于 佳， 匡魯璐， 王巧晗， 劉 巖， 宮慶禮， 李景玉??

(1.中國海洋大學水產(chǎn)學院， 山東 青島 266003； 2.海水養(yǎng)殖教育部重點實驗室(中國海洋大學)， 山東 青島 266003)

銅藻(Sargassumhorneri)是西北太平洋沿岸的常見種類[1-2]，在中國的分布北起遼寧大連，南至廣東雷州半島，呈不連續(xù)分布[3-4]。銅藻在淺海區(qū)域可形成藻場，為多種經(jīng)濟魚類和鮑魚、蠑螺等無脊椎動物提供產(chǎn)卵和育幼的場所[5]。銅藻藻場對水域環(huán)境中污染物的凈化[6]和水流的穩(wěn)定[7]也有重要貢獻。同時，銅藻也具有較高的經(jīng)濟價值，在東亞國家常用作食物[8]；從銅藻中提取的巖藻黃素和海藻酸鈉、巖藻多糖硫酸酯等多糖類物質(zhì)的生物活性物質(zhì)被用來制作藥品和化妝品等[9-14]；銅藻粉末對重金屬、有機染料等都有很好的吸附作用[15-16]。

定生的銅藻隨著藻體的生長，增長的氣囊所具有的浮力會持續(xù)升高，漸漸高于其固著器的固著力，最后發(fā)生斷離，形成了漂浮型種群[17]。近年來，隨著近海富營養(yǎng)化日益嚴重，漂浮型種群數(shù)量急劇上升，甚至在東海和黃海引發(fā)了大面積的金潮，對東海和黃渤海的海水養(yǎng)殖、旅游和生態(tài)環(huán)境造成了較大破壞[18]。根據(jù)mtDNA的分析結(jié)果顯示，近年大量出現(xiàn)在韓國濟州島沿岸的漂浮銅藻，與出現(xiàn)在中國東海的銅藻屬于同一種群，而與韓國本地種在遺傳基因中存在較大差別[19]。銅藻引發(fā)的金潮災害對黃渤海沿岸的經(jīng)濟海藻如海帶、裙帶菜等的養(yǎng)殖也造成極大的威脅。

裙帶菜(Undariapinnatifida)為潮下帶大型褐藻，具有很高的經(jīng)濟價值及藥用價值[20]。裙帶菜是中國海水養(yǎng)殖經(jīng)濟海藻之一，大規(guī)模養(yǎng)殖于中國遼寧省和山東省，年產(chǎn)量在40萬～50萬t[21]。裙帶菜的養(yǎng)殖主要采用筏架養(yǎng)殖的方式，而漂浮型銅藻在漂移的過程中，常常會受到養(yǎng)殖設施的阻截，有的纏繞在養(yǎng)殖筏架上，有的漂浮在筏架間的水面上。這些漂浮型銅藻棲息在淺海區(qū)的水表層，通過遮陰或者爭奪營養(yǎng)鹽等多種方式與養(yǎng)殖海藻產(chǎn)生種間競爭，從而影響?zhàn)B殖海藻的產(chǎn)量和品質(zhì)。2016年12月，東沙的紫菜養(yǎng)殖區(qū)受到了漂浮型銅藻的襲擊；2017年鹽城、南通二市的紫菜生產(chǎn)受銅藻爆發(fā)的影響大幅度減產(chǎn)[18]；在山東榮成和青島地區(qū)，海帶和裙帶菜的生產(chǎn)也不同程度地受到漂浮型銅藻的影響。然而，漂浮型銅藻何時影響和如何影響裙帶菜的養(yǎng)殖卻尚未見報道。

本研究選取了3個生長階段的養(yǎng)殖裙帶菜及同期出現(xiàn)的漂浮型銅藻作為研究對象，通過比較漂浮型銅藻和養(yǎng)殖裙帶菜在相同環(huán)境條件下的光合作用、生長和物質(zhì)積累等生理生態(tài)學特性的差異，來分析2種褐藻在種間競爭上的優(yōu)劣勢，以此來評估漂浮型銅藻對裙帶菜養(yǎng)殖造成的影響。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與處理

漂浮型銅藻和養(yǎng)殖裙帶菜樣品均采自山東榮成石島(36°07′N, 120°19′E)。采集時間分別為2016年1、4和10月。不同的月份，藻體處于不同的生長階段。對于裙帶菜而言，1月為裙帶菜的快速生長期，4月為成熟期，10月為幼苗期。對于銅藻而言，1和10月為銅藻的緩慢生長期，4月為銅藻的快速生長期。同時，測量采集地的水溫。2016年1月的水溫4.8 ℃，4月的水溫為6.2 ℃，10月的水溫為19.8 ℃。

將銅藻和裙帶菜樣品反復用過濾后高壓滅菌的海水沖洗，去除藻體表面的附著物。銅藻自主枝或側(cè)枝頂端切下長約3 cm的藻段，1和4月的裙帶菜自生長點部位用打孔器打下直徑約1.4 cm的圓形藻片，10月的裙帶菜使用自苗繩上切下的完整的幼孢子體作為實驗材料。所有藻段和藻片分別置于裝有滅菌海水的錐形瓶中，放入光照培養(yǎng)箱(GXZ-280D，寧波江南儀器廠)中進行充氣暫養(yǎng)，以便切口愈合。暫養(yǎng)水溫為采集地的水溫，光強90 μmol·m-2·s-1，光暗比12L∶12D，每天更換滅菌海水，暫養(yǎng)3 d。

1.2 漂浮型銅藻和養(yǎng)殖裙帶菜的光合速率

對于生活在海水表層的漂浮型銅藻和養(yǎng)殖裙帶菜，水溫和光照強度是影響光合作用的兩個重要環(huán)境因子。因此，實驗設置了4個溫度梯度(5、10、15和20 ℃)和3個光照強度梯度(30、180和360 μmol·m-2·s-1)共12個組合，在每個組合下測定2種樣品的光合速率，每個組合3個平行。

隨機選取2～3片裙帶菜藻片或銅藻藻段，放入盛有滅菌海水的密閉瓶中，使用光纖測氧儀(Firesting O2, Pyro Science)測定藻體在各溫度和光照條件下的海水中氧氣濃度的變化。每分鐘測定1次，共測定15 min。為使測定更加準確，測定期間需外加磁力攪拌器進行緩慢的攪拌，以保證溶解氧分布均勻，測定表觀光合速率v1(以析氧速率表示)，之后在黑暗條件下測定藻體的呼吸速率v2(以析氧速率表示)，實驗結(jié)束后，測定藻體重量，并根據(jù)以下公式計算總析氧速率，作為光合速率：

v=(v1-v2)/W。

式中：v為光合速率(μmol·h-1·g-1)；v1為表觀光合速率(μmol·h-1)；v2為呼吸速率(μmol·h-1)；W為藻體濕重(g)。

1.3 漂浮型銅藻和養(yǎng)殖裙帶菜的生長

通過12 d的培養(yǎng)實驗來測定2種褐藻的生長上的差異。培養(yǎng)實驗設置了2個溫度梯度(每一階段的實驗溫度設置為與當月采集地水溫相接近的2個溫度，即1和4月為5和10 ℃，；10月為15和20 ℃)、3個光照強度梯度(30、90和180 μmol·m-2·s-1)、3種培養(yǎng)模式(銅藻單養(yǎng)、裙帶菜單養(yǎng)、銅藻與裙帶菜混養(yǎng))，共18個處理組，每個處理組3個平行，只有混養(yǎng)狀態(tài)每個處理組4個平行。

隨機選取4個裙帶菜藻片、或4個銅藻藻段、或2個裙帶藻片和2個銅藻藻段，測定濕重后，分別轉(zhuǎn)移至盛有500 mL培養(yǎng)液的充氣培養(yǎng)瓶中，再將所有培養(yǎng)瓶放入光照培養(yǎng)箱中，進行充氣培養(yǎng)。每3 d更換培養(yǎng)液，每日觀察藻段生長情況。

1.3.1 特定生長率的測定 實驗開始和結(jié)束時記錄每個實驗組所有藻體的濕重，并根據(jù)以下公式計算濕重的特定生長率(Specific growth rate,SGR)：

SGR=(lnWt-lnW0)/t×100%。

式中：W0為實驗開始時4個藻段的總濕重(g)；Wt為實驗結(jié)束時4個藻段的總濕重(g)；t為實驗進行的時間(d)。

1.3.2 總碳含量和總氮含量的測定 從每個處理組中隨機選取3個藻段，進行氮含量和碳含量的測定。將藻段用蒸餾水沖洗后，放入80 ℃烘箱，烘至恒重后，研磨成粉末，取2 mg左右的藻粉，使用元素分析儀(Vario EL III, Elementar, Germany)測定藻體的總碳含量和總氮含量。

1.3.3 葉綠素a和葉綠素c的測定 從每個實驗組中隨機選取3個藻段，進行葉綠素a和c的測定[22]。藻體使用蒸餾水快速沖洗并吸干，準確稱量藻體質(zhì)量(0.2 g)，使用2 mL二甲基亞砜進行第一次萃取，萃取時間為5 min，將溶液完全倒出，加入0.5 mL蒸餾水，混勻后，測定溶液在波長665、631、582和480 nm處的吸光。再加入3 mL丙酮進行第二次萃取，萃取時間為2 h，將溶液完全倒出，加入1 mL的甲醇和1 mL蒸餾水，測定溶液在波長664、631、581和470 nm處的吸光值。計算公式為：

Chla=[(A665/72.8)×V1+(A664/73.6)×V2]/(I×W)，

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 23.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，采用One-Way ANOVA和T-test檢驗法進行分析。以P<0.05作為差異顯著標準。

2 實驗結(jié)果

2.1 漂浮型銅藻和養(yǎng)殖裙帶菜光合作用的差異

溫度和光照強度對不同生長階段的漂浮型銅藻和養(yǎng)殖裙帶菜的光合速率均有顯著影響(見圖1)。在裙帶菜的快速生長期和成熟期，隨著溫度的升高，各光照強度下裙帶菜的光合速率基本均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，最大光合速率分別出現(xiàn)在10和15 ℃，且180 μmol·m-2·s-1下的光合速率顯著高于其他兩個光照強度下的值。在幼苗期隨著溫度升高，各種光照強度下裙帶菜的光合速率均呈現(xiàn)不斷升高的趨勢，最大光合速率出現(xiàn)在20 ℃，且180和360 μmol·m-2·s-1下的光合速率顯著高于30 μmol·m-2·s-1。銅藻的光合速率在1和4月有相似的變化趨勢，隨溫度的上升先上升后下降，最大光合速率均出現(xiàn)在溫度15 ℃、光照強度360 μmol·m-2·s-1條件下。10月銅藻的光合速率隨溫度升高而一直升高，最大光合速率均出現(xiàn)在溫度15 ℃、光照強度360 μmol·m-2·s-1條件下。2種藻體進行比較，裙帶菜的光合速率在幼苗期高于銅藻，快速生長期與銅藻持平，成熟期則低于銅藻。

(不同小寫字母表示光照強度間的顯著差異，不同大寫字母表示溫度間的顯著差異。差異顯著水平為P<0.05。Different small letters indicate significance levels at P < 0.05 among light intensity. Different capital letters indicate significance levels at P<0.05 among temperature.)

2.2 漂浮型銅藻和養(yǎng)殖裙帶菜生長的差異

漂浮型銅藻和養(yǎng)殖裙帶菜在不同光照強度、溫度和培養(yǎng)模式下培養(yǎng)12 d后的SGR見圖2。幼苗期的養(yǎng)殖裙帶菜的SGR高于快速生長期和成熟期。光照強度對快速生長期和幼苗期裙帶菜有影響，90 μmol·m-2·s-1和大部分180 μmol·m-2·s-1下的SGR顯著高于30 μmol·m-2·s-1(P<0.05)。除了個別數(shù)值外，溫度對SGR影響不顯著(P>0.05)。單養(yǎng)裙帶菜的SGR顯著高于裙帶菜與銅藻混養(yǎng)的現(xiàn)象大多出現(xiàn)在快速增長期的30和180 μmol·m-2·s-1處理組，以及成熟期的30 μmol·m-2·s-1處理組；而與混養(yǎng)裙帶菜的SGR高于單養(yǎng)裙帶菜的現(xiàn)象則多出現(xiàn)在幼苗期的各處理組中。4和10月的銅藻在90和180 μmol·m-2·s-1下的SGR大致相似，而1月的SGR次之。隨著光照強度增加，銅藻SGR逐漸提高，這種現(xiàn)象在10 ℃處理組最為顯著(P<0.05)。溫度對1和4月的銅藻的SGR有顯著影響(P<0.05)，SGR隨溫度的升高而增加。培養(yǎng)模式僅對4月的部分實驗組的銅藻SGR有影響，單獨培養(yǎng)的銅藻的SGR大于與裙帶菜混合培養(yǎng)的銅藻。2種藻類相比較，成熟期的裙帶菜的SGR顯著低于同時期的銅藻，快速生長期的裙帶菜的SGR顯著高于同時期銅藻(P<0.05)。

(不同的字母表示光照強度間的顯著差異，星號表示海藻種類間的顯著差異，菱形表示培養(yǎng)模式間的顯著差異，空心正方形表示溫度間的顯著差異。差異顯著性水平為P<0.05。下圖同。Different letters indicate significance levels at P<0.05 among light intensity. Asterisks indicate significance levels at P<0.05 among algal species. Diamonds indicate significance levels at P<0.05 among culture pattern. Blank squares indicate significance levels at P<0.05 among temperature.The following Figures are in the same description.)

2.3 漂浮型銅藻和養(yǎng)殖裙帶菜物質(zhì)積累的差異

2.3.1 總碳含量和總氮含量 漂浮型銅藻和養(yǎng)殖裙帶菜在不同光照強度、溫度和培養(yǎng)模式下培養(yǎng)12 d后的總碳含量如圖3所示。幼苗期的裙帶菜的碳含量顯著低于快速生長期和成熟期的碳含量(P<0.05)，光照強度對不同生長階段的裙帶菜的碳含量有一定影響，溫度的升高會使快速生長期和成熟期的部分實驗組的裙帶菜的碳含量升高，培養(yǎng)模式僅對快速生長期和成熟期的個別實驗組有顯著影響。銅藻的碳含量各月份差異顯著(P<0.05)，1月的碳含量最高，4月的次之，10月的碳含量最低，光照強度對不同月份的銅藻的碳含量有顯著影響(P<0.05)，溫度的升高會使1月份單獨培養(yǎng)的銅藻的碳含量顯著下降(P<0.05)，培養(yǎng)模式僅對4和10月的個別實驗組有顯著影響。在裙帶菜的快速生長期和成熟期時，裙帶菜的碳含量高于同時期的銅藻的碳含量，在裙帶菜的幼苗期時，銅藻的碳含量高于裙帶菜的碳含量(P<0.05)。

圖3 三個階段的漂浮型銅藻和養(yǎng)殖裙帶菜在不同的溫度、光照強度和培養(yǎng)模式的組合下培養(yǎng)12 d后的總碳含量

漂浮型銅藻和養(yǎng)殖裙帶菜在不同光照強度、溫度和培養(yǎng)模式下培養(yǎng)12 d后的總氮含量如圖4所示?？傮w來看，幼苗期的裙帶菜氮含量低于快速生長期和成熟期的氮含量?？焖偕L期各實驗組裙帶菜的氮含量幾乎沒有顯著差異(P>0.05)；成熟期時光照強度和溫度對氮含量影響顯著(P<0.05)；幼苗期光照強度的增加能夠使混合培養(yǎng)的裙帶菜氮含量下降(P<0.05)。1月的銅藻氮含量高于4月和10月的氮含量。1月時，在單獨培養(yǎng)的條件下，光照強度對氮含量影響顯著(P<0.05)；4月時，在大多數(shù)實驗組中，溫度和培養(yǎng)模式對氮含量影響顯著(P<0.05)；10月時，培養(yǎng)模式對20 ℃光照強度為90和180 μmol·m-2·s-1的銅藻的氮含量有顯著影響(P<0.05)。2種藻類比較，在裙帶菜的快速生長期，2種海藻的氮含量相差不大；在裙帶菜的幼苗期和成熟期，銅藻的氮含量在大多數(shù)實驗條件下均高于裙帶菜(P<0.05)。

圖4 三個階段的漂浮型銅藻和養(yǎng)殖裙帶菜在不同的溫度、光照強度和培養(yǎng)模式的組合下培養(yǎng)12 d后的總氮含量

2.3.2 葉綠素a含量和葉綠素c含量 溫度、光照強度和培養(yǎng)模式對銅藻和裙帶菜的葉綠素含量的影響如圖5、6所示。幼苗期裙帶菜的葉綠素a含量高于快速生長期和成熟期的葉綠素a含量，而成熟期的葉綠素c含量顯著高于幼苗期和快速生長期(P<0.05)。光照強度對裙帶菜葉綠素含量有顯著影響(P<0.05)，溫度和培養(yǎng)模式對成熟期的裙帶菜葉綠素含量幾乎沒有影響(P>0.05)。10月的銅藻的葉綠素a和葉綠素c含量略高于1和4月，光照強度對10月的銅藻的葉綠素含量幾乎沒有影響(P>0.05)，溫度和培養(yǎng)模式對銅藻葉綠素含量都較小。2種藻類比較，除處于成熟期的裙帶菜葉綠素c的含量高于同時期的銅藻葉綠素c含量之外，其他生長階段裙帶菜的2種葉綠素含量均低于同時期的銅藻的葉綠素含量(P<0.05)。

圖5 三個階段的漂浮型銅藻和養(yǎng)殖裙帶菜在不同的溫度、光照強度和培養(yǎng)模式的組合下培養(yǎng)12 d后的葉綠素a含量

圖6 三個階段的漂浮型銅藻和養(yǎng)殖裙帶菜在不同的溫度、光照強度和培養(yǎng)模式的組合下培養(yǎng)12 d后的葉綠素c含量

3 討論

光合速率是藻體反映光合作用強弱的最直觀的體現(xiàn)。從實驗結(jié)果可知，裙帶菜在幼苗期光合能力高于同時期的銅藻，快速生長期與銅藻持平，而成熟期低于銅藻。2種海藻的光合作用的最適溫度和光照強度隨季節(jié)而波動。溫度對于藻體光合作用產(chǎn)生會一定的影響，且低溫與高溫的影響機制有所不同。高溫可抑制藻體PSII的活性[23]，且與捕光蛋白發(fā)生脫離，還會引起藻膽蛋白的降解，造成不可逆的損傷[24]；而低溫主要使光合系統(tǒng)各種酶活性降低，這種損傷是可逆的[25]。1和4月，2種藻體的光合速率在溫度上升至20 ℃時，有明顯的下降，可能是由于當月藻體野外生長的溫度為5～10 ℃，突然升高的溫度使得藻體受到強烈的高溫脅迫，產(chǎn)生了不可逆的損傷，從而影響到光合速率。而且，可以看出，裙帶菜的光合作用最適溫度比銅藻更低。而10月，藻體野外環(huán)境溫度為18 ℃左右，所以突然下降的溫度同樣會使藻體遭受到了相當嚴重的低溫脅迫，從而影響光合速率，因此在低溫環(huán)境下10月的2種藻體的光合速率明顯低于1和4月，裙帶菜在20 ℃時光合速率顯著高于銅藻，表明在幼苗期的裙帶菜具有較強的光合能力。

光照強度對藻體的光合作用也有重要的影響。在光照強度過低的環(huán)境下，藻體光合結(jié)構(gòu)吸收光能后進行光合作用的速率低于藻體本身的呼吸速率，因此凈光合速率為負值。而在高光照強度下，吸收過多的光能會被轉(zhuǎn)化為熱能，通過熱耗散的形式來保護PSII反應中心免受高光損傷[26]。銅藻對光強的變化更加敏感，且在光照強度為360 μmol·m-2·s-1的條件下具有最高的光合速率。裙帶菜在不同的時期對光照強度的需求不同。幼苗期的裙帶菜在高光強(360 μmol·m-2·s-1)下有最高的光合速率，而快速生長期和成熟期的裙帶菜在中光強(180 μmol·m-2·s-1)下有最高的光合速率。這可能與2種褐藻生長過程中所處的光條件有關，漂浮型銅藻終生浮在水面生長，常年接受高光強的照射；而養(yǎng)殖裙帶菜幼苗時附著在苗繩上，所處的環(huán)境光照較強，隨著生長藻體不斷下沉，所處環(huán)境的光照強度也不斷減弱，最適的光照強度也隨之降低。

在不同的月份，培養(yǎng)模式對于銅藻和裙帶菜的生長的影響有一定差異。在裙帶菜的快速生長期，在高光強和低光強下單養(yǎng)模式組裙帶菜的SGR顯著高于混養(yǎng)模式組，而銅藻的生長基本沒有受到培養(yǎng)模式的影響，且銅藻的SGR略高于裙帶菜。這表明在此階段，2種褐藻在競爭過程中，銅藻更具生長優(yōu)勢，裙帶菜的生長會因銅藻的存在而受到抑制。裙帶菜的成熟期正是銅藻的快速生長期，在所有的處理組中，接近一半的處理組中單養(yǎng)組銅藻的SGR顯著高于混養(yǎng)組，而且?guī)缀跛刑幚斫M中銅藻的SGR均高于裙帶菜，說明在此階段裙帶菜已經(jīng)進入成熟期，生長逐步放緩，溫度、光照和培養(yǎng)模式幾乎都對其沒有顯著的影響，而處在快速生長期的銅藻對光照、溫度的響應更為敏感，且銅藻對營養(yǎng)鹽的需求較大，裙帶菜的存在會與銅藻形成營養(yǎng)競爭，從而影響銅藻的生長。在裙帶菜的幼苗期，銅藻則是剛由衰退期進入緩慢生長期，裙帶菜的SGR在所有處理組中均高于銅藻，且單養(yǎng)組裙帶菜的SGR出現(xiàn)低于混養(yǎng)組的現(xiàn)象。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因，除了由于裙帶菜幼孢子體具有旺盛的生長能力，能夠爭取到更多的營養(yǎng)之外，還有可能在藻體之間產(chǎn)生了克生作用[27]。通常種間競爭可分為利用性競爭和干擾性競爭，前者主要是競爭的個體沒有直接的相互作用，而是通過損耗有限的資源而產(chǎn)生的競爭，如營養(yǎng)競爭；后者主要是競爭的個體之間有直接的相互作用，比如通過分泌一些化感物質(zhì)而產(chǎn)生影響，如克生作用[28]。經(jīng)歷衰退期的銅藻可能會分泌一些促進生長的激素等物質(zhì)，來促進自身生長的同時，也對裙帶菜幼孢子體的生長有一定的促進作用。

4 結(jié)語

在相同環(huán)境條件下，裙帶菜與銅藻的種間競爭機制主要源于2種海藻的生態(tài)學特性差異，而兩者之間的相互影響次之。就生長而言，幼苗期的裙帶菜較銅藻更具生長優(yōu)勢，快速生長期二者相差不大，而成熟期的裙帶菜的生長優(yōu)勢劣于銅藻。就物質(zhì)積累而言，銅藻體內(nèi)的碳氮含量普遍較裙帶菜高，這更有利于銅藻對抗不良環(huán)境條件的脅迫。在實際養(yǎng)殖過程中，裙帶菜與銅藻經(jīng)歷的環(huán)境是不同的。裙帶菜隨著個體的生長，藻體所處的水層逐漸加深，光照強度逐漸減弱；而銅藻則一直漂浮在水的表層生長，自身不受光照強度的限制，同時還可通過遮陰作用抑制裙帶菜獲取光資源。由于銅藻的棲息環(huán)境較裙帶菜更優(yōu)越，所以銅藻容易形成爆發(fā)式增殖，而這種增殖必會對養(yǎng)殖裙帶菜的產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響，推測這種影響在裙帶菜快速生長期和成熟期尤其明顯。