钦州湾海域网采浮游植物群落结构季节变化

刘 璐,姜美洁,李 艳,孙 萍,王宗灵

(国家海洋局第一海洋研究所海洋生态研究中心,山东青岛266061)

钦州湾海域网采浮游植物群落结构季节变化

刘 璐,姜美洁,李 艳,孙 萍,王宗灵*

(国家海洋局第一海洋研究所海洋生态研究中心,山东青岛266061)

基于2013-2014年钦州湾海域4个季度月的现场调查数据,研究了网采浮游植物的群落结构。共鉴定出浮游植物6门54属134种(包括变型和变种),其中硅藻种数共107种,占79.9%;甲藻23种,占17.2%。调查期间的优势种,除球形棕囊藻外其余均为硅藻,并多为广温性种。不同季节的浮游植物细胞丰度差异明显,表现为2014-08最高,2013-11最低。相关性分析表明浮游植物丰度与环境因子的相关性存在季节变化,春季受硝酸盐影响显著,夏季与温度、盐度均呈负相关,秋季受盐度和DIN影响显著,冬季则与环境因子相关性不显著。浮游植物群落多样性指数及均匀度指数较高,物种较丰富,群落结构稳定性较高。

钦州湾;浮游植物;优势种;丰度;多样性

钦州湾(108°27'～108°57'E,21°30'～21°54'N)属于半封闭式海湾,深入内陆34 km,西面靠防城港市,南面朝北部湾开放。其西北部为茅尾海,主要有钦江、茅岭江流入,属于钦州湾内湾;中段为湾颈;南部为钦州港,也称外湾[1]。近10 a随着广西北部湾经济区的加速建设,沿岸生态环境正承受着愈来愈大的压力[2], 2011年冬季在钦州湾通往北部湾的防城港东、西湾海域出现小规模赤潮现象[3]。人类活动的增加以及海湾周边经济开发热潮的兴起[4-6],对钦州湾海域生态环境造成影响,使附近海域的海水水质发生变化,进而对北部湾海域海洋环境造成影响。另外,2001-2010年调查资料表明河流输入是钦州湾入海污染源的主要部分,近10 a河流营养盐入海通量持续增加,引起富营养化程度加重,最终导致赤潮风险增加及浮游植物群落结构和多样性变化,影响海湾生态系统健康[7]。

浮游植物作为海洋生态系统中重要的初级生产者,是食物链的基础环节,为海洋中的生命活动提供了能量来源[8],对整个生态系统的物质循环和能量流动起着很重要的作用。浮游植物群落在环境改变时可以迅速而灵敏地反映环境的变化,因此可以作为环境变化的指标,用来了解海域生态环境的状况。例如,在钦州湾开发中期(如1990年),浮游植物生物量明显增加的同时,与盐度、p H等环境因子的相关性也随之增加,并多在95%置信水平上[9];近年的研究进一步表明,钦州湾浮游植物的丰度变化与环境因子的关系显著。在2008-2009年钦州湾及附近海域进行的4个季节航次浮游植物调查中,浮游植物的丰度与水温、盐度、营养盐等环境因子存在不同程度的相关关系,其中与水温关系最为密切[10];在2007年其临近海域防城港湾浮游植物群落分布也与营养盐、水温、盐度等环境因子存在一定的相关性[11]。因此,我们在2013-2014年通过4个季节航次调查,研究网采浮游植物群落结构的季节变化特征,并探讨浮游植物丰度与环境因子的相关关系,通过对比研究30 a前后发生的变化以深入了解钦州湾海域环境的生态现状。

(高 峻 编辑)

1 材料与方法

1.1 调查时间与采样站位

2013-11(秋)、2014-04(春)、2014-08(夏)和2014-12(初冬)进行了4个航次的现场调查,调查海域为广西钦州湾海域,共布设10个监测站位(图1),调查参数包括水文、化学、生物等。

浮游植物采样按照《海洋调查规范》[12]进行,采样工具为浅水III型浮游生物网(网长140 cm,网口内径37 cm,网口面积0.1 m2),自底(距海底2 m)至海表面垂直拖取样品。样品加入中性甲醛缓冲液固定至终体积分数为5%,带回实验室静置48 h后浓缩,分析时测量浓缩后的体积,取混合均匀的样品0.5 m L于计数框中在倒置显微镜下进行浮游植物的种类鉴定与计数。

图1 钦州湾调查站位(+)Fig.1 Location of sampling sites in Qinzhou Bay(+)

1.2 浮游植物群落计算方法

物种多样性计算采用Shannon多样性指数H'[13],计算公式:

物种均匀度J采用Pielou指数[13],计算公式:

优势度Y计算公式:

式中,Pi即ni/N,S为样品物种数,ni为第i种类的丰度,N为总丰度,fi为第i种类出现频率;当优势度Y≥0.02时,确定该物种为优势种。

浮游植物细胞丰度、多样性、均匀度等计算分析均采用Excel 2010软件进行,用SPSS 17.0统计分析软件对浮游植物丰度对数与环境因子进行Pearson相关性分析,浮游植物丰度和多样性指数的平面分布采用Surfer10.0软件绘制。

2 结 果

2.1 浮游植物物种组成及优势种

调查区共鉴定出网采浮游植物6门54属138种(包括变型和变种[14-15],见附录)。不同季节各门类物种数和所占百分比不尽相同(表1)。调查海域硅藻占据绝对优势,其次是甲藻门,不同季节优势种差异明显,只部分优势种存在交叉(表2)。

表1 不同季节浮游植物物种数和所占百分比Table 1 Phytoplankton species and percentages in different seasons

表2 钦州湾浮游植物群落优势种Table 2 Phytoplankton dominant species in Qinzhou Bay

2.2 细胞丰度季节变化与空间分布

2013-11(秋)钦州湾调查海域网采浮游植物细胞丰度平均值为36.70×104个/m3,变化范围为(11.24～63.30)×104个/m3,最高值出现在调查海域东侧的S10站,而最低值出现在湾颈S1站,分布趋势为从内湾附近的近岸海域逐渐向湾东南侧的开阔水域升高。

2014-04(春)钦州湾调查海域网采浮游植物细胞丰度平均值为332.97×104个/m3,变化范围为(19.15～707.61)×104个/m3,最高值出现在S3站,而最低值出现在调查海域最南端的S6站,分布趋势为从近岸海域逐渐向湾东南侧的开阔水域降低。

2014-08(夏)钦州湾调查海域网采浮游植物细胞丰度平均值为2 846.27×104个/m3,变化范围为(544.02～9 294.88)×104个/m3,最高值出现在调查海域中部的S7站,而最低值出现在调查海域东南端的S8站,分布趋势为调查海域的中北部为高值,逐渐向调查海域南部和两侧降低。

2014-12(初冬)钦州湾调查海域网采浮游植物丰度计算结果没有计入棕囊藻,细胞丰度分布很不均匀,最高值出现在调查海域东部的S10站,而最低值出现在调查海域最内端的S1站,分布趋势为从调查海域西侧近岸海域向东侧开放水域逐渐升高。

图2 各季节网采浮游植物丰度(×104个·m-3)平面分布Fig.2 Seasonal horizontal distributions of netz-phytoplankton abundance(×104cells·m-3)

2.3 浮游植物群落多样性指数分布

钦州湾网采浮游植物多样性指数具有明显的空间分布特征(图3),位于调查区域南部较开阔水域的S5和S6站的生物多样性指数较高,而位于湾内S3和S4站位生物多样性指数较低。同时均匀度平面分布特点基本与Shannon多样性指数一致且较高,按照孙军等以多样性指数评价浮游植物群落结构的标准[13],钦州湾海域浮游植物物种较丰富,群落结构较稳定。由于2014-12(初冬时期)棕囊藻较多,故浮游植物的群落结构处于非稳定状态,图3d中多样性指数分布为没有统计爆发的球形棕囊藻数量得出的。

浮游植物多样性程度根据多样性指数大小可分为5级:＜0.6为差,0.6～1.5为一般,1.6～2.5为较好, 2.6～3.5为丰富,＞3.5为非常丰富[10]。在本次调查中,夏季多样性指数最高,平均值达到3.28,春季次之,均保持在较好以上水平。钦州湾浮游植物多样性丰富,冬季较差,季节性差异显著。

图3 钦州湾调查海域浮游植物生物多样性指数H'平面分布Fig.3 Horizontal distributions of biological diversity index H'in Qinzhou Bay

2.4 主要环境因子季节变化

调查海域主要选取温度、盐度、DIN、无机磷四个主要环境因子进行分析(图4)。海水温度春夏秋冬四季变化明显,由秋季(2013-11航次)的18.93℃升高到夏季(2014-08航次)最高值29.63℃,再逐渐减小到初冬(2014-12航次)的最低值15.05℃。4个季节月之间盐度相差不大,2014-08(夏季)最低,2014-12(初冬)最高。海水中的营养盐DIN和无机磷季节变化规律相似,都表现为秋冬高,春夏低,其中无机磷在春季含量很低,随后经夏季逐渐升高,秋季、初冬达到最高值0.034 mg/L。

图4 钦州湾海水中主要环境因子季节变化Fig.4 Seasonal variation of main environmental factors in Qinzhou Bay

3 讨 论

3.1 浮游植物物种组成及优势种变化

本次调查中共鉴定出浮游植物134种(包括变型和变种)。与1984-1985年调查的132种相比,种类数没有明显增加,但硅藻所占比例由90.1%[16]降为79.9%,不再是硅藻和甲藻的简单组成,而新增加了金藻、蓝藻、隐藻和定鞭藻。这说明钦州湾海域物种组成更加丰富,浮游植物的群落更加多样化和复杂化,这与王迪等人2013年的研究结果[10]相一致。调查中钦州湾优势种多且优势度不高,表明群落结构复杂、稳定[17]。优势种除2014-12的球形棕囊藻外其他季度月均为硅藻,且绝大多数为广温种,4个季度月优势种类以角毛藻居多,但均有不同,优势种在研究海域有明显的季节演替现象。2013-11优势种主要分布在S8和S10站开阔海域站位,2014-04 S2和S3站近岸海域优势种集中,并且随着海水温度升高菱形海线藻不再成为优势种,2014-08水温达到最高,优势种遍布整个海域,2014-12随着水温下降,降雨减少,菱形海线藻又成为海域优势种。对比钦州湾海域浮游植物往年调查资料,1984—1985年钦州湾浮游植物优势种种类较单一,翼根管藻数量巨大,分布范围广,对本海区浮游植物的总数量起着决定性作用[16];2008-2009年优势种有所增加,种类也与之前有所不同,17种优势种中有7种为圆筛藻,旋链角毛藻、中肋骨条藻、菱形海线藻等也是主要优势种,翼根管藻虽不再起决定性作用但仍然是优势种[10];而本次调查中优势种种类更加丰富,翼根管藻不再为优势种,揭示该海区在近30 a中群落结构和生态环境都已发生较大变化。

3.2 浮游植物丰度季节变化与空间分布

3.2.1 浮游植物丰度季节变化与环境因子相关性分析

本次调查中钦州湾浮游植物丰度季节变化上属夏季高,秋季低;其与环境因子的相关性分析见表3。各季节受不同环境因子的影响不同。

表3 钦州湾浮游植物丰度与环境因子相关系数Table 3 Correlation coefficients between netz-phytoplankton abundance and environment factors in Qinzhou Bay

2014-04浮游植物丰度与硝酸盐、DIN都呈现正相关,并且相关性显著,这正说明春季处于浮游植物快速生长时期,需要大量营养盐,充足的营养盐促进浮游植物的生长,并在夏季达到浮游植物丰度高峰;夏季处于丰水期,降水和河流径流均增大,此时钦江和茅岭江对本海区浮游植物数量和分布存在一定的影响。夏季两江入海水量占年入海水量的50%以上,是春秋两季的3倍,是冬季的6倍左右[18],入海径流量的增大以及雨量的增加导致海水盐度降低,又由于钦州湾海域优势种多为暖水种,充足的营养物质加上夏季的高温使浮游植物数量达到一年中的最大值,因此相关性分析中呈现丰度与盐度的负相关。夏季相关性分析中浮游植物丰度与温度呈现负相关,推测由于夏季水温维持在28～30℃,波动不大,均适宜浮游植物生长,因此认为此时温度并不是影响浮游植物丰度的主要环境因子。秋季呈现丰度与DIN的负相关;同时雨季过后海水盐度增大与浮游植物丰度呈现出正相关。冬季浮游植物丰度与环境因子没有相关性,推测可能由于棕囊藻丰度较高,该海区生态系统平衡被打破,因此相关性并不明显。

3.2.2 浮游植物丰度空间分布

从空间分布上看,秋、冬季浮游植物丰度表现为湾内向湾外升高的趋势,而春季相反,原因可能是近岸海域养殖业发展,人类活动频繁密集,干扰了浮游植物的生长繁殖是造成细胞丰度内湾近岸海域低的主要原因[9,19]。另外综合4个季度月的调查发现,浮游植物丰度湾内、湾外不断变化,不同月份浮游植物丰度的高低值区在不断变化,不存在浮游植物四季均集中或缺失的地方,说明浮游植物经过时代变迁已在海区形成均匀化[10],在钦州湾海域形成了较为稳定的浮游植物群落结构。

3.3 棕囊藻赤潮

中国经济网曾报道广西北海发生季节性棕囊藻爆发[20]。调查期间钦州湾近岸站位也出现大量棕囊藻,对2014-12 Chl-a分析发现,变化范围在2.31～9.43μg/L,ρChl-a6μg/L时为赤潮发展的预警值,当发现ρChl-a超过10μg/L并有继续增高的趋势时,就预示赤潮可能即将出现[21],本研究中发现该海域冬季发生了棕囊藻藻华,但未达到赤潮。

有研究表明,球形棕囊藻的增殖过程对可溶性无机氮的需求量较高,特别是对硝酸盐有明显的主动吸收[22]。分析钦州湾海域营养盐状况,2014-12ρDIN范围为0.253～0.393 mg/L,平均值为0.310 mg/L,而其他月份ρDIN平均值在0.14 mg/L左右,明显高于其他月份,为棕囊藻的快速增长提供了物质基础,同时海水温度异常增高和降水量偏少也与高的棕囊藻丰度有密切关系。球形棕囊藻对环境的适应能力强,在光合生理上的高效率和适应力高,其群体基质优越的浮力特性和储存功能是爆发的内因。前期有研究发现,1997—1998年在东海海域及南海粤东海域爆发大面积棕囊藻赤潮,给水产养殖业造成极大危害[22-23],经分析鉴定,赤潮原因种也为球形棕囊藻[24-25]。因此应当加强钦州湾海域的生态监测,为预测预警该类赤潮灾害做好科技支撑。

4 结 论

1)钦州湾浮游植物种类组成季节变化明显,且以硅藻为主,其次为甲藻;优势种季节间有明显的演替现象,除了球形棕囊藻外,其余均为硅藻。

2)除2014-12(初冬),其他3个季度月2013-11(秋),2014-04(春),2014-08(夏)浮游植物群落多样性指数及均匀度指数较高,物种较丰富,群落结构稳定性较高。

3)不同季节浮游植物丰度与温度、盐度或营养盐等环境因子相关性显著。春季受硝酸盐影响显著,夏季与温度、盐度均呈负相关,秋季受盐度和DIN影响显著,冬季则与环境因子相关性不显著。

附录:

钦州湾网采浮游植物物种名录

续表

续表

续表

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Seasonal Changes of Netz-Phytoplankton Community Structure in Qinzhou Bay

LIU Lu,JIANG Mei-jie,LI Yan,SUN Ping,WANG Zong-ling
(Marine Ecology Research Center,The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China)

The present study investigated the community structure of netz-phytoplankton in Qinzhou Bay based on four cruises carried out from 2013 to 2014.The results showed that total of 134 species,including forma and varietas,which belonged to 6 phyla and 54 genera were identified.Amongst,one hundred and eleven species were identified as Bacillariophyta,and 23 species were identified as Pyrrophyta,accounting for 79.9%and 17.2%out of 138 species,respectively.Compared with the past 30 years,the phytoplankton abundance in Qingzhou bay at present got much higher,and the community structure in the area got more complicated.In our cruises,most dominant species belonged to eurythermal diatoms and demonstrated obvious seasonal changes.It was noteworthy that Phaeocystis globosa was considered a dominant species due to the algal bloom in the cruise of December 2014.The cell densities of phytoplankton significantly varied in different seasons.The cell density in August 2014 was the highest and the lowest cell density was found in November 2013;Correlation analysis demonstrated that the correlation between phytoplankton abundance and environmental factors varied seasonally.The phytoplankton abundance was significantly affected by nitrate concentration in spring,and was negatively related to temperature and salinity in summer.In autumn,the abundance was mainly affected by salinity and DIN concentration,while no significant correlations with environmental factors were found in winter.Collectively,phytoplankton community during thecruises showed high community diversity index and evenness index thereby suggested that the community structure of phytoplankton was comparatively stable in Qinzhou Bay.

Qinzhou Bay;phytoplankton;dominant species;abundance;diversity

Q948.8

:A

1671-6647(2017)01-0083-13

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.01.009

2016-03-24

国家自然科学基金项目——我国沿海附生性甲藻-冈比亚藻和砺甲藻的生物多样性研究(41306171)和甲藻中新角藻属主要变种、变型分类地位的确定与修订(41506191);国家自然科学基金委—山东省人民政府联合资助海洋科学研究中心项目——海洋生态与环境科学(U1406403);海洋公益性行业科研专项——我国海洋浮游生物分类鉴定技术及在生物多样性保护中的应用(201005015)

刘 璐(1992-),女,山东威海人,硕士研究生,主要从事海洋生态学方面研究.E-mail:aliulu@fio.org.cn

*通讯作者:王宗灵(1966-),男,河南柘城人,研究员,博士,博士生导师,主要从事海洋生态学方面研究.E-mail:wangzl@fio.org.cn

Received:March 24,2016