李童童，馮媛媛，王建才，蔡 婷，王雅婻，宋書群，白有成

（1. 天津科技大學(xué) 海洋與環(huán)境學(xué)院，天津 300457；2. 上海交通大學(xué) 海洋學(xué)院，上海 200030；3. 上海市極地前沿科學(xué)研究基地，上海 200030；4. 中國科學(xué)院 海洋研究所，山東 青島 266071；5. 自然資源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012）

海洋是重要的無機碳儲庫，隨著CO2含量逐漸升高，海水碳酸鹽體系受到影響，海水的pH隨之降低，導(dǎo)致海洋酸化（Zeebe, 2012）。海洋浮游植物作為海洋中最主要的初級生產(chǎn)者，通過光合作用將CO2轉(zhuǎn)化為有機碳，并通過食物網(wǎng)傳輸及碳沉降等過程使部分有機碳被轉(zhuǎn)移并埋藏至深海中（Ducklow et al, 2001）。由于當(dāng)今海水中游離的CO2濃度低于大部分浮游植物光合作用所需的飽和CO2濃度，大部分浮游植物種群進化產(chǎn)生了碳濃縮機制（Carbon Concentration Mechanism, CCM）（Badger et al, 1992），可以同時使用海水中的CO2和HCO3?作為進行光合作用的無機碳源，升高核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）附近的CO2濃度，以維持細胞較高的光合作用效率（Falkowski et al, 2013）。由于不同浮游植物種群的CCM效率不同，且受海水CO2濃度的影響（Wu et al, 2010），CO2濃度升高對某些浮游植物物種光合作用的促進效率可能會高于其他物種，對較大粒徑的浮游植物影響尤其明顯（Wu et al, 2014），從而導(dǎo)致海洋浮游植物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（Moroney et al,1999）。

光照強度也是影響浮游植物光合作用的重要環(huán)境因素（Singh et al, 2015）。浮游植物需要足夠的光照強度來進行高效的光合作用，光照強度對浮游植物的色素復(fù)合體合成以及光合固碳作用具有顯著影響（Hihara et al, 1998）。過高光照強度通常會限制光合色素的生產(chǎn)從而降低浮游植物光合作用的效率（陶宗婭等, 1999），較低光照強度可刺激浮游植物葉綠素的生產(chǎn)，但同時導(dǎo)致光合作用速率降低（Beardall et al, 1976）；不同浮游植物種群的光合作用最適宜光照強度有所不同（Thompson, 2010），因此光照強度升高會促進某些未到達光飽和點的浮游植物種群的光合作用，但可能抑制一些光飽和點比較低的浮游植物種群的光合固碳，影響種間競爭和演替（Anderson et al, 1997）。光照強度變化也會影響浮游植物細胞合成脂質(zhì)，細胞在較高光照強度下更易累積飽和脂肪酸，在低光下則更多累積不飽和脂肪酸（Khotimchenko et al, 2005）。

光照強度往往與氣候變化背景下快速變化的其他環(huán)境因素同時作用于該海域的初級生產(chǎn)者并產(chǎn)生交互效應(yīng)，影響生物固碳及相關(guān)元素的生物地球化學(xué)循環(huán)過程（Finkel et al, 2006）。研究表明，南大洋2株硅藻短擬脆桿藻（Fragilariopsis curta）和魏氏齒盤藻（Odontella weisflogii）對CO2分壓（pCO2）的變化很敏感，較高的光照強度可促進這2株硅藻在低pCO2下顆粒有機碳的生產(chǎn)（Heiden et al,2016）。在浮游植物群落的層面，海洋酸化與光照強度變化協(xié)同降低了南海的浮游植物固碳作用（Gao et al, 2012），并可改變浮游植物種群組成（Domingues et al, 2014）。

東海是我國的邊緣海，特別是長江口南毗鄰海域的生產(chǎn)力較高，在海洋碳循環(huán)過程中有重要的作用（Tseng et al, 2011）。受長江沖淡水的影響，長江口海域理化環(huán)境比較復(fù)雜，長江徑流帶來的大量懸浮泥沙及海流擾動產(chǎn)生的再懸浮泥沙導(dǎo)致該海域表層形成透明度3 m及以下的渾濁帶（Fang et al, 2006）。長江口毗鄰海域沿鹽度梯度可分為近河口光限制區(qū)、過渡帶光和磷酸鹽限制區(qū)、遠河口的氮鹽限制區(qū)（Filardo et al, 1985）。其中光限制區(qū)雖然具有較高含量的營養(yǎng)鹽水平，但渾濁帶的消光作用導(dǎo)致該區(qū)域的初級生產(chǎn)力潛在受到光限制（何文珊等, 2001）。我們以長江口南毗鄰海域浮游植物群落為研究對象，設(shè)置不同pCO2和光照強度條件，對長江口海域浮游植物群落進行現(xiàn)場模擬培養(yǎng)實驗，研究海洋酸化與光照強度變化對浮游植物群落組成及相關(guān)生物地球化學(xué)參數(shù)的交互效應(yīng)，以期分析和預(yù)測該海域浮游植物群落對海洋酸化和光照環(huán)境變化的響應(yīng)趨勢。

1 材料和方法

1.1 采樣和培養(yǎng)實驗設(shè)置

2020年春季在“向陽紅18”科學(xué)考察船上現(xiàn)場采樣并進行了為期5 d的現(xiàn)場船基受控培養(yǎng)實驗（Hutchins et al, 2003）。2020-05-20于站位S01-1（122°42′00″E，29°59′54″N）采集表層海水水樣，采樣站位水深35 m，表層海水水溫：20.64 ℃，鹽度：29.73；營養(yǎng)鹽濃度：1.15 μmol·L?1、7.84 μmol·L?1、0.42 μmol·L?1、-Si 20.33 μmol·L?1（圖1）。

圖1 采樣站位（）示意圖Fig. 1 Schamatic diagram of sampling station （）

將采集的海水水樣經(jīng)孔徑200 μm的篩絹過濾，分裝至12個4.5 L酸洗后的潔凈透明聚碳酸酯培養(yǎng)瓶中，并進行營養(yǎng)鹽加富（添加濃度為μmol·L?1、1 μmol·L?1、μmol·L?1）。通過CO2加富器（CE-100型，中國武漢瑞華有限公司生產(chǎn)）調(diào)節(jié)CO2和空氣混合比例，并使用鼓泡曝氣的方法（Mcgraw et al, 2010）控制培養(yǎng)瓶中的pCO2分別為模擬現(xiàn)代空氣中的41 Pa和預(yù)測世紀末的101 Pa（Caldeira et al, 2005）。我們通過測定，采樣站位表層海水的光照強度為海表光照強度的30%～50%。參照Feng等的工作（Feng et al, 2010），為了分別模擬表層海水及由于混合層變淺導(dǎo)致的混合層內(nèi)光照強度升高，通過在培養(yǎng)槽上覆蓋中型密度網(wǎng)控制培養(yǎng)瓶內(nèi)光照強度為50%和75%海表光照強度，共設(shè)置4個實驗處理：①對照組（41 Pa，50%海表光照強度）；②酸化組（101 Pa，50%海表光照強度）；③高光組（41 Pa，75% 海表光照強度）；④交互組（101 Pa，75% 海表光照強度）。每組3個平行樣，培養(yǎng)水槽中的水浴溫度使用冷暖水機（HC-1000BH型，中國海利有限公司生產(chǎn)）控制為（20 ± 1） ℃。培養(yǎng)期間每天午間采用光照數(shù)據(jù)采集器（LI-1500型，美國LICOR有限公司生產(chǎn)）監(jiān)測培養(yǎng)槽內(nèi)光照強度（圖2）。每天上午08:00?10:00對各培養(yǎng)瓶總?cè)~綠素（Chla）質(zhì)量濃度測定，隔天采樣測定粒徑分級Chla質(zhì)量濃度（粒徑范圍分別為0.2～ ＜2.0 μm，2.0～ ＜20.0 μm，≥20.0 μm），在最終取樣日（第5天）收集用于測定顆粒有機磷（POP）、顆粒有機碳（POC）、顆粒有機氮（PON）、生物硅（BSi）濃度的樣品、微微型浮游植物樣品、16S/18S rRNA擴增子測序樣品以及浮游植物群落顯微鏡檢查樣品。

圖2 培養(yǎng)過程中光照強度Fig. 2 Light intensity during the course of incubation

1.2 海水碳酸鹽化學(xué)測定

每天上午08:00?10:00測定船基受控培養(yǎng)樣品的pH（Mcgraw et al, 2010）和總堿度（Dickson et al,2007）。采用pH計（SevenCompactTM S210K型，瑞士Mettler Toledo有限公司生產(chǎn)）測定培養(yǎng)體系pH（Mcgraw et al, 2010）。海水總堿度采用總堿度自動滴定儀（G20S型，瑞士Mettler Toledo有限公司生產(chǎn)）測定（Dickson et al, 2007）。海水碳酸鹽化學(xué)各參數(shù)根據(jù)樣品的pH和總堿度使用CO2SYS軟件（Lewis et al, 1998）計算獲?。―ickson et al, 1987）。

1.3 浮游植物種群組成分析

使用體積分數(shù)40%的甲醛溶液（購自國藥平臺）對采集后的浮游植物群落樣品進行固定，用量為水樣體積的4%。固定后常溫保存帶回實驗室。2020-06-02在天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院實驗室采用Uterm?hl計數(shù)法檢測（Uterm?hl, 1958）。將樣品沉降24 h后放置在倒置顯微鏡（AE2000型，廈門麥克奧迪有限公司生產(chǎn)）下進行定種和細胞計數(shù)。

1.4 16s/18s rRNA高通量測序

測序樣品過濾到孔徑0.6 μm聚碳酸酯濾膜（購自美國Millipore有限公司），保存于液氮罐（?180℃）帶回實驗室后保存在超低溫（?180 ℃）冰箱中。2021-03-24委托天津諾禾致源生物信息科技有限公司采用CTAB/SDS（十六烷基三甲基溴化銨/十二烷基磺酸鈉）方法提取樣品基因組的DNA。利用PCR儀（T100型，美國Bio-rad有限公司生產(chǎn)）擴增出不同區(qū)域的16S/18S rDNA基因，產(chǎn)物經(jīng)檢測后使用GeneJET試劑盒（購自美國Thermo Scientific有限公司）進行純化，再使用TruSeq?DNA PCR-Free Sample Preparation Kit試劑盒（購自美國Illumina有限公司）構(gòu)建文庫，經(jīng)Qubit（美國Thermo Scientific有限公司生產(chǎn)）定量和文庫檢測合格后使用NovaSeq6000進行上機測序。對原數(shù)據(jù)進行拼接、過濾后得到有效數(shù)據(jù)（Mago et al, 2011），利用Uparse算法（UPARSE v7.0.1001）（Haas et al, 2011）對所有樣品的有效數(shù)據(jù)進行聚類，以97%的一致性將序列聚類成基因序列分類單元（Operational Taxonomic Units，OTUs），得到對應(yīng)的物種信息和基于物種的豐度分布情況（Edgar, 2013）。

1.5 微微型浮游植物種群組成分析

將含有浮游植物樣品的海水經(jīng)孔徑20 μm篩絹后取1.8 mL，使用200 μL多聚甲醛溶液（體積分數(shù)為4%，購自國藥平臺）進行固定后保存在液氮罐（?180 ℃）中，2021-09-23在中國科學(xué)院海洋研究所實驗室使用流式細胞儀（Accuri C6型，美國Dickinson and Company有限公司生產(chǎn)）進行測定（Jiang et al, 2017）。通過流式細胞儀發(fā)出的488 nm激光照射浮游植物樣品后反饋的不同信號來劃分不同類群：微微型真核藻類的FSC-H信號小于作為內(nèi)標的2 μm綠色熒光微球，但是FSC-H和FL3-H信號大于原核自養(yǎng)生物；聚球藻含有藻紅蛋白，所以FL2-H信號明顯高于其他類群；原綠球藻細胞最小，葉綠素含量比異養(yǎng)細菌的高，可根據(jù)FSC-H和FL3-H信號強度進行區(qū)分（Jiang et al, 2017）。

1.6 浮游植物群落Chl a質(zhì)量濃度測定

樣品采用微壓（＜0.04 MPa）過濾樣品至孔徑0.2 μm GF/F膜（購自美國Whatman有限公司生產(chǎn)）上用于測定樣品的總Chla質(zhì)量濃度，粒徑分級Chla的樣品依次通過孔徑為20 μm、2 μm的聚碳酸酯濾膜（購自美國Millipore有限公司）和GF/F膜過濾采樣，于?20 ℃保存。2020-06-02在天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院實驗室進行分析，采用體積分數(shù)為90%的丙酮溶液萃取后，用Turner熒光儀（美國Turner Designs有限公司生產(chǎn)）酸化模塊（Welschmeyer, 1994）測定細胞Chla質(zhì)量濃度。

1.7 浮游植物群落元素組成測定

POC和PON樣品過濾至灼燒（450 ℃，4 h）過的GF/F膜上常溫保存，2021-03-30在自然資源部第二海洋研究所烘干后采用元素分析儀（ECS4010型，意大利Costech有限公司生產(chǎn)）測定（Hutchins et al, 1998）。POP樣品經(jīng)灼燒過的GF/F膜過濾后轉(zhuǎn)入20 mL同樣灼燒過的玻璃瓶中，加入2 mL濃度為0.017 mol·L?1的MgSO4溶液，于60 ℃烘干后常溫保存。樣品于2020-06-14在天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院實驗室使用紫外可見分光光度計（UV-2550型，日本島津有限公司生產(chǎn)）采用磷鉬藍顯色法測定（Solórzano et al, 1980）。BSi樣品用0.6 μm孔徑聚碳酸酯濾膜（購自美國Millipore有限公司）過濾后裝入10 mL離心管中常溫保存，于測定POP樣品的第2天放入60 ℃的烘箱內(nèi)烘干后用1 mol·L?1的HCl溶液消解后采用硅鉬藍顯色法測定樣品中BSi的含量（Brzezinski et al, 1995）。

1.8 浮游植物群落沉降速率測定

船基培養(yǎng)實驗的第0天和第5天在船上采用同源性采樣法（SETCOL）測定浮游植物群落的沉降速率（Bienfang, 1981）。根據(jù)Bienfang的沉降公式（Bienfang, 1981）計算浮游植物群落藻細胞的沉降速率。

1.9 數(shù)據(jù)分析

單一環(huán)境因素酸化（A）、高光（L）及2個環(huán)境因素共同變化（A+L）下對某生理生化參數(shù)的觀測影響（observed effect, OE）依照該處理組與對照組的變化百分比計算而得（正值為正向升高效應(yīng)，負值為負向降低效應(yīng)），二者的交互效應(yīng)（multiplicative effect, ME）采用Folt等方法（Feng et al, 2020）計算。當(dāng)OEA和OEL均為正或均為負時，在|OEA+L| > |MEA+L|條件下，2種環(huán)境因素為協(xié)同性交互效應(yīng)，在|OEA+L| < |MEA+L|條件下，2種環(huán)境因素為拮抗性交互效應(yīng)；當(dāng)OEA和OEL為一正一負時，2種環(huán)境因素為拮抗性交互效應(yīng)。采用雙因素方差分析（ANOVA）檢驗變量之間的交互作用（α=0.05水平），組間顯著性差異采用t-test分析。

2 結(jié) 果

2.1 碳酸鹽化學(xué)參數(shù)

在培養(yǎng)期間，不同pCO2處理組之間的pH存在顯著差異。最終采樣時各處理組海水碳酸鹽化學(xué)各參數(shù)見表1。

表1 培養(yǎng)第5天時培養(yǎng)瓶中碳酸鹽化學(xué)參數(shù)Table 1 Chemical parameters of carbonate in the four experimental treatment groups on the fifth day incubation

2.2 Chl a質(zhì)量濃度

對照組和交互組的總Chla質(zhì)量濃度均在培養(yǎng)第2天達到最大值（7.84 ± 1.00） μg·L?1，酸化組在第3天達到（9.21 ± 2.87） μg·L?1，高光組最大值（9.48 ± 1.47） μg·L?1出現(xiàn)在第4天（圖3a）。與其他處理組相比，高光組中的總Chla質(zhì)量濃度在第4天和第5天均為各組中最高。

最終采樣日（第5天）粒徑分級Chla質(zhì)量濃度結(jié)果表明，在浮游植物種群中粒徑范圍2.0～ ＜20.0 μm的微型浮游植物占比最高，對照組為（61 ± 6）%、酸化組為（60 ± 2）%、高光組為（52 ±3）%、交互組為（64 ± 6）%，均超過50%。酸化主要使粒徑≥20.0 μm的小型浮游植物Chla質(zhì)量濃度占比升高，隨光照強度升高小型和微微型（0.2～ ＜2.0 μm）浮游植物Chla質(zhì)量濃度占比升高。小型浮游植物Chla質(zhì)量濃度在對照組最低為（30 ± 9）%，酸化組（34 ± 2）%較對照組上升了4%，而高光組（37 ±6）%上升了7%，交互組（31 ± 5）%上升了1%；微微型浮游植物Chla質(zhì)量濃度占比最低，與對照組的（10 ± 3）%相比，高光組的（11 ± 4）%升高2%，酸化組的（7 ± 1）%和交互組的（5 ± 1）%分別降低3%和4%（圖3b）。

2.3 浮游植物種群組成

酸化顯著提升了微微型浮游植物的細胞豐度，對聚球藻（Synechococcus）的影響尤其明顯。流式細胞儀的檢測結(jié)果表明酸化組和交互組分別是對照組［（426 ± 177）個·L?1］的32.72倍和31.58倍（p＜0.05，表2），而高光組［（864 ± 46）個·L?1］較對照組升高10.28%（p＜0.05）；真核微微型浮游植物只在交互組顯著高于對照組（p＜0.05）。在各處理中未有原綠球藻（Prochlorococcus）信號檢出。

表2 基于流式細胞儀檢測的培養(yǎng)第5天4個處理組的微微型浮游植物細胞豐度（個·L?1）Table 2 Abundances of microtype phytoplankton cells based on flowcytometry on the fifth day incubation (cells·L?1)

顯微鏡檢結(jié)果表明硅藻中海鏈藻（Thalassiosiraspp.）、甲藻中卡爾藻（Karlodiniumsp.）、原甲藻（Prorocentrumsp.）在各組均為優(yōu)勢種，海鏈藻在對照組、酸化組、高光組和交互組中的占比分別為42%、59%、66%和56%。對照組中海鏈藻豐度為5.60×105個·L?1，酸化組、高光組和交互組分別比對照組降低48%、34%和30%；卡爾藻在對照組中豐度為2.66×105個·L?1，酸化組和交互組分別比對照組升高5%和11%，高光組比對照組降低53%；原甲藻在酸化組、高光組和交互組中的豐度分別比對照組2.95×104個·L?1降低76%、91%和94%（圖4）。篩鏈藻（Coscinosira polychorda）、柔弱擬菱形藻（Pseudo-nitzschia delicatissima）和冠蓋藻（Stephanopyxisspp.）分別在酸化組、高光組和交互組中占據(jù)一定優(yōu)勢。由于有效樣品數(shù)量不足，最終數(shù)據(jù)間沒有體現(xiàn)出顯著性差異。

圖4 培養(yǎng)第 5 天顯微鏡檢的 4 個處理組浮游植物優(yōu)勢物種豐度和各處理組的物種組成百分比Fig. 4 Microscopic dominant phytoplankton species composition in the batch culture and the percentage of the phytoplankton species composition in the fourexperimental treatment groups on the fifth day incubation

高通量測序結(jié)果與顯微鏡檢結(jié)果相似，酸化組、高光組和交互組中硅藻的基因拷貝數(shù)均高于對照組，在高光組尤為顯著，較對照組提升了231%（圖5a）；金藻的基因拷貝數(shù)在酸化組最高，較對照組提升了3464%，而高光組和交互組比對照組分別提升了237%和1128%（圖5b）；藍藻的基因拷貝數(shù)最高值也出現(xiàn)在交互組，酸化組、高光組和交互組分別比對照組增長156%、78%和359%（圖5c）；與對照組相比，甲藻的基因拷貝數(shù)在其他3個處理組均有降低，在酸化組降低程度最高（68%，圖5d）；浮游植物群落中隱藻的基因拷貝數(shù)的變化和硅藻相似，在高光組的基因拷貝數(shù)最高（圖5e），由于隱藻基因拷貝數(shù)在對照組、酸化組、高光組和交互組中組成百分比均僅為0.2%及以下,故不體現(xiàn)在各種群組成百分比中（圖5f）。

圖5 培養(yǎng)第 5 天高通量測序的 4 個處理組基因拷貝數(shù)和各種群組成百分比Fig. 5 Gene copies and the percentage of different populations in the four experimental treatment groups on the fifth day incubation based on high-throughput sequencing

對照組中共發(fā)現(xiàn)浮游植物5門85種。與顯微鏡檢結(jié)果相似，硅藻中海鏈藻屬（Thalassiosira）基因拷貝數(shù)最高，甲藻中卡爾藻屬（Karlodinium）、金藻中近囊胞藻屬（Paraphysomonas）、藍藻中聚球藻屬（Synechococcus）基因拷貝數(shù)較高。酸化組記錄5門103種，其中硅藻中海鏈藻屬基因拷貝數(shù)最高，甲藻中別什萊藻屬（Biecheleria）和原甲藻屬（Prorocentrun）基因拷貝數(shù)相近，對照組中的占優(yōu)的卡爾藻屬基因拷貝數(shù)比對照組降低95%；金藻近囊胞藻屬的基因拷貝數(shù)則為對照組的40倍；藍藻中聚球藻屬基因拷貝數(shù)較高，比對照組升高151%，聚球藻屬的拷貝數(shù)變化趨勢與流式細胞儀檢測結(jié)果相吻合（表2）。高光組中記錄了5門92種，其中硅藻海鏈藻屬基因拷貝數(shù)最高，是對照組的2倍（圖4e），這個結(jié)果同顯微鏡檢結(jié)果相似；甲藻中卡爾藻屬比對照組降低52%；金藻近囊胞藻屬比對照組升高232%；藍藻優(yōu)勢屬聚球藻屬比對照組升高72%。交互組記錄5門97種，其中硅藻海鏈藻屬高于對照組45%（圖4e），與顯微鏡檢結(jié)果相印證；甲藻中別什萊藻屬的基因拷貝數(shù)為對照組的18倍，其次為華鰭藻屬（Sinophysis），其基因拷貝數(shù)為對照組的167倍之多；金藻中近囊胞藻屬的拷貝數(shù)為對照組10倍；與流式細胞儀結(jié)果相似（表2），藍藻中聚球藻屬基因拷貝數(shù)最高，且在4個處理組中交互組基因拷貝數(shù)最高，次高出現(xiàn)在酸化組（圖6）。

圖6 培養(yǎng)第5天4個處理組的浮游植物優(yōu)勢物種組成熱圖（16s/18s rRNA擴增子測序基因拷貝數(shù)）Fig. 6 Heat map of main phytoplankton dominant species composition in the batch culture in the four experimental treatment groups on the fifth day incubation (16S/18S rRNA amplicon sequencing copy numbers)

2.4 元素組成和沉降速率

高光組和交互組的POC、PON及BSi濃度高于對照組的及酸化組的，最高值均出現(xiàn)在交互組。但在各處理組間POC、PON、POP及BSi濃度及元素比由于數(shù)據(jù)間方差較大，沒有顯示出統(tǒng)計學(xué)顯著差異（p＞0.05, 表3）。

表3 培養(yǎng)第5天4個處理組中各元素濃度與元素摩爾比Table 3 Elemental concentrations and elemental molar ratios in the four experimental treatments groups on the fifth day of the incubation

培養(yǎng)實驗表明，酸化條件對浮游植物種群的沉降有顯著作用（圖7）。培養(yǎng)第5天酸化組的沉降速率為（1.47 ± 0.13） m·d?1，顯著高于其他3個處理組（p＜0.05），是對照組的3倍；交互組的沉降速率為高光組的2倍。

圖7 培養(yǎng)第5天4個處理組的浮游植物種群沉降速率（誤差棒代表平行樣間標準偏差，n=3）Fig. 7 Sinking rates of phytoplankton composition in batch culture of four experimental treatment groups on the fifth day incubation(the error bars represent standard deviations of triplicate samples, n=3)

2.5 雙因素交互作用

計算結(jié)果表明酸化和高光照強度對POC濃度、POP濃度具有協(xié)同性交互效應(yīng)，而對總Chla質(zhì)量濃度、小型、微型和微微型浮游植物Chla質(zhì)量濃度、PON濃度、BSi濃度、C/N比值、N/P比值、C/P比值、C/Si比值、沉降速率、硅藻以及甲藻豐度產(chǎn)生拮抗性交互效應(yīng)（表4）。

3 討論

我們的研究結(jié)果表明海洋酸化程度與光照強度變化對浮游植物生長及種群組成產(chǎn)生了不同的影響，2種環(huán)境要素的變化可產(chǎn)生交互效應(yīng)。在350～1200 μmol·photons·m?2·s?1光照強度下，光照強度升高促進浮游植物的生長及生物量積累，如中心綱硅藻的豐度在高光條件下顯著升高。pCO2為101 Pa的酸化更有利于聚球藻的生長，可顯著降低微微型及微型浮游植物的Chla質(zhì)量濃度組成百分比，可提升小型浮游植物Chla質(zhì)量濃度占比，浮游植物種群粒徑增大導(dǎo)致沉降速率升高。酸化和高光均可降低甲藻的優(yōu)勢度，而在酸化低光條件下更適合金藻和藍藻的生長。

長江口海域因為受到長江沖淡水、臺灣暖流和江浙沿岸流等多個復(fù)雜水動力條件的共同作用，形成了特有的海洋理化環(huán)境（馬永存, 2013），長江徑流每年向長江口水域匯入大量泥沙，疊加潮流的影響，在長江的咸淡水交匯區(qū)出現(xiàn)長江口渾濁帶（周華君, 1994），從而降低海表浮游植物受到的有效輻射光照強度，因此光照強度成為該海域浮游植物的典型限制因素（Domingues et al, 2014）。為了提高光子捕獲效率，浮游植物單位細胞的Chla含量通常在高光條件下有所降低（Agustí, 1991）。本調(diào)查站位位于長江口以南毗鄰海域的渾濁帶中，同樣受到復(fù)雜海洋理化環(huán)境影響。在本實驗高光條件下浮游植物總Chla質(zhì)量濃度顯著高于低光條件的，這也印證了浮游植物生長的潛在光限制。影響浮游植物吸收光照的最主要因素是色素（梁橋等, 2020），不同浮游植物種群的色素組成不同會導(dǎo)致對太陽光吸收、利用的特性不同，例如硅藻和甲藻雖然僅有類胡蘿卜素類的輔助色素組成不同，但它們的吸收特性仍表現(xiàn)出差異（梁橋等, 2020）。這導(dǎo)致不同的光照強度下浮游植物種群組成也有所不同。在本研究中，硅藻的基因拷貝數(shù)在高光條件下最高，海鏈藻、角毛藻（Chaetoceros）和骨條藻（Skeletonema）的基因拷貝數(shù)均較對照組顯著升高。另外，我們還發(fā)現(xiàn)在高光條件下細胞粒徑大的浮游植物的占比增加，印證了大粒徑（＞10 μm）浮游植物的光能利用效率更高的結(jié)論（Hashimoto et al, 2002）。

酸化對浮游植物種群組成產(chǎn)生的影響與不同浮游植物種群的碳濃縮機制（CCMs）效率有關(guān)。在本研究中，酸化條件下金藻和聚球藻的基因拷貝數(shù)顯著升高，這是因為這些種群具有較低的CCM效率（Wei et al, 2021），pCO2升高可緩解其光合作用的潛在碳限制進而促進其生長（Low-décarie et al,2014）。而像硅藻這類具有高效CCMs的種群對pCO2上升的響應(yīng)并不顯著（Reinfelder, 2011; Wu et al,2014）。我們的實驗結(jié)果表明在酸化以及交互的條件下，硅藻基因拷貝數(shù)的增長明顯低于高光條件。但已有研究表明，pCO2升高更有利于體積較大的硅藻的生長，例如Tortell和Trimborn對柔弱角毛藻（Chaetoceros debilis）和偽菱形藻（Pseudo-nitzschia）在不同pCO2下（16 Pa、40 Pa和101 Pa）的培養(yǎng)實驗結(jié)果表明體積更大的中心綱硅藻柔弱角毛藻（Chaetoceros debilis）的生長速率受到pCO2增長的刺激更顯著（Tortell et al, 2008; Trimborn et al, 2013）。因此，我們觀測到酸化組中小型浮游植物生物量占比也顯著高于對照組。

浮游植物細胞的沉降速率與浮游植物的碳輸出和碳沉降一定程度上存在相關(guān)性。本研究的結(jié)果表明酸化和高光對浮游植物群落的沉降速率具有相反的影響。與41 Pa相比，pCO2為101 Pa的酸化條件顯著升高了浮游植物的沉降速率，這主要是由于酸化引起的種群組成變化導(dǎo)致的。在酸化條件下浮游植物種群粒徑增大，根據(jù)斯托克斯公式（Stokes' Law）（Stokes, 1850），其沉降速率也會升高。此外，酸化也可導(dǎo)致浮游植物細胞內(nèi)生化組成發(fā)生改變（Bienfang et al, 1982），使其相對于海水的密度升高，另外單個浮游植物細胞的大小、細胞是否成鏈也會影響其沉降速率（Guo et al, 2016），本研究顯微鏡檢結(jié)果表明酸化處理組中海鏈藻較少成鏈，這也可能是導(dǎo)致沉降加快的因素。500～1200 μmol·photons·m?2·s?1的高光條件則降低了浮游植物的沉降速率。一些之前的研究也表明浮游植物的沉降速率在較低光照強度下會有所增加（Riebesell, 1989），Bienfang發(fā)現(xiàn)亞熱帶海域的浮游植物細胞在夜晚時的沉降速率是白天光照充足時的2倍（Bienfang, 1985）。Steele和Yentschd發(fā)現(xiàn)藻細胞處于活躍分裂狀態(tài)時的沉降速率比衰老狀態(tài)時減緩50%（Steele et al, 1960）。而較高的光照強度也提供給浮游植物足夠的能量來調(diào)整自身的沉降能力（Riebesell, 1989）。在酸化和高光的耦合作用下浮游植物的沉降速率處于升高的狀態(tài)，但升高的程度較單酸化條件有所緩慢，2個條件對浮游植物的沉降速率表現(xiàn)出拮抗作用。十幾年來，長江口區(qū)域底層缺氧現(xiàn)象可引發(fā)的海洋相關(guān)生態(tài)災(zāi)難引起了越來越多的關(guān)注（Zhu et al, 2011）。而除水文動力學(xué)條件影響，表層水體浮游植物水華后顆粒物會大量向深層沉降，有機物的降解過程的耗氧為該海域水體缺氧的一個重要產(chǎn)生因素。因此表層水體中浮游植物沉降速率的變化對該海域的碳輸出產(chǎn)生影響，也對其缺氧現(xiàn)象的產(chǎn)生有重要意義。我們的研究結(jié)果一定程度上佐證了酸化引起的浮游植物沉降速率升高可促進長江口海域的底層缺氧的發(fā)生（Zhu et al, 2011）。

4 結(jié)論

2020年5月在長江口南毗鄰海域的渾濁帶區(qū)域?qū)Ω∮沃参锓N群現(xiàn)場采樣并進行船基受控培養(yǎng)，通過測定培養(yǎng)后浮游植物群落的不同化學(xué)參數(shù)并結(jié)合傳統(tǒng)顯微鏡檢和高通量測序兩種方法來鑒定浮游植物的種類、統(tǒng)計浮游植物的豐度，探究了海洋酸化和光照強度變化以及二者之間的交互作用對長江口以南毗鄰光限制區(qū)域的浮游植物生理指標和群落組成變化的影響。

我們的研究結(jié)果表明海水酸化程度與光照強度變化對浮游植物生長及種群組成產(chǎn)生了不同的影響，2種環(huán)境要素的變化可產(chǎn)生交互效應(yīng)。測定獲得的15個參數(shù)充分體現(xiàn)了浮游植物群落的生物量、化學(xué)元素組成和群落結(jié)構(gòu)組成等方面隨環(huán)境變化做出的響應(yīng)。500～1200 μmol·photons·m?2·s?1的高光更促進浮游植物的生長及生物量積累，尤其是中心綱硅藻的豐度；pCO2為101 Pa的酸化更有利于聚球藻的生長，同時顯著提高了小型浮游植物Chla質(zhì)量濃度組成百分比并導(dǎo)致浮游植物種群粒徑增大；酸化和高光均降低了甲藻的優(yōu)勢度，而酸化條件下更適于金藻和藍藻的生長。浮游植物種群組成的改變將對該海域的碳沉降及缺氧區(qū)的形成產(chǎn)生深遠影響。以上研究結(jié)果有助于我們進一步理解和預(yù)測海洋酸化和光照強度變化對近岸低光渾濁帶的長江口南毗鄰海域的浮游植物的耦合作用及其生物地球化學(xué)效應(yīng)。已有的研究結(jié)果在時空上還存在較大局限性，今后的研究應(yīng)加強更多季節(jié)、更多典型站位研究，結(jié)合長期觀測數(shù)據(jù)進一步拓展完善我們的趨勢性和機制性認知。此外，有研究表明溫度升高和營養(yǎng)鹽濃度水平的變化（江志兵等, 2014; Liu et al, 2020）也可引起長江口海域浮游植物種群組成的顯著變化，對能量向上傳遞及漁業(yè)資源產(chǎn)生影響。今后的研究還要進一步結(jié)合多重環(huán)境變化因素深入探究海洋環(huán)境快速變化對相應(yīng)海域的生態(tài)、生物地球化學(xué)效應(yīng)及其對氣候的反饋機制。

致謝：本研究的數(shù)據(jù)及樣品采集得到國家自然科學(xué)基金委員會共享航次計劃項目（項目批準號：41676160和41606128） 的資助。 該航次（航次編號：NORC2020-02)由“向陽紅18”號科考船實施，在此一并致謝。