春季桑沟湾硅藻群落结构对硅酸盐加富的响应研究

张凯，姜娓娓，万东杰，高亚平，张义涛，蒋增杰

（1.上海海洋大学水产与生命学院，上海 201306；2.中国水产科学研究院黄海水产研究所，农业农村部海洋渔业可持续发展重点实验室，山东 青岛 266071；3.荣成楮岛水产有限公司，山东 荣成 264312）

硅藻光合作用速率和有机物生产速率可与高等陆生植物相媲美，是重要的初级生产者[1，2]和生物硅的主要生产者，介导海洋生态系统中的硅循环，产生了巨大的矿质资源，形成了重要的海洋碳汇[3]。单细胞藻类是养殖双壳贝类幼虫和稚贝的最佳饵料[4]，而硅藻是浮游植物中最主要的类群，约占沿海浮游植物物种丰富度的75%。硅藻富含二十碳五烯酸（EPA）与二十二碳六烯酸（DHA）等长链多不饱和脂肪酸[5]。BROWN 等[6]在分析双壳贝类幼体发育所需的多不饱和脂肪酸的含量时发现，硅藻的多不饱和脂肪酸含量较其他藻类占优势。因此，硅藻为滤食性贝类最重要的天然饵料之一。

硅酸盐是硅藻类浮游植物生长发育不可或缺的营养元素[7]。硅酸盐是构成硅藻硅质细胞壁的主要成分，参与生物体蛋白质合成、细胞分裂等多个生长和代谢过程。但研究表明，我国的一些典型养殖海域在春季普遍缺乏硅酸盐，例如在乳山湾西侧海域，硅酸盐浓度的变化为：秋季＞夏季＞冬季＞春季，春季硅酸盐浓度较低[8]；在胶州湾，春季和冬季也存在着硅酸盐限制的现象[9]。桑沟湾是我国北方典型的贝类规模化养殖海湾，养殖长牡蛎（Crassostrea gigas）和栉孔扇贝（Chlamys farreri）的年产量达60 000 t 和15 000 t[10,11]。历史资料表明，桑沟湾未产生硅限制的季节为夏季，其硅酸盐浓度变化范围为2.20～16.34 μmol/L[28-30]，产生硅限制的季节为：①秋季，其硅酸盐浓度变化范围为0～13.28 μmol/L[25,28-30]，但大部分调查站位的硅酸盐浓度高于绝对阈值，只有少部分调查站位的硅酸盐浓度低于绝对阈值；②冬季，其硅酸盐浓度变化范围为0～24.44 μmol/L[25,28-30]，冬季硅酸盐浓度平均值远高于绝对阈值2 μmol/L；③春季，其硅酸盐浓度变化范围为0～1.82 μmol/L，低于绝对阈值2 μmol/L，存在硅酸盐限制现象，硅酸盐浓度可能已经成为桑沟湾春季影响浮游植物生长的主要限制因子之一[12,24,25,28-30]。

春季是滤食性贝类等养殖生物的快速生长期，此时若养殖海域发生硅酸盐限制，将会影响养殖海域硅藻类浮游植物的生长[27]，进而影响以浮游植物为食的养殖生物生长[9,13]。本研究采用现场陆基围隔实验法，探讨和分析春季添加不同浓度硅酸盐对桑沟湾原位海水中浮游植物丰度（以叶绿素a 浓度表征）、粒径结构以及群落结构等影响，以期为探索养殖水域关键时段补充硅元素策略，提升浮游植物初级生产力和贝类养殖容量提供基础数据和参考。

1 材料与方法

1.1 方法

2021 年5 月12—19 日在山东荣成桑沟湾楮岛码头建成长200 cm、宽160 cm、高120 cm，容积约3 800 L 的长方体陆基围隔。围隔由外周铁框架、不透水帆布的围隔幔和实验单元组成。进水口位于围隔幔底部，出水口位于围隔幔上层，略低于水面，围隔内海水温度与自然海水温度一致。每个实验单元由上层开口、体积为100 L 的直筒型透明聚乙烯袋制成，开口处以方形PVC 塑料管保持形状，用麻绳将其固定后悬挂在围隔内水面以上10 cm 处（图1）。实验设3 个处理组，每组三个平行：①自然海水组（对照组）1.41 μmol/L SiO3-Si；②低浓度组（LS 组）20.00 μmol/L SiO3-Si；③高浓度组（HS 组）100.00 μmol/L SiO3-Si；泵取桑沟湾近岸表层海水70 L，经200 μm 筛绢过滤后注入实验单元。实验单元内的水体不与外部水体交换，每个实验单元中均配置2 W的小型抽水泵，保持海水始终处于混匀状态，添加的硅酸盐为九水硅酸钠（分析纯）。实验持续时间7 d，分别于第0 d、1 d、3 d、5 d、7 d 取样，每天8：00、12：00 和17：00 测定温度、光照强度等环境因子。

图1 围隔实验示意图Fig.1 Schematic diagram of the enclosures used in the experiment

样品采集前，缓慢搅拌实验单元内的水体，保证采集样品的均匀性。利用YSI（ProODO）型多参数水质分析仪（YSI 公司，美国）进行现场测定温度、光照强度等环境因子。

叶绿素a 采用分光光度法测定，先后使用20 μm 筛绢、2 μm、0.45 μm 醋酸纤维滤膜现场过滤海水1 L，分别用于表征小型浮游植物（粒径20～200 μm），微型浮游植物（粒径2～20 μm），微微型浮游植物（粒径0.45～2.00 μm）叶绿素a 浓度，滤膜于-20 ℃避光冷冻保存，测定方法参考GB 17378.7-2007；滤液加入三氯甲烷固定后，-20 ℃冷冻保存。水样在实验室由德国Seal QUAATRO 营养盐自动分析仪测定，测定方法参考GB 17378.4-2007。

浮游植物细胞丰度的测定方法是：取1 L 海水样品加入10 mL 鲁哥氏液固定保存，采集方法参照《海洋调查规范—海洋生物调查》（GB/T 12763-2007），用显微镜（OLYMPUS BX51）分类鉴定浮游植物，统计数量。浮游植物多样性指数、物种均匀度和物种丰富度指数采用以下公式计算[26]：

物种多样性指数采用香农-威尔多样性指数（H′,Shannon-Weaver index）:

物种均匀度采用Pielou 指数（J）:

物种丰富度指数采用Margalef 指数（d）:

式中，N 为某个样品中所有物种的总个体数；Pi为某个样品中第i 种的个体数与该样品个体数的比值；S 为某个样品中的总物种数；Ni为所有样品中第i 种的总个体数。

1.2 数据统计

数据以平均值±标准差（Mean±SD）表示，采用Graphpad prism 7.0 软件处理数据，绘制图表。不同处理组间的数据差异采用单因素方差分析（One-Way ANOVA）及Tukey 多重比较处理。图中“*”表示与对照组间存在显著差异（P＜0.05），“**”表示与对照组间存在极显著差异（P ＜0.01）。

2 结果与分析

2.1 实验期间水体理化环境因素变化特征

实验期间，水温变化在13.83～16.96 ℃之间，各组间无显著性差异（P＞0.05，图2-A）。受阴雨天气影响，第0～3 d 光照强度从981.30 μmol/m2/s 降到252.20 μmol/m2/s，随后有所回升，在第7 d 时因阴雨降到221.10 μmol/m2/s；各实验组间光照强度无显著性差异（P＞0.05，图2-B）。

图2 实验围隔水体环境参数变化特征Fig.2 Variations in environmental parameters in the experimental land-based enclosure

浮游植物对营养盐的吸收使各围隔内营养盐浓度逐渐降低（图3）。对照组在第0 d 时硅酸盐浓度为1.41 μmol/L（低于阈值2 μmol/L），总溶解态无机氮浓度为5.60 μmol/L，磷酸盐浓度为0.36 μmol/L，硅氮比为0.25，小于1；硅磷比为3.92，小于10，对照组处于硅限制状态（图3-A、B、F）。至第7 d 时，浮游植物的快速生长导致磷酸盐快速消耗，并低于阈值0.03 μmol/L（图3-F）。总溶解态无机氮（包括硝酸盐、亚硝酸盐和氨氮）浓度随时间推移逐渐降低，至实验结束，各实验组内总溶解态无机氮浓度均高于1 μmol/L，第5 d、7 d 时LS 和HS 组显著低于对照组（P＜0.01，图3-B）。氨氮浓度随时间推移逐渐降低，但LS 组和HS 组的氨氮浓度与对照组之间无显著性差异（P＞0.05，图3-C）。从第3 d 开始，LS 组和HS 组的硝酸盐浓度低于对照组，从第5 d 开始显著低于对照组（P＜0.01），至实验结束，硝酸盐浓度从高到低依次为：对照组、LS 组、HS 组（图3-D）。亚硝酸盐浓度从第1 d 开始HS 组显著高于对照组（P＜0.01），LS 组虽高于对照组，但两者之间无显著性差异（P＞0.05，图3-E）。

图3 围隔实验水体溶解态营养盐浓度变化Fig.3 Variation in dissolved nutrient concentration in the seawater in the experimental land-based enclosure

2.2 硅酸盐加富对浮游植物粒径结构的影响

实验结果显示，叶绿素a 浓度范围为1.83～4.40 μg/L，第7 d 时LS 组浓度最高；实验期间，从第5 d 开始，LS 组和HS 组极显著高于对照组（P＜0.01），第7 d 时，LS 组和HS 组叶绿素a 浓度分别是对照组的1.95 倍和1.94 倍。随着实验进行，对照组硅酸盐浓度低于绝对阈值并不断降低，影响浮游植物的生长，导致浮游植物细胞的沉降速率大于浮游植物的繁殖速率，因此，在第7 d 时对照组浮游植物叶绿素a 浓度与第5 d 相比有所下降（图4-A）。LS 组自第3 d 小型浮游植物叶绿素a 浓度开始显著高于对照组，HS 组自第5 d 开始显著高于对照组（P＜0.01，图4-B）。HS 组微型浮游植物叶绿素a 浓度从第1 d 开始显著高于对照组（P＜0.01），第7 d 时，LS 组与HS 组极显著高于对照组（P＜0.01），LS 组叶绿素a 浓度是对照组的2.34 倍，HS 组是对照组的7.50 倍，且HS 组叶绿素a 浓度是LS 组叶绿素a 浓度的3.21 倍（图4-C）。微微型浮游植物除第3 d 外，其他时间的叶绿素a 浓度各实验单元之间无显著差异（P＞0.05，图4-D）。

图4 围隔实验水体不同粒径浮游植物叶绿素a 浓度变化Fig.4 Variation in chlorophyll a concentration of phytoplankton with different size particles in the seawater of the experimental enclosures

2.3 硅酸盐加富对浮游植物群落结构的影响

桑沟湾春季原位海水（取自第0 d 的对照组）中的浮游植物主要由硅藻、甲藻、绿藻组成，共计44种，其中硅藻34 种，甲藻9 种，绿藻1 种（表1）。浮游植物种类组成以硅藻占优势，约占物种丰富度的77.27%，其次是甲藻，硅藻门中小新月菱形藻、小环藻等硅藻细胞丰度较高。

表1 桑沟湾春季原位海水浮游植物物种组成及细胞丰度Tab.1 In situ seawater phytoplankton species composition and cell abundance in Sanggou Bay

实验期间，硅藻细胞丰度变化范围为0.96×103～1.62×103cells/L。第7 d 时HS 组的硅藻细胞丰度最高。从第1 d 开始，HS 组硅藻细胞丰度显著高于对照组，从第3 d 开始，LS 组硅藻细胞丰度显著高于对照组（P＜0.05）；至实验结束，LS 组和HS 组的硅藻细胞丰度分别比对照组增加了53.53%和69.77%（图5-A）。

图5 实验围隔水体硅藻细胞丰度变化特征Fig.5 Characteristics of diatom cell abundance changes in the seawater of the experimental enclosures

硅酸盐加富对小新月菱形藻、小环藻、圆海链藻等硅藻的促生长效果明显（图5-B、C、D）。小新月菱形藻细胞丰度增加显著，其丰度变化范围为0.07×103～0.39×103cells/L；实验期间HS 组显著高于对照组（P＜0.05），与对照组藻细胞丰度相比平均增加181.69%（图5-B）。从第1 d 开始，HS 组小环藻细胞丰度显著高于对照组，从第5 d 开始，LS 组硅藻细胞丰度显著高于对照组（P＜0.05）；至实验结束，LS 组和HS 组的小环藻细胞丰度分别比对照组增加了200.00%和228.54%（图5-C）。实验初期，圆海链藻的细胞丰度较低，为0.04×103cells/L，实验期间，与对照组相比，LS 组和HS 组藻细胞丰度增加明显，至实验结束，LS 组和HS 组的圆海链藻细胞丰度分别为0.16×103cells/L 和0.19×103cells/L，分别比对照组增加了174.87%和224.79%（图5-D）。

各实验组间不同浮游植物物种多样性指数变化不大，无显著性差异（P＞0.05，图6-A）。各实验组的均匀度无显著性差异（P＞0.05，图6-B）。LS组和HS 组物种丰富度指数与对照组间差异性显著（P＜0.05，图6-C），从第1 d 开始，HS 组丰富度指数显著高于对照组；从第5 d 开始，LS 组丰富度指数显著高于对照组。

图6 围隔实验多样性指数、均匀度与丰富度指数Fig.6 Diversity index,evenness index and enrichment index of phytoplankton in the seawater of the experimental enclosures

3 讨论

硅藻是沿海浮游植物的主要类群，目前已知种类超过20 000 种，约占沿海浮游植物物种丰富度的75%，贡献了约20%的全球初级生产力[1,17]。实验期间，硅藻细胞丰度变化范围为0.96×103～1.62×103cells/L，与刘萍、侯兴等关于桑沟湾春季浮游植物细胞丰度的研究结果一致[18，19]。春末桑沟湾硅藻等浮游植物细胞丰度较低的原因除了温度影响以外，可能由于硅酸盐的限制，影响近海浮游植物类群主要优势种硅藻的生长[12]和春季滤食性贝类快速生长，摄食活动的增强影响桑沟湾贝类养殖区的浮游植物细胞丰度。

本研究中，LS 组和HS 组的硅藻细胞丰度比对照组分别增加了53.53%和69.77%，表明硅酸盐加富可显著促进桑沟湾春季硅藻类浮游植物的生长，而硅藻细胞丰度的增加势必会对海水营养盐的结构产生影响。已有研究发现，藻类健康生长及生理平衡所需的氮磷硅原子比率为16∶1∶16，高DIN或者高DIN/P 有利于甲藻生长,而低DIN/Si 或者高硅酸盐含量有利于硅藻在与甲藻的竞争中占据优势[21]。实验中，人为硅酸盐添加增加DIN/Si 和硅酸盐浓度有利于硅藻在与甲藻的竞争中占据优势，但同时，根据Redfield 规律，任何一种营养盐加富，都可能导致其他营养盐浓度降低。因此，需注意磷酸盐等其他营养盐浓度的变化，避免春季添加硅酸盐的同时，产生其他营养盐限制浮游植物生长的现象。

外源物质的添加对浮游植物群落结构的影响可从两方面评判。一方面，添加硅酸盐并未影响2021 年桑沟湾春季近海浮游植物群落结构优势种组成的变化，可显著促进小新月菱形藻、小环藻、圆海链藻等优势种的生长，尤其是小新月菱形藻，藻细胞丰度比对照组增加了181.69%。小新月菱形藻等硅藻繁殖速度快，细胞内富含多不饱和脂肪酸，是水产经济动物良好的生物饵料[20]。因此，添加硅酸盐对小新月菱形藻等硅藻的促生长作用可为贝类提供更多优质的天然饵料。

另一方面，本研究中至实验结束，LS 组和HS组小型浮游植物的叶绿素a 浓度比对照组分别提升了95.66%和52.90%，第7 d 时LS 组和HS 组微型浮游植物叶绿素a 浓度分别是对照组的2.34 倍和7.50 倍。这表明硅酸盐加富可显著提高小型浮游植物和微型浮游植物的生物量；而硅盐加富并未影响微微型浮游植物的生长，各围隔单元之间叶绿素a 浓度无显著性差异（P＞0.05）。RIISGARD[14]、CRANFORD[15]和李凤雪等[16]的研究表明，滤食性贝类的截留效率与食物粒径大小密切相关。滤食性贝类如长牡蛎能够有效截留50%以上粒径大于3 μm的颗粒、100%截留粒径大于7 μm 的颗粒物。本研究中通过硅酸盐加富所提高的小型浮游植物和微型浮游植物粒径正处于滤食性贝类的最佳摄食粒径范围内，这或许可以提高春季滤食性贝类对颗粒物的截留效率，提高贝类的生长速率。

营养盐的含量和结构对浮游植物群落结构和初级生产力水平具有重要影响。营养盐缺乏会限制浮游植物的生长和繁殖，过高或结构失衡则会影响浮游植物群落结构稳定，甚至会引发赤潮等灾害[22,23]。基于此，后续开展不同硅酸盐加富对硅藻优势种扩培的影响研究，寻求硅元素补充的合适浓度，并寻求向自然海域补充硅元素的硅酸盐的合适替代物，以期在保证生态安全、维持营养盐结构动态平衡和生态系统平衡的条件下，为后续探索养殖水域关键时段硅元素补充策略、研发浮游植物初级生产力提升技术，进而提高贝类养殖容量的可能性提供基础数据和有价值的参考。