4 天達(dá)到細(xì)胞密度峰值, 分別為(13.05 ± 0.31) × 103、(7.62 ± 0.30) × 103、(11.56 ± 0.52) × 103和 (7.36 ± 0.28) × 103cells·mL—1. 此外, 低磷組和低氮高磷組中赤潮異彎藻的細(xì)胞密度也相對(duì)較低 (圖2(c), HP∶LP,F= 177.88,p＜ 0.001; HNHP∶LNHP,p= 0.014).

圖3 不同實(shí)驗(yàn)組的赤潮異彎藻單位細(xì)胞內(nèi)的葉綠素a 含量Fig. 3 Cellular chlorophyll-a contents of Heterosigma akashiwo in different experimental groups

單位細(xì)胞內(nèi)葉綠素a 含量的結(jié)果顯示, 實(shí)驗(yàn)1 中, 氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的耦合作用較單一營(yíng)養(yǎng)素對(duì)赤潮異彎藻單位細(xì)胞內(nèi)葉綠素a 含量的影響更為顯著 (圖3, 實(shí)驗(yàn)1, N∶P,F= 5.239,p= 0.047; HP∶LP,F= 2.582,p= 0.146; HN∶LN,F= 2.560,p= 0.148). 與實(shí)驗(yàn)1 相比, 當(dāng)升高CO2濃度時(shí) (實(shí)驗(yàn)2),單位細(xì)胞內(nèi)葉綠素a 含量無(wú)顯著變化 (圖3, 實(shí)驗(yàn)1∶實(shí)驗(yàn)2,p= 0.082); 并且不受營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化的影響 (圖3, 實(shí)驗(yàn)2, N∶P,F= 0.039,p= 0.848). 當(dāng)同時(shí)升高CO2濃度和溫度時(shí) (實(shí)驗(yàn)3), 赤潮異彎藻單位細(xì)胞內(nèi)葉綠素a 含量顯著升高. 高氮條件下, 高磷組的單位細(xì)胞內(nèi)葉綠素a 含量較低(圖3, 實(shí)驗(yàn)3, HNHP∶HNLP,p= 0.024), 而在低氮條件下各處理組間無(wú)顯著差異 (圖3, 實(shí)驗(yàn)3,LNHP∶LNLP,p= 0.953).

2.2 赤潮異彎藻在不同CO2 濃度和不同溫度條件下的生長(zhǎng)情況

赤潮異彎藻生長(zhǎng)經(jīng)歷了對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期—穩(wěn)定期—衰退期的過(guò)程, 營(yíng)養(yǎng)鹽條件不改變赤潮異彎藻的生長(zhǎng)規(guī)律, 但是對(duì)其生長(zhǎng)周期有顯著影響 (圖4). 以高氮高磷組為例 (圖4(a)), 與實(shí)驗(yàn)1 相比, CO2濃度升高 (實(shí)驗(yàn)2) 使赤潮異彎藻在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)胞密度和最大細(xì)胞密度均顯著增加, 并且較晚進(jìn)入衰亡期; 當(dāng)同時(shí)升高CO2濃度和溫度時(shí) (實(shí)驗(yàn)3), 對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)胞密度均高于其他實(shí)驗(yàn)組, 且較早達(dá)到最大細(xì)胞密度, 但其衰亡速率與實(shí)驗(yàn)1 相近. 另外, 實(shí)驗(yàn)3 的最大細(xì)胞密度遠(yuǎn)小于其他實(shí)驗(yàn)組.

圖4 不同營(yíng)養(yǎng)鹽水平下赤潮異彎藻細(xì)胞密度對(duì)CO2 濃度和溫度變化的響應(yīng)Fig. 4 Response of cell density of Heterosigma akashiwo to increased CO2 and temperature under HNHP, HNLP,LNHP, and LNLP

同樣地, 在不同CO2濃度和溫度下, 赤潮異彎藻的比生長(zhǎng)速率具有顯著差異, 且這種差異在不同營(yíng)養(yǎng)鹽濃度下依然表現(xiàn)出相似的規(guī)律 (圖2(d)). 具體為: 與實(shí)驗(yàn)1 相比, 當(dāng)CO2濃度升高時(shí), 赤潮異彎藻的比生長(zhǎng)速率被顯著提高; 當(dāng)同時(shí)升高CO2濃度和溫度時(shí), 比生長(zhǎng)速率被進(jìn)一步提高(圖2(d)).另外, 實(shí)驗(yàn)3 中赤潮異彎藻單位細(xì)胞內(nèi)的葉綠素含量顯著高于其他兩組實(shí)驗(yàn), 而實(shí)驗(yàn)1 和實(shí)驗(yàn)2 無(wú)顯著差異 (圖3, 實(shí)驗(yàn)1∶實(shí)驗(yàn)3,p＜ 0.001; 實(shí)驗(yàn)2∶實(shí)驗(yàn)3,p＜ 0.001; 實(shí)驗(yàn)1∶實(shí)驗(yàn)2,p= 0.082).

3 討 論

3.1 赤潮異彎藻生長(zhǎng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽變化的響應(yīng)

大量研究表明, 磷缺乏會(huì)限制有害藻華的生長(zhǎng). 如劇毒卡爾藻 (Karlodinium veneficum)[30-31]、米氏凱倫藻[11,32]、擬菱形藻 (Pseudo-nitzschiaspp.)[33]等, 在磷缺乏條件下, 其生長(zhǎng)明顯受到抑制. 本研究中, 在所有CO2濃度和溫度下, 雖然在少數(shù)幾天中觀察到低氮組細(xì)胞密度低于高氮組 (表1), 但是比生長(zhǎng)速率沒(méi)有明顯差異 (表2). 而且, 無(wú)論在低氮還是高氮條件下, 細(xì)胞密度和比生長(zhǎng)速率在低磷條件下均受到明顯抑制 (表1, 表2). 這表明磷酸鹽可能是影響赤潮異彎藻增殖的關(guān)鍵環(huán)境因子之一.

表2 對(duì)不同硝酸鹽 (N) 、磷酸鹽 (P) 濃度和氣候條件 (Climate) 下的赤潮異彎藻比生長(zhǎng)速率的方差分析Tab. 2 Summary of ANOVA analysis for the effects of nitrate (N), phosphate (P) and climate on the specific growth rate

增加磷濃度會(huì)促進(jìn)有害藻華的繁殖、生長(zhǎng). 例如: 針胞藻綱的古卡盾氏藻 (Chattonella antiqua)[34]和赤潮異彎藻[15]在磷得到補(bǔ)充后迅速增殖. 然而, 進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn), 高磷濃度對(duì)赤潮異彎藻生長(zhǎng)的促進(jìn)作用是以氮濃度達(dá)到其生長(zhǎng)所需的最低濃度以上為前提條件的. 例如: Baek 等[35]在氮濃度小于5 μmol·L—1的磷加富實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有觀察到磷加富對(duì)赤潮異彎藻生長(zhǎng)的促進(jìn)作用. 本研究的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度參考了我國(guó)長(zhǎng)江口鄰近海域的營(yíng)養(yǎng)鹽水平, 最低氮濃度設(shè)定為15 μmol·L—1, 不會(huì)影響磷對(duì)赤潮異彎藻生長(zhǎng)的促進(jìn)作用. 需要說(shuō)明的是, 本研究使用的是一個(gè)相對(duì)封閉的培養(yǎng)系統(tǒng), 營(yíng)養(yǎng)鹽的增加/損失幾乎可以忽略不計(jì). 培養(yǎng)裝置內(nèi)的初始營(yíng)養(yǎng)鹽濃度決定了赤潮異彎藻種群的可發(fā)展程度. 由此可以預(yù)測(cè),河口近岸環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度是決定赤潮異彎藻暴發(fā)藻華的關(guān)鍵因子之一. 那么, 富營(yíng)養(yǎng)化的近岸水體就具有爆發(fā)赤潮異彎藻藻華的較高風(fēng)險(xiǎn). 相反地, 通過(guò)有效控制人為排放磷的輸入則可能是降低我國(guó)近岸海域爆發(fā)赤潮異彎藻藻華風(fēng)險(xiǎn)的途徑之一.

此外, 氮是合成葉綠素的主要元素之一, 其濃度直接或間接影響葉綠素的合成. 研究表明, 隨著氮濃度的降低, 單位體積葉綠素a 含量逐漸減小[36]. 本研究中, 實(shí)驗(yàn)1 中低氮高磷組和實(shí)驗(yàn)2 中高氮高磷組葉綠素a 含量較其他實(shí)驗(yàn)組低, 此結(jié)果可能與這兩組中赤潮異彎藻的生長(zhǎng)較快、對(duì)氮的消耗大有關(guān), 進(jìn)而導(dǎo)致合成葉綠素a 含量較低.

3.2 赤潮異彎藻生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)

CO2濃度的升高對(duì)不同海洋浮游植物的影響各不相同. 例如: CO2濃度升高對(duì)亞歷山大藻(Alexandrium monilatum) 和微小原甲藻 (Prorocentrum mimum) 的生長(zhǎng)具有負(fù)面影響, 對(duì)窄隙角毛藻 (Chaetoceros affinis) 的生長(zhǎng)無(wú)明顯影響[37], 而對(duì)赤潮異彎藻[8]、短凱倫藻[9]、血紅哈卡藻[10]、米氏凱倫藻[11]的生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用. 此外, 對(duì)于同一物種而言也可能存在種內(nèi)差異[38]. 升高CO2濃度對(duì)大多數(shù)有害藻華種的生長(zhǎng)是有利的. 一項(xiàng)基于26 個(gè)物種的元分析研究發(fā)現(xiàn), 升高CO2濃度可以有效提高有害藻華種的生長(zhǎng), 但在其他藻種中并沒(méi)有相同的規(guī)律[39]. 本研究中, 無(wú)論是只增加CO2濃度的實(shí)驗(yàn)2 還是同時(shí)升高CO2濃度和溫度的實(shí)驗(yàn)3, 赤潮異彎藻的比生長(zhǎng)速率及對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)胞密度均比實(shí)驗(yàn)1 高 (圖3, 表1, 表2). 這一結(jié)果較好地驗(yàn)證了前人的研究結(jié)論[8,37].

同時(shí), 溫度的升高也可以進(jìn)一步促進(jìn)赤潮異彎藻的繁殖生長(zhǎng). Zhang 等[40]研究表明, 赤潮異彎藻的最適生長(zhǎng)溫度為20 ～ 30℃. 溫度對(duì)赤潮異彎藻生長(zhǎng)影響的多項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)了, 該藻在25℃下的比生長(zhǎng)速率高于20℃下的比生長(zhǎng)速率[8,41-43]. 本文研究結(jié)果再一次驗(yàn)證了, 升高溫度可以有效提升赤潮異彎藻的生長(zhǎng)速率. IPCC 報(bào)告中指出[6], 在溫室氣體高排放情境下, 21 世紀(jì)末全球平均增溫約2.7℃.這意味著, 同樣面臨溫度持續(xù)升高影響的中國(guó)近岸海域, 具有爆發(fā)更大范圍、更長(zhǎng)時(shí)間赤潮異彎藻藻華的風(fēng)險(xiǎn).

另外, 溫度還會(huì)影響細(xì)胞的新陳代謝. 在最適生長(zhǎng)溫度范圍內(nèi), 溫度越高細(xì)胞的新陳代謝越快[44],這包括葉綠素a 合成等生理代謝過(guò)程. 因此, 本研究中, 實(shí)驗(yàn)3 的細(xì)胞內(nèi)葉綠素含量顯著高于其他兩組 (圖3). 但是, 實(shí)驗(yàn)3 的最大細(xì)胞密度低于實(shí)驗(yàn)1. 究其原因可能是: 一方面, 赤潮異彎藻在CO2濃度和溫度同時(shí)升高的條件下, 合成較多的葉綠素a 需要消耗更多的能量, 對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的需求就更多; 另一方面, 由于培養(yǎng)系統(tǒng)相對(duì)封閉, 無(wú)額外的營(yíng)養(yǎng)鹽補(bǔ)給, 因此限制了實(shí)驗(yàn)3 赤潮異彎藻的最大細(xì)胞密度. 其他研究也指出了, 海洋升溫會(huì)增加有害藻華的強(qiáng)度[13,45-46]. 基于以上分析, 全球氣候變化 (CO2濃度和溫度升高) 將加劇赤潮異彎藻爆發(fā)的幾率和強(qiáng)度.

4 結(jié) 論

本研究模擬了3 種不同CO2濃度和溫度組合的氣候條件, 并以長(zhǎng)江口鄰近海域營(yíng)養(yǎng)鹽濃度為參考, 設(shè)定了4 個(gè)營(yíng)養(yǎng)鹽水平, 探討了赤潮異彎藻生長(zhǎng)對(duì)不同CO2濃度、溫度以及營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的響應(yīng).溫度上升和CO2濃度升高都會(huì)促進(jìn)赤潮異彎藻的增殖. 因此, 在未來(lái)氣候變化條件下, 赤潮異彎藻藻華爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)加大. 改善河口近岸環(huán)境中的富營(yíng)養(yǎng)化狀況, 特別是人為排放的磷酸鹽輸入, 是降低赤潮異彎藻爆發(fā)藻華風(fēng)險(xiǎn)的有效途徑之一. 本研究補(bǔ)充了赤潮異彎藻生長(zhǎng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽與氣候變化耦合作用響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)證據(jù), 可以為河口近岸水質(zhì)和生態(tài)管理提供科學(xué)參考.