天津市近岸海域秋季浮游动物群落结构与环境因子相关性

2022-12-05师艳丽张依章1闫祯常宝健张胜陈振宇平令文曹英杰

环境工程技术学报 2022年6期

师艳丽，张依章1,*，闫祯，常宝健，张胜，陈振宇，平令文，曹英杰

1.中国环境科学研究院

2.天津市滨海新区环境创新研究院

3.中山大学环境科学与工程学院

浮游动物广泛存在于湖泊、河流和海洋等生境中[1]，参与生态系统物质和能量的流通，是水生态系统循环中的重要因素[2]。浮游动物对环境变化和人为活动影响极为敏感，其群落结构多样性随水温、pH、营养盐等水环境因子变化而呈现差异性[3]，这种群落结构差异性常被用来客观地指示和评估水生态环境质量[4]。除水体理化指标外，浮游植物和鱼类等生物量也是影响浮游动物群落结构多样性的重要因素[5]。叶文建等[6]研究表明，温度、盐度(Salt)、叶绿素a（Chla）和营养盐浓度是导致舟山海域大中型浮游动物群落结构时空变化的主要因素；陈业等[7]研究表明，水位、水温、总磷和总氮浓度等是影响洪泽湖浮游动物时空分布的主要因素。浮游动物作为鱼类生长重要的饵料，鱼类捕食也是影响其群落变化的重要因素[8]。此外，水生植物类型[9]、植被覆盖度[10]等也会对其群落结构产生影响。

天津市近岸海域处于渤海湾湾底，海域管辖面积约3 000 km2，属于半封闭内海，为渤海湾与河口的交界处，是天津市重要的渔业水域[11-12]。随着经济快速发展，化工生产、港口建设与运输、围填海和水产养殖等活动日益增多[13]，使该近岸海域生态环境遭到破坏，浮游动物种类组成及数量等发生变化。关于天津市近岸海域浮游动物的相关调查与研究时间较早，如高文胜等[14]基于2004—2009 年监测数据，对渤海湾近岸海域浮游动物多样性进行分析；王宇等[15]于2012 年春季对渤海湾天津市海域浮游动物群落结构及其与环境因子的关系进行了调查研究。近几年来，针对天津市近岸海域浮游动物的研究鲜有报道，对该海域生态环境状况的评价不够。笔者基于2020 年9 月对天津市近岸海域浮游动物的调查数据，利用生物多样性指数评价法分析浮游动物多样性分布差异，利用冗余分析法（RDA）分析浮游动物多样性与水环境因子之间的相关性，利用主成分分析法（PCA）分析影响天津市近岸海域浮游动物多样性分布的主要水环境因子，以期为加强渤海湾天津市近岸海域生态环境管理和保护提供科学参考和基础数据支撑。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

于2020 年9 月在天津市近岸海域布设16 个采样点（图1），进行水质和浮游动物样品采集。各采样点水深（d）变化范围为3.3～12.5 m，平均水深为7.05 m。依据 GB/T 12763.1—2007《海洋调查规范第1部分：总则》[16]进行样品采集。浮游动物样品采用浅水Ⅰ型浮游生物网由底到表层垂直拖网进行采集，采集到的样品装入1 000 mL 塑料瓶中，现场加5%福尔马林溶液固定保存，带回实验室利用体视显微镜进行鉴定和计数。采用便携式多参数水质测量仪（SEBAsn3476，德国）现场测定水体pH、溶解氧（DO）浓度、盐度（Salt）、悬浮物（SS）浓度和Chla 浓度[17]，根据GB 17 378.4—2007《海洋监测规范第4 部分：海水分析》[18]测定水体氨氮（）、活性磷酸盐、硝氮（）和石油类浓度及化学需氧量（COD）。

图1 天津市近岸海域浮游动物采样点分布Fig.1 Distribution of zooplankton sampling sites in Tianjin coastal marine areas

1.2 数据处理与分析

应用Shannon-Wiener 多样性指数（H′）[19]、Margalef丰富度指数（D）[20]、Pielou 均匀度指数（J）[21]和Simpson 优势度指数（C）[22]、生物多样性阈值（Dy）[17]对天津近岸海域浮游动物多样性进行分析评价。Dy评价标准如表1 所示。运用Canoco for Windows 4.5 软件进行浮游动物与水环境因子间的RDA 和PCA 分析，运用ArcGIS 10.5 软件制作采样点分布图。

表1 Dy 分级评价标准Table 1 Evaluation standard for the biodiversity threshold classification

2 结果与分析

2.1 近岸海域水环境因子特征

天津市近岸海域各采样点pH 为7.90～8.07，变化幅度较小，水体偏碱性；DO 浓度为7.96～9.43 mg/L，平均值为8.27 mg/L；Salt 为28.9～31.0；SS 浓度为2.0～7.7 mg/L，平均值为5.0 mg/L；COD 为0.74～1.16 mg/L，平均值为0.97 mg/L；浓度为0.02～0.39 mg/L；浓度为0.11～0.44 mg/L；Chla 浓度为1.28～3.54 µg/L，平均值为2.35 µg/L。各采样点pH、DO、Salt、SS、COD、、Chla 和指标均达到GB 3097—1997《海水水质标准》第一类水质标准。活性磷酸盐浓度为0.010～0.024 mg/L，平均值为0.020 mg/L，其中12.5%采样点的浓度达到第三类水质标准；石油类浓度为0.01～0.06 mg/L，平均值为0.13 mg/L，其中37.5%和18.75%采样点的浓度分别达第四类和劣四类水质标准。

2.2 浮游动物群落结构多样性

2.2.1 物种组成

本次监测到浮游动物共计5 大类群18 种（表2），主要类群为浮游幼虫、毛颚类、有尾类、桡足类和原生动物。其中，桡足类为主要类群，有9 种，占浮游动物类群总量的50%；其次是浮游幼虫，有6 种；毛颚类、有尾类和原生动物均调查到1 种，分别为强壮箭虫（Sagitta crassa）、异体住囊虫（Oikopleura dioica）和夜光虫（Noctiluca scientillans）；物种数量占比较多的有桡足类幼体（Copepodite larva）、近缘大眼剑水蚤（Corycaeus affinis）、桡足类无节幼虫〔Nauplius larva（Copepoda）〕、小拟哲水蚤（Paracalanus parvus）和夜光虫（Noctiluca scientillans）等。

表2 天津市近岸海域浮游动物物种名录Table 2 List of zooplankton species in Tianjin coastal marine areas

2.2.2 物种多样性

16 个采样点中，浮游动物物种数最多的为9 号和13 号采样点（表3），均有10 种，8 号采样点物种数最少，仅为1 种；各采样点D平均值为1.37，其中9 号采样点最高（2.30）；各采样点H'平均值为1.31，其中13 号采样点最高（2.02）；各采样点J平均值为0.71，其中7 号采样点最高（0.94）；各采样点C平均值为0.36，其中8 号采样点最高（1.00），13 号采样点最低，仅为0.13；各采样点总生物量平均值为850 mg/m3，其中14 号采样点最高（1 611 mg/m3），1 号采样点最低（256 mg/m3）。75%的采样点Dy属于Ⅱ级，生物多样性一般；12.5%的采样点Dy属于Ⅰ级，生物多样性较差；只有13 号采样点Dy为1.78，属于Ⅲ级，生物多样性较好；8 号采样点检测到1 种浮游动物，无法计算阈值。本次调查发现不同采样点的生物多样性指数表现出差异性，可能与采样点水体中SS 浓度、氨氮浓度、pH 等水环境因子有关。

表3 天津市近岸海域各采样点浮游动物多样性Table 3 Diversity of zooplankton at monitoring sites in Tianjin coastal marine areas

2.3 相关性分析

除趋势对应分析（detrended correspondence analysis，DCA）排序结果表明，前4 个轴最大值均小于3，因此选择RDA 探讨浮游动物多样性与水环境因子之间的关系，结果如图2 所示。由图2 可知，pH、SS、、活性磷酸盐、DO、COD、Salt、Chla、、d和石油类10 个水环境因子与H'、D、J、C和总生物量5 个生物多样性指数之间前2 个排序轴的相关性分别为0.599 和0.809，前2 个排序轴累积解释量达到97.8%，该分析结果可准确反映浮游动物群落多样性与水环境因子之间关系。SS 与总生物量、D、J、H'之间均呈负相关；活性磷酸盐与J、H'呈正相关，与其他生物多样性指数均呈负相关；pH、Salt 与C呈负相关，与其他生物多样性指数呈正相关；Chla、与C、J呈正相关，与其他生物多样性指数呈负相关；DO 与C和总生物量呈负相关，与其他生物多样性指数呈正相关；石油类与C呈负相关，与其他生物多样性指数呈正相关，d与C之间呈负相关，与其他生物多样性指数呈正相关。此外，活性磷酸盐、Chla、COD 与等水环境理化指标之间呈现不同程度的正负相关性。

图2 天津市近岸海域浮游动物多样性与环境因子RDA 分析Fig.2 RDA of zooplankton diversity and environmental factors in Tianjin coastal marine areas

2.4 主成分分析

PCA 排序图中，环境因子箭头越长，表示该项环境因子载荷越大[23]，对环境影响越大。天津市近岸海域水环境因子PCA 分析结果如图3 所示。天津近岸海域水环境因子主成分排序PC1 和PC2 两个排序轴累积解释量达到88.1%，说明分析结果可准确反映该区域主要的水环境影响因子。由图3 可知，天津市近岸海域影响浮游动物物种分布的主要影响因子为d、SS、活性磷酸盐、Chla 和，其次为pH 和Salt，而COD 和DO 影响较小。环境影响因子相似或差异较小的可聚为一类[24]，表明不同污染物具有同源性特征[25]。图3 中采样点较为分散，表明天津市近岸海域各采样点对应的环境影响因子不同，各采样点水体主要污染物来源差异较大。本次监测的水环境指标中，SS、活性磷酸盐、Chla 和是影响水环境质量的主要因子，此外季风、洋流等其他因素也可能对水环境质量产生影响。

图3 天津市近岸海域水环境因子PCA 分析Fig.3 PCA of water environment factors in Tianjin coastal marine areas

3 讨论

3.1 水环境理化指标与浮游动物多样性特征

对于天津市近岸海域水环境质量状况与浮游动物多样性分布特征的调查研究较少，地域特征揭示依然不够。本次监测的水体理化指标评价结果表明，调查范围内水质状况良好，部分点位存在石油类超标风险，石油类浓度达到第四类和劣四类水质标准。16 个采样点浮游动物多样性指数D、H'、J、C和总生物量表现出不同程度的差异性，其中J基本高于0.6，最高值接近于1，表明研究区域内浮游动物均匀度较高；H'平均值为1.31，最大值达到2.02，表明研究区域内浮游动物群落结构处于比较复杂、稳定的状态。研究区75%的采样点生物多样性阈值属于Ⅱ级，生物多样性一般。

天津市近岸海域浮游动物多样性监测结果表明，桡足类为主要类群，占浮游动物类群总量的50%。桡足类是淡水及海洋生态系统中重要的浮游动物之一，隶属节肢动物门甲壳纲桡足亚纲，属于小型甲壳动物[26]。高文胜等[14]基于2004—2009 年渤海湾近岸海域浮游动物监测数据，共鉴定出浮游动物9 大类48 种，其中桡足类占总种类数的33.33%，浮游幼虫占总种类数的43.75%，且研究表明2005—2007 年浮游动物多样性指数呈下降趋势，2008 年后多样性指数有所提升，夏季物种多样性高于春季。王宇等[15]于2012 年春季在渤海湾天津近岸海域设12 个监测点，调查到浮游动物有28 种，其中桡足类物种数最多，分析表明Salt、温度、透明度和水深对浮游动物分布具有重要影响。本次调查所监测到的浮游动物种类有18 种，与历史研究结果相比发现，天津市近岸海域浮游动物种类数有所下降，这可能与采样点位设置、采样季节及环境变化等有关，但桡足类均是近年来监测到的主要类群。庞碧剑等[27]调查表明北部湾近岸海域桡足类是种类数最多的终生性浮游动物，桡足类浮游动物广泛分布于近岸海域中，是海域生态系统中不可缺少的重要组成部分。

3.2 浮游动物与环境因子的关系

近岸海域浮游动物群落结构多样性受气候条件、环境因子和人类活动等影响表现出差异性[28-29]，其中环境因子包括自然环境、水体理化性质、栖息地和生境质量等因子[30]。天津市近岸海域浮游动物多样性与水环境因子之间呈现不同程度的相关性，影响浮游动物分布的主要水环境因子为SS、Chla、和活性磷酸盐。

SS 浓度对浮游动物生长有一定的影响，研究发现随着SS 浓度增加，浮游动物死亡率增加，水体中SS 浓度过高会对浮游动物生长产生抑制作用[31-32]，本研究SS 与浮游动物多样性指数之间呈负相关，说明SS 对天津市近岸海域浮游动物多样性产生了抑制作用。Chla 是衡量水生植物的重要指标，通过直接或间接作用对浮游动物生长产生抑制或促进作用，水体中氮、磷营养盐浓度对浮游动物多样性分布产生重要影响[33]，本研究Chla 与总生物量之间呈负相关，、活性磷酸盐与浮游动物生物多样性指数呈负相关，表明Chla、和活性磷酸盐对浮游动物生物量产生抑制作用，窦勇等[34]的研究也表明氮盐对浮游动物存活可能存在一定的抑制作用。此外，已有研究表明水温和Salt 也是影响浮游动物生长和分布的重要因子[35]，高温条件不适宜小拟哲水蚤生存，双毛纺锤水蚤更适宜于低盐环境，水温、盐条件差异是影响浮游动物群落结构变化的主要因素[36]。本研究Salt 与H'、D、J、C和总生物量之间呈正相关，由于此次采样范围位于渤海湾天津市近岸海域，属于半封闭海湾，水体交换能力较差，水体Salt 变化范围为28.9～31.0，适宜浮游动物生长。季节变化也是导致浮游动物群落结构差异性的主要因素，秋季浮游动物丰度显著高于春季和夏季[37]，Liu 等[38]研究表明，浮游动物丰度和生物量夏季最高，其次为春季和秋季，冬季最低。本研究在秋季对天津市近岸海域浮游动物多样性展开调查，与已有调查结果相比，浮游动物多样性群落较低，可能与季节变化存在一定关系。水体酸碱性也是影响浮游动物分布的重要因子，本研究水体pH 为7.90～8.07，偏碱性，桡足类为主要物种，高原等[39]研究结果也表明，桡足类更适宜生活在偏碱性水体中。不同种类浮游动物对COD、石油类等水生态环境影响因子的耐受性也是影响多样性分布的重要因素[40]。本次监测COD 为0.74～1.16 mg/L，达到第一类海水水质标准，但COD 与浮游动物多样性指数H'、D、J和总生物量之间呈负相关，表明本次所检出的18 种浮游动物对有机污染耐受能力较弱；石油类是影响天津市近岸海域水质的主要因子，但其对浮游动物影响较小，石油类与总生物量之间呈显著正相关，表明浮游动物对石油类有较高的耐受力，也可能是由于长期受近岸海域石油开采等影响，浮游动物对该水域环境的耐受性增强。