灌河口海域水生动物群落结构及分布特征*
2024-01-12李昌文徐加涛李士虎宋可心唐佳伟马晓娜冯志华
王 鑫,李昌文,徐加涛,李士虎,宋可心,唐佳伟,马晓娜,冯志华,b,c
(江苏海洋大学 a.江苏省海洋生物资源与环境重点实验室; b.江苏省海洋生物产业技术协同创新中心; c.自然资源部滨海盐沼湿地生态与资源重点实验室,江苏 连云港 222005)
0 引言
灌河口位于江苏连云港最东部,海州湾南部。灌河是苏北平原最大的入海河流,作为江苏省内唯一一条在干流上没有建设水闸的潮汐入海河流,其拥有纵横交错的支流水系,是江苏沿海最具代表性的入海河流之一,河口海域生态环境具有典型研究特征[1-2]。得天独厚的水文条件给灌河口带来了广阔的滩涂面积和优秀的航运基础,常年丰沛的入海水流,为附近海域水生动物生存繁殖提供了良好的物质基础[3]。但是,随着河口附近区域工业的发展,沿河工业废水和生活污水中重金属、有机污染物、营养盐超标排放问题逐渐显现,其所导致的河口海域环境污染引起诸多学者的关注。根据已有研究成果和文献报道,目前灌河口海域水体当中主要的污染物包括无机氮、活性磷酸盐和悬浮物,沉积物中的主要污染物为重金属和多环芳烃有机物,其中重金属Cr,Cu,As,Pb,Hg等元素的含量较高[4-8]。
环境污染引起了灌河口海域水生动物群落结构的变化,例如:河口潮间带底质有机物的污染引起了底栖生物群落结构单一化[9];河口水体富集磷酸盐限制了浮游植物的生长[10]。水生动物是海洋生态的重要组成部分。大部分水生动物在固定水域范围内栖息活动,水生动物群落结构的多样性和稳定性能够较为直接地反映当前水体的污染状况[11-13]。水生动物作为水体环境的指示生物各自具有不同的特点,比如,浮游动物个体微小、生存周期短、繁殖速度快等特点使其对环境变化很敏感,通过浮游动物群落结构的变化和生物多样性指数可以对水质进行综合评价[14-15]。底栖动物由于迁移能力较差,生存区域相对固定,能够长期反映生存环境的生态变化,也是评价水域环境质量的重要指示物[16]。
本文根据2021年春秋两季灌河口海域水生动物调查资料,研究该河口海域水生动物的种类组成、生物多样性、丰度、生物量以及与周边环境季节变化的相关性等,通过与历史文献数据进行比较,对浮游动物和底栖动物多样性进行分析,并采用生物多样性指数对水体环境质量情况进行评价,为水域环境综合治理和生态环境修复提供理论和数据支撑,也为河口海域更深入的研究提供资料参考。
1 材料与方法
1.1 调查站位设置
本研究于2021年4月(春季)和10月(秋季)在江苏省灌河口海域(35.19°～35.24°N,122.66°～122.72°E)进行调查采样,从河口位置向离岸方向共设置8个站位S1～S8,形成3个采样断面(见图1)。游泳动物于S1,S3,S4和S7共4个站位采样,浮游动物和底栖动物8个站位全站位采样。
图1 调查站位图Fig.1 Survey station map
1.2 调查方法
本次研究中的海洋调查严格按照国家相关标准规范,遵照《海洋调查规范 第6部分:海洋生物调查》(GB 12763.6—2007)及《近岸海域环境监测技术规范》(HJ 442—2008)等相关技术标准和要求执行[17-19]。
游泳动物使用单拖底拖网采样,网目800目,网口宽0.02 km,每站拖曳时间1 h,船速保持在3 kn,实际扫海面积为0.11 km2/h。通过绞盘捕捞上船,在筛网中进行泥沙冲洗和过滤。采样所得所有生物放入生物采样袋,填写标签记录编号后,放在装有冰袋的冷藏箱中带回实验室。在实验室内利用电子秤和游标卡尺对渔获生物进行鉴定和生物学测量。记录每一个站位所捕获生物的种类数量,并测量体长、体质量,计算单位水体的生物丰度(ind/km2)和生物量(kg/km2)。
浮游动物采用网目大小505 μm、网口面积0.2 m2的Ⅰ型浮游生物网和网目大小160 μm、网口面积为0.08 m2的Ⅱ型浮游生物网进行采样,将网具从海底垂直提升到海面,反复多次淋洗将滤网上的生物保存到生物采样瓶中,加入样品体积5%的甲醛进行生物固定,带回实验室在电子显微镜下进行观察。
底栖动物的采样工具为抓斗式静力采泥器,单次取样面积为0.062 5 m2,同一站点连续取样2次。将所捕捞的泥样用0.5 mm孔径的圆形钢筛冲洗过筛,挑选筛网上的生物样品放入到提前准备好的生物采样瓶中,加入样品体积5%的甲醛进行固定保存。样品带回实验室后在体视显微镜下进行鉴定、计数和称质量。
调查所获生物均参考《中国海洋生物名录》《江苏鱼类志》和《海洋浮游生物学》等书籍以及相关文献进行鉴定分类[20-23]。
1.3 数据处理和评价方法
1.3.1 生态优势度分析 游泳动物采用相对重要性指数(index of relative importance,IRI)来对所捕获生物单个种类的生态优势度进行分析,以确定物种是否为优势种[24]。IRI计算公式为
IRI=(Ni+Wi)×fi×104。
(1)
式中:Ni为第i种生物的个体数量占所捕获生物总个体数的比例,%;Wi为第i种生物生物量占所有捕获生物总生物量的比例,%;fi为第i种物种在所有站位中出现的频率。
其中,IRI≥1 000为优势种,100≤IRI<1 000为重要种,10≤IRI<100为常见种,1≤IRI<10为一般种,IRI<1为偶见种[25]。
浮游动物采用优势度指数(Y)进行分析,根据物种出现在各站位的频率和个体数量来计算浮游动物优势度,计算公式为
(2)
式中:ni为第i种生物的个体数量,N为所有捕获生物的总个体数,fi为第i种物种在所有站位中出现的频率。其中,Y>0.02的物种为优势种[26]。
1.3.2 生物多样性分析 灌河口海域生物群落的生态多样性采用Shannon-Wiener多样性指数(H′)[27]、Pielou均匀度指数(J)[28]和Margalef丰富度指数(D)[29]来进行分析。三种指数的计算公式如下:
(3)
J=H′/lnS,
(4)
D=(S-1)/lnN。
(5)
式中:Ni为第i种生物的个体数量和所有捕获生物的总个体数的比值(ni/N);N为所有捕获生物的总个体数;S为所有捕获生物的总物种数。
1.3.3 数据分析和图像可视化 本文采用软件SPSS 26.0对不同站位和不同季节所捕获的生物样本的生物量、物种数等数据信息的差异进行单因素ANOVA显著性差异分析,指定显著性水平α=0.05;采用Origin 2018绘制生物多样性分析图、物种种类组成图以及物种数量分布图;采用Surfer 16绘制采样调查站位图及底栖生物丰度和生物量空间分布图。
2 结果与分析
2.1 游泳动物
2.1.1 物种组成 本次调查游泳动物一共捕获和鉴定42种,隶属于6门,10纲,17目,根据其食性和栖息水层进行了生态类型分类(见表1)。其中游泳动物鱼类22种,游泳动物甲壳类11种,其他游泳动物9种,鱼类捕获个体数占全部游泳动物个体数的54.76%,为主要优势类群。从生态类型上来看,本次样品主要以杂食性和肉食性生物为主,栖息水层主要集中在底层。
2.1.2 优势种 根据相对重要性指数(IRI)对物种的生态优势度进行分析,将IRI≥1 000的物种认定为优势种。本次调查发现春季优势种有5种,分别为短吻红舌鳎、凤鲚、拉氏狼牙鰕虎鱼、莱氏舌鳎和三疣梭子蟹,其中拉氏狼牙鰕虎鱼IRI指数最高,为2 624.14;秋季优势种有6种,分别为刀鲚、凤鲚、棘头梅童鱼、脊尾白虾、鮸鱼、三疣梭子蟹,其中棘头梅童鱼IRI指数最高,为5 287.61。
2.1.3 生物多样性 灌河口海域春季的多样性指数(H′)、均匀度指数(J)、丰富度指数(D)均值分别为2.02,0.74,2.32,秋季的均值分别为1.86,0.72,1.68,春季水生动物的生物多样性高于秋季(见图2)。春季三种指数最高值均出现在S4站位。分别对两个季节三种指数进行单因素ANOVA显著性差异分析,分别得出显著性0.525,0.688,0.158,均大于0.05,不具有显著性差异。生物多样性主要与生物种类和数量有关。导致秋季生物种类下降的因素主要有两方面:一是一些越冬洄游的鱼类和生物可能迁移出了这片海域,前往更深的海域越冬[30];另一方面是春季属于繁殖季节,食物以及天然饵料比较丰富,导致个体数量以及种类较多[31-32]。
a 三种指数分析
b 多样性指数分布
c 均匀度指数分布
d 丰富度指数分布图2 游泳动物生物多样性Fig.2 Biodiversity of swimming animals
从空间分布来看(见图2),春季S3站位的生物多样性比S1更高,并且呈现逐渐上升的趋势,但是在秋季,S3站位生物多样性低于S1,呈现先下降后上升的趋势。春秋两季河口区域生物多样性均处于低位水平,然后逐渐上升,到近岸海域水平达到最高,然后向离岸海域逐渐下降。造成这一现象主要原因是船舶运输等各种人类活动影响了水生生物的生长和繁殖;离岸海域由于河口带来的营养物质难以到达,所以生物多样性水平不高[33];近岸海域有入海河流带来的有机物、无机盐等营养物质促进水生生物的生长发育,生物多样性丰富。
2.1.4 生物量 游泳动物春秋两季生物量如图3所示。两季共捕获游泳动物总生物量为2 983.65 kg/km2,其中鱼类生物量为2 446.24 kg/km2,占比81.99%,为主要类群;其次是游泳动物甲壳类共有519.90 kg/km2,占比17.42%;其他类共有17.51 kg/km2,占比0.59%。调查发现,虽然春季的生物种类数量比秋季高,但是因为处于生产繁殖季节,各物种以幼小个体居多,所以在整体捕获生物量上水平较低;而秋季是水生动物生长育肥的季节,单位个体质量比较大,虽然种类数量相较春季略有下降,但是在整体捕获生物量上水平较高。
图3 游泳动物春秋两季生物量Fig.3 Biomass of swimming animals in spring and autumn
将春秋两季生物量进行比较发现,秋季生物量2 494.13 kg/km2约为春季生物量489.52 kg/km2的5倍。考虑到秋季捕获水生动物个体发育水平比较高,单位体质量比较大,所以秋季整个采样批次的生物量水平比较高。另外,连云港市响应渔政管理部门伏季休渔政策,将每年的5月份开始到9月份划为禁捕期。4个月的休养生息给渔业资源留出充足的繁殖和生长发育时间,所以10月份秋季捕捞才能实现生物量的显著增长。此次生物调查数据验证了伏季休渔制度对海洋生物保护和海洋生态修复以及渔业发展的提振作用。
2.2 浮游动物
2.2.1 物种组成及优势种 本次灌河口海域采样调查共发现浮游动物5个门类,12个类群,35个物种。具体物种名录见表2,分别是节肢动物门,8个类群,28个物种;腔肠动物门,1个类群,3个物种;栉水母门,1个类群,1个物种;毛颚动物门,1个类群,2个物种;尾索动物门,1个类群,1个物种。12个类群中桡足类的物种数最多,共有17种,占物种总数的48.57%。其次是枝角类,共有4种,占物种总数的11.43%,其余类群物种数量水平相近,约为1～2种。
表2 灌河口海域浮游动物名录Table 2 List of zooplankton of the Guan River estuary waters
采用浮游动物优势度指数(Y)进行优势种确定。经过分析发现,春季优势种为长额刺糠虾(Acanthomysislongiro)、克氏纺缍水蚤(Acartiaclausi)、桡足幼体、中华哲水蚤(Calanussinicus),优势度分别为0.086,0.43,0.15,0.15;秋季优势种为短角长腹剑水蚤(Oithonasetigera)、火腿许水蚤(Schmackeriapoplesia)、桡足幼体、太平洋纺缍水蚤(Acartiapacifica)、无节幼体、小拟哲水蚤(Paracalanusparvus),优势度分别为0.02,0.42,0.04,0.18,0.13,0.07。其中,克氏纺锤水蚤生物丰度为12 682.95 ind/m3,优势度指数0.43,为第一优势种。分析得出,灌河口海域浮游动物优势种以桡足类为主要类群,糠虾类只在春季出现一种。春秋两季优势种群落结构组成多样化,少有相同物种,但都属于桡足类。
2.2.2 浮游动物多样性 灌河口海域浮游动物生物多样性分析结果如图4所示。各站位浮游动物多样性指数(H′)范围在0.90～2.01之间。根据浮游动物多样性指数水质评价标准(H′=0,视为严重污染;0
b 多样性指数分布
d 丰富度指数分布图4 浮游动物生物多样性Fig.4 Biodiversity of zooplankton
2.3 底栖动物
2.3.1 物种组成 本次底栖动物调查共鉴定物种56种(见表3),包含传统多毛类、寡毛类、软体动物、甲壳虾蟹类等无脊椎动物以及部分底栖生活鱼类等脊椎动物,总体物种分属于环节动物门、软体动物门、节肢动物门、纽形动物门、棘皮动物门、刺胞动物门、脊索动物门共7大门类。
表3 灌河口海域底栖动物名录Table 3 List of benthic fauna of the Guan River estuary waters
在底栖动物的所有门类中,环节动物门的物种数量最多,有30种,占全部物种数量的53.57%;纽形动物门、棘皮动物门和脊索动物门物种数量最少,各有2种,占全部物种数量的比例均为3.57%(见图5)。
图5 底栖动物物种组成Fig.5 Species composition of benthic fauna
底栖动物调查中春季共发现物种44种,各站位数量在10～16种,其中S1和S6最高,S4最低;秋季共发现39种,各站位数量在8～13种,其中S6最高,S4最低(见图6)。相同调查站位春季物种数普遍高于秋季。从底栖动物各个门类物种数量的季节对比发现,环节动物、软体动物、纽形动物、棘皮动物、刺胞动物物种数整体春季较秋季更高,仅节肢动物和脊索动物两个门类的物种数整体春季低于秋季。从站位空间分布来看,物种数量分布呈现从河口向近岸降低,然后向离岸海域逐渐升高的趋势。
a 不同站位物种数量
b 不同门类物种数量图6 底栖动物春秋两季物种组成Fig.6 Species composition of benthic fauna stations in spring and autumn
2.3.2 优势种 本次调查共发现4种优势种,按照相对重要性指数(IRI)从高到低排列为拉氏狼牙鰕虎鱼、棘刺锚参、中华蜾嬴蜚、多鳃齿吻沙蚕,IRI分别为3 566.87,3 232.14,2 244.83,1 198.89。其中多鳃齿吻沙蚕在春季为优势种,拉氏狼牙鰕虎鱼、棘刺锚参和中华蜾嬴蜚在秋季为优势种。
2.3.3 底栖动物生物量和丰度分布 春季底栖动物生物量分布范围在5.31～144.01 g/m2,最高值出现在S3,最低值出现在S5,平均生物量为51.85 g/m2(见图7)。秋季底栖生物量分布范围在17.70～221.66 g/m2,最高值出现在S6,最低值出现在S3,平均生物量为117.60 g/m2。从空间分布来看,春季生物量主要集中在靠近河口位置海域,秋季生物量向离岸海域偏移。
a 春季
b 秋季图7 底栖动物春秋两季生物量分布Fig.7 Biomass distribution of benthic fauna in spring and autumn
灌河口海域底栖动物春季丰度分布范围在224～1 080 ind/m2,最高值出现在S1,最低值出现在S4,平均丰度为603 ind/m2(见图8)。秋季丰度分布范围在184～1 064 ind/m2,最高值出现在S6,最低值出现在S3,平均丰度为537 ind/m2。从空间分布来看,底栖动物的密度分布与生物量分布趋势相似,春季集中在靠近河口区域海域,秋季集中在离岸距离较远海域。
a 春季
b 秋季图8 底栖动物春秋两季丰度分布Fig.8 Abundance distribution of benthic fauna in spring and autumn
2.3.4 底栖动物多样性 底栖动物多样性指数(H′)变化范围在1.06～2.53,均值为1.75,春季多样性指数平均值(1.98)高于秋季平均值(1.51)。根据水质生物评价标准[35],评价灌河口海域大部分处于中污染状态。
从各指数的空间分布上来看(见图9),春季在三种指数整体水平上均高于秋季。其中,多样性指数春季最高点出现在S7,最低点出现在S4,呈现从河口位置到近岸下降,然后再逐渐上升的趋势。秋季多样性指数最高点出现在S1,最低点出现在S7,无明显变化趋势,但是与春季的共同点都是河口位置多样性指数较高,近岸S4最低。底栖动物均匀度指数春季河口区域比离岸区域低,秋季河口区域较高,并且在远岸逐渐降低。底栖动物丰富度指数春季极显著高于秋季(P<0.01),变化趋势从河口逐渐下降,再逐渐上升,最高点出现在离岸S6,最低点出现在近岸S4。秋季均匀度指数变化趋势与春季情况类似。
a 三种指数分析
b 多样性指数分布
c 均匀度指数分布
d 丰富度指数分布图9 底栖动物生物多样性Fig.9 Biodiversity of benthic fauna
3 讨论与建议
3.1 与历史文献资料的对比
本研究浮游动物共发现、鉴定35种,主要类群为桡足类,物种数占比48.57%。根据李士虎等[36]2015年对灌河口海域浮游动物的调查显示,桡足类最多,有13种。刘潇等[37]在2018年对渤海中南部的浮游动物进行了调查鉴定分析,结果显示除浮游幼虫之外,桡足类最多,有12种,占总种数的30.77%。对比发现,灌河口海域浮游动物主要类群与周边海域浮游动物类群具有一致性。
底栖动物群落结构组成中,环节动物门作为主要类群,物种数占物种总数的53.57%。与2015年秦山岛周边海域底栖动物软体动物、环节动物物种数各占32.26%[38]相比,灌河口海域环节动物物种数量占比更大,超出21.31%,其余门类占比较小。与2017年渤海山东近岸海域底栖动物环节动物44.2%、节肢动物28.8%、软体动物14.4%[39]比较,同样也是环节动物占比更高,其他门类的物种占比都相对较低。灌河口海域底栖动物总体群落结构环节动物为显著优势种类,其次是软体动物,其余门类占比较低。
本研究通过对浮游动物和底栖动物的多样性指数进行分析,评估得出目前灌河口海域水质处于中污染程度。与李士虎等[36]的研究相比,灌河口浮游动物丰度水平有明显提高,由平均2 522 ind/m3上升到9 177.06 ind/m3。相关文献表明随着水体富营养化程度的升高,浮游动物的丰度和生物量也会相对增加[40],验证了灌河口富营养化程度加剧,从轻度污染变为到中度污染这一结果。
从底栖动物丰度水平分析,与2015年灌河口潮间带底栖动物[9]相比,本次调查丰度略高,但是与盐城等周边海域相比仍较低[41-43]。由于灌河流域存在大量工业在建项目,河口海域沉积物中Hg和Zn等重金属污染加重[44],加上河道疏浚、船舶航行等扰动带来物理环境的变化,底栖动物群落结构也发生了较大变化。结合徐奎栋[45]和彭松耀等[46]近十年对黄海底栖动物群落结构以及演变的研究,对比发现诸如背蚓虫(Notomastuslatericeus)、角海蛹(Ophelinaacuminata)等一些环节动物多毛类优势种以及一些浅水萨氏真蛇尾(Ophiurasarsiivadicola)等棘皮动物优势种优势度已经减弱,并未在本次调查中发现,并且如海绵、珊瑚、虾、蟹、多毛类等大型底栖动物占比较低。结合多方文献[47-48]分析发现,整个黄海海域包括灌河口海域底栖动物群落结构变化较大,大型底栖动物减少,小型多毛类动物比重不断增大,优势种趋向单一化。
3.2 环境因素对群落结构的影响
灌河作为苏北地区重要的运输航道,临海工业迅速发展带来的工业污染对灌河口邻近海域造成了明显影响,突出表现为入海口富营养程度较高,水体污染严重[49]。近年来的相关检测和调查发现,灌河口海域无机氮、磷酸盐等均不满足海水水质二类标准,沉积物和水体中均检出多环芳烃类污染物,且达到了对生物造成影响的浓度[50-51]。
针对浮游动物和底栖动物时空变化从河口区域到离岸海域先下降后上升的趋势,分析原因,推测是春季河流水量充沛,来自上游的营养物质和淡水水生动物数量较多,提高了河口区域生物多样性[59]。近岸海域生物多样性比河口区域有所下降,参考陈君等[60]对灌河口沉积物的调查结果,分析下降原因是该区域处于河口冲蚀环境中,海底地质条件主体为淤泥和粉沙,加之燕尾港船舶运输频繁而水层搅动严重,水体浑浊,不利于浮游动物和底栖动物的生长。相关地质水文资料显示,自开山岛向东,灌河口海域底质含沙量逐渐降低。远岸海域底质情况较好,水质扰动较小,浮游动物种类数量上升。秋季生物多样性变化趋势与春季有所差异,秋季河口区域生物多样性水平较低,可能是由于秋季属于枯水期,水流量减少,上游带来的外源营养物质和淡水种浮游动物数量也随之减少所导致。秋季由于河流入海流量降低,河口区域人类活动干扰所造成的负面影响相对突出。由于河口区域环境本身的自然生产力不足,而离岸海域的环境扰动小,有机污染物、氮磷、重金属等污染较少,水体环境天然食物链形态完整,所以,在秋季随着远离河口,生物多样性逐渐上升[51,61-62]。
3.3 建议
灌河口海域水体污染情况不容乐观。为了保护灌河口海域生物资源,加强生态环境修复,建议对灌河口海域进行长期性生态环境检测,并同时提高周边工业污染排放标准,严格控制污染源头,减少由河流污染给海洋环境带来的生态压力。其次应该减少人类活动干扰,为水生动物提供一个稳定良好的生存环境,积极建立以本地水生植物为主的湿地生态修复系统进行河口水质调节,同时结合生物资源调查情况针对性地选择增殖物种进行放流活动,加快恢复濒危物种及经济物种的繁殖和生长,促进科学合理生物群落结构的形成。
