四十里湾营养状况与浮游植物生态特征

2013-12-20白艳艳邢红艳马元庆宋秀凯张秀珍孙玉增刘义豪秦华伟

生态学报 2013年1期

李斌，白艳艳，邢红艳，马元庆，宋秀凯，张秀珍，孙玉增，刘义豪，秦华伟

(山东省海洋水产研究所山东省海洋生态修复重点实验室，烟台 264006)

四十里湾(37°29'—37°35'N，121°25'—121°35'E)位于烟台市莱山区北部海域，为耳状半封闭海湾，毗邻北黄海，面积13000 hm2，平均水深为8—10 m。近年来，烟台市经济的快速发展对四十里湾生态系统造成了很大压力，对海水增养殖业和滨海旅游业造成了巨大损失。四十里湾海水中化学需氧量(COD)呈上升趋势，5—9月赤潮频发，这与人类活动加剧、陆源污染物输入量增加及水文气象条件适宜等有关［1］。2003—2008年，四十里湾海水中氮、磷、硅营养盐浓度均增加3倍以上［2］。营养盐是海洋浮游植物生长繁殖的物质基础，营养盐结构及营养水平对浮游植物群落结构与动态具有重要的调控作用［3-5］。水体富营养化是赤潮发生的主要诱因，而陆源污染可能是导致其富营养化的关键因素。营养盐结构与营养状况研究对弄清四十里湾浮游生物数量、结构变化及赤潮暴发原因具有重要意义，本文研究了近5年来四十里湾氮磷硅营养盐结构变化，比较了近5年不同季节海水的营养级，并探讨了其与浮游植物数量和多样性的关系，以期为评价四十里湾的营养状况与生态健康水平提供科学依据。

1 试验方法与数据分析

1.1 站位布设及样品采集

在四十里湾布设6个定点测站S1—S6(图1)，监测时间为2006—2010年5月、8月和10月各一次。样品采集按《海洋调查规范》(GB/T 12763.6—2007)［6］和《海洋监测规范》(GB 17378.4—2007)［7］进行，取表层水和网样浮游植物样品进行分析。

1.2 样品测定

图1 四十里湾调查站位图Fig.1 Survey stations in the Sishili Bay

溶解氧、化学需氧量、氨、硝酸盐、亚硝酸盐、无机磷、活性硅酸盐分别采用碘量法、碱性高锰酸钾法、锌-镉还原法、萘乙二胺分光光度法、次溴酸盐氧化法、磷钼蓝分光光度法、硅钼黄法。浮游植物样品用碘液固定、保存，带回实验室内用显微镜进行物种鉴定和细胞计数。所有样品分析均按照《海洋调查规范》(GB/T 12763.6—2007)［6］进行。

1.3 评价分析方法与数据处理

采用郭卫东等［8］的营养级分级模式(表1)对四十里湾富营养化进行评价，采用有机污染综合指数法及有机污染等级［9］(表2)对四十里湾有机污染状况进行分析，浮游植物多样性指数(H')的计算采用Shannon-Wiener公式［10］，采用SPSS 17.0统计软件进行ANOVA单因素方差分析和 Duncan's多重比较进行显著性检验，差异显著度为0.05，并进行Pearson相关性分析。

表1 营养级分级标准Table 1 Trophic level grading standard

表2 有机污染分级标准Table 2 Organic pollution level grading standard

2 结果

2.1 营养盐结构变化

2006年5月N/P值为128.18，显著高于其他两个月份(P＜0.05)，而Si/P和Si/N则反之(表3);8月，与5月恰好相反，无机氮为限制因素。2007年，N/P值有增加趋势，但差异不显著(P＞0.05);而Si/P和Si/N则反之，5月表现为氮限制。2008年，N/P值普遍高于上年同期，尤其8月和10月较明显(P＜0.05);而Si/P和Si/N则反之，且营养盐含量季节变化较大;8月明显表现为磷限制。2009年5月，N/P高达162.05，为近5年各月份最高值，8月骤减75%(P＜0.05);而Si/P和Si/N均呈明显上升趋势。2010年，N/P呈逐渐升高趋势，而Si/P和Si/N均在8月出现低值，为近5年同期最低值;在5月出现最高值，与近5年同期相比属较高。

表3 海水中N/P、Si/P和Si/N比值的季节与年际变化Table 3 Seasonal and annual variations of N/P、Si/P and Si/N values in seawater

2.2 营养状况

从近5年海水营养级的季节变化趋势可以看出，四十里湾海域受磷限制，磷酸盐含量水平不高。5月和8月，基本属于贫营养或磷限制中度营养或磷限制潜在性富营养(表4);10月，海水营养级有所升高，主要表现在磷的限制水平降低:2006和2007年均为磷中等限制潜在性富营养，2008年和2010年均为磷限制潜在性富营养。

表4 海水营养级的季节与年际变化Table 4 Seasonal and annual variations of the trophic grade in seawater

2.3 有机污染状况

2006年8月，有机污染指数A低于其他两个月份，10月(A=2.80)最高(表5)，水质为轻度污染;2007年、2008年均呈逐渐增加的趋势，尤其2007年10月(A=3.43)水质达到中度污染;2009年和2010年，则呈先升高后降低的趋势，均在8月份出现高值，A值均不超过2.0;尤其2009年，各月份水质均为较好。总体而言，四十里湾有机污染状况有向好趋势。

表5 海水有机污染指数A的季节与年际变化Table 5 Seasonal and annual variations of the organic pollution index A in seawater

2.4 浮游植物种类组成与丰度分布特征

2006—2010年，浮游植物数量呈先增加后降低的趋势。除2008年外，其他年份的浮游植物月均数量均在8月最高(图2)。2008年最高值出现在10月，并且为5a中各月份最高值，达到51.61×104个/L，且各站位间差别显著(P＜0.01)，整个监测海域优势种为中肋骨条藻;10月的6号站位最低，为487.2个/L，最高的4号站约高出约140倍;2009年8月，浮游植物数量也高达38.61×104个/L，发生明显赤潮，且3个站位的优势种均为红色裸甲藻。2007年10月，月均值最低，为0.02×104个/L。浮游植物数量年均值变化特征与透明度相似，2008年最高，2009年次之，2007年最低;并基本呈现湾东部高于西部的趋势。8月是赤潮多发期，且近年来甲藻出现频次有增加趋势;5月和10月也有赤潮发生。一般，尖刺菱形藻和角毛藻是四十里湾的常见种类。

2.5 多样性指数

浮游植物多样性指数年际变化显示，总体呈先降低后增加的趋势(图3)，与其数量变化趋势相反。2008、2009年，浮游植物多样性指数低于其他年份，尤其2009年5月、8月分别为近5年来同期最低，而10月为同期最高值，季节变化较大。2010年，浮游植物多样性指数平均值高于其他年份，且各月份多样性指数均在3.0左右，季节变化不大。

图2 浮游植物细胞数量的季节及年际分布特征Fig.2 Seasonal and annual variations of phytoplankton cell numbers

图3 浮游植物多样性指数的季节及年际分布特征Fig.3 Seasonal and annual variations of phytoplankton diversity index

2.6 相关性分析

各因子的相关性分析结果显示，有机污染指数A与IP浓度呈显著正相关(P＜0.01)，而与DIN相关性不显著(P＞0.05)(表6)，这说明IP是影响四十里湾有机污染水平的首要因素。A与IP浓度的相关方程是:

浮游植物多样性指数与其数量相关系数为-0.475，而与Si/P和IP相关系数分别为0.446和0.413，相关性均不显著(P＞0.05)，浮游植物多样性受IP和Si/P的影响较大。IP是四十里湾有机污染、营养水平及浮游植物多样性的主要限制因子。

表6 四十里湾各监测指标间的Pearson相关系数Table 6 Pearson correlation among factors of seawater investigation

3 讨论

N/P比值(原子比)是衡量营养盐结构的主要指标，浮游植物的生长繁殖对无机氮和磷酸盐的摄取基本以N/P为16的比例(即Redfield比值)进行［11］，因此把这一比值作为研究生态环境中氮或磷缺乏的依据。多种微藻生长所需的适宜N/P为10—20，但不同种类的微藻对氮、磷的需求特征不同［12］。表1显示，四十里湾仅在2006、2007年个别月份的N/P比低于16，其他年份均超过30，其中，2009年5月高达160以上，说明N相对丰富而P相对缺乏的状态。有研究表明，2002—2007年间，四十里湾N/P值有增加趋势［13］;本文结果显示，近两年N/P又有所降低趋势，且四十里湾近岸海域有机污染有所减轻，水质有向好趋势(表5)。这与烟台市近年来加强了陆源污染治理，大力实施了海洋生态保护不无关系。

四十里湾海水通常并未达到富营养化水平，但随着营养盐含量的升高，赤潮爆发的频率也在增加，赤潮通常爆发在温度适宜、营养盐骤增的条件下，如夏季大雨过后的晴朗天气［14］。从图2可知，2008、2009年赤潮发生重于其他年份，浮游植物数量在2008年出现最高值，其次是2009年;而浮游植物多样性指数呈相反的变化趋势，2008、2009年低于其他年份。这说明赤潮发生时，赤潮生物过度繁殖，可能抑制了其他浮游植物的生长。

2003年5—9月，四十里湾整个海域处于贫营养状态［15］。从近5年海水营养级的变化趋势也可以看出，5月和8月，四十里湾多呈贫营养和中度营养;而10月多为磷限制潜在性富营养(表5)。这可能是由于5—8月份浮游植物快速繁殖消耗大量营养盐，随着雨季降水增多，大量的无机氮随河流排入导致10月出现潜在性富营养;而磷受陆源污染的影响较小。海底表层沉积物中的IP的向上输送，也是海水中IP补充的一个重要来源［6］。四十里湾无机氮、磷酸盐与盐度存呈显著负相关，说明无机氮、磷酸盐主要通过地表径流得到补充;硅酸盐主要以沉积物释放，经海水上下混合得到补充［10］。7—8月份烟台降水增多，大量的无机氮、磷随河流排入四十里湾。近年来，农业面源污染对水体营养状况的影响越来越明显，已成为水体富营养化的最主要原因之一［16］。

以往研究表明，四十里湾春、夏和冬季硅是相对限制因子;秋季氮则成为硅藻的相对限制因子，1997—1998年的N/P值不超过16［17］。而本研究表明，近年来，IP成为了四十里湾的主要限制因子，N/P、Si/P值均显著升高数十倍，其含量和比值的变化对海湾生态系统结构和功能可能产生重要影响。这与Hao等［2］和刘义豪等［15］的结果一致，磷酸盐是该海域浮游植物生长的限制因子。另外，磷对浮游植物的固碳强度的影响明显强于其他环境因素［18］，因此，四十里湾磷酸盐含量会影响该海域初级生产力和转移大气二氧化碳潜力。

四十里湾的浮游植物群落相对比较稳定，类群以广温广盐种为主，优势种主要由硅藻组成，其次是甲藻［2］。角毛藻和尖刺菱形藻为近年来四十里湾最常见种类。四十里湾有机污染状况有向好趋势，浮游植物多样性有所增加(图3)。浮游植物同海洋生态环境有密切的联系，其生物量的大小是反映海洋初级生产力的重要指标，对于海洋生物资源的开发起着重要的指示作用。海水富营养化不但表现为营养盐浓度的升高，而且还表现为初级生产力的升高［19］。还有研究表明，秋季，山东半岛南部海湾的大型底栖动物多样性与硝酸盐呈负相关关系［20］，富营养化可能对整个海湾生态系统都具有一定的负面影响。有关四十里湾海洋浮游植物多样性及其影响机理研究有待深入，并加强人类活动对近海营养状况、有机污染及生态健康水平等方面的评估工作，为实现海洋经济与生态环境可持续发展提供技术保障。

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