上海海洋大学2011届毕业设计（论文） 长江口关键站位潮汐周期内浮游植物粒径变动研究长江口关键站位潮汐周期内浮游植物粒径变动研究摘要：根据2006年8月、12月、2007年5月和10月长江口关键站位不同时间和潮汐状况所进行的长江口浮游植物采样，对所采样样品进行了种类鉴定和生物量分析，测定了浮游植物形体的生态参数，探讨研究了浮游植物的粒径分布，并重点对浮游植物粒径和24小时潮汐周期内的潮汐状况关系进行了相关性研究。结果表明：涨潮时，浮游植物粒径增大；落潮时，浮游植物粒径减小。关键词：长江口；浮游植物；潮汐周期；粒径The research on phytoplankton particle size variation within tidal cycle in the key station of The Yangtze River estuaryAbstract：According to the sampling of phytoplankton collected at the key station within different time and tidal conditions, the species were identified and biomass were analyzed in the Yangtze River estuary during August and December 2006, May and October 2007. Focusing on determination of the linear diameter of the sampling., we were carried on emphasis studied on the relationship between size of phytoplankton and tidal conditions in 24-hour tidal cycle. The results showed that the particle size increased at high tide, while decreased at low tide.Key words：Yangtze River estuary ; phytoplankton; tidal cycle ; particle size1引言海洋浮游植物是海洋生态系统中重要的初级生产者，作为海洋食物网结构的基础环节，在海洋生态系统的物质循环和能量转化过程中起着重要作用。浮游植物通过光合作用吸收CO2，能改变海洋大气界面的碳通量，从而参与大气CO2含量的调节，可缓解由大气CO2含量升高引发的温室效应。某些浮游植物生长过程中向周围环境中释放二甲基硫（DMS），进入大气后被氧化成非海盐硫酸盐（NSS-SO4-）和甲基磺酸盐（MSA），可以充当云的凝结核；所以海洋中大量DMS进入大气后会直接增加云凝结核的密度而形成更多的云层，增加太阳辐射的云反射，降低地球表面温度，这是与温室效应相反的过程5。以往的浮游植物现存量通常是由细胞数量来表示的，并建立了浮游植物动力学的基本数据；现存量是随着海水深度、季节和地域而变化的，以及存在着种类的交替过程。因为浮游植物种内和种间细胞大小的不同，尤其是不同种浮游植物细胞大小的不同，在研究海洋生态系统动力学过程中单纯用浮游植物的细胞数量来反映海域浮游植物现存量是有问题的，存在着比较大的缺陷和误差。常常发现在数量上相对不重要的种，在生物量上有可能会很重要，原因是他们的生物个体通常很大，因此，用细胞数量来表示现存量会过高估算细胞体积小的种类的贡献，而过低估算细胞体积大的种类的贡献。而且，细胞数量对于浮游植物现存量在食物链和营养对策等方面的分析所起的作用也是有限的，重要的还是碳含量、氮含量等有关指标。因此浮游植物生物量的计算比细胞数量的测算显得更为重要。除了对浮游植物数量的关注之外，有很多关于对某海域叶绿素A的研究，但是随着研究的深入，后来Banse，de Jonge， Gieskes和Kraay等1又证明了叶绿素A估算浮游植物生物量是不可靠的，因此单纯靠对叶绿素A的研究同样是具有一定缺陷的。为了弥补上述研究方法的不足和缺陷，近来很多科学家认为利用粒径对浮游植物进行更深入的研究可以揭示海洋生态系统中内在的能量流动，即把海洋中的生物，从微生物和单细胞浮游植物到浮游动物、直至鱼类和哺乳类，都视为“颗粒”，并以统一的相应球型直径（equivalent spherical diameter, ESD）表示其大小，那么，某一特定生态系统各粒度级上的生物量分布将遵循一定的规律，即顺营养层次向上总生物量略有下降。若把粒度级按一定的对数级数排序，这种生物量在对数粒级上的分布就称为粒径谱（particle-size spectra）。粒径谱的提出是生态学上的一个重要里程碑，使得以往对纷繁复杂的营养级和生态系统各个种类之间的物质循环和能量传递的研究成为可能。粒径谱理论以生态学的观点和方法从总体上宏观的研究不同海洋生态系统的状态和动态及其机制和影响因素，同时还可以比较不同类型生态系统的差别。由于平衡和稳定的生态系统的粒径谱是一条直线，就可以根据该生态系统特征的粒径谱，从某一粒度级的生物量去推算其他粒度级的生物量或产量。当然，这是一种宏观的估计，但说明粒径谱有着广阔的应用前景。2 目前国内外测量粒径的方法及优缺点海洋浮游植物粒径大小可以分别采用细胞直径或半径、体积或表面积表征，目前测量浮游植物粒径的方法主要包括显微测微计法、图像分析法、库尔特记数法、流式细胞仪法和酸碱滴定法等。显微测微计法是测量海洋浮游植物粒径的经典和基准方法，主要是利用光学、电子显微镜的放大功能，以目镜测微尺为标尺测量（染色）浮游植物细胞的各种几何形态线性参数（如球体的直径，椭球体的长轴和短轴等），然后根据相关的几何公式计算细胞的体积、表面积和等效直径或半径等。由于浮游植物细胞的几何形态不规则，而且种间差异很大10，所以选择合适的几何形状计算公式是准确计算细胞体积等的关键。更重要的是，尽管同一种浮游植物有相同的几何形状，但细胞大小差异很大，因此测量足够数量的细胞不仅是得到准确并具有统计意义的粒径数据的关键3，而且也是测量浮游植物粒径分布所必需的。 图像分析法（Imagine analysis）是在显微测微计法基础上应用图像分析学原理发展起来的一种自动测量方法4，主要是根据细胞几何形态的图像信息，利用相关计算机软件测量浮游植物粒径，如细胞面积、周长、长度等。库尔特法主要是利用浮游植物细胞在通过恒电流电极体系时，由于瞬间取代相等体积电解液而导致电极间电位差变化的原理测量细胞体积。该方法不仅可简便地直接测量细胞体积及其分布，而且根据细胞为球形的假设可得到其等效球径和表面积。流式细胞法主要是根据在流体作用下，细胞散射光大小和角度差异确定浮游植物粒径。流式细胞法可同时测量单个细胞的几何形状、内部结构、荧光特性和DNA组成等，并据此可进行种类鉴定。 以上四种方法各有其优缺点，显微测微计法具有直观的优点，但其工作量大，耗时较多。对于图象分析法，尽管目前人们已应用此法测量海洋浮游植物粒径，但是由于该方法难以实现有统计学意义上的多个细胞测量，难以直接给出其粒径分布，所以在一定程度上限制了这种方法的应用。由于细胞可压缩性和导电性等原因，库尔特法对于不规则的非球体细胞（如带有鞭毛的细胞、表面有沟壳的细胞等）的测量结果可能偏低。目前商品化的库尔特计数仪的粒径测量范围一般为l120m，已在海洋浮游植物和浮游动物等粒径测量中得到了广泛的应用。而对流式细胞法而言，尽管商品化流式细胞仪自20世纪80年代已在水生生物学研究中得到应用，但是目前一般只能测量50m以下的细胞，而且存在不同种类浮游植物所需不同染色剂之间相互干扰，前处理中会损失部分细胞，以及仪器昂贵等问题。根据实验室条件以及各方面因素综合考虑，本文试验采用的是显微测微计法。用此法测量足够数量的细胞获得的粒径数据更具有实际的统计意义，也更直观的反映了长江口浮游植物的粒径分布。3 海洋浮游植物粒径组成及其影响因素由于海域位置，水文（如水温、盐度、流场等）和气象条件（如气温、辐射场），营养盐水平等差异，不同海区浮游植物群落结构、种类组成、生物量、初级生产力水平及其时空分布特征等都存在着很大差别。这些差别在很大程度上可以应用浮游植物粒径组成及其分布表征，这样根据细胞粒径大小可以将浮游植物划分为超微型（Pico）、微型（Nano）、小型浮游植物（Micro），Pico粒径一般为0.23m，Nano为320m，小型为20200m5。Pico级是最重要的初级生产力的贡献者，在NO3-N浓度低于lmmol/L的海域，Pico级浮游植物将成为优势种群。在近海海域，随着营养盐浓度的变化，不同粒径的浮游植物对初级生产力的贡献变得较为复杂，总体上讲，Nano和Micro级浮游植物对初级生产力的贡献比大洋区有所增加，但是Pico级浮游植物仍然是重要的贡献者。据报道，北部湾Nano和Pico级对初级生产力的贡献合计达90以上，而Micro级仅占96。象山港Pico级浮游植物对初级生产力的贡献达11，Nano级达82，而Micro级达117。Lee Chen对东海南部的大陆架区、上升流区及黑潮区等三个有代表性海域的粒径分级初级生产力进行了比较系统的研究。结果表明，在黑潮区NO3-N浓度几乎未检出，Pico级浮游植物对初级生产力的贡献为5483，占绝对优势，Nano级占914，Micro级占832；在大陆架区NO3-N浓度在0.10.7mmolL之间，Pico级占2764，Nano占19，而Micro占1754，并且随NO3-N浓度增加，Nano和Micro级对初级生产力的贡献有所增加，而Pico则有所减少；在有上升流的海域，NO3-N浓度增加到0.122.00molL，Micro级对初级生产力的贡献大大增加，可达68，而Pico最大仅为36。河口和沿岸海域各粒级浮游植物对海洋初级生产力的贡献随地域、季节的变化而不同，例如珠江口海域由于存在P，Si的限制，Nano和Pico级的贡献仍占主要地位，Micro级对初级生产力的贡献在冬夏两季分别为29和108，而在营养丰富的河口和沿岸水区域，生产力主要由较大的Micro级浮游植物贡献。在温度较低的南极普里兹湾，各粒级浮游植物对初级生产力的贡献分别为Micro为69，Nano为21，Pico为109，由此可见，温度也是影响浮游植物粒径分布的重要因素。海洋浮游植物细胞粒径在不同生命时期是不尽相同的，例如，在整个生命周期过程中，硅藻（Rhizosolenia setigera）随着细胞分裂和繁殖，细胞体积持续减小，当减小到某个临界值时，细胞繁殖通过产生复大孢子由简单的分裂转变为有性生殖，并且其细胞体积也达到最大状态。浮游植物细胞粒径不仅在不同生命时期表现出一定的差异，而更重要的是，营养盐水平等化学环境，污染物浓度等水质环境条件，以及光照等气象条件等都在相当大程度上影响浮游植物粒径大小。例如，应用海洋围隔生态系实验研究表明，在营养盐（NO3-N和PO4-P）限制条件下，浮游植物体积较小，而随着营养盐浓度增加，浮游植物体积逐渐增大2。这似乎说明，小粒径浮游植物更适应低营养盐环境，而高营养盐环境更能满足大粒径浮游植物生长。石油烃、重金属等化学污染物对浮游植物粒径可产生重要影响，石油烃可促使浮游植物粒径增大，这可能主要是由于石油烃的毒性效应，抑制了细胞的分裂和生长10，由此导致浮游植物细胞粒径增大。最新的研究表明，在一定条件下伴随浮游植物细胞密度的减小，可能导致细胞粒径的增