南沙港海区水质变化与浮游植物群落更替特征

李桂娇, 冯洁娉, 叶锦韶

南沙港海区水质变化与浮游植物群落更替特征

李桂娇1, *, 冯洁娉1, 叶锦韶2

1. 广州市环境技术中心, 广州 510235 2. 暨南大学环境学院, 广州 510632

港口是国家经济与社会发展的重要依托, 然而, 港口用海对所在海区的生态环境的影响则有待剖析。为此, 以南沙港海区为研究对象, 对该海区的水质和浮游植物开展了为期3年的监测, 分析了监测指标的关联。结果表明, 南沙港海区水质受港口用海影响不显著, 除了无机氮和活性磷酸盐浓度超过了港口航运区四类海水的水质标准外, pH、化学需氧量、溶解氧、悬浮物、石油类、铜、铅、锌、镉、汞、砷、铬等指标均达标。各站位的浮游植物门类组成均是硅藻门和绿藻门种数最多, 两者占了总种类数的76%以上。自2017年至2019年, 各站位的种群由以硅藻门的中肋骨条藻、梅尼小环藻和绿藻门的四足十字藻等组成的3个聚类向由绿藻门的椭圆小球藻、小球藻、鼓藻、布朗葡萄藻, 硅藻门的新月菱形藻和蓝藻门的鞘丝藻、细小裂面藻为代表的3个聚类更替。

浮游植物; 海港; 海洋环境

0 前言

广州港南沙港区目前建有多个集装箱码头、汽车码头、石化码头和粮食码头等大型专业化码头，已基本形成集装箱、汽车、粮食、石油化工的产业布局，是立足南沙自贸片区，参与“一带一路”和粤港澳大湾区建设，推动广州国际航运中心和航运枢纽建设的主力港区。因此，该港口对区域经济与社会的贡献是不言而喻的。然而，港口用海是否会对所在海区存在生态环境影响则有待剖析。

港口用海过程中的人为活动，包括船舶运输、航道清淤、围填海工程等对海水生态环境具有潜在的物理和生态影响。浮游植物是海洋生态系统的初级生产者，是海洋生态系统构建的基石。然而，浮游植物个体小、生命周期短、趋避能力弱，容易受到环境变化的影响。港口用海过程对浮游植物的影响可能会通过食物链的放大效应，改变海域食物网的结构与功能。有研究表明，南沙海域浮游植物群落结构受环境因子影响较明显，海域浮游植物优势种群为硅藻，丰水期和枯水期浮游植物的主要环境影响因子不完全相同[1]。港湾海域浮游植物丰度与海水水质，如无机氮、活性磷酸盐等指标呈明显的相关性[2]。港口海域水质特征也会受季节、港口水动力特性、水循环条件等影响[3]。揭示港口用海对水环境与浮游植物群落结构时空变化的关联机制，对港口运营期的环境生态影响管控具有重要的意义和价值[4]。为此，本文研究了近三年南沙港海区丰水期、平水期和枯水期的水质变化与浮游植物种群的更替，以探究港口用海行为对海洋生态环境的主要影响因子，及海水水质特征与浮游植物的更替规律，以期为广州南沙港海区生态环境质量管理、港口生态环境保护及海港可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 水质监测站位与指标

在南沙港海区设置12个监测站位(图1); 于2017年、2018年和2019年的枯水期(3月)、丰水期(8月)和平水期(11月)进行样品采集。监测的水质指标包括悬浮物、溶解氧、化学需氧量、无机氮(氨、亚硝酸盐、硝酸盐)、活性磷酸盐、石油类、铜、铅、镉、锌、汞和砷, 监测方法按国家标准方法执行。

1.2 水质采集与分析

样品采集根据《海洋监测规范第3部分: 样品采集、贮存与运输》(GB17378.3–2007)的方法执行, 水深小于10 m的站位只采表层, 大于10 m站位同时采集表层及底层。不同监测指标的海水样品进行相应的预处理后在冷藏条件下运回实验室, 然后用0.45 μm滤膜过滤(测汞的样品除外)。溶解氧的检测方法采用电化学探头法(HJ 506–2009), 其余指标根据《海洋监测规范第4部分: 海水分析》(GB17378.4—2007)执行, 其中悬浮物采用重量法, 化学需氧量采用碱性高锰酸钾法, 氨采用水杨酸盐法, 亚硝酸盐采用萘乙二胺分光光度法, 硝酸盐采用镉柱还原法, 石油类采用紫外分光光度法, 活性磷酸盐采用磷钼蓝分光光度法。铜、铅、镉及锌采用原子吸收分光光度法, 汞及砷采用原子荧光法。

1.3 浮游植物监测

于南沙港海区设置6个海洋浮游植物监测站位, 分别为S3、S4、S6、S8、S9、S12(图1)。采集2000 mL水样于PE广口瓶中, 加入5%中性甲醛溶液固定, 并遮光保存; 将样品带回实验室, 静置沉淀至少24 h,吸取并弃掉上清液, 重复此步骤以浓缩样品到适宜的浓度, 取样品于浮游植物计数板上, 利用蔡司光学显微镜(AXIOSKOP 40)进行分类鉴定。

图1 采样站位

Figure 1 Sites of sample collection

1.4 数据处理与分析

浮游植物多样性采用Shannon-Weaver指数法表征:

式中:′为多样性指数;是生物种类总数;P是第种的个体数与总个体数的比值。

式中:—均匀度;′—生物多样性指数;—样品中的种类总数。

1.5 浮游植物系统发育学分析

为了揭示各采样站位浮游植物的种群更替是取决于物种的遗传特征, 分析了浮游植物的系统发育关系。方法要点如下: 于NCBI数据库(https://www. ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/Browser/wwwtax.cgi)搜索各浮游植物, 剔除没有被数据库收录的物种, 下载被收录物种的Taxonomy ID; 利用NCBI计算物种进化关系的功能(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ Taxonomy/CommonTree/wwwcmt.cgi), 对收录的浮游植物进行进化树构建; 构建后下载phylip tree文件; 利用NCBI Tree Viewer (https://www.ncbi.nlm.nih. gov/tools/treeviewer/)进行文件分析。

2 结果与分析

2.1 南沙港海区水质变化

南沙港海区各站位的无机氮和活性磷酸盐浓度均超过了港口航运区四类海水水质标准规定的0.50和0.045 mg·L-1的标准(图2)。其他水质指标如pH、化学需氧量、溶解氧、悬浮物、石油类、铜、铅、锌、镉、汞、砷、铬等均符合第四类海水水质标准。

2.2 浮游植物多样性与丰度分析

硅藻门和绿藻门浮游植物种数最多, 两者占了总种类数的76%以上(图3), 但各年份代表性物种不同。硅藻门的优势度呈现了逐年下降的趋势, 绿藻门的优势度在2019年最大。2017年优势种由颗粒直链藻()(包括其变种)、伪鱼腥藻(sp.)、中肋骨条藻()、鱼腥藻(sp.)、细小平裂藻()和集星藻()组成, 其优势度分别为0.185、0.105、0.099、0.094、0.049和0.036, 共占浮游植物总丰度的61.7%; 2018年优势种为游丝藻()、伪鱼腥藻、颗粒直链藻、集星藻、梅尼小环藻()和细小平裂藻, 优势度分别为0.169、0.117、0.115、0.048、0.023和0.020, 共占浮游植物总丰度的56.57%; 2019年优势种以微小平裂藻和伪鱼腥藻为主, 其优势度分别为0.302和0.110, 共占监测海域浮游植物总丰度的47.2%。

在丰度方面, 2017年各站位浮游植物的平均丰度为176.04×104cells·L-1,最高值和最低值分别出现在S4、S6站, 不同站位浮游植物的丰度变化较大; 2018年平均丰度为132.94×104cells·L–1; S8站丰度最高, S4站最低值。2019年平均丰度为156.11×104cells·L-1, 最高值出现在S3站, 最低值出现在S9站。2017年、2018年和2019年, 浮游植物多样性指数范围分别为3.30—4.51、3.21—4.22、2.40—3.94 (表1)。

2.3 海洋浮游植物更替规律

聚类分析显示(图4), 总体上南沙港海区3年浮游植物种类可以分为9个主聚类。其中, 由绿藻门的椭圆小球藻()和蓝藻门的鞘丝藻(sp.)等组成的第一聚类, 以蓝藻门的细小裂面藻和绿藻门的鼓藻(sp.)为代表的第二聚类, 及以布朗葡萄藻()等为代表的第八聚类主要发现于2019年的监测时段。以绿藻门的小球藻()和硅藻门的新月菱形藻()为代表的第三聚类高丰度周期发生于2018年和2019年的监测时段。以绿藻门的栅藻()、硅藻门的小环藻(sp.)和放射针杆藻()为代表的第四聚类, 以及由硅藻门的颗粒直链藻及其变种、具槽直链藻()、鱼腥藻(sp.)和绿藻门的二尾栅藻()等物种组成的第五聚类是高丰度聚类, 几乎存在于各时段的站位。由韦氏藻(sp.)和中肋骨条藻等物种组成的第六聚类, 以及由平裂藻()和伪鱼腥藻等物种组成的第七聚类主要发现于2017年的样品中。梅尼小环藻()和四足十字藻()等组成的第九聚类则发现于2017年和2018年的样品中。总体上, 第6、7、9聚类向第1、2、3、8聚类更替。浮游植物的进化关系显示, 浮游植物在年度间的种群更替取决于物种的代谢行为, 与物种的进化关系无关。

图2 水质监测结果

Figure 2 Results of water quality

图3 浮游植物门类

Figure 3 Categories of phytoplankton

2.4 海洋浮游植物与水质的关系

剔除低检测频率的指标后, 分析浮游植物与水质指标的相关性, 把高相关度的结果展示于表2和表3。2017年的数据相关性显示(表2), 水温、DO、COD、无机氮、活性磷酸盐和铜是与某些浮游植物生长呈显著相关关系的因素。其中, COD、无机氮和活性磷酸盐与啮蚀隐藻、鞘丝藻、具槽直链藻、新月菱形藻和针杆藻()等藻种的正相关系数均超过了0.8。铜抑制了短线脆杆藻()、颗粒直链藻变种(var.)、四尾栅藻和放射针杆藻等藻种的生长。实验研究已经证明, 铜对颗粒直链藻和四尾栅藻的胁迫作用, 会导致藻体的脂质和形貌发生异常[5]。然而, 最高丰度的多种藻类没有与某一项水质指标显著相关, 意味着浮游植物的种类、优势种和总丰度由多因素调控。2019年的相关性分析则表明(表3), 共有16个藻类与不同的水质指标存在很显著的相关性。悬浮物和活性磷酸盐基本上呈现了抑制藻类生长, 无机氮呈现了促进藻类生长的规律。这主要是悬浮物起遮光的作用, 从而影响了藻类的光合作用。该海区的河水和海水混合的时空差异大, 受人类活动影响大。两个年度的相关性规律差异较大可能缘于河海交汇区的特殊性。

表1 浮游植物多样性、均匀度和丰度

图4 浮游植物聚类分析结果

Figure 4 Cluster of phytoplankton

图5 浮游植物进化树

Figure 5 Phylip tree of phytoplankton

表2 2017年水质与浮游植物相关系数

表3 2019年水质与浮游植物相关系数

3 讨论

南沙港海区的悬浮物浓度总体上呈现港口区大于上游对照断面的趋势(图2)。该现象证明航运对该海区的沉积物造成了扰动。无机氮浓度呈现上游站位高于下游站位的现象, 证明无机氮的超标缘于地表径流的贡献; 且含量整体上呈逐年下降的趋势, 说明无机氮的污染问题得到了一定程度的改善。溶解氧也呈现了从上游到下游增加的态势, 这是由于港口下游区域开放、水量大, 海水对入海河水进行了充分的稀释, 从而提高了水体溶解氧量并降低了污染物浓度。稀释作用也降低了单位水体内污染物生物降解所消耗的溶解氧的量, 进一步有利于含氧量的提升。从时间变化的角度判断, 水体溶解氧呈现了逐年上升的规律, 证明了该海区的水质得到了改善, 这可能缘于消耗氧的有机物及营养元素含量减少。石油烃和活性磷酸盐浓度逐年下降的趋势进一步证明了水质的改善[6]。其中, 石油烃浓度的变化趋势证明了南沙港运营管理的有效性, 没有因油料的跑冒滴漏造成港口区域水体的污染。

重金属方面, 锌的浓度最高且呈现了增长的趋势, 其中2019年平水期各站位的浓度普遍比其他时段高数倍; 位于港口及其下游的第5、6、11、12号站位则比其他站位的锌浓度高约2倍。该结果证明港口的运营可能会导致锌浓度的上升。该增量的锌可能来源于船只的防污涂料[7]。铜的浓度在2017年的枯水期明显高于其他采样时段; 2018年的枯水期各站位浓度则基本呈现为最低值。因此, 该指标的变化取决于河水径流的浓度变化, 港口运输没有表现出直接的影响作用。汞的浓度变化也呈现了类似的规律, 2017年枯水期时浓度最高, 2018年全年的浓度均很低。镉的浓度则在2018年最高; 铅浓度于2017年平水期至2018年丰水期最高; 砷浓度于2017年枯水期、丰水期和2019年丰水期较高。在站位变化方面, S5、S6、S9、S10和 S11站位的铅和砷含量明显高于其他站位。该现象可能与港口运营或该海区的沉积物有关。尽管如此, 全部站位的铅和砷均分别符合第二类和第一类海水水质标准。

参照《滨海湿地生态监测技术规程》(HY/T080–2005)的生物多样性指数评价等级, 多样性指数等于2—3、3—4时, 指标等级分别为中和较好, 因此, 根据近3年的浮游植物多样性指数可以判断(表1), 该海区的生态环境状况处于较好的水平。浮游植物多样性指数的评价结果与水质分析的总体结果相符, 此结果表明了浮游植物与海域水环境因子有相关关系[8], 浮游植物群落结构受环境因子影响较明显[1]。从浮游植物群落结构角度考虑, 该海区浮游植物以绿藻-硅藻型为主[9], 据此推测, 南沙港海区水体具有较高的营养化程度。该结果与活性磷酸盐是珠江口海区的主要污染因子相符[10]。

聚类分析的结果显示(图4), 第四聚类的代表种栅藻是对环境污染耐受性较高的微藻, 是有机污水氧化塘生物相中的优势种类。该藻种具有利用有机质作为碳源和氮源, 实现水中有机物迅速降解的净化能力[11]。该聚类的浮游植物是各监测时段的主要类群之一, 且丰度总体上呈现出逐年下降的趋势, 与水质变化趋势相同。因此, 该聚类的物种可以作为表征海区水质变化的指示物种。这也意味着该聚类物种是港口运营的敏感物种。第五聚类浮游植物丰度的变化趋势与第四聚类的类似。该聚类代表种直链藻和鱼腥藻是赤潮和水华藻种[12-13], 其中具槽直链藻为底栖性藻类, 既可在水中形成优势度, 也可以在底质中富集; 颗粒直链藻在世界范围内广泛分布, 是江河、湖泊、水库、河口等水体中的常见优势种, 在富营养化水体中极易形成优势种群或发展为水华, 因此, 该藻种也是富营养化及污染水体的指示物种[14]。中肋骨条藻是典型的广温广盐广布种, 在近岸低盐水及河口海域尤为繁茂, 是沿岸流的良好指示种。同时本种能生长于富营养化水域, 是沿岸水中常见的赤潮生物。

硅藻在广东沿岸海域属于主导藻种[15], 有研究报道于2015年4月丰水期监测到的南沙港海域浮游植物优势种群为硅藻, 且中肋骨条藻也为优势种[1], 这与当前的监测结果一致。伪鱼腥藻是富营养化水体中常见的有毒藻种, 常作为微囊藻的伴生种被微囊藻的胶鞘多糖包裹而一起在富营养化水体中形成水华[16]。第九聚类的代表种梅尼小环藻是一种广盐性硅藻, 是水产养殖生产中水质调控的有益藻类, 也是鱼、虾、贝类等经济水产动物优质的饵料[17]。监测海区硅藻门和绿藻门的种类数、优势种数及细胞密度均长时间具有显著的优势, 其中部分种类具有形成赤潮的潜能。上述结果意味着南沙港海区具有藻类暴发的可能性。从物种的营养需求判断, 第四、第五聚类的浮游植物均适宜生长于有机碳含量高的水体中, 可用于指示海区有机碳污染与赤潮暴发的潜在性。

第一聚类的代表种椭圆小球藻是一种单细胞真核生物, 既能够利用光能和二氧化碳进行自养生长, 也可以利用有机碳进行异养生长, 繁殖速度快。第二聚类的代表种细小裂面藻可被虾幼体等动物摄食。该藻种也是湖库的常见优势种[18]。鼓藻类普遍对水化学很敏感, 在不同的水化学组成、不同的营养型的水体中生长有不同种类的鼓藻[19], 因此, 鼓藻被用作为水环境监测的指示物种。布朗葡萄藻具有极高的烃含量, 在富烃的环境里, 含烃量可达细胞干重的75%[20]。因此, 该类藻种的存在有利于降低水体的石油类污染物。这与2019年水体石油类的减少可能存在关联。第三聚类的代表种新月菱形藻对污染物毒性敏感, 是苯系物等石化污染物毒性的指示藻种[21]。该藻种的存在并形成丰度优势, 意味着监测区域水质的改善。上述聚类中各代表藻种以环境友好藻种为主, 进一步确认了2019年监测时段港口区域水质与生态环境的改善。

浮游植物的种群更替取决于物种的代谢行为, 与物种的进化关系不直接。同一个属不同种的浮游植物, 如和(图4), 在不同的时间点呈现优势度的现象进一步证明了该结论。这主要是由于由众多代谢反应组成的代谢网络具有相互贯通的特征, 两个物质间的间接转化可以由多种通路实现。因此, 不同物种不同的代谢行为可以由不同的基因调控。代谢行为作为与环境调控最密切相关的生物响应, 直接决定了浮游植物在水体中的种群更替; 而浮游植物基因组的表达要历经转录、蛋白质合成、代谢催化等系列生物行为, 因此在本研究中与浮游植物种群更替没有直接的相关性。

4 结论

2017至2019年南沙港用海期间, 港口海域的生态环境状况处于较好水平。海水水质影响因子主要是无机氮, 其次为活性磷酸盐。浮游植物的主要影响因子为水温、DO、COD、无机氮、活性磷酸盐和铜。浮游植物的多样性、均匀度及优势种受多种因素的综合影响, 主要优势种随年度而变化, 且聚类更替中呈现出年度演替的规律。与水质呈逐年改善的趋势相对应, 浮游物种的类群呈现从耐污种向表征清洁水质的类群更替的规律。

[1] 徐姗楠, 杨玉滔,粟丽, 等. 珠江口南沙海域浮游植物群落结构特征[J]. 南方水产科学, 2017, 13(4): 26–33.

[2] 张才学, 龚玉艳, 孙省利. 湛江港湾浮游植物的群落结构特征[J]. 海洋通报, 2012, 31(5): 530–538.

[3] 张晨晓, 黄丽丽, 钟秋平, 等. 钦州港海域海水水质分析与评价[J]. 广州化工, 2011, 39(15): 140–141.

[4] 叶又茵. 福建沿岸港湾浮游植物的多样性[D]. 厦门: 国家海洋局第三海洋研究所, 2013: 1-4.

[5] PANDEY L K, HAN T, GAUR J P. Response of a phytoplanktonic assemblage to copper and zinc enrichment in microcosm[J]. Ecotoxicology, 2015, 24 (3): 573–582.

[6] GAO Lei, LI Rui, LIANG Zuobing,et al. Remobilization mechanism and release characteristics of phosphorus in saline sediments from the Pearl River Estuary (PRE), South China, based on high-resolution measurements[J]. Science of the Total Environment, 2020, 703. DOI:10.1016/j. scitotenv.2019.134411

[7] SOROLDONI S, DA SILVA S, CASTRO I, et al. Antifouling paint particles cause toxicity to benthic organisms: Effects on two species with different feeding modes[J]. Chemosphere, 2020, 238: 124610.

[8] 章飞燕. 长江口及邻近海域浮游植物群落变化的历史对比及其环境因子研究[D]. 上海: 华东师范大学, 2009, 39-46.

[9] 曹文钟, 孙玉凤, 杨双, 等.大庆库里泡浮游植物群落结构及多样性研究[J].生态科学, 2019, 38(2): 206–211.

[10] 谢群, 施玉珍, 张际标, 等. 珠江口海域春季富营养化现状与影响分析[J]. 应用海洋学学报, 2017, 36(3): 356– 364.

[11] 曹猛, 王盛林, 刘平怀, 等.栅藻B38营养成分分析及蛋白质营养价值评价[J].水产科学, 2020, 39(1): 103–110.

[12] 孙鲁峰, 徐兆礼, 邢小丽, 等.椒江口海域浮游植物与富营养化的关系[J]. 应用与环境生物学报, 2012, 18 (2): 170–176.

[13] 贾晓燕, 刘聪, 储昭升, 等.氮磷限制条件下螺旋鱼腥藻产生土嗅素特征研究[J]. 中国环境科学, 2014, 34(4): 1026–1030.

[14] 马增岭, 高倩, 赵敏. 颗粒直链藻水华生消对婆罗异剑水蚤(桡足类)种群动态的影响[J]. 环境科学学报, 2014, 34(1): 265–271.

[15] 李涛, 刘胜, 黄良民, 等. 广东沿岸不同海洋功能区秋季浮游植物群落结构比较研究[J]. 海洋通报, 2007, 26(2): 50–59.

[16] 王茂伟, 周利, 高静思, 等.水体pH对伪鱼腥藻生长及叶绿素荧光参数的影响[J]. 生态科学, 2019, 38(3): 159– 165.

[17] 李长玲, 陈健冰, 黄翔鹄. 中心硅藻梅尼小环藻淡水株和海水株亚显微结构的形态学差异[J]. 海洋科学, 2017, 41(8): 116–121

[18] 王振方, 张玮, 杨丽, 等. 异龙湖不同湖区浮游植物群落特征及其与环境因子的关系[J]. 环境科学, 2019, 40(5): 2249–2257.

[19] NASSAR M Z, EL-DIN N G S, GHARIB S M. Phytoplankton variability in relation to some environmental factors in the eastern coast of Suez Gulf, Egypt[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2015, 187(10): 648.

[20] WAN Minxi, ZHANG Zhen, WAND Ruixuan, et al. High-yield cultivation offor biomass and hydrocarbons[J]. Biomass and Bioenergy, 2019,131: 105399.

[21] 王摆, 高士博, 董颖, 等. 6种苯系物对球等鞭金藻和新月菱形藻的生长抑制[J].生态毒理学报, 2014, 9(2): 233– 238.

Alteration of water quality and succession characteristic of phytoplankton community in Nansha harbor area

LI Guijiao1, *, FENG Jieping1, YE Jinshao2

1. Guangzhou Environmental Technology Center, Guangzhou 510235, China 2. School of Environment, Jinan university, Guangzhou 510652, China

Ports are important infrastructure for the national economic and social development. However, the impacts of ports on the marine ecosystem need to be evaluated. To this end, Nansha port was selected as the research area. Phytoplankton and the water quality in this area for 3 years were analyzed. The results show that the water quality was not affected by Nansha port significantly. The concentrations of inorganic nitrogen and active phosphate were higher than the sea water quality standard Level 4. The indexes of pH, chemical oxygen demand, dissolved oxygen, suspended solids, petroleum, copper, lead, zinc, cadmium, mercury, arsenic and chromium were up to the standards. Bacillariophyta and Chlorophyta were the dominant divisions in each site for sample collection, accounting for more than 76% of the total species. From 2017 to 2019, the phytoplankton clusters composed of,andwere replaced by the clusters with the dominant species of,andsp.,,,sp. and.

phytoplankton; port; marine environment

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.05.021

Q178.1

A

1008-8873(2021)05-164-08

2020-02-27;

2020-05-21基金项目:国家自然科学基金项目(编号21876064); 广州市财政预算项目(编号: 1710658, 1810447)

李桂娇(1974—), 女, 湖南郴州人, 硕士, 工程师, 主要从事海洋生态环境监测与研究, E-mail:leejiao1999@163.com

通信作者

李桂娇, 冯洁娉, 叶锦韶. 南沙港海区水质变化与浮游植物群落更替特征[J]. 生态科学, 2021, 40(5): 164–171.

LI Guijiao, FENG Jieping, YE Jinshao. Alteration of water quality and succession characteristic of phytoplankton community in Nansha harbor area[J]. Ecological Science, 2021, 40(5): 164–171.