張翠霞 , 高 歌 李世玥 吳宇佳 王 蕊 吳夢(mèng)瑤 劉澤洋 劉宇軒楊昊達(dá)

(1. 天津科技大學(xué) 海洋與環(huán)境學(xué)院, 天津 300457; 2. 天津市海洋資源與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300457; 3. 天津市海洋環(huán)境保護(hù)與修復(fù)技術(shù)工程中心, 天津 300457)

傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為, 浮游生物食物鏈就是從自養(yǎng)的浮游植物利用無(wú)機(jī)的營(yíng)養(yǎng)鹽, 被浮游動(dòng)物攝食,然后再傳遞到更高的營(yíng)養(yǎng)層次。后來(lái)隨著微食物環(huán)的發(fā)展, 微型浮游動(dòng)物即原生動(dòng)物被考慮進(jìn)來(lái), 成為聯(lián)系浮游植物和浮游動(dòng)物的紐帶[1]; 微型浮游動(dòng)物對(duì)浮游植物有很強(qiáng)的攝食壓力[2], 尤其是在藻華期間[3-4]。如果高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的中型浮游動(dòng)物如橈足類因攝食了微型浮游動(dòng)物, 從而釋放微型浮游動(dòng)物對(duì)浮游植物的攝食壓力, 使得浮游植物增加, 被稱為營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)(TC, trophic cascade)效應(yīng)。相比較于來(lái)自中型浮游動(dòng)物直接的攝食死亡, 間接的營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)增加浮游植物豐度, 降低中型浮游動(dòng)物的攝食率, 從而弱化浮游生物網(wǎng)營(yíng)養(yǎng)傳遞過(guò)程中的下行控制(topdown)的作用[5-6]。

甲藻是微型浮游動(dòng)物的重要組成部分, 營(yíng)混合營(yíng)養(yǎng)方式, 通過(guò)多種策略攝食不同類型和不同粒級(jí)大小的生物, 在浮游生物網(wǎng)的營(yíng)養(yǎng)傳遞和生物泵過(guò)程中發(fā)揮著多重角色的作用[7-9]。甲藻對(duì)食物的攝食選擇不僅跟種類有關(guān), 還跟大小有關(guān), 攝食者與食物的大小比例大約是0.4∶1到7∶1之間[10]。裸甲藻(Gymnodinium sp.)和中肋骨條藻(Skeletonema costatum)都是我國(guó)黃渤海浮游植物典型的代表物種[11-12], 經(jīng)常是形成赤潮的原因物種[13-14]。裸甲藻能夠通過(guò)吞噬營(yíng)養(yǎng)的方式來(lái)選擇攝食隱藻、甲藻和等鞭金藻等[15-16]。Yoo等[16]用透射電鏡證實(shí)了裸甲藻能夠攝食中肋骨條藻, 并通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究裸甲藻對(duì)中肋骨條藻的攝食率。

營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)越來(lái)越引起生態(tài)學(xué)家的重視, 已有的研究大多用來(lái)定性分析或解釋攝食問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[17-19], 但是營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)的大小和對(duì)浮游植物的具體影響還不是很清楚, 這方面的研究還相對(duì)較少[6,20]。因此, 對(duì)營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)的研究便于更深入認(rèn)識(shí)復(fù)雜的食物營(yíng)養(yǎng)傳遞過(guò)程。本研究選擇渤海灣橈足類的典型代表物種雙毛紡錘水蚤(Acartia bifilosa)作為中型浮游動(dòng)物, 以裸甲藻和中肋骨條藻分別作為微型浮游動(dòng)物和浮游植物。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)培養(yǎng)模擬食物鏈中肋骨條藻-裸甲藻和食物鏈中肋骨條藻-裸甲藻-雙毛紡錘水蚤, 來(lái)定量地分析橈足類的攝食選擇性和營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)的大小以及對(duì)浮游動(dòng)物攝食浮游植物的影響, 為自然水體藻華和赤潮的發(fā)生和控制提供重要的科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)。

裸甲藻的等效球體直徑(ESD, equivalent spherical diameter)是 15 μm, 中肋骨條藻的 ESD 為 5.3 μm,兩者單細(xì)胞的大小比例是2.8。為避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中裸甲藻的自養(yǎng)方式對(duì)攝食中肋骨條藻的影響, 實(shí)驗(yàn)前將中肋骨條藻藻液作為食物與裸甲藻混合, 加入僅能維持中肋骨條藻生長(zhǎng)的f/2培養(yǎng)基, 進(jìn)行馴化培養(yǎng)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1.1 藻種的培養(yǎng)與保存

于天津近岸海域(北塘海域)取海水, 使用中性濾紙和普通微孔濾膜(0.8 μm)依次過(guò)濾海水, 并將其高壓滅菌, 配置f/2培養(yǎng)基。在光照培養(yǎng)箱中, 設(shè)置適宜的條件: 光照強(qiáng)度2 000 lx, 光照周期12∶12, 溫度18, ℃培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)所需要的純種中肋骨條藻和裸甲藻的藻液。

1.1.2 橈足類的采集

于天津近岸海域(北塘海域)使用型號(hào)為 PTNS120的浮游生物網(wǎng)(孔徑 112 μm)拖網(wǎng), 收集橈足類保存于500 mL～1 L的玻璃培養(yǎng)瓶中; 立刻帶回到實(shí)驗(yàn)室, 轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)槽中, 添加裸甲藻和中肋骨條藻,置于光照培養(yǎng)箱里, 設(shè)定溫度18, ℃暗光條件下曝氣進(jìn)行馴化培養(yǎng)。

1.1.3 裸甲藻和中肋骨條藻混合藻液的配置和馴化培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)前將純種的藻液混合配置兩份450 mL的混合藻液, 中肋骨條藻的密度 8 273 cells/mL, 裸甲藻密度2 430 cells/mL, 只加入100 mL f/2培養(yǎng)基維持中肋骨條藻的生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)前兩天停止向混合藻液中加入中肋骨條藻, 將上層清液轉(zhuǎn)移出得到高密度的裸甲藻和低密度的中肋骨條藻的混合藻液。

1.1.4 細(xì)胞生物量

通過(guò)細(xì)胞平均體積估算中肋骨條藻和裸甲藻的碳含量[21], 中肋骨條藻的碳生物量是0.010 ng C/cell,裸甲藻的碳生物量是0.347 ng C/cell。

1.2 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)(表1)

1.2.1 裸甲藻攝食中肋骨條藻

在中肋骨條藻處于指數(shù)生長(zhǎng)期時(shí), 分別設(shè)置 6組不同的中肋骨條藻密度梯度(處理組編號(hào)為 1—6,表1), 每個(gè)處理組設(shè)置3個(gè)平行樣, 裸甲藻的密度設(shè)置為100 cells/mL(生物量34.7 ng C/mL), 每個(gè)對(duì)照組設(shè)置兩個(gè)平行樣(對(duì)照組不添加裸甲藻)。藻液加入到 125 mL的聚碳酸酯培養(yǎng)瓶中, 最后添加濃度為f/20的培養(yǎng)基維持中肋骨條藻的生長(zhǎng)。所有的培養(yǎng)瓶置于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng), 每6小時(shí)搖勻一次, 于48 h后進(jìn)行裸甲藻和中肋骨條藻的取樣。

表1 中肋骨條藻、裸甲藻和雙毛紡錘水蚤攝食培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的初始密度及生物量設(shè)置Tab. 1 Initial concentration and biomass of Skeletonema costatum, Gymnodinium sp., and Acartia bifilosa in feeding experiments

1.2.2 橈足類攝食裸甲藻和中肋骨條藻

同時(shí)使用 500 mL的 Nalgene聚碳酸酯培養(yǎng)瓶,設(shè)置5個(gè)不同的中肋骨條藻密度梯度(處理組編號(hào)為A—E, 表 1), 每個(gè)處理組設(shè)置 3個(gè)平行樣。裸甲藻的密度設(shè)置為 100 cells/mL(生物量 34.7 ng C/mL),挑取12只健康活潑的橈足類優(yōu)勢(shì)物種雙毛紡錘水蚤添加到每個(gè)培養(yǎng)瓶中。渤海灣天津近岸海域記錄的雙毛紡錘水蚤最大豐度是34 ind./L[22], 本實(shí)驗(yàn)設(shè)置雙毛紡錘水蚤的初始豐度為 24 ind./L。設(shè)置不添加橈足類的5個(gè)對(duì)照組, 每個(gè)對(duì)照組2個(gè)平行。每個(gè)培養(yǎng)瓶加入50 mL的f/2培養(yǎng)基支持中肋骨條藻的生長(zhǎng)。所有的培養(yǎng)瓶置于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng), 每6小時(shí)搖勻一次, 于48 h后觀察并記錄橈足類的生存狀況,進(jìn)行裸甲藻和中肋骨條藻取樣。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)取樣和樣品分析

兩組實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行培養(yǎng), 48 h后, 每個(gè)培養(yǎng)瓶取樣品 10 mL置于離心管中, 用魯格試劑固定避光陰涼處保存。取1 mL樣品, 用光學(xué)顯微鏡觀察中肋骨條藻細(xì)胞并計(jì)數(shù); 取3 mL樣品, 用倒置顯微鏡觀察裸甲藻的細(xì)胞并計(jì)數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

P0和 Pt為培養(yǎng)前后裸甲藻的密度, t為培養(yǎng)的時(shí)間;

不同處理組裸甲藻的生長(zhǎng)率(μ)擬合米氏方程:

1.3.1 裸甲藻攝食中肋骨條藻的實(shí)驗(yàn)

式中, μmax為最大生長(zhǎng)率(單位: d-1), S為培養(yǎng)后單位體積的中肋骨條藻的生物量(單位: ng C/mL), S′為中肋骨條藻的初始生物量(單位: ng C/mL), Kgr為米氏常數(shù),當(dāng) μ=1/2μmax時(shí)的中肋骨條藻的生物量(單位: ng C/mL)。

清濾率(F, filterance/clearance rate)[23]:

g: 攝食率(單位: d-1);

裸甲藻的攝食率(I, ng C/d)擬合米氏(Michaelis-Menten)方程:

Imax: 最大攝食率(單位: ng C/d ), Kir: 當(dāng) I=1/2 Imax時(shí)的中肋骨條藻的生物量(單位: ng C/mL);

將公式(7)代入到公式(6)得到裸甲藻的攝食率(g,單位: d-1)的公式(8), 與裸甲藻和中肋骨條藻的培養(yǎng)過(guò)程中的平均生物量有關(guān)。

1.3.2 添加橈足類的攝食實(shí)驗(yàn)

橈足類對(duì)裸甲藻的攝食率(grazing rate, Gc, 單位: d-1)[24]:

pt: 處理組裸甲藻的終生物量; pc: 對(duì)照組裸甲藻的終生物量; t: 培養(yǎng)時(shí)間;

清濾率(clearance rate, FC, 單位: mL/d)[24]:

V(mL): 培養(yǎng)瓶的水體體積; n: 處理組添加橈足類的數(shù)量;

攝食率(ingestion rate, IC, 單位: ng C/d)[24]:

P: 裸甲藻的平均生物量(單位: ng C/mL);

對(duì)照組中肋骨條藻的凈生長(zhǎng)率(control, kc, 單位:d-1):

g(單位: d-1): 對(duì)照組裸甲藻對(duì)中肋骨條藻的攝食率, 由公式(8)計(jì)算可得;

處理組中肋骨條藻的凈生長(zhǎng)率(treatment, kt, 單位: d-1:

g′(d-1): 處理組橈足類存在時(shí), 裸甲藻對(duì)中肋骨條藻的攝食率, 由公式(8)計(jì)算可得;

公式(12)代入公式(13)得到橈足類對(duì)中肋骨條藻的直接攝食(死亡)率(grazing rate, Ga, 單位: d-1):

St(單位: ng C/mL): 處理組中肋骨條藻的終生物量; Sc(單位: ng C/mL): 對(duì)照組中肋骨條藻的終生物量。

營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)(TC, the rate of the trophic cascade)[20]:

攝食選擇指數(shù)(Feeding selectivity index, α)為攝食碳量占總的餌料碳量的百分比[25]。該指數(shù)介于0～1,當(dāng) α＞0.5時(shí), 表明具有攝食的偏好, 當(dāng) α＞0.5時(shí), 表明沒(méi)有攝食的偏好。通過(guò)Origin 9.0擬合裸甲藻的生長(zhǎng)率、攝食率與中肋骨條藻生物量的Michaelis-Menten方程曲線, 統(tǒng)計(jì)分析通過(guò)IBM SPSS Statistics 19.0實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果

2.1 裸甲藻的生長(zhǎng)率和攝食率

在裸甲藻攝食中肋骨條藻的實(shí)驗(yàn)中, 裸甲藻的生長(zhǎng)率隨著中肋骨條藻生物量變化的增加而增大(圖1), 在中肋骨條藻生物量為250～750 ng C/mL增長(zhǎng)速率最大, 而后趨于平緩。通過(guò)擬合 Michaelis-Menten方 程 μ =0.52(S -S ′ )/(146.74+ S - S ′), 裸甲藻的最大生長(zhǎng)率(μmax)為0.52 d-1, 米氏常數(shù)kgr顯示, 其半飽和細(xì)胞生物量為146.7 ng C/mL。

圖1 裸甲藻的生長(zhǎng)率(μ, d-1)與中肋骨條藻的生物量變化(ng C/mL)之間的關(guān)系, 曲線代表擬合的米氏方程曲線, 誤差棒分別代表生長(zhǎng)率和生物量變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig. 1 Specific growth rate (μ, d-1) of Gymnodinium sp.feeding on Skeletonema costatum as a function of change in prey biomass (ng C/mL); the curve represents the fitting curve of the Michaelis-Menten equation, whereas the error bars represent the standard deviations of growth rate and biomass change

圖 2 裸甲藻的攝食率(ng C/d)與中肋骨條藻平均生物量(ng C/mL)的關(guān)系, 曲線代表擬合的米氏方程曲線,誤差棒分別代表攝食率和平均生物量的標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig. 2 Ingestion rates (ng C/d) of Gymnodinium sp. on Skeletonema costatum as a function of prey mean concentration (ng C/mL); the curve represents the fitting curve of the Michaelis-Menten equation, whereas the error bars represent the standard deviations of ingestion rate and mean concentration

裸甲藻的攝食率與中肋骨條藻的平均細(xì)胞生物量成顯著正相關(guān)(P ＜ 0.000 1), 中肋骨條藻低生物量條件下攝食率增加較快, 高生物量的情況下增加較緩慢(圖2)。通過(guò)擬合 Michaelis-Menten方程得到裸甲藻對(duì)中肋骨條藻的最大攝食率(Imax)為1.4 ng C/d, 半飽和生物量為316.4 ng C/mL。從而得到裸甲藻攝食率的計(jì)算公式為后面添加橈足類培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)提供了基礎(chǔ)。

2.2 雙毛紡錘水蚤的清濾率和攝食率

當(dāng)中肋骨條藻的平均生物量為93.19 ng C/mL時(shí),雙毛紡錘水蚤對(duì)裸甲藻的清濾率為最大41.53 mL/d,同時(shí)對(duì)中肋骨條藻的清濾率也為最大 26.90 mL/d;在中肋骨條藻高生物量時(shí), 雙毛紡錘水蚤對(duì)裸甲藻和中肋骨條藻的清濾率都呈現(xiàn)下降(圖3)。雙毛紡錘水蚤對(duì)裸甲藻的清濾率顯著高于對(duì)中肋骨條藻的清濾率(成對(duì)樣本 t檢驗(yàn), P＜0.001, df=4)。

隨著中肋骨條藻生物量的增加, 雙毛紡錘水蚤對(duì)中肋骨條藻的攝食率(479.22～4 511.61 ng C/d)逐漸增加,在中肋骨條藻的平均生物量最高為707.04 ng C/mL (處理組E)時(shí), 攝食率達(dá)到最大值。雙毛紡錘水蚤對(duì)裸甲藻的攝食率介于682.78 ～ 772.00 ng C/d, 呈先增加后降低的趨勢(shì); 在中肋骨條藻的平均生物量為93.19 ng C/mL(處理組 C)時(shí), 攝食率最大值為772.00 ng C/d(圖 4)。

圖 3 不同食物生物量下雙毛紡錘水蚤對(duì)裸甲藻(方形)和中肋骨條藻(圓形)的清濾率, 誤差棒分別代表清濾率和平均生物量的標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig. 3 Clearance rate (mL/d) of Acartia bifilosa on Gymnodinium sp (square) and Skeletonema costatum(circle) in different mean concentrations of Skeletonema costatum; the error bars represent the standard deviations of the clearance rate and mean concentration

2.3 雙毛紡錘水蚤的攝食選擇性

低生物量的A和B兩個(gè)處理組, 雙毛紡錘水蚤對(duì)裸甲藻的攝食選擇指數(shù)大于對(duì)中肋骨條藻的選擇指數(shù), 且數(shù)值都大于 0.5, 表明對(duì)裸甲藻具有攝食的偏好性; 而在高生物量的處理組(C、D和E), 雙毛紡錘水蚤對(duì)中肋骨條藻的攝食選擇指數(shù)(0.76～0.85)都大于 0.5, 對(duì)裸甲藻的攝食選擇指數(shù)偏低, 表明對(duì)中肋骨條藻具有攝食的偏好性(圖5)。

圖4 不同處理組雙毛紡錘水蚤對(duì)裸甲藻(黑色)和中肋骨條藻(紅色)的攝食率, 誤差棒代表其標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig. 4 Ingestion rate (in ng C/d) of Acartia bifilosa in different treatments. Black bars are ingestion rates for Gymnodinium sp, red bars are ingestion rates for Skeletonema costatum; the error bar represents the standard deviation

圖 5 不同處理組雙毛紡錘水蚤對(duì)裸甲藻(黑色)和中肋骨條藻(紅色)的攝食選擇指數(shù), 誤差棒代表其標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig. 5 Feeding selectivity index (α) of Acartia bifilosa in different treatments; black bars indicate the indexes for Gymnodinium sp, whereas red bars are indexes for Skeletonema costatum; the error bar represents the standard deviation

2.4 營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)

在食物鏈雙毛紡錘水蚤-裸甲藻-中肋骨條藻的營(yíng)養(yǎng)傳遞過(guò)程中, 在不同的中肋骨條藻生物量下?tīng)I(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)(TC)都為正值, 介于 0.018～0.12 d-1, 隨中肋骨條藻細(xì)胞生物量的增加, 營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)呈現(xiàn)降低, 在高生物量組的變化較小(圖 6)。雙毛紡錘水蚤對(duì)中肋骨條藻的直接攝食死亡率(Ga)用負(fù)值來(lái)表示, 范圍介于-0.75～-0.10 d-1, 絕對(duì)值都高于營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng), 并且中肋骨條藻低生物量組的直接攝食死亡率絕對(duì)值高于高生物量的處理組。

In(St/Sc)/t代表添加雙毛紡錘水蚤后, 中肋骨條藻細(xì)胞生物量對(duì)橈足類的對(duì)數(shù)響應(yīng), 范圍介于-0.70～-0.07 d-1, 是營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)正效應(yīng)和雙毛紡錘水蚤對(duì)中肋骨條藻的直接攝食死亡負(fù)效應(yīng)兩者的綜合結(jié)果。添加雙毛紡錘水蚤后, 直接攝食死亡明顯大于營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng), 導(dǎo)致相比較不添加雙毛紡錘水蚤時(shí)中肋骨條藻生物量沒(méi)有增加反而降低。中肋骨條藻低生物量處理組的對(duì)數(shù)變化值的絕對(duì)值最大, 在高生物量時(shí), 絕對(duì)值減小接近0。中肋骨條藻的直接攝食死亡率和其細(xì)胞生物量的對(duì)數(shù)響應(yīng), 都為負(fù)值, 隨中肋骨條藻的生物量的變化趨勢(shì)是相似的(圖 6), 因此雙毛紡錘水蚤對(duì)中肋骨條藻的直接攝食主要決定了中肋骨條藻的最終生物量變化。

圖 6 雙毛紡錘水蚤對(duì)中肋骨條藻的直接攝食(死亡)率(Ga)、營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)(TC)和中肋骨條藻細(xì)胞生物量對(duì)橈足類的對(duì)數(shù)響應(yīng)[In(St/Sc)/t]與中肋骨條藻平均生物量(ng C/mL)的關(guān)系Fig. 6 Direct grazing mortality (Ga) on Skeletonema costatum by Acartia bifilosa, rate of trophic cascades(TC) and [In(St/Sc)/t] of Skeletonema costatum, as a function of mean diatom concentration (ng C/mL)

3 討論

3.1 橈足類的攝食選擇性

在裸甲藻攝食中肋骨條藻的實(shí)驗(yàn)中, 不考慮兩者之間的化感作用, 裸甲藻的攝食率隨中肋骨條藻平均生物量的變化與 Michaelis-Menten方程的擬合度較高(圖 2, R2=0.94, P＜0.000 1), 滿足添加橈足類攝食實(shí)驗(yàn)的要求。

雙毛紡錘水蚤對(duì)中肋骨條藻的攝食選擇系數(shù)隨其平均生物量呈現(xiàn)顯著指數(shù)增長(zhǎng)(R2=0.8, P＜0.000 1),而裸甲藻平均生物量對(duì)雙毛紡錘水蚤的攝食選擇系數(shù)影響不明顯(圖7)。中肋骨條藻的生物量是決定雙毛紡錘水蚤攝食選擇性的重要因素, 并且生物量越高, 雙毛紡錘水蚤對(duì)中肋骨條藻的選擇性越強(qiáng)。

對(duì)照天津市近岸實(shí)際海域的浮游植物豐度來(lái)看,本實(shí)驗(yàn)設(shè)置的兩個(gè)低生物量處理組的中肋骨條藻細(xì)胞豐度都大于冬季的最低值[26], 應(yīng)該滿足浮游動(dòng)物的基本攝食需求。B處理組的雙毛紡錘水蚤對(duì)裸甲藻和中肋骨條藻的攝食選擇差異要大于 A處理組, 可以看出雙毛紡錘水蚤的攝食是主動(dòng)選擇的行為。從食物質(zhì)量來(lái)看, 裸甲藻能為雙毛紡錘水蚤提供大量的生長(zhǎng)、繁殖和發(fā)育必需的二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid, DHA), 相比較中肋骨條藻有更多的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[27]。大量的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究證實(shí), 當(dāng)硅藻和甲藻同時(shí)存在時(shí), 橈足類更傾向于攝食甲藻[28-31]。在中肋骨條藻低生物量的條件下, 即食物生物量不充足的條件下, 裸甲藻能為雙毛紡錘水蚤提供更多的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源, 這是雙毛紡錘水蚤選擇攝食裸甲藻的原因。

圖7 雙毛紡錘水蚤的攝食選擇指數(shù)與中肋骨條藻(a)和裸甲藻(b)的平均生物量關(guān)系Fig. 7 Change in feeding selectivity index of Acartia bifilosa with prey Skeletonema costatum (a) and Gymnodinium sp. (b)mean biomass

在高生物量的處理組, 即食物生物量充足或飽和狀態(tài)下, 雙毛紡錘水蚤選擇性攝食中肋骨條藻,對(duì)其攝食率顯著高于對(duì)裸甲藻攝食率; 在最高生物量的處理組, 雙毛紡錘水蚤對(duì)中肋骨條藻攝食率比對(duì)裸甲藻的攝食率高出6倍以上(圖4)。該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與之前的研究[20]不同, 可能跟橈足類和甲藻的物種不同有關(guān)。紡錘水蚤屬是近岸常見(jiàn)的橈足類物種,偏向于攝食大的顆粒物質(zhì)[32-33]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中肋骨條藻多數(shù)是以鏈狀形式的存在, 每條鏈有 10～30個(gè)細(xì)胞不等, 不同長(zhǎng)度的細(xì)胞鏈對(duì)于橈足類在顆粒大小的選擇上優(yōu)于裸甲藻, 同時(shí)裸甲藻還可以通過(guò)自身的運(yùn)動(dòng)能力躲避雙毛紡錘水蚤的獵食。食物組成結(jié)構(gòu)也可能是影響攝食選擇性的一個(gè)重要因素, 本研究中中肋骨條藻和裸甲藻初始生物量跟已有的研究[20]不同。裸甲藻的細(xì)胞偏大, 單細(xì)胞的碳含量高于其他甲藻, 整體上裸甲藻和中肋骨條藻初始碳含量的比值較高。橈足類的攝食選擇性會(huì)隨著微型浮游動(dòng)物的生物量而變化[6], 因此食物碳含量組成對(duì)選擇性攝食的影響還需要后續(xù)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來(lái)研究。此外, 裸甲藻作為代表性的赤潮原因物種, 能夠分泌一種神經(jīng)性貝毒(Neurotoxic shellfish poisoning, NSP)的毒素, 會(huì)對(duì)捕食者具有一定的毒性。當(dāng)有不同種類的可供選擇的混合食物時(shí), 橈足類會(huì)主動(dòng)避開(kāi)攝食有毒的甲藻, 會(huì)選擇攝食無(wú)毒的硅藻[34]。在不同生物量下雙毛紡錘水蚤攝食行為的這種差異, 雖然不同于已有的部分研究[20,29],但是符合許多現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)支持的一般模式, 這種模式認(rèn)為在藻華末期或水體分層期的浮游植物生物量較低的情況下, 中型浮游動(dòng)物一般偏向于攝食微型浮游動(dòng)物[35-36], 而在藻華期浮游植物生物量較高時(shí), 中型浮游動(dòng)物更偏向于攝食大小適合的植物細(xì)胞[18,37-38]。本研究過(guò)程觀察到中肋骨條藻呈現(xiàn)不同長(zhǎng)度的細(xì)胞鏈, 可為雙毛紡錘水蚤營(yíng)造出不同大小的食物顆粒。

3.2 營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)及對(duì)浮游植物的影響

本研究的營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)都為正值, 說(shuō)明添加的雙毛紡錘水蚤攝食了裸甲藻, 減少了裸甲藻對(duì)中肋骨條藻的攝食, 從而間接地降低了雙毛紡錘水蚤和裸甲藻對(duì)中肋骨條藻的攝食控制作用。營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)與裸甲藻對(duì)中肋骨條藻的攝食率呈顯著的正相關(guān)(圖 8, 雙側(cè)Pearson相關(guān)性分析, R2=0.74, P＜0.01), 低生物量下的裸甲藻對(duì)中肋骨條藻的攝食率大于高生物量的處理組, 裸甲藻的攝食率隨生物量的升高而降低, 因此營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)也呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)(圖6)。

圖 8 營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)(TC, 單位: d-1)與裸甲藻對(duì)中肋骨條藻攝食率(g′, 單位: d-1)的相關(guān)關(guān)系Fig. 8 Correlation between the rate of trophic cascades and ingestion rate on the grazing rates of Gymnodinium sp. by Skeletonema costatum

研究發(fā)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)與雙毛紡錘水蚤對(duì)裸甲藻和中肋骨條藻的攝食選擇指數(shù)呈現(xiàn)極顯著的線性相關(guān)(圖9, R2=0.85, P＜0.001), 這說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)與雙毛紡錘水蚤的攝食行為密切相關(guān)。營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)隨著雙毛紡錘水蚤對(duì)裸甲藻的攝食選擇指數(shù)的變大而增大, 在中肋骨條藻低生物量的情況下, 雙毛紡錘水蚤對(duì)裸甲藻的攝食率略大于對(duì)中肋骨條藻的攝食率, 但是雙毛紡錘水蚤更偏好于選擇攝食裸甲藻(圖 4), 從而降低了對(duì)中肋骨條藻的攝食壓力, 表現(xiàn)出高的營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)。然而在中肋骨條藻高生物量的情況下, 雙毛紡錘水蚤偏向于直接選擇攝食中肋骨條藻, 降低了對(duì)裸甲藻的攝食率, 原因可能來(lái)自于中肋骨條藻高的細(xì)胞密度降低了雙毛紡錘水蚤的清濾率(圖3), 由于裸甲藻的細(xì)胞生物量相對(duì)較低,因此高細(xì)胞生物量對(duì)裸甲藻起到了庇護(hù)的作用[39],導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)降低。

圖9 不同的速率與雙毛紡錘水蚤對(duì)裸甲藻(a)和中肋骨條藻(b)的攝食選擇指數(shù)的相關(guān)關(guān)系, 營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)與攝食選擇指數(shù)擬合線性回歸, R2=0.85, P＜0.001Fig. 9 Relationship between the different rates of Skeletonema costatum and feeding selectivity indexes on Gymnodinium sp.(a) and Skeletonema costatum (b). Linear regression: R2 = 0.85, P＜0.001

培養(yǎng)前后中肋骨條藻的對(duì)數(shù)響應(yīng)[In(St/Sc)/t]取決于雙毛紡錘水蚤的直接攝食(負(fù)效應(yīng))和營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)(正效應(yīng))兩者的平衡。本研究中的[In(St/Sc)/t]與雙毛紡錘水蚤的攝食選擇指數(shù)沒(méi)有顯著的相關(guān)性(圖9), 由于第三個(gè)處理組的點(diǎn)比較離散, 若把第三個(gè)處理組的點(diǎn)去掉, 兩者呈現(xiàn)弱的線性相關(guān)(R2=0.28,P＜0.01)。在中肋骨條藻低生物量的情況下, 雙毛紡錘水蚤既選擇攝食裸甲藻, 也直接攝食中肋骨條藻,但是對(duì)中肋骨條藻的直接攝食死亡率顯著高于營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng); 高的中肋骨條藻生物量下, 直接攝食死亡率的絕對(duì)值與營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)相反, [In(St/Sc)/t]接近于0。雙毛紡錘水蚤對(duì)中肋骨條藻的攝食率隨著其生物量的增加而顯著增加(圖5, 單樣本t檢驗(yàn), P＜0.05,df=4), 而對(duì)裸甲藻的攝食率變化較小。雙毛紡錘水蚤與已有研究中的錐形寬水蚤(Temora turbinata)[6]相類似, 弱的營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)雖然釋放了一部分裸甲藻對(duì)中肋骨條藻的攝食壓力, 但是來(lái)自雙毛紡錘水蚤較高直接攝食壓力, 導(dǎo)致中肋骨條藻的生物量并沒(méi)有增加, 反而是降低的, 也即[In(St/Sc)/t]是負(fù)值。雙毛紡錘水蚤雖然是雜食性的, 但是在裸甲藻和中肋骨條藻兩者間, 還是傾向于植食性為主, 因此在該食物鏈的營(yíng)養(yǎng)傳遞過(guò)程中級(jí)聯(lián)效應(yīng)相對(duì)較弱, 雙毛紡錘水蚤的直接攝食是中肋骨條藻最終生物量的決定因素。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的模擬實(shí)驗(yàn)采用的是純的藻種和單一橈足類物種, 是一種理想化的食物鏈傳遞過(guò)程。天津近岸由于人為活動(dòng)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化, 是赤潮頻發(fā)的海域。赤潮發(fā)生時(shí)往往原因物種較單一, 如果存在微型浮游動(dòng)物作為中間的攝食者, 我們可以認(rèn)為跟實(shí)驗(yàn)室的模擬實(shí)驗(yàn)較類似。因此, 根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè), 在硅藻赤潮的初期時(shí)營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)可能較明顯, 而到赤潮的中期和后期級(jí)聯(lián)效應(yīng)會(huì)降低, 來(lái)自中型浮游動(dòng)物的直接攝食是控制和縮短赤潮時(shí)間的重要因素。未來(lái)我們有必要對(duì)赤潮頻發(fā)的硅藻和甲藻等的原因物種以及從群落水平, 更深入地研究其在食物網(wǎng)營(yíng)養(yǎng)傳遞過(guò)程中作用和地位。

4 結(jié)論

本研究在實(shí)驗(yàn)室模擬了食物鏈雙毛紡錘水蚤-裸甲藻-中肋骨條藻, 營(yíng)養(yǎng)傳遞過(guò)程中級(jí)聯(lián)效應(yīng)介于0.018～0.12 d-1, 隨中肋骨條藻生物量的增加而降低。級(jí)聯(lián)效應(yīng)的大小與雙毛紡錘水蚤攝食行為的改變密切相關(guān)。雙毛紡錘水蚤的攝食選擇性與中肋骨條藻的平均生物量呈正相關(guān), 與裸甲藻的平均生物量沒(méi)有顯著的相關(guān)性, 在中肋骨條藻低生物量時(shí)雙毛紡錘水蚤偏向攝食裸甲藻; 在高生物量時(shí)選擇攝食中肋骨條藻, 且對(duì)其攝食率顯著高于攝食裸甲藻。雙毛紡錘水蚤對(duì)中肋骨條藻的直接攝食高于營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng), 決定了中肋骨條藻生物量的變化。

致謝: 感謝中國(guó)科學(xué)院海洋研究所MASCC海藻種質(zhì)庫(kù)為實(shí)驗(yàn)提供的藻種。