珠江口大型底栖动物群落及沉积物生态毒理效应指示种筛选

彭松耀，赖子尼，麦永湛

（中国水产科学研究院珠江水产研究所，广州 510380）

河口是最具社会经济相关性的沿海生态系统之一，不同来源的污染物进入河口，沉积物是河口环境污染物的“库”［1］。大型底栖动物生活在污染物浓度较高的沉积物附近，大多数种类成体终生栖息在固定场所或者只能在有限的范围内活动，对逆境的逃避相对迟缓，在一定程度上能够反映出沉积环境污染的作用。大型底栖动物是海洋生态环境的优良指示生物，是海洋生态学研究的重要类群，以大型底栖动物为基础的生态指数被广泛的用于生态环境评估［2］。大型底栖动物的种类组成、生物多样性、群落结构、次级生产力等群落参数能准确地反映所处环境的长期、宏观变化［3-4］。利用大型底栖动物进行沉积环境监测，能较好地反映沉积环境的变化情况及各种污染的综合毒性，从而为沉积环境污染防治及生物多样性的保护提供参考依据［5-6］。

目前国内对河口水域大型底栖动物研究主要集中在生物多样性、群落结构、次级生产力等方面［7-12］，为中国河口海湾生态动力学过程研究提供了丰富的参考资料。

珠江口是生态敏感的典型河口区［13］，易受各种人为活动的干扰和破坏［14］，生物多样性易受到威胁。研究干扰对生物多样性的影响时，除考虑干扰类型和性质，还需研究各物种对不同干扰的反应，即物种对干扰的敏感程度。指示物种法是生态系统健康研究的基本常见方法。指示种法（indicator species analysis）由DUFRÊNE和LEGENDRE［15］提出，该方法结合物种的丰度和出现频率，对群落中的每个物种指示值进行单独计算，计算得出指示值反映信息含量和采样概率。这种方法克服了与参数和多变量方法相关的许多限制，并且体现站点数量和物种丰富度的差异。由于每个指示值独立计算，指示种分析法有助于克服无脊椎动物分类学和生态学知识有限带来的障碍，即可以在不同群落的不同类群之间进行直接比较，而不需要事先了解某个类群的生态功能或预期对干扰响应模式［15-17］。

珠江口是我国河口生态系统最重要的水域之一，蕴藏着丰富的河口生物资源，是我国最主要的渔业区和鱼类洄游通道之一，也一直是我国开展生命科学和地球科学交叉综合研究的重要区域。近年来对珠江口大型底栖动物的研究多有报道，但主要集中在其群落结构特征研究［18-19］。珠江口生态毒性效应与大型底栖动物群落相互关系研究报道较少。本研究运用指示种分析方法，探索河口大型底栖动物物种和环境之间的相互关系，为更好的了解河口环境对生物多样性演变的影响机制，同时为河口生态环境监测和管理提供基础数据。

本研究根据2015年11次珠江口大型底栖动物调查数据和沉积物环境数据，对珠江口具有沉积物生态毒性效应区域大型底栖动物指示种进行研究。旨在为珠江口生物多样性的演变机制及生态系统安全评价提供基础数据和资料。

1 材料与方法

1.1 调查区域

珠江八大出海口位于113°33′E～113°45′E、22°12′N～23°00′N，地处广东大陆海岸线的中部，濒临南海。本研究在虎门、蕉门、洪奇沥、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门、崖门各设一个采样站（图1），于2015年1月至12月对大型底栖动物进行调查采样。

1.2 采样方法

每个站位用1/16m2彼得森采泥器重复采样2次，计算为一个样品，用孔径为0.5 mm的套筛筛选，所获样品用75%的酒精固定后带回实验室，随后进行种类鉴定、个体计数、称重（使用0.001g精度天平），并对所获数据进行统计分析。沉积物总氮、总磷和有机碳由美国Perkin-Elmer 2400元素分析仪测定，测定前沉积物样品至烘箱40℃恒温烘干。

图1 采样站位图Fig.1 Spatial distribution of sam p ling sites in the Pearl River Estuary

1.3 数据分析

物种等级分析（rank abundance analysis）分别使用物种丰度数据和对物种丰度数据进行物种存在/缺失（absence/presence）转换后的数据进行计算，筛选物种丰度和频度等级较高的物种，丰度和频度值均较高（前5位）的物种为优势种。

珠江口沉积物总氮、总磷和总有机碳排序分析采用聚类分析（cluster）和非度量多维度排序（NMDS），分析前对沉积物总氮、总磷和有机碳的数据进行标准化处理，然后以欧氏距离建立相似性矩阵，最后运用平均聚类法（averagemethod）进行聚类和排序，分析珠江口不同月份沉积物环境的排序状况。

河口沉积物生态毒性效应评价按照加拿大安大略省环境和能源部1992年发布的沉积物质量评价指南［20］。本研究依照该评价指南将沉积物最低级别生态毒性效应以下样点赋值为1，沉积物最低级别生态毒性效应以上的样点赋值为2，作为指示种分析的参数之一（表1）。

表1 沉积物总氮、总磷和总有机碳生态毒性效应分级Tab.1 Classification of ecotoxicity effects of total nitrogen，total phosphorus and total organic carbon in sedim ents

选取2015年11次调查珠江口沉积物总氮、总磷、总有机碳及底层水盐度等环境因子，运用指示种分析（indicator species analysis，ISA）结合了物种的相对丰度（relative abundance，RA）和相对频度（relative frequency，RF）对大型底栖动物群落进行分析，根据反应物种指示作用的指示值（indicator value，IV）筛选区域大型底栖动物指示种以分析不同沉积物生态毒性效应。指示值的统计显著性用蒙特卡洛检验P值来决定。其计算公式为：IV=100（RA×RF）［15，21］。指示种分析在R语言环境中完成。珠江口沉积物环境结构的非度量多维度排序采用PRIMER 6.1软件。

2 结果与分析

2.1 珠江口理化因素分析

对2015年珠江口沉积物总氮、总磷和总有机碳进行分析（表2），结果表明珠江口沉积物总氮的浓度均值范围为378.42～868.61μg·g-1，高值出现在8月和9月。沉积物总磷的浓度均值范围为614.88～721.881μg·g-1，高值出现在4月和5月。珠江口总有机碳的浓度均值范围为1.00%～1.33%，高值出现在1月和5月。

2.2 种类组成与分布

11次调查共获取大型底栖动物68种，其中环节动物多毛纲28种，节肢动物24种，软体动物12种，其他类群4种，主要是底栖鱼类、腔肠动物和纽形动物。物种名录见表3。

2.3 优势种

对2015年各月珠江口丰度和频度等级较高的物种进行筛选（表4和表5每月仅列出排序在前5位的物种的丰度和出现频度），由表4、表5可知，寡鳃齿吻沙蚕（Nephtys oligobranchia）、日本大螯蜚（Grandidierella japonica）和日本旋卷蜾蠃蜚（Corophium volutator）物种丰度等级较高，寡鳃齿吻沙蚕、单叶沙蚕（Namalycastis aibiuma）和彩虹明樱蛤（Moerella iribescens）频度等级较高。

2.4 珠江口沉积物非度量多维尺度分析

对珠江口不同月份沉积物总氮、总磷和总有机碳进行非度量多维尺度分析（图2），结果表明，沉积物总氮划分为3组，其中1月、3月和4月聚为一组（C组），2月、6月和12月聚为一组（B组），9月、10月和11月聚为一组（A组）。沉积物总磷划分为4组，其中1月、2月和3月聚为一组（A组），4月和5月聚为一组（B组），6月和8月聚为一组（C组），9月、10月和11月聚为一组（D组）。沉积物总有机碳划分为3组，其中1月和5月聚为一组（A组），2月和3月聚为一组（B组），4月、6月、9月、10月、11月和12月聚为一组（C组）。

表2 珠江口沉积物总氮、总磷和总有机碳的月际变化Tab.2 Inter-monthly variation of total nitrogen，total phosphorus and total organic carbon in sediments of the Pearl River Estuary

表3 珠江口大型底栖动物种类名录［22］Tab.3 M acrobenthos taxa during sam pling period in the Pearl River Estuary

2.5 珠江口不同沉积物质量大型底栖动物指示种

选择沉积物总氮、总磷、总有机碳、底层水温、盐度、pH、溶解氧和溶解性固体总量为环境因子对2015年珠江口大型底栖动物指示种进行分析（表6），结果表明，1月、3月和4月珠江口总氮生态毒性效应区域的指示种为日本旋卷蜾蠃蜚。9月、10月和11月珠江口沉积物总氮安全浓度区域的指示种为小头虫（Capitella capitata）。6月和8月总磷毒性效应区域的指示种是寡鳃齿吻沙蚕。9月、10月和11月沉积物总磷安全浓度区域的指示种为缢蛏（Sinonovacula constricta）。4月、6月、9月、10月、11月和12月沉积物总有机碳安全浓度区域的指示种为日本大螯蜚和膜质伪才女虫（Pseudopolydora kempi），毒性效应区域的指示种为拟特须虫（Paralacydonia paradoxa）。

表4 珠江口大型底栖动物优势种丰度等级排序表Tab.4 Dom inant species ofmacrobenthos based on abundance in the Pearl River Estuary（个·m-2）

3 讨论

3.1 珠江口沉积物环境特征

河口沉积物是氮、磷等生源要素的重要储存库［23］。河口区的沉积物中氮、磷和有机碳的分布格局受陆源输入［24］、沉积物类型和水动力条件等环境因素的共同作用，具有一定的特性。例如，河口沉积物中无机氮和磷的含量随水深梯度增加。沉积物的粒度越细，氮和磷的含量越高，沉积物有机质含量河口口外水域较口内水域低［25-27］。本研究沉积物总氮和总磷含量与岳维忠等［13］的研究结果不一致，调查范围不同是导致这种结果的主要因素。本研究采样点位于河口近河流段，岳维忠等［13］的研究区域位于伶仃洋海湾内，该水域污染物扩散较弱，氮污染物源强本底值高［28］；珠江口北部近河流段沉积物特征为细砂混合粘土和淤泥，这种类型沉积物对磷的吸附和富集能力较强［29-30］。本研究珠江口沉积物总氮和总磷含量的高值分别出现在8月和9月及4月和5月，沉积物的总有机碳含量高值出现在5月。珠江流域4月到9月是河流的洪水期，尤其是2014—2015年4—9月显示出明显的洪季特征［31］。洪水季节，河口沉积环境受入海径流和潮流等水文状况影响明显［32-33］，珠江径流在科氏力和沿岸流的共同作用下，携带大量悬浮物质移至河口，使珠江口蓄积较多的陆源物质，对有机质的吸附能力更强，使沉积物中的TOC含量较高［27，34］。本研 究珠江口 沉积 物总 氮 含 量 从599.28μg·g-1至868.61μg·g-1（5月、8月—11月），处在最低级别生态毒性效应和严重级别之间，沉积物总氮浓度具有生态毒性效应。整个调查期间沉积物总磷含量变化范围为614.88～721.881μg·g-1，全部高于600μg·g-1。沉积物总有机碳含量变化范围为1.00%～1.33%，大部分月份都高于1.00%。说明2015年珠江口总磷的浓度和沉积物总有机碳浓度具有生态毒性效应，对环境产生危害。

表5 珠江口大型底栖动物优势种频度等级排序表Tab.5 Dom inant species ofmacrobenthos based on frequency in the Pearl River Estuary （次）

3.2 珠江口大型底栖动物优势种的组成

优势种在群落中具有广泛的生境范围，对生产力贡献较大［35］。优势种通过数量优势及种间关系利用生境资源量，影响群落中能量流动和物质循环［36］。目前国内外对河口大型底栖动物优势种判定通常根据物种丰度和频度优势度，有学者根据底栖动物生活型研究优势种垂直分布，如分别计算底内和底上大型底栖动物的优势种［37］。根据彭松耀等［18］和张敬怀等［19］的研究，珠江口大型底栖动物优势种由个体较小的多毛类、端足类和双壳类组成，均为河口广盐性种类［38］，对温度和盐度变化的适应能力较强［39］。本研究珠江口大型底栖动物优势种组成与张敬怀等［40］、孙凯静等［41］、袁一鸣等［42］、李晓静等［43］的研究结果相似（表7）。

图2 珠江口不同月份沉积物总氮、总磷和总有机碳排序图Fig.2 NMDS p lots based on the inter-monthly total nitrogen，total phosphorus and total organic carbon of sediments in the Pearl River Estuary

表6 珠江口大型底栖动物指示种Tab.6 Indicator species ofmacrobenthos in the Pearl River Estuary

受陆海相互作用及环境剧烈变化影响［49］，河口大型底栖动物优势种的组成及分布具有以下特征：①河口优势种的组成具有海洋生物区系特点；②优势种的物种数和生物量随盐度和水深梯度增加；③河口内侧水域大型底栖动物小型化明显，由一些耐受性较强、寿命短、具有高繁殖力的r策略者物种组成；④河口大型底栖动物优势种生物量低值化。珠江口大型底栖动物区系属于印度-西太平洋暖水区系中的南海区沿岸区系，长江口和黄河口大型底栖动物优势种分别属于东海区和黄渤海区［50］。

优势种作为群落结构指标之一较群落功能指标更容易获取，是河口生态系统健康评价的常用指标。有关珠江口及邻近海域大型底栖动物群落生态特征研究均报道珠江口大型底栖动物优势种主要以多毛类和小型双壳类为主［46-47］，例如寡鳃齿吻沙蚕、欧文虫（Owenia fusform）、异毛蚓虫一种（Parheteromastussp.）、长手沙蚕一种（Magelonasp.）和光滑河篮蛤（Potamocorbula laevis）。上述优势种的数量与沉积物有机质含量有关，反映河口沉积环境生态健康状况。

优势种明显影响群落结构和群落环境的形成，群落演变通常表现为优势种和优势类群的时序性变化［51］。陈琳琳等［52］根据渤海南部近岸水域大型底栖动物群落结构变化特征系统分析了其长期演变的过程和规律并识别重要演变时段，其中就包含生物资源优势种的演变特征，研究结果预测莱州湾渔业资源小型化和低值化的演变趋势。珠江口大型底栖动物群落演变过程及机制机理报道较少，已有研究仅报道珠江口大型底栖动物生物量呈下降趋势［18-19，22］。研究珠江口大型底栖动物演变趋势，可能需要开展底栖生物及相关环境因子长周期的监测，探索底栖生物群落演变主要驱动因素。

表7 我国河口大型底栖动物优势种组成Tab.7 Composition of dom inant species in five estuaries from Bohai Sea to the South China Sea

3.3 珠江口沉积物总氮、总磷生态毒性效应区域大型底栖动物指示种

利用生物群落评估和管理是把群落作为一个整体指标，其方法包含的一个前提是采用的群落必须在整体上有效，指示种分析法是一种部分代替整体的方法，指示种的分析方法不能超出源群落的适用范围，且指示种分析方法的预测精度取决于指示种对源群落真实信息的反映程度［53］。

底栖无脊椎动物通常被认为是水生态系统有力的指示物种［54-55］。目前淡水、河口和近岸水域利用大型底栖动物来评价生态系统健康多使用基于底栖生物敏感分类的指数，例如生物完整性指数、海洋生物指数、Bentix指数和BO2A指数（benthic opportunistic annelida and amphipod index）。上述大部分方法均是在欧洲“水框架指令”下建立的评价方法。由于我国与欧美国家在动物区系方面的差异，上述指数应用需开展适用性评估，以保证结果的可比性和可靠性［56］。本研究对珠江口具有沉积物总氮、总磷和总有机碳生态毒性的区域进行研究，根据DUFRÊNE和LEGENDRE［15］指示值方法计算该区域内大型底栖动物生态毒性指示值，通常指示值越高，则物种对特定群落生态毒性的指示效果越好。本研究结果表明，日本旋卷蜾蠃蜚、寡鳃齿吻沙蚕和拟特须虫是珠江口沉积物具有生态毒性效应的区域的指示种。日本旋卷蜾蠃蜚属于底内动物，生活在2～6 cm的厚沉积物“U”管中。日本旋卷蜾蠃蜚对盐度、沉积物质量和沉积物有机碳含量的耐受性较强，通常被用作河口和近海监测沉积物毒性的指示生物［57］。日本旋卷蜾蠃蜚大量分布的区域生物扰动较强，影响沉积物中的氮通量［58］。PELEGRÍ和BLACKBURN［59］的研究发现，日本旋卷蜾蠃蜚大量存在可增加沉积物碳氮的矿化过程。拟特须虫是一种食底泥者，在沉积物有机质含量较高的区域丰度较高［60］。寡鳃齿吻沙蚕主要分布在细砂混合淤泥和粘土的沉积物中。沉积物颗粒较小，总磷含量高，沉积物可能产生生态毒性效应。是否耐受沉积物中磷毒性，或者是其他因素导致寡鳃齿吻沙蚕在生态毒性效应区域存在，需要进一步研究。