光频谱的作用：光照与营养盐对浮游植物群落及营养级传递的交互影响

本文深入探讨了光照强度与频谱质量（PAR）如何与营养盐（N、P）交互影响淡水浮游植物群落结构、生化组成（化学计量比C:N:P、脂肪酸）及对枝角类（Daphnia pulex）的营养传递。研究发现，在光限制条件下，光频谱对初级生产者及其向上营养级（如D. pulex生长）的效应尤为显著，揭示了光频谱是调控水生生态系统营养动力学的一个关键非生物因子。

　　

引言

在许多生物系统中，自生碳通量由光养初级生产者主导，并严重依赖太阳辐射的能量输入及其向化学能的转化。这些过程也高度依赖于分层作用，这是构建水下光动力学、水化学和湖泊生物动力学的主要物理特性。浮游植物生物通过光合作用过程在光能转换方面表现出显著的效率。环境因素，如光照和营养元素（包括氮N或磷P），强烈影响浮游植物的生长和群落发展。由于营养盐吸收速率和光吸收通常具有物种特异性，这两种资源在群落构建过程中都起着关键作用。

浮游植物经历一个复杂的水下光场，该光场受到水分子、溶解和颗粒有机物（包括浮游植物本身）对入射光线的吸收和散射的调制。这些过程也影响从400到700纳米的光合有效辐射PAR的波长谱，并且物种在光捕获方面有不同的策略以减轻对光的竞争。例如，能够吸收PAR光谱不同区域的物种可以共存，这表明不同的光捕获策略可以防止竞争排斥。这些观察结果表明，可用光频谱的范围，从而光的颜色，也会影响浮游植物的群落组成。

除了营养盐可用性、光照强度和光频谱对浮游植物的个体效应之外，这些因素之间还存在复杂的相互作用。与磷P可用性相比，增加光照强度通常会由于光对浮游植物光合固碳的积极影响而增加湖泊中悬浮物seston的C:P比。然而，这种关系的强度取决于营养背景，例如，随着营养供应的增加而减弱。同样，更复杂生物分子的产生和可用性受到光照强度和营养盐的交互影响。例如，脂肪酸的情况就是如此。将光视为由其强度和光谱质量定义的资源，为这些相互依赖关系增加了另一个维度。光频谱的形状可能如何在这里相互作用尚不清楚，尽管研究表明光色也会影响浮游植物的营养盐吸收和脂肪酸生产。

光与营养盐对悬浮物化学计量和生化组成的交互效应对水生系统的营养动力学高度相关。特别是，从浮游植物到浮游动物的营养级联通常以各种矿物质和生化限制情景为特征。与浮游植物相比，许多草食性浮游动物，如枝角类水蚤Daphnia物种，具有相对稳定的元素组成，并且对营养化学计量失衡敏感。因此，由于非生物光：营养盐供应变化而引起的悬浮物C:营养盐比的改变，最终转化为浮游动物生长和繁殖的改变。除了浮游植物的矿物质或元素含量之外，通常浮游植物中特定的生化物质也限制浮游动物的性能，包括甾醇和脂肪酸，特别是多不饱和脂肪酸PUFA。这两种成分对于浮游动物的生长和繁殖都是必需的，并且必须从摄入的食物中获取。因此，自然系统中浮游动物生长限制的驱动因素通常在一年中在食物数量限制、矿物质或生化限制以及复杂共限制状态之间交替，强调了浮游植物-浮游动物界面处营养限制的复杂性。

虽然最近的研究探讨了光照强度和营养盐对浮游植物的交互影响及其对更高营养级的影响，但只有少数研究考虑了光的光谱质量。特别是对其在自然界浮游植物多样性和分布模式中的意义进行了考虑，而其对于浮游植物生物化学的意义以及在水生食物网中潜在的bottom-up效应尚不确定。通过这项研究，我们深入探讨了这个问题，并提出了一个问题：水下光频谱的组成是否通过作用于食物网的基础（即浮游植物）来影响水生系统中的营养关系？我们首先评估了环境光照强度、光质量和营养盐对天然淡水浮游植物群落的作用。我们在原位以全因子设计的方式操纵了环境因素，并确定了它们对群落结构以及浮游植物元素和生化组成的影响。可用光照强度由浮游植物培养的水深决定。除了随着深度增加而自然发生的光频谱变化外，我们还通过使用滤光片在每个深度实验性地操纵了光频谱。

材料与方法

研究地点

实验于2022年5月27日至6月9日在德国下萨克森州的肖尔滕斯湖进行。这是一个小型贫营养湖泊。

实验设计

采用全因子设计，包括两个培养深度（0.5米和2.5米）、两个营养水平（环境水平-NP和富集+NP）以及四种不同的光频谱（全光谱Full、蓝光B、绿光G和红光R）。每个处理组合设置四个重复，总共64个实验单元。将浮游植物在原位培养13天。从肖尔滕斯湖不同水深采集的春季浮游植物群落混合后，经过53微米尼龙网过滤以去除大型浮游动物和部分大型浮游植物物种。培养瓶固定在定制的培养装置上。通过覆盖彩色滤光片来操纵可用光频谱。此外，作为对照（全光谱但强度降低）的实验单元覆盖了中性密度滤光片，以补偿可用光强度的总体减少，但不影响光谱。在实验期间，使用连续记录仪监测湖中的温度和光照条件。

采样与实验室分析

培养13天后，采样用于分析悬浮物的化学计量（颗粒有机碳POC、氮PON和磷POP）、色素和脂肪酸。将样品过滤在玻璃纤维滤膜上，并在-80°C下冷冻直至分析。使用元素分析仪测量POC和PON。通过过硫酸钾消解后钼酸盐反应分光光度法测定POP。使用90%乙醇提取浮游植物色素，通过光谱解卷积法计算19种不同色素的浓度，其中9种可归属于特定分类群的标记色素。使用气相色谱法从三个重复中提取、鉴定和定量脂肪酸。

浮游动物摄食测定

在实验单元运回实验室后，立即使用枝角类Daphnia pulex进行短期摄食测定，以评估所培养浮游植物群落的营养质量。从肖尔滕斯湖分离的D. pulex个体在实验前三周进行同步化培养。在摄食测定中，将三个幼体（年龄<24小时）加入装有120毫升相应实验单元悬浮物的玻璃罐中，总共培养4天。为了保持与原位培养相似的光谱条件，玻璃罐覆盖相同的滤光片，并在低光强（10 μmol photons m^-2 s^-1 PPFD）白光下照射。根据初始和最终干重计算D. pulex的体生长率g (day^-1)。

统计分析

首先应用三因素方差分析检验不同生长条件是否导致悬浮物生物量POC的显著差异。自变量包括营养处理、培养深度和光频谱。使用基于欧几里得距离的置换多元方差分析PERMANOVA确定处理对色素组成（作为浮游植物群落变化的代理）、元素组成（即N:C和P:C比）和脂肪酸谱的影响。计算偏η2作为效应大小的度量。对所有统计分析，显著性水平设定为α=0.05。使用R软件进行所有统计检验和绘图。

结果

营养盐、深度和光频谱对湖泊悬浮物及浮游植物群落组成的影响

悬浮物生物量POC、化学计量（即N:C, P:C）和脂肪酸组成均受到营养盐可用性、深度和光频谱的显著影响，显示出显著的主效应以及交互效应。总体而言，营养盐添加+NP增加了悬浮物生物量以及单位生物量的元素和脂肪酸（尤其是ω3 PUFA）含量，但这种效应在浅水深度0.5米处比在更深培养2.5米处更为明显。不同光频谱之间的差异高度依赖于营养供应和水深。

悬浮物生物量受到营养供应、深度和光频谱的显著影响。此外，深度×营养盐、营养盐×频谱以及深度×营养盐×频谱之间的交互效应也被揭示。最大的效应大小与深度、营养盐以及这两个因素之间的交互作用相关。相比之下，频谱本身的贡献效应较小，但其与营养盐结合时影响更为显著。

悬浮物化学计量和脂肪酸组成显示出显著的主效应以及除三重交互作用外的所有可能处理组合的显著交互项。因此，光频谱，特别是通过与深度的交互作用，影响了悬浮物化学计量，尽管营养盐仍然是最强的驱动因素。类似地，营养供应是影响悬浮物脂肪酸的主导因素。然而，光频谱显示出强烈的影响——不仅是直接的，还通过其与营养盐和深度的交互作用——强调了其对这两个变量的多方面影响。

最后，所有处理都对色素组成以及浮游植物群落结构产生了高度显著的影响。再次，营养盐添加的影响最强，而深度和光频谱对浮游植物群落的影响相似，并且与营养盐存在交互作用。比较处理间的叶绿素a与碳的比率表明，营养盐添加对于浮游植物群落中色素的构建也很重要。

对Daphnia生长的间接影响

来自不同处理的湖泊悬浮物作为食物时，导致D. pulex的生长速率显著不同。营养供应显示出最高的效应大小，其次是深度以及深度与营养盐的交互作用。虽然光频谱的主要效应及其与营养盐的交互效应相对较小，但其与深度的交互作用更为明显，强调了光谱组成在调节深度相关响应中的重要性。这种模式在观察到的生长速率中得到了反映。D. pulex在以高营养处理+NP的悬浮物为食时生长更好，特别是在0.5米的浅水培养深度。深度和营养盐的主效应及其交互作用均显著，而光频谱对D. pulex生长速率的影响边际显著。然而，对于来自+NP处理的悬浮物，在0.5米处，D. pulex的生长速率在全光谱下倾向于更高，并向红光降低。在2.5米处，模式相反，特别是绿光下的群落导致最高的Daphnia生长。

主成分分析PCA

对食物质量指标的主成分分析揭示了清晰的处理依赖性模式。第一主成分PC1解释了总方差的42.89%，并且与N:C、P:C、α-亚麻酸C18:3ω3、十八碳四烯酸C18:4ω3、二十碳五烯酸C20:5ω3和二十二碳五烯酸C22:5ω6呈正相关。这些变量将来自-NP处理的悬浮物与+NP处理的区分开来。在+NP的群落中，来自0.5米的那些通常比来自2.5米的具有更高的PC1得分。此外，在2.5米深度，来自绿光和红光处理的群落倾向于与全光谱和蓝光光谱下的不同，显示出更高的PC1得分，从而表明上述元素和脂肪酸水平升高。PC2解释了另外13.45%的方差，并且与单不饱和脂肪酸MUFA、二十碳四烯酸C20:4ω3、花生四烯酸C20:4ω6、二十二碳五烯酸C22:5ω3和二十二碳六烯酸C22:6ω3相关。沿着PC2，来自-NP处理的悬浮物按培养深度分离，但这里不同光频谱之间没有出现清晰模式。

对浮游植物色素的第二个主成分分析揭示了由于处理引起的群落变化。前两个主成分解释了色素数据中约55%的方差。PC1主要将以硅藻和金藻为优势的群落（岩藻黄素+叶绿素c₁）与以隐藻（别藻黄素）和绿藻（叶绿素b + 叶黄素）为优势的群落分离开，而PC2则将甲藻为优势的群落（多甲藻素）与硅藻和金藻群落分离开。例如，处于环境营养-NP下的群落由于甲藻与硅藻、金藻、隐藻和绿藻数量的相反趋势而不同于营养充足+NP下的群落。+NP下的群落也根据培养深度而不同地演化，并被PC1和PC2清晰分离。这里的差异主要受硅藻和金藻与绿藻的控制。关于光频谱，在红光下生长的群落似乎与其他光频谱下的群落最不同，特别是在0.5米处。

Daphnia生长与悬浮物食物质量

D. pulex的生长速率随着悬浮物生物量POC的增加（在0.8到3.5 mg L^-1之间）呈正相关。除了来自+NP和0.5米培养的悬浮物外，总食物浓度始终低于2 mg L^-1。尽管如此，尽管食物浓度相似，但+NP处理（2.5米，特别是绿光和红光谱）的Daphnia生长速率高于-NP处理。D. pulex的生长速率也与食物质量PCA的第一主成分高度相关，这反映了更高水平的N:C、P:C、C18:3ω3、C18:4ω3、C20:5ω3和C22:5ω6。生长速率还与色素PCA的PC1有显著相关性，表明在更多隐藻和绿藻存在下Daphnia生长增加，而与硅藻和金藻相对。与更高阶主成分的相关性较弱。

讨论

本研究的结果证明了光照强度（通过水深）、光频谱和营养盐的复杂交互效应，以及它们如何影响天然湖泊悬浮物的性能和生化组成，并产生向上传递至浮游动物水平的效应。除了营养供应和水深（以及光照强度）之外，我们观察到光频谱对湖泊悬浮物的生物量、生物化学以及浮游植物群落特性具有显著影响，这与我们的假设H1完全一致。光频谱的效应与水深和营养盐密切交互，表明浮游植物对光质量的敏感性取决于水下的营养含量和光照强度。此外，我们确定了湖泊悬浮物的最终变化转化为浮游动物物种D. pulex生长性能的改变。因此，我们可以接受我们的第二个假设H2。总体而言，额外营养供应的处理改善了D. pulex的可用食物数量（悬浮物生物量）、悬浮物生化组成和浮游植物群落组成，但这种效应高度依赖于光照条件的背景。这表明，光照强度以及光的光谱质量在自然情况下影响悬浮物生物化学，并且这些效应在水生食物网中向上传递到下一个营养级。

光照强度和光频谱影响湖泊悬浮物

总生物量、矿物质和生化组成受到营养供应、深度和光频谱的交互影响。通常，高光可用性（0.5米）和高营养盐导致最高的悬浮物生物量生产。在2.5米处，群落对营养盐富集的反应较弱，这表明悬浮物主要受光照强度限制。营养盐添加对悬浮物化学计量有强烈影响，并且符合化学计量理论。此外，深度和频谱的交互效应，以及深度作为单一效应，显示出高的效应大小，表明光照强度和光频谱的（交互）相关性。我们的结果与强调光-营养效应对初级生产者元素组成的交互性质的研究一致，尽管我们提供的证据表明光的数量和质量在这里都起着重要作用。在自然系统中，光照强度和频谱随着深度增加而紧密相关，使得特别难以分离它们的个体效应。此外，在不同光频谱中无法识别出营养盐:C比的一致模式。我们假设浮游植物群落的物种组成变化可能掩盖了，例如，光对营养盐:C比的影响，考虑到物种具有不同的细胞化学计量。

除了三重交互作用外，非生物因素营养盐、光照强度（通过水深）和光频谱之间所有可能的交互项都显著影响悬浮物群落的脂肪酸谱。这部分符合实验室研究的观察结果，即浮游植物细胞内脂肪酸组成关键取决于营养供应和光照强度。例如，涉及光合光适应过程的细胞内过程被证明会改变浮游植物中PUFA的含量。除了细胞内生理调整外，优势物种的变化可能比实验非生物处理的直接（生理）效应对群落脂肪酸谱更为重要。在营养充足的情况下，我们观察到光频谱和深度对悬浮物中每单位生物量的必需ω3 PUFA含量有明显影响。尽管在不同深度下诱导悬浮物中更高脂肪酸含量的光频谱不同，但这表明脂肪酸生产对光质量敏感。与此一致，实验室研究揭示单个浮游植物的脂肪酸生产确实取决于光质量。在我们的研究中特别引人注目的是，光频谱的差异导致整个悬浮物群落的元素化学计量和脂肪酸含量出现差异，并且这些差异足够强大，可以转化为浮游动物物种D. pulex的不同生长反应。

群落特性塑造了悬浮物的矿物质和生化组成：对Daphnia生长的影响

营养供应、深度和光频谱不仅影响悬浮物生物化学，还影响浮游植物的群落组成，这可能是由于不同资源需求导致优势物种变化的结果。此外，群落变化可以通过施加的光频谱处理来解释，因为PAR的波长谱为生态位分化提供了空间。已知浮游植物物种对不同波长的光具有广泛的偏好，但最近的研究表明，水下光频谱的变化影响天然浮游植物的群落组成。这项研究的结果有助于这些发现，尽管由于营养盐和光照强度改变同时发生的群落变化，难以区分清晰的模式。然而，值得注意的是，在红光频谱下，特别是在0.5米水深处，演化出的群落的独特性。

浮游植物群落组成的变化可能是影响Daphnia悬浮物食物质量的另一个因素，正如在营养化学计量中所观察到的那样，并且可以预期群落脂肪酸也是如此。例如，实验性增加营养可用性有利于在0.5米处绿藻和隐藻的生长，以及在2.5米处硅藻的生长，而不是适应低营养条件的类群，如甲藻和金藻。这些群落变化也可能有助于观察到的高营养处理中每单位生物量ω3 PUFA（如α-亚麻酸ALA和二十碳五烯酸EPA）含量更高。隐藻和硅藻都已知具有高细胞EPA含量，而绿藻富含ALA。因此，浮游植物群落在高营养盐下明显因深度而异，但在其对Daphnia的食物质量方面差异不大。这强调自然系统中的群落变化对于浮游植物和浮游动物之间的营养传递可能具有特殊的相关性。

贫营养环境中的营养相互作用通常对光：营养盐供应比的变化表现出高度响应性。我们观察到，当以在环境、营养缺乏的贫营养湖泊条件下饲养的悬浮物为食时，D. pulex个体的生长最慢。相比之下，高营养供应的悬浮物明显促进了D. pulex的生长，具体取决于相对光供应。由于观察到的D. pulex食物数量变化在1至3 mg C L^-1之间，Daphnia的碳限制可能性较小，因此个体对食物质量更敏感。研究表明，向营养限制的浮游植物添加营养盐，特别是磷P，可以对Daphnia生长速率产生直接的积极影响，这与本文的结果相符。除了磷限制之外，生化限制（例如脂肪酸）也可能存在于我们的系统中，因为食物质量PCA的PC1与ω3 PUFA高度相关，这些在实验室和野外实验中被描述为潜在的限制因素。然而，由于元素（即N:C, P:C）和脂肪酸的可用性密切相关，我们无法在本研究中区分矿物质和生化限制。为此，需要进行额外的补充实验，但这超出了本研究的范围。

总之，我们的研究揭示了天然浮游植物群落组成的明显变化，以及营养盐和光对淡水悬浮物元素和生化组成的显著交互效应，其中光的强度和光谱质量都具有相关性。当光（而非营养盐）是初级生产者的生长限制资源时，水下光频谱的形状最为重要。此外，悬浮物化学计量和脂肪酸组成的变化对Daphnia pulex的生长性能有直接影响。因此，由营养盐和光（包括其光谱组成）的非生物环境变化引起的食物网基础的变化直接向上传递到下一个营养级。因此，我们认为，不仅是光的数量，其光谱组成也在水生系统的营养传递动力学中扮演重要角色。