米氏凯伦藻,隶属甲藻纲、裸甲藻目、凯伦藻属,主要分布在世界各地的浅海海岸,包括南大西洋沿岸,北美海岸,以及从挪威到西班牙的欧洲海岸和中国沿海,是典型的有毒有害甲藻.我国较大规模的米氏凯伦藻赤潮首次发生于1998年的香港外珠江口邻近海域;自2002年以来,米氏凯伦藻赤潮在我国长江口邻近海域、东海沿岸海域至珠江口邻近海域几乎连年暴发[1,2].平潭海域米氏凯伦藻赤潮于2007年6月11日首次被记载,该赤潮历时3天,造成了500万的经济损失.2012年,福建沿海海域共暴发了11起米氏凯伦藻为主导的赤潮,累计面积约达360km2,导致福建省福州、平潭、泉州等地海域大量养殖鲍鱼死亡[3],经济损失达20.11亿元[4],其中平潭海域经济损失约6.3亿元.2019年5月,平潭海域同时发生了东海原甲藻,米氏凯伦藻及夜光藻三相藻赤潮,导致养殖鱼类大量死亡.目前,米氏凯伦藻造成水生生物死亡机理尚未清楚,一般认为造成生物死亡原因主要是分泌毒素、产生粘液和造成水体低氧,其中毒素成分包括溶血性毒素、活性氧和细胞毒素等[5,6,7,8].

现有研究对米氏凯伦藻的细胞特征、毒理效应有了初步研究,但全球对于其形成机制尚不明确.国内外学者普遍认为除具备“种源”之外,各种环境因素的协同作用会对米氏凯伦藻增殖产生影响.KazuhiroAoki等研究发现米氏凯伦藻更易于聚集在光照强度弱的水层[9];SongShuqun等发现在低硝酸盐、低磷酸盐、低浊度以及特定温盐范围的水层里易发生米氏凯伦藻藻华[10];丁光茂等结合野外调查与实验室培养实验研究,发现米氏凯伦藻赤潮形成和维持的重要因素是稳定的水文气象条件、无机氮输入和较低光照[11];杨昀等对比分析2011～2013年3-5月福建近岸的温盐条件和上升流等水动力条件,发现2012年福建近岸海域整体偏暖以及由东北风带来稳定水体向岸流动,为米氏凯伦藻赤潮形成提供了稳定、适宜的环境条件[12].

目前,关于纯种米氏凯伦藻增殖实验模拟探究已经取得很大的进展,但对自然海区米氏凯伦藻增殖过程的研究尚不足.本文通过对2018年5-6月福建平潭海域米氏凯伦藻增殖过程的连续观测和分析,探讨环境因子对米氏凯伦藻增殖的影响,为米氏凯伦藻赤潮的发生机制及其预警、预测提供参考.

1、材料与方法

1.1平潭海域水样采集

2018年5～6月对福建平潭海域米氏凯伦藻发生情况进行连续监测,共布设流水、苏澳和东澳3个赤潮监测站位(表1和图1),每个监测站位设2个监测点,共6个监测站点.2018年5月31日至6月15日米氏凯伦藻细胞密度占据一定优势,并对其进行历时16天的监测.水样采集时间为每天上午10点左右,浮游植物样品用2.5L采水器采集上覆水,倒入1L的广口瓶中,用15%的鲁格试剂固定,同时上标签,标明时间、采样点,运输过程中将水样保存在黑暗和4℃温度下.每个监测站位数据分别为2个监测点数据的平均值.

表1平潭海域监测站位经纬度

1.2各个指标的测定

1.2.1水文指标

水温采用便携多参数测量仪(奥利龙520M—015—STAR)进行现场测定.盐度采用光学盐度计进行现场测定.叶绿素a浓度按照海洋调查规范进行样品的处理和分析.

浮游植物种类和丰度:根据《中国近海赤潮生物图谱》和《中国海洋浮游硅藻类》,进行不同藻种鉴定和计数,4月至6月期间分别观测到中肋骨条藻、夜光藻、东海原甲藻、米氏凯伦藻、短凯伦藻等.取样鉴定前将加鲁格试剂的样品摇匀,用微量进样器从中取0.1mL,滴入20mm×20mm浮游植物计数框中,盖上盖玻片,在OlympusBX51光学显微镜下进行种类鉴定和计数.计算公式如下:

N=(AA0×VSV×1)×n

式中N为每L水样中所含浮游植物的数量(cells),A为计数框面积(mm2),A0为计数面积(mm2),Vs为1L原水样浓缩后用来计数的样品体积(mL),V为计数框的体积(mL),n为计数结果所得浮游植物的平均值.

图12018年5-6月平潭海域监测站位示意图

1.2.2气象指标

除了现场监测水温、盐度等数据外,还收集了自福建省海洋预报台浮标数据以及中国南极长城站的气压数据.

1.3数据分析方法

利用SPSS25.0分析软件对米氏凯伦藻细胞密度与气温、压强、降雨、风力、盐度、水温、浪高、叶绿素a8个环境因子进行Spearman相关性分析,利用Origin2018分析软件对该8个环境因子进行主成分分析(PCA).

图22018年5-6月平潭海域不同监测站位米氏凯伦藻细胞密度时空分布

2、结果与分析

2.1米氏凯伦藻密度时空分布

对鲁格试剂固定的水样进行实验室显微镜镜检,结果发现5月31日平潭海域米氏凯伦藻细胞密度占据一定优势,流水监测站位、东澳监测站位和苏澳监测站位米氏凯伦藻细胞密度分别为8.0×104、3.0×104、1.5×104cells.6月4日米氏凯伦藻成为平潭海域的第一优势种并开始大量增殖.6月7日至6月11日,流水监测站位和苏澳监测站位米氏凯伦藻细胞密度大于1×105cells,最接近赤潮基准密度1×106cells,且呈上升趋势,在11日两监测站点藻密度均达到峰值分别为7.1×105cells和8.5×105cells,之后呈下降趋势.东澳监测站位米氏凯伦藻细胞密度总体偏低.从空间分布来看(图2),藻细胞密度最高为苏澳监测站位,其次为流水监测站位.

2.2米氏凯伦藻增殖期间主要气象要素情况

在5月24日至5月30日,风速呈下降趋势(图3),5月25日为最高值8.5m·s-1,5月29日为最低值3.6m·s-1,5月30日风向由西南风转为东北风,且风向一直维持在北风或东北风,多为阴天或多云天气.在米氏凯伦藻增殖期间,平潭海域最大风力保持在10.4m·s-1(6月8日),次高出现在6月11日,达到10.2m·s-1,其次是6月13日,其余时间基本维持在3.4～7.9m·s-1,风向主要为东北风,多为多云天气.与之相对应的气温波动不大,维持在25℃左右,平均湿度86.5%.通过对本次米氏凯伦藻增殖过程的气象监测发现,5月27日至6月1日均有降雨,且为小雨.

图32018年5-6月平潭海域监测点日

平均气温和最大风速过程曲线图

图32018年5-6月平潭海域监测点日平均气温和最大风速过程曲线图

2.3米氏凯伦藻与环境因子的关系分析

运用SPSS25.0统计软件对2018年5月31日至6月15日平潭海域米氏凯伦藻细胞密度与气温、压强、降雨、风力、盐度、水温、浪高、叶绿素a环境因子进行了相关性分析;结果显示(表2),米氏凯伦藻细胞密度与气温、水温、叶绿素a呈极显著正相关,与盐度、压强呈极显著负相关.

表2平潭海域3个监测海湾各指标因子间的Spearman相关关系

注:*表示显著相关(p<0.05,2-tailed),**表示极显著相关(p<0.01,2-tailed).

2.4米氏凯伦藻密度与盐度的关系分析

图42018年5-6月平潭海域3个监测海湾盐度与水温过程曲线

5月27日至6月1日由于持续降雨,盐度呈下降趋势(图4),6月4日至6月11日,盐度波动不大,维持在28.4～28.9之间.根据米氏凯伦藻细胞密度与盐度散点图关系(图5),适宜米氏凯伦藻生长的盐度范围为28.4～30.0,且最高藻细胞密度出现在28.9.当盐度大于31.0时,其生长受到一定程度的抑制.

2.5米氏凯伦藻密度与水温的关系分析

5月底(24-30日)平潭海域水温在23.5℃上下波动(图4),该水温是甲藻类生物生存的适宜范围.之后,水温从5月30日呈上升趋势,最高为6月9日24.8℃,上升了0.7℃.从图6与图2中发现,平潭海域米氏凯伦藻适宜增长的水温范围在23.5～25.0℃,6月11日流水监测站位与苏澳监测站位米氏凯伦藻细胞密度达到峰值,对应水温为24.7℃.

2.6米氏凯伦藻密度与压强的关系分析

6月11日,苏澳监测站位和流水监测站位米氏凯伦藻达到最大密度时的压强为99.9hPa,相对于5月31日气压,降低了0.92kPa,根据Spearman相关性分析结果,米氏凯伦藻细胞密度与气压呈极显著负相关,说明一定的低压条件有利于米氏凯伦藻的增殖.

图52018年5-6月平潭海域3个监测海湾盐度变化

图62018年5-6月平潭海域3个监测海湾水温变化

2.7米氏凯伦藻密度与叶绿素a的关系分析

从图8可知,米氏凯伦藻增殖过程中叶绿素a范围值为1.5～7.2μg·L-1,其最高细胞密度出现在5.6μg·L-1.结果表明,米氏凯伦藻增殖期间,叶绿素a值可在一定程度上客观反映米氏凯伦藻细胞数量.

图72018年5-6月平潭海域气压变化

图82018年5-6月平潭海域3个监测海湾叶绿素a浓度变化

2.8米氏凯伦藻增殖环境影响因子分析

利用Origin2018软件对8个环境因子,16个样本进行主成分分析,各成分的特征值、方差贡献率和方差累计贡献率如表3所示.主成分影响指标变量用特征值表示,若该值小于1,则说明该主成分对指标变量的解释力度不够[13].依据Kaiser-Harrris准则,本文主成分1、2、3的特征值大于1,且这3个主成分的方差累计贡献率为80.18%,因此,本文依此分析确定影响米氏凯伦藻增殖的主导因子.

图9直观显示了各环境因子与主成分1、2、3的亲疏关系,与成分1密切相关的环境因子包括气温、压强、水温、盐度、叶绿素a,说明第一主成分反映的是气象与水文条件共同作用的结果.叶绿素a值变化情况是米氏凯伦藻在该海区的浮游植物群落结构中占据优势所引发的,并非藻增殖的诱因.与第二主成分相关的是风力、浪高,表明米氏凯伦藻大量生长繁殖与潮汐和波浪有关;与第三主成分有关的是降雨.持续的降雨以及由此产生的低盐度及高营养盐的输入是藻类增殖的驱动因素[14].

表3贡献率和累计共贡献率

图92018年5-6月平潭海域米氏凯伦藻增殖环境影响因子主成分图

3、讨论

平潭苏澳镇和流水镇均有鱼类、贝类和海带养殖区,鱼类、贝类等养殖水域中富含高浓度的氮、磷,可加快浮游植物的生长[15,16].米氏凯伦藻的大量增殖可能与水产养殖带来的高氮、磷浓度有关.大型藻类(如海带)能有效降低养殖海域N、P污染,增加海区溶解氧浓度[17].近10年福建沿海有毒赤潮特征研究发现,引发有毒赤潮的藻种主要为米氏凯伦藻.在平潭海域,米氏凯伦藻赤潮主要发生在平潭以北沿海,且大部分在5、6月份形成[18].5月份是平潭海带采收季节,海带的收成减少了对营养盐的竞争,有利于促进米氏凯伦藻的增殖.有关大型藻类海带等对米氏凯伦藻增殖的影响有待进一步深入研究.

Spearman相关分析表明,米氏凯伦藻细胞密度与气温、水温、叶绿素a呈极显著正相关,与盐度、压强呈极显著负相关.主成分分析也得到同样的结果:温度、盐度、压强是米氏凯伦藻增殖过程的主要环境影响因子.稳定的盐度条件有利于藻类保持完整的细胞形态,其对藻类的影响表现在渗透压变化及信号传导上.龙华、杜琦研究2005年福建海域米氏凯伦藻细胞密度与盐度关系发现米氏凯伦藻的适盐范围是27.9～30.5,最高细胞密度出现在28.9～29.7之间[19],本研究结果与以上研究结果一致.

米氏凯伦藻对温度敏感,且只能在比较小的温度范围内大量生长繁殖[20].姚炜民等人在浙江海域米氏凯伦藻赤潮期间分析其藻密度与水温的关系,结果发现水温在23.4℃时米氏凯伦藻密度达到最高值,且最佳水温范围为23.4～23.8℃[21];沈盎绿通过模拟水温季节变化情景,结果发现米氏凯伦藻的最适生长温度为24℃[22];丁光茂、张树峰研究发现2012年三沙湾、福清、长乐及平潭海域米氏凯伦藻赤潮期间的水温范围在22.4～25.0℃,细胞密度峰值出现时水温在23.5℃附近[11].平潭海域2018年4-5月表层水体中以硅藻门中肋骨条藻为优势种,演替为5-6月甲藻门米氏凯伦藻为优势种,而后又演替为6-7月硅藻门以中肋骨条藻为优势种.中肋骨条藻是典型的广温和广盐性硅藻,分布范围广,该种藻适增殖水温范围24～28℃,盐度范围为20～30[23].米氏凯伦藻无细胞壁,对温度、盐度变化极为敏感[20],温度、盐度是促成平潭海域米氏凯伦藻在浮游植物群落结构中占优势的重要环境因子.

赵雪等人对2007年冬季广东省汕头附近港湾及南澳岛附近海湾球形棕囊藻赤潮研究发现,气压持续缓慢下降有利于赤潮藻类的维持[24];马毅等人整理了1980～2004年南海历次赤潮事件结束前后对应的水文气象观测要素,也发现保持一定范围的海温以及适当下降的气压有利于米氏凯伦藻赤潮的形成和持续[25].本结果与以上研究结果一致,平潭海域气压持续缓慢降低可能是此次米氏凯伦藻增殖的重要原因.

4、结论

通过分析平潭海域2018年5-6月米氏凯伦藻细胞密度与环境因子的关系,发现米氏凯伦藻的增殖与盐度、气温、压强、水温呈极显著相关性.米氏凯伦藻增殖的适宜水温范围为23.5～25.0℃、适宜盐度范围为28.4～30.0,低气压可能是米氏凯伦藻增殖和维持的重要原因.在浮游植物群落结构中,米氏凯伦藻增殖并演替为优势种的机理复杂,温度、盐度和气压是重要的环境因子,而营养盐、其他浮游植物种间竞争、浮游动物捕食等的影响,有待进一步深入研究.

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基金:国家重点研发计划资助项目(2016YFE0202100);国家自然科学基金资助项目(41573075).