2018, Vol. 42
文章信息
- 张璐璐, 韩秋影, 史云峰, 赵牧秋. 2018.
- ZHANG Lu-lu, HAN Qiu-ying, SHI Yun-feng, ZHAO Mu-qiu. 2018.
- 富营养化和海水盐度对日本鳗草生物量和碳氮含量的协同影响
- Synergistic effects of eutrophication and salinity on biomass and carbon and nitrogen contents of Zostera japonica
- 海洋科学, 42(12): 55-61
- Marine Sciences, 42(12): 55-61.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20180613002
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文章历史
- 收稿日期：2018-06-13
- 修回日期：2018-07-03
2. 海南热带海洋学院, 海南 三亚 572022
2. Hainan Tropical Ocean University, Sanya 572022, China
海草是广泛分布于温带和热带海域的沉水性被子植物, 通常生活在潮间带和潮下带浅水区[1], 具有发达的根系和地下茎。海草不仅能净化水质、减缓水流、固定底质, 而且可以为多种海洋生物提供栖息地、育幼场所和食物来源[2]。日本鳗草是沼生目大叶藻科、大叶藻属植物, 在温带地区分布广泛, 主要生长于潮间带上部区域[3], 为多年生被子植物, 既可以通过地下茎无性繁殖, 也可以通过种子萌发进行有性生殖[4]。近年来, 世界范围内海草衰退严重, 全球气候变化和人类活动引起的近岸水体富营养化和盐度变化已对海草床造成负面影响, 被认为是引起海草衰退的主要原因[5]。近岸河口淡水输入以及降雨事件会引起海草生长的近岸海域盐度下降[6]; 径流量的增加还会改变水体层化分布, 减少深层水营养盐向表层水的补充[7]。
氮、磷等营养物质对海草和在海草床中生长的生物具有显著影响[8], 例如富营养化导致大型海藻、浮游植物和附生生物等其他海洋生物大量增殖[9], 引发光衰减影响海草光合作用; 生物生长和残体分解导致水体溶解氧不足, 影响海草呼吸作用; 分解产生的有毒物质如硫化物对海草生长有毒害作用[10]。盐度被认为对海草床的健康和长期发展产生潜在的影响。Munns[11]研究发现海水盐度是通过影响海草植物细胞渗透压来影响海草的生理生化结构, 进而影响到海草的生存。Gacia等[12]研究了海水盐度对大洋聚伞藻(Posidonia oceanica)的影响, 发现在高盐度影响过后, 海草叶片中的附生菌类和氮含量较高, 坏疽病爆发的频率也随之升高, 而非结构糖类含量和谷氨酸合成酶活性却随着盐度升高而降低。盐度升高会导致藻类中的耐盐性微藻成为优势种, 从而对海草生态系统产生间接的负面影响[13]。
学术界关于营养盐和盐度对海草的影响分别都有研究, 但是对于营养盐和盐度的协同影响还未见报道。本研究拟通过室内模拟实验就日本鳗草对营养盐和盐度的响应机制进行研究, 以期了解营养盐和盐度对海草生长的影响, 不仅可以丰富我国海草生态学研究, 而且对于海草床健康评估及受损海草床的修复具有一定的指导意义, 可以为保护海草床及其生态功能提供科学依据。
1 材料和方法 1.1 实验材料采集从山东威海天鹅湖采集日本鳗草, 为保持植株完整, 将日本鳗草连同根下深15 cm的沉积物一同挖出放到塑料箱中, 同时在海草床采集沉积物, 带回实验室。回实验室后向塑料箱中加入海水并通入氧气, 室温预培养; 将沉积物冷冻、晒干、网筛备用。
1.2 实验设计以日本鳗草床所在海域的天然海水盐度35为基准, 配置6个盐度梯度: S1: 15; S2: 20; S3: 25; S4: 30; S5: 35; S6: 40, 3个营养盐浓度: Nt1: A; Nt2: 2A; Nt3: 4A(A为海水本底营养盐浓度, 其中NO3–的浓度为3 μmol/L, NH4+浓度为10 μmol/L)共18个设置组合的人工海水。其中盐度配置使用NaCl, MgSO4·7H2O; 营养盐配置使用Ca(NO3)2, (NH4)2HPO3。
一周后将预培养的日本鳗草植株取出, 用海水清洗干净, 从中选取长势良好、湿质量接近且具有两个根状茎节的主枝枝茎进行栽种。向高×直径为10 cm× 10 cm的塑料圆柱体中加沉积物至8.5 cm高, 放入一株选好的日本鳗草枝茎, 生长点指向花盆中心, 加满沉积物, 立即放入装有人工配置海水的培养玻璃缸内, 水深高出海草20 cm; 每个设置养殖海草15株, 保持温度(23±1)℃, 光暗周期12 h, 充氧培养3周。
1.3 数据测定与分析培养结束后从每个玻璃缸中随机选取5株活着的日本鳗草, 将地上部分和地下部分分离, 采用冻干机(Christ ALPHA 1-4 LD)进行冷冻干燥, 称量地上部分和地下部分的干质量; 研磨后采用大进样元素分析仪(Vario Macro cube, Elmentar company, Germany)测定日本鳗草组织内的碳(C)和氮(N)含量, 并计算C/N比值。
采用Excel 2010软件进行数据处理; 用SPSS软件进行统计分析, 采用单因素方差分析检验组织C、N含量以及各环境因素组内差异(P < 0.05);使用OriginPro 8软件进行非线性回归分析。
2 结果与分析 2.1 营养盐和盐度对日本鳗草生物量的协同影响盐度与日本鳗草地上、地下生物量均显著相关(P < 0.05), 且盐度为S5时, 地上生物量最低为(0.006± 0.001)g, 盐度为S5时, 地下生物量最高为(0.015± 0.004) g; 盐度为S1时, 地上生物量最高为(0.018± 0.002) g, 盐度为S1时, 地下生物量最低为(0.007± 0.001) g (图 1a, 图 1b)。营养盐与日本鳗草地上生物量显著相关(P < 0.01), 营养盐浓度为2A时, 相同盐度条件下, 地上生物量均高于其他浓度时的地上生物量(图 1a), 营养盐与地下生物量无显著相关性。营养盐和盐度对日本鳗草地上生物量有协同影响(P < 0.01)。由图 1c可知日本鳗草总生物量整体无明显趋势, 可能是实验周期较短, 其形态学还没有很大变化。根据上述不同浓度的营养盐和盐度对日本鳗草生物量的影响分析, 发现日本鳗草地上生物量与地下生物量的比值随盐度升高整体呈现下降趋势(图 1d), 使用OriginPro软件进行非线性回归分析, 做出拟合曲线及其对应的方程式(图 2, 表 1), 可知海草地上生物量与地下生物量的比值呈下降趋势, 但在盐度为S5时出现最小值。
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| 图 1 不同营养盐和盐度条件下日本鳗草生物量 Fig. 1 Biomass of Zostera japonica in different nutrient and salinity conditions 注: S1: 15; S2: 20; S3: 25; S4: 30; S5: 35; S6: 40;下同 |
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| 图 2 日本鳗草地上生物量与地下生物量比值的拟合曲线 Fig. 2 Fitted curve of the aboveground and underground biomass ratio |
| 处理 | A | B | C | n | R | 地上生物量/地下生物量最小值 | 地上生物量/地下生物量最小时对应盐度 |
| Nt1 | 0.00207 | –0.111 | 2.08 | 6 | 0.863881 | 0.60 | 26.70 |
| Nt2 | 0.00572 | –0.377 | 6.79 | 6 | 0.978478 | 0.56 | 32.99 |
| Nt3 | 0.00439 | –0.278 | 4.89 | 6 | 0.936397 | 0.49 | 31.67 |
盐度与日本鳗草地上部分C、地下部分C的百分含量均显著相关(P < 0.01), 盐度为S5时地上部分C含量出现最低值, 为(21.072±1.061)%(图 3a)。盐度为S3时地下部分C含量出现最低值, 为(10.633±1.071)% (图 3b)。营养盐浓度为Nt1时, 地上部分C含量和地下部分C含量的最高值均在盐度S2时出现(图 3a, 图 3b)。营养盐与日本鳗草地上部分C含量显著相关(P < 0.01), 与地下部分C含量无显著相关性。营养盐和盐度对日本鳗草地上部分和地下部分C含量均有协同影响(P < 0.01)。
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| 图 3 不同营养盐和盐度条件下日本鳗草组织含C量 Fig. 3 Zostera japonica C content in different nutrient and salinity conditions |
与营养盐相比, 日本鳗草地上部分N含量受海水盐度的影响更为显著。使用OriginPro软件进行非线性回归分析, 发现随海水盐度的增加, 地上部分N含量呈线性降低趋势(图 4a, 图 5), 与盐度变化具有显著相关性(P < 0.01), 与营养盐无显著相关(图 4a); 地下部分N含量变化无明显趋势, 与盐度变化显著相关(P < 0.01), 最低值出现在S3~Nt3时[(0.316±0.079)%], 营养盐浓度分别为Nt1和Nt2时, 最低值均出现在盐度为S5时[(0.416±0.191; 0.350±0.065)%](图 4b)。营养盐和盐度对日本鳗草地上部分和地下部分N含量均无协同影响。
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| 图 4 不同营养盐和盐度条件下日本鳗草含N量 Fig. 4 Zostera japonica N content in different nutrient and salinity conditions |
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| 图 5 日本鳗草地上部分N含量拟合曲线 Fig. 5 Fitted curve of the aboveground N content |
日本鳗草地上部分C/N比值与盐度显著相关(P < 0.01), 且总体随盐度增加而升高, 与营养盐无显著相关(图 6a); 地下部分的C/N比最低值出现在盐度为S4时(33.007±3.998, 图 6b), 与营养盐浓度无关; 观察图 6c可知, 日本鳗草组织总C/N比值随盐度升高整体呈上升趋势, 对其进行非线性回归分析使用OriginPro软件作拟合曲线(图 7), 可知随海水盐度升高日本鳗草总C/N比值线性升高。
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| 图 6 不同营养盐和盐度条件下日本鳗草C/N Fig. 6 Zostera japonica C/N content in different nutrient and salinity conditions |
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| 图 7 日本鳗草C/N比值拟合曲线 Fig. 7 Fitted curve of Zostera japonica C/N ratio |
本研究中, 营养盐浓度为Nt1时, 地上部分C含量随盐度升高而降低(图 3a), 地上生物量随盐度升高而降低(图 1a)。由图 2可知, 随盐度升高, 日本鳗草地上生物量与地下生物量比值整体下降。陈玉等[14]研究发现, 海水盐度与海草叶碳含量显著负相关, 而植物细胞中的碳储备量会对海草生物量产生影响[15]。盐度的变化会直接改变植物的生理生化过程, 从而影响其代谢、生长、发育和繁殖[16]。当盐度约为30时, 日本鳗草地上生物量/地下生物量比值最小(0.49, 表 1)。盐度30接近自然海水中的盐度, 此时地上生物量/地下生物量的比值最低, 说明此时光合作用产生的碳水化合物, 可能由地上部分向地下部分进行了转移、存储。通常当海草的光合作用效率较高且产生较多碳水化合物时会产生这种现象[17]。贫营养盐条件下, 营养盐是限制海草生长的主要环境因素; 但在富营养盐条件下, 过高的营养盐浓度会对近岸的海草生态系统产生直接和间接的负面影响[18]。本研究中盐度小于30时, 地上生物量/地下生物量比值大小在营养盐浓度Nt2时最高, Nt1时最低。说明有盐度限制时, 适当的提高营养盐浓度有利于海草叶片进行光合作用, 储存碳水化合物, 增加自身生物量。在高盐极端环境下, 水生植物的光合作用和呼吸作用常受到抑制, 盐度的增加可导致植物体内叶绿素含量下降和酶活性降低, 并造成一些幼苗死亡[19]。本研究中盐度高于30时, 地上生物量/地下生物量比值大小在营养盐浓度Nt1时最高, Nt3时最低。说明高盐条件下随着营养盐浓度的升高, 海草进行光合作用产生的碳水化合物被消耗用来吸收高浓度的营养盐, 海草整体植株的碳需求超过光合固定碳, 不利于其地上部分的生长。Atkinson等[20]研究发现, 无论海草床处于高盐或低盐的条件下, 都需要大量能量来维持细胞内渗透压和细胞膜完整性, 从而对海草床健康产生影响。
3.2 营养盐和盐度对日本鳗草碳氮含量的协同影响碳、氮是植物生长的必需元素, 是组成海洋生态系统物质循环的基础[21-22]。海草可以通过地上组织和地下组织从海水和沉积物间隙水中吸收营养盐维持自身的新陈代谢[13]。海草地下组织储存了大部分的非结构性碳水化合物, 不仅可以最大限度地减少食草动物啃食和叶片脱落所引起的碳损失, 而且可以确保地上组织老化后有足够的碳水化合物来支持海草生长[23]。其中, 温带海域海草地上组织和地下组织的非结构性碳水化合物平均百分含量分别为15.57%和19.7%, 相差较小[24]。本研究中日本鳗草地上组织和地下组织的碳平均含量分别为干重的24.7%和16.6%, 地上组织碳含量明显高于温带地区海草平均值, 可能是因为培养周期短, 海草还没有进行碳存储。我们的研究发现, 盐度对海草组织中的碳氮含量均有显著影响。且随着盐度的升高, 地上组织N含量显著降低(图 5), 地上C/N比值显著升高(图 7)。盐度变化会引起组织细胞内渗透压发生改变, 海草通过调控碳水化合物使内部环境达到平衡, 改变碳在组织内的分布[25-26]。高盐海水还可以导致海水浊度升高, 降低海草床的光照强度, 从而抑制海草的光合作用, 改变海草组织内部碳平衡[27]。由于环境中的营养盐对海草组织中的碳含量没有大的直接影响[9, 28], 而氮含量对营养盐变化响应积极[29], 因此海草组织碳含量和营养盐的相关关系主要是通过碳和氮之间的相互作用间接实现的[14]。硝酸盐的吸收, 要消耗存储的碳来形成氨基酸, 海草硝酸氮还原酶的活性也受到叶子可利用的溶解碳水化合物浓度的影响[17, 30]。本研究中, 营养盐和盐度对海草地上部分和地下部分C含量均有协同影响, 原因可能为:营养盐和盐度会协同影响海草的固碳能力, 并同时影响其对硝酸盐的吸收。
4 结语通过本研究我们发现, 在不同的营养盐和盐度梯度条件下, 海草地上生物量和地下生物量的比值以及海草组织中的C、N含量对于明显响应。可以通过监测地上生物量和地下生物量、组织C、N含量, 分析环境因素对于海草的影响, 因此, 上述指标可以广泛用于海草生态系统的健康评估[14-15]。营养盐和盐度对光合作用具有协同抑制作用, 其长期影响将对海草床生产力造成较大的不利影响, 进而对其它海洋生物构成威胁, 影响海域的生态平衡。因此在以后的海草生态学研究中, 除了某些单一因素的影响外, 应更多关注重要影响因子之间的协同影响, 以提供更多的环境问题解决方案和最优的海草床生态健康评价指标。
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