渤海海域夏季大型底栖动物群落特征

2019-06-21刘旭东孙立娥张晓红崔文连王艳玲汪进生

中国环境监测 2019年3期

刘旭东，孙立娥，张晓红，李曌，崔文连，王艳玲，汪进生

1.青岛市环境监测中心站，山东青岛 266003 2.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

渤海是中国的内海，由于其重要的经济价值和重污染的环境特征一直备受关注，其沿岸的众多河流每年给渤海带来了大量的陆源有机质、无机盐等。这使得渤海饵料资源丰富，成为重要的天然渔场。近年来由于受到人类活动(陆源输入、围填海工程等)和气候变化影响，渤海海洋生态环境和资源发生了重大变化，渤海生态系统整体处于亚健康的状态[1]。

底栖动物生活在海洋环境的底栖区，生境的高度多样化使其具有高的生物多样性。底栖动物的种数远远超过水层中的大型浮游动物、鱼类和海洋哺乳类的总和，而且具有一些特有的生物门类[2]。它们参与生物地球化学循环，维持生态系统的结构功能，是监测生态系统变化的重要研究对象[3]。因此，对渤海海域开展底栖动物的研究，为合理保护该海域海洋环境和生态系统健康具有重要意义。新中国成立以来，已进行了多次包括大型底栖动物调查在内的综合性生物生态调查[4-9]。然而由于这样的研究需要长期和大量的数据积累以及大量的人力、财力投入，调查的全面及系统性经常受到限制，本次监测站位广泛分布于整个渤海海域，并对大型底栖动物的密度、生物量、群落结构、多样性水平进行了具体的描述及分析，较为清晰地体现了渤海海域大型底栖动物的现状，通过与历史资料进行对比，全面了解了现阶段渤海大型底栖动物现状，为促进渤海经济的可持续发展及环境评价提供基础资料，为渤海海域生态系统的深入研究和保护提供参考依据。

1 调查与分析方法

1.1 研究海域与站位布设

研究海域范围覆盖渤海，按照《近岸海域环境监测点位布设技术规范》(HJ 730—2014)[10]，

进行网格化加密布设，不同省/直辖市间临岸与临岸外侧海域站位综合考虑，最终共设47个站位。如图1所示：辽宁共布设17个站位，即LN01～LN17；河北共布设11个站位，即HB01～HB11；天津共布设4个站位，即TJ01～TJ04；山东共布设15个站位，即SD01～SD15。调查时间为2017年8—9月。本次研究使用0.1 m2箱式采泥器，每个站位取2个样品。在取样现场使用0.5 mm的网筛来分选大型底栖动物。将生物标本、残渣全部转移至样品瓶，用5%甲醛溶液固定。样品的处理、保存、计数等均按《海洋调查规范》(GB 12763—2007)[11]操作。

图1 调查站位设置示意图Fig.1 Sketch map of sampling stations

1.2 数据处理及分析

采用描述生物群落结构3个参数：Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数、Margalef丰富度指数，对大型底栖动物群落结构进行分析[13]。采用优势度指数来确定优势种，此文中当物种优势度指数>0.02时，该物种认为是调查海域的优势种。其计算公式分别为

H′=-∑Pilog2Pi

(1)

J=H′/log2S

(2)

M=(S-1)/lnN

(3)

Y=(ni/N)×fi

(4)

式(1)中：H′为Shannon-Wiener多样性指数，Pi为种i的个体数占总个体数的比例；式(2)中：J为Pielou均匀度指数，S为总物种数；式(3)中：M为Margalef丰富度指数，N是全部物种的个体数；式(4)中：Y为优势度指数，ni为第i种的个体数,fi为该种在各站位出现的频率。

聚类分析：采用 PRIMER 6 软件根据物种密度(个/m2)平方根转换计算Bray-Curtis相似性系数矩阵，采用等级聚类分析(CLUSRER)进行群落结构分析。

2 结果

2.1 种类组成

渤海海域共采集到大型底栖动物107种，主要类群为环节动物门的多毛类、软体动物、节肢动物门的甲壳类为主，分别为42、25、27种，分别为底栖动物总种类组成的39.3%、23.4%、25.2%；此外有棘皮动物6种，其余门类7种(图2)。

图2 渤海海域大型底栖动物种类组成Fig.2 Species composition of Macrozoobenthos in the Bohai Sea

调查海域大型底栖动物种类站位出现率超过20%的有不倒翁虫(Sternaspissculata)、彩虹明樱蛤(Moerellairibescens)、长叶索沙蚕(Lumbrinerislongiforlia)、长须沙蚕(Nereislongior)和塞切尔泥钩虾(Eriopisellasechehensis)。

2.2 密度、优势种分布及生物多样性

多毛类是密度组成的主要类群，平均栖息密度为42个/m2，占总密度的51.6%(表1)，彩虹明樱蛤、不倒翁虫、长叶索沙蚕为整个渤海海域的优势种类，优势度分别为0.029，0.024、0.022。渤海海域采集到大型底栖动物密度为3～213 个/m2，平均为82个/m2。总体来看，渤海中部生物密度较高，近岸较低，渤海湾生物密度较低(图3)。

表1 底栖动物各类群密度及占比Table 1 Abundance and proportion of each group of Macrozoobenthos at the Bohai Sea

图3 大型底栖动物密度分布Fig.3 Abundance distribution of Macrozoobenthos

由图4可见，彩虹明樱蛤在渤海海域中南部广泛存在，黄河口以北及龙口港以北海域密度较高。不倒翁虫主要分布于渤海中部及渤海湾海域，密度高值区位于渤海中部。长叶索沙蚕主要分布于辽东湾海域，其南部密度高于北部。渤海海域平均Shannon-Wiener多样性指数为1.84，均匀度指数为0.86，丰富度指数为1.07。近岸海域底栖动物多样性情况较差，中部海域多样性水平相对较好(图5)。

图5 渤海大型底栖动物Shannon多样性指数分布Fig.5 Shannon-Wiener index distribution of Macrozoobenthos

2.4 群落聚类分析

聚类分析显示(图6)，渤海大型底栖动物群落在4个省/直辖市之间有所区分，近岸与中部海域划分不明显，可分为4个生物群落：辽宁东岸及西岸海域(LN02、LN05、LN07、LN09、LN11、LN15、LN16)形成以日本倍棘蛇尾-红明樱蛤为主的生物群落；辽宁北岸及中心海域形成长叶索沙蚕、胖掌异钩虾、鹰爪虾为主的生物群落；河北附近海域形成以长须沙蚕、寡鳃齿吻沙蚕、不倒翁虫、中蚓虫为主的生物群落；山东、天津海域形成以彩虹明樱蛤、不倒翁虫为主的生物群落。

图6 渤海海域大型底栖动物群落相似性聚类Fig.6 Cluster of Macrozoobenthos at the Bohai Sea

3 讨论

3.1 渤海大型底栖动物的种类、密度及多样性

底栖动物作为一类活动能力相对较弱的海洋生物类群，在受到人类活动的直接影响后，其生物种类及群落组成都将发生变化[12]。本次调查共发现大型底栖动物107种，与胡颢琰等[5]、韩洁等[6]、李荣冠等[7]研究结果相近，种数少于其他研究结果，这主要与采样航次、站位是否均匀覆盖、季节和有无拖网数据有关[8-9]。

生物多样性的测度方法对于描述局部海域海洋生物群落多样性的时空分布格局和变化趋势具有重要作用，在当前海洋监测评价及科学研究中常常被采用，《海洋监测规范》(GB 17378—2007)[13]推荐海洋生物多样性评价采用丰富度、均匀度、生物多样性等测度方法，多样性指数数值大小很大程度上由群落自身特点所决定[14]。渤海三面为陆地所包围，封闭性较强,水体交换周期长，受陆源污染影响强烈，底栖动物与其他生活类型的海洋生物不同，它们活动能力较差，在完成其变态、发育过程后，终生只能在固定的范围内或在附着的基质上生活[15]，本次调查显示，渤海大型底栖动物密度及多样性指数的高值海域分布在远离近岸的中部海域，近岸站位较低，推测原因为沿岸人为扰动及河口的陆源营养盐输入，导致水层环境和沉积环境条件一直处于变化当中。而离近岸较远的中部海域受人为扰动相对较小，生态环境相对稳定，这与渤海湾、胶州湾、辽东湾、黄河口大型底栖动物分布规律相吻合[16-19]。渤海海域大型底栖动物多样性水平相较历史水平有所降低，除了本身物种多样性水平有所下降之外，和前研究受科考船等条件所限，覆盖中部海域为主为造成Shannon-Wiener多样性指数偏高也有一定关系[20]。

3.2 渤海大型底栖动物群落结构演变

在进行底栖动物群落历史对比分析时, 由于以往调查者的目的和侧重点有所差异，调查站位和监测水平不一致。为增加历史数据的可比性，进行现状和历史资料的比较时，常采用不同类群占比的方式来进行对比。表2对比结果显示，近年来渤海海域大型底栖动物群落结构的组成中，体型较大的棘皮动物、双壳类软体动物种类比例减少，更小型的多毛类、甲壳类比例增加[9,20-23]。

表2 渤海大型底栖动物密度占比历史数据与本研究数据对比Table 2 Comparison between this study and other related studies on the abundance of Macrozoobenthos at the Bohai Sea

聚类分析方法在群落生态学的研究中被广泛采用，在评价群落结构的相似性上具有重要作用[24-25]。刘瑞玉等[26]基于1950—1970年代的调查资料，将渤海大体划分为4种底栖动物群落类型，优势种都是个体较大的棘皮动物、甲壳类、双壳类等。周红[27]通过研究发现，渤海底栖动物种类组成和群落结构自 1990 年代起已经较1980年代发生显著变化，原有的莱州湾以凸壳肌蛤-心形海胆为优势种的群落被较小的紫壳阿文蛤-银白壳蛞蝓取代。转至2000年，李荣冠[7]经过调查提出渤海海域可基本分为4个群落：①拟特须虫-短竹蛏等为优势种的群落；②花冈钩毛虫-长鳃麦杆虫等占优势的群落；③不倒翁虫-脆壳理始等占优势的群落；④梳鳃虫-小亮樱蛤等占优势的群落。2011—2014年的的研究[9,20]同样表明，潮海大型底栖动物群落结构中的优势种多为小型多毛类、甲壳类。本次调查中近一步佐证了渤海海域底栖动物小型化的发展趋势。尤其表现在河北、天津、山东部分海域的聚类分析显示，基本为更加小型化的多毛类生物群落，并且软体动物中的优势种类为彩虹明樱蛤，也是生物量并不占优的软体动物。一般认为类群的替代(小型多毛类和甲壳类取代大个体的棘皮动物和软体动物)和类群内种类小型化的趋势，与以下几种情况有关：①过度捕捞及大型底拖网；②地方性污染及富营养化；③底栖动物捕食者改变；④自然界长期变化等[17,28-31]。

1980年代以来，随着沿海经济和海洋产业的迅速发展，环渤海地区处于持续加速开发状态，近年来对于渔业的研究结果与本文的底栖动物的研究结论基本一致，即头足类、口虾蛄、小型中上层鱼类(黄鲫等)逐渐成为主要的优势种类。渔获物中长寿命、高营养级的底层鱼类比例下降，而短寿命、低营养级的小型中上层鱼类比例上升[30-33]。与此同时近年来海洋资源开发中所排放的污水、废物、漏油事故以及近岸海水养殖规模的扩大等因素的作用，渤海生态系统的健康已经受到严重影响，严重污染海域主要集中在辽东湾、渤海湾、莱州湾海域[34]。本次底栖动物调查结果与上述特征所吻合：底栖动物群落聚类也基本以海域区分，相应的群落优势种类也主要是小型化的底栖动物，近岸海域生物多样性水平较低。

生态系统健康是新的环境管理和生态系统管理目标，通过继续监控渤海海域的大型底栖动物群落特征及变化趋势，正确判断人为活动导致的海域生态系统退化范围与程度，对合理保护渤海海洋生物多样性具有重要意义。