2019 年夏季昌黎黄金海岸国家级自然保护区浮游植物结构特征及其环境影响因素

2021-02-25郭夏青赵兴贵刘宪斌

天津科技大学学报 2021年1期

郭夏青，杨悦，于洋，赵兴贵，刘宪斌,

(1.天津科技大学海洋与环境学院，天津 300457；2.天津市海洋环境保护与修复技术工程中心，天津 300457)

昌黎黄金海岸国家级自然保护区位于中国河北省东北部的秦皇岛市昌黎县，保护面积约为300 km2[1].由于河流的注入，在河口浅海区构成了低盐度、营养丰富、水温适宜的沿岸水团，为众多海洋生物尤其是特有物种文昌鱼提供了适宜的产卵、孵化及育幼条件，形成了渤海重要的产卵场[2]，主要生境包括沙丘、沙堤、潟湖、林带、林间洼地、河口及海洋.昌黎海岸带景观独特，生境复杂多样，生物多样性高，海洋与海岸带资源丰富，具有重要的生态价值、科研价值和观赏价值.同时，该区域还是国务院首批批准建立的5 个国家级海洋类自然保护区之一.

浮游植物是高度多样化的、微观的和丰富的生物体，构成了海洋食物链的基础，是海洋生态系统中最主要的初级生产者[3]，大约50%的初级生产力是由浮游植物完成[4].浮游植物是浮游动物存活的基础饵料，在能量流动和物质循环过程中起着至关重要的作用.它通过光合作用制造有机物，成为食物链的首要环节，被称为“海洋中的森林”.浮游植物种群和丰度的变化不止会影响到其他海洋生物的生存，同时会影响到整个海洋生态系统的平衡[5-6].浮游植物群集的动态变化是评价海域营养化水平、污染状况、资源现状、生产潜力以及海洋生态系统稳定性的重要指标[7-9].已有文献对该区的浮游植物、浮游动物和底栖生物进行了报道，洛昊等[10]于1999—2013 年对该保护区海域开展了连续15 年的生态调查工作，对种类组成、细胞密度、多样性等进行讨论；梁晓林等[1,11]在2005—2013 年夏季运用典范对应分析方法，对昌黎生态监控区浮游植物群落结构进行分析；孙富强等[9]于2016 年对昌黎黄金海岸国家级自然保护区海域浮游植物的种类组成、细胞数量、生物多样性指数、均匀度指数等进行调查.

但是，关于近3 年来对该区浮游植物群落结构的研究不多，本文增加了多项环境因子的测定，比如石油类和活性硅酸盐，且利用冗余分析对浮游植物群落结构与环境因子的关系进行讨论，研究了2019 年8月昌黎黄金海岸国家级自然保护区浮游植物的群落特征变化以及其环境影响因素，旨在为保护区的环境管理策略提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 采样点的布设

本文根据昌黎黄金海岸国家级自然保护区的地理和水文特征等，在昌黎黄金海岸国家级自然保护区设置14 个采样站位(图1)，采样时间为2019 年8 月(夏季).

图1 河北昌黎黄金海岸国家级自然保护区采样站位示意图Fig.1 Schematic diagram of sampling stations in Changli Gold Coast National Nature Reserve，Hebei province

1.2 样品采集和处理

浮游植物的采集、贮存、运输、预处理和分析按照GB 17378.7—2007《海洋监测规范·第7 部分：近海污染生态调查和生物监测》[12]规定的方法进行，样品的采集采用浅Ⅲ型浮游生物网自下而上垂直拖网进行采样，样品用5%甲醛固定和保存，经浓缩后在CKX53 型倒置显微镜(OLYMPUS 公司)下进行种类鉴定和细胞计数，每个浮游植物样品均计数3 次取平均值，以保证数据的可靠性.

水质样品的采集、贮存、运输、预处理和分析按照GB 17378.4—2007《海洋监测规范·第4 部分：海水分析》[13]方法进行，水样的采集采用5 L 的卡盖式采水器，采取表层水样，分别用于营养盐、叶绿素a的测定.将部分水样用0.45 μm 醋酸纤维膜过滤后，滤液用于营养盐浓度的测定.水温采用YSI 多功能水质参数仪(美国YSI 公司)进行现场测定.

测定的水质因子包括水温、pH(pH 计法)、浊度(浊度计法)、溶解氧(碘量法)、盐度(盐度计法)、油类(紫外分光光度法)、化学需氧量(碱性高锰酸钾法)、叶绿素a(分光光度法)、亚硝酸盐(萘乙二胺分光光度法)、硝酸盐(锌镉还原法)、氨氮(次溴酸盐氧化法)、活性硅酸盐(硅钼蓝法)、活性磷酸盐(磷钼蓝分光光度法).

1.3 生物多样性指数

采用Primer 6.0 软件进行生物多样性数据计算.生物多样性指数采用多样性指数(H′)[12]、丰度指数(d)[14]和均匀度指数(J′)[15].根据HJ 442—2008《近岸海域环境监测规范》中的生物多样性评价指标进行评价(表1[16]).优势种选取优势度≥0.02 的物种[17].

多样性指数H′

丰度指数d

均匀度指数J′

优势度Y

废渣填埋场若发生污染物(氟化物或氰化物)泄露，将对地下水产生严重污染，并向南侧迁移。20 a内最远可扩散300 m，扩散面积可达36 600 m2。到时下游的新寨、水塘寨以及团结水库等地的居民生活用水和工业用水都会受到污染，对社会造成严重的危害。因此必须提高填埋场底部及四周的防渗等级。

式中：pi＝ni/N；ni为第i 种的个体数；N 为所有种的个体数；S 为物种总数；fi为第i 种的出现频率.

表1 生物多样性评价指标Tab.1 Evaluation index of biodiversity

1.4 冗余分析

利用Canoco 5.0 软件进行群落与环境变量的冗余分析(redundancy analysis，RDA).进入分析的物种需满足以下条件：(1)出现的频度要大于12.5%；(2)这个物种在至少1 个站位上的相对密度≥1%[18].对浮游植物群落结构进行降趋对应分析(detrended correspondence analysis，DCA)，最长SD＝2.19＜3，所以采用冗余分析.变量重要性的相对大小在程序结果中得到，变量的显著性水平通过蒙特卡洛置换检验(P＜0.05)[18].

2 结果与讨论

2.1 浮游植物的物种组成和丰度特征

本次调查共发现浮游植物2 门21 属45 种，其中硅藻为39 种，占总数的86.7%，甲藻6 种，占总数的13.3%，可见调查期间该海域浮游植物以硅藻为主.

调查海区浮游植物的生态类型以广温、广盐和近岸种为主，优势种为硅藻门中的中肋骨条藻、劳氏角毛藻和甲藻门中的三角角藻(表2)，3 种均为常见的赤潮种.

各站位浮游植物细胞丰度的平面分布差异较大，1—14 站位为 2 839～633 709 m-3，平均值为71 794 m-3.细胞丰度最高值出现在近岸的1 号站位，最低值在远海的14 号站位(图2)，其中，硅藻占浮游植物丰度的97.7%以上，浮游植物细胞丰度的分布趋势与硅藻丰度分布趋势基本一致，这与近几年的调查结果也相符[1-2,17].

表2 调查期间浮游植物优势种及其优势度Tab.2 Dominant species and dominance index of the phytoplankton community during two surveys

图2 2019 夏季昌黎黄金海岸国家级自然保护区各站位浮游植物丰度变化Fig.2 Phytoplankton abundance changes at each station of Changli Gold Coast National Nature Reserve in summer 2019

2.2 浮游植物群落指数特征

各监测站位H′的变化范围为1.02～3.46，平均值为2.51，最大值出现在5 号站位，最小值出现在2 号站位；d 的变化范围为0.83～1.89，平均值为1.26，最大值出现在5 号站位，最小值出现在11 号站位；J′的变化范围为0.26～0.95，平均值为0.70，最大值出现在14 号站位，最小值出现在2 号站位(图3).根据表1 得出，2019 年夏季昌黎黄金海岸国家级自然保护区生境质量表现为一般，其中5、7、8、10、13 号站位生境质量达到优良，而近岸几个站位的生境质量为差.

图3 2019 年夏季昌黎黄金海岸国家级自然保护区各站位浮游植物多样性指数变化Fig.3 Changes in the phytoplankton diversity index at each station of Changli Gold Coast National Nature Reserve in summer 2019

2.3 环境因子的分布特征

溶解氧变化范围为5.48～8.46 mg/L，最大值出现在4 号站位，最小值出现在11 号站位.盐度变化范围为29.0～32.0，最大值出现在10 号站位，最小值出现在1、2 和3 号站位.pH 变化范围为7.14～7.75，最大值出现在8 号和14 号站位，最小值出现在1 号站位.油类含量变化范围为9.19～155 μg/L，最大值出现在3 号站位，最小值出现在1 号站位.水温变化范围为17.0～19.0 ℃，最大值出现在6 号站位，最小值出现在1 号站位.浊度变化范围为0.180～1.75 NTU，最大值出现在4 号站位，最小值出现在1号站位.叶绿素 a 含量的变化范围为 0.474～2.57 μg/L，最大值出现在2 号站位，最小值出现在12号站位.化学需氧量的变化范围为1.24～2.59 mg/L，最大值出现在1 号站位，最小值出现在9 号站位.亚硝酸盐氮含量的变化范围为1.87～23.0 μg/L，最大值出现在13 号站位，最小值出现在5 号站位.氨氮含量的变化范围为79.1～218 μg/L，最大值出现在4 号站位，最小值出现在14 号站位.硝酸盐氮含量的变化范围为40.2～157 μg/L，最大值均出现在1 号站位，最小值出现在7 号站位.活性硅酸盐含量的变化范围为613～1 122 μg/L，最大值出现在6 号站位，最小值出现在11 号站位.活性磷酸盐含量的变化范围为18.1～82.3 μg/L，最大值均出现在1 号站位，最小值均出现在8 号站位(表3).营养盐、浊度、油类、叶绿素a 的分布趋势呈现近海大于远海的趋势，pH、溶解氧和透明度呈现远海大于近海的趋势.

表3 2019 年夏季昌黎黄金海岸国家级自然保护区海域环境因子变化范围Tab.3 Variation range of environmental factors of Changli Gold Coast National Nature Reserve in summer 2019

Justic 提出的化学计量限制的评估法则[19]：(1)若Si/P＞22，且N/P＞22，则判定为P 限制；(2)若N/P＜10，且Si/N＞1，则判定为N 限制；(3)若Si/P＜10，且Si/N＜1，则判定为Si 限制.从营养限制的角度分析，夏季N/P 的变化范围为8.61～23.6，Si/N 为0.894～2.85，Si/P 为11.4～44.5，调查区域的1 号站位存在氮限制，2、3、13 号站位存在磷限制.

2.4 浮游植物与环境因子冗余分析

通过Monte Carlo 置换检验得出，排序效果良好.所有参加排序的环境因子共解释了65.18%的物种累积变化信息.通过分析结果(表4)可知，轴1 和轴2 可以解释大部分的物种累积变化信息，共解释了总体的 41.93% 的物种变化信息，特征值分别为0.275 6 和0.143 7.结果显示(表5)，硝酸盐氮、pH、活性磷酸盐、盐度、活性硅酸盐、氨氮的P 值均小于0.05，说明是影响该海域夏季浮游植物分布的关键环境因子.其他环境因子与群落关系不显著，说明它们依赖于主要环境变量，不能独立解释浮游植物群落的特征变化.

表4 2019 年夏季昌黎黄金海岸国家级自然保护区海域RDA分析中排序轴信息Tab.4 Sorting axis information in the RDA analysis of Changli Gold Coast National Nature Reserve in summer 2019

表5 环境变量的显著性检验Tab.5 Significance test of environmental variables

图4 为筛选后26 种物种(S1—S26)与16 项环境因子(E1—E16)的排序图，其中：S1 为中肋骨条藻，S2 为三角角藻，S3 为劳氏角毛藻，S4 为圆筛藻属，S5 为星脐圆筛藻，S6 为布氏双尾藻，S7 为旋链角毛藻，S8 为角毛藻，S9 为中华盒型藻，S10 为格氏圆筛藻，S11 为透明辐杆藻，S12 为丹麦细柱藻S13 为虹彩圆筛藻，S14 为威氏圆筛藻，S15 为冰河拟星杆藻，S16 为巨圆筛藻，S17 为泰晤士旋鞘藻，S18 为曲舟藻，S19 为琼氏圆筛藻，S20 为浮动弯角藻，S21 为海洋曲舟藻，S22 为叉状角藻，S23 为辐射圆筛藻，S24为菱形藻，S25 为夜光藻，S26 为针杆藻；E1 为溶解氧，E2 为盐度，E3 为pH，E4 为油类，E5 为水温，E6为浊度，E7 为叶绿素a，E8 为化学需氧量，E9 为亚硝酸盐氮，E10 为氨氮，E11 为硝酸盐氮，E12 为活性硅酸盐，E13 为活性磷酸盐，E14 为N/P，E15 为Si/N，E16 为Si/P.在轴1、轴2 构成的平面中，环境因子用虚线箭头表示，箭头连线的长度代表某个环境因子与群落分布和种类分布间相关程度的大小，连线越长，说明相关性越大.箭头连线与排序轴的夹角代表此环境因子与排序轴相关性大小，夹角越小，相关性越高.两箭头之间的连线为锐角，说明两环境因子为正相关.物种因子用实线箭头表示.环境因子与物种因子之间夹角的余弦值代表其相关性，即夹角越小，说明相关性越强；呈直角说明不相关.

图4 2019 年夏季昌黎黄金海岸国家级自然保护区海域冗余分析Fig.4 RDA analysis of Changli Gold Coast National Nature Reserve in summer 2019

由图4 可以看出：与硝酸盐氮、活性磷酸盐呈正相关的为中华盒形藻(Biddulphia sinensis)、旋链角毛藻(Chaetoceros curvisetus)、泰晤士旋鞘藻(Helicotheca tamesis)和菱形藻(Nitzschia spp.)等，呈负相关的是叉状角藻(Ceratium furca)等；与pH、盐度呈正相关的是叉状角藻、丹麦细柱藻(Leptocylindrus danicus)，呈负相关的是中华盒形藻、旋链角毛藻、泰晤士旋鞘藻和菱形藻；与活性硅酸盐呈正相关的是圆筛藻(Coscinodiscus sp.)和菱形藻；与氨氮呈正相关关系的有中肋骨条藻、三角角藻和角毛藻(Chaetoceros sp.)等.硅藻可能与营养盐指标关系较大，甲藻与盐度可能有关.

3 讨论

3.1 与前人历史资料对比

梁晓林等[1]于2013 年8 月对昌黎海域进行调查，共发现浮游植物3 门35 种，其中硅藻29 种、甲藻5 种和金藻1种.孙富强等[9]在2016 年夏季对该海域浮游植物群落结构进行了调查，共获得浮游植物47 种，其中有硅藻42 种、甲藻4 种、金藻1 种；而本次调查期间共鉴定浮游植物2 门45 种，其中硅藻种数最多，为39 种.与前人的调查相比，本次调查未出现金藻门种类，仍为硅藻占据优势，种群结构也比较稳定.对比其他海域，张彭如燕等[20]在2014 年夏季天津近岸海域进行调查，同样属于甲藻门和硅藻门.于潇等[21]在2018 年对莱州湾的监测研究中发现，浮游植物分属硅藻门、甲藻门、金藻门、绿藻门、隐藻门，较本海域出现类别多.

3.2 浮游植物群落结构变化

本次调查浮游植物优势种为中肋骨条藻、劳氏角毛藻和三角角藻.研究表明，中肋骨条藻是一种常见赤潮种，其最适温度范围为20～25 ℃，这也解释了夏季中肋骨条藻成为优势种的原因[22].已有实验[23-25]表明：环境中不同氮磷比对中肋骨条藻有不同影响，主要是影响比生长率和细胞状态，N 浓度相比P 浓度制约能力大，P 限制条件下的细胞数量和比生长率高于N 限制条件下.三角角藻也是一种常见的赤潮甲藻.

在细胞丰度上，由近海向外海逐渐减小，可能是由于在夏季保护区来自滦河口和大蒲河口的大量淡水入海，受径流影响，而优势种中肋骨条藻喜好低盐环境，大量生长，导致近海岸浮游植物数量明显多于远海调查区域[1,26-27].

物种多样性是群落组织独特的生物学特征，其作用是表征浮游植物群落的结构类型、所处的发展阶段、生境质量差异[28].一般情况下，一个群落的生物种类越多，多样性指数就会越大，呈现正相关关系.而一个群落的多样性指数越大，群落就相对越稳定.同时，它还可以反映生物环境质量.均匀度是反映群落结构均匀性的指数，丰度指数反映群落中种类的丰富程度.从图3 中可以明显看出近岸的多样性指数偏低，原因可能是中肋骨条藻细胞密度较大，优势过于明显，加之浮游植物群落组成的生物种类较少，且种间密度分布不均，导致多样性指数值随之变小.

3.3 浮游植物与环境因子的关系

本次调查硝酸盐氮、pH、活性磷酸盐、盐度、硅酸盐、氨氮是影响夏季该海域浮游植物分布的关键环境因子.

首先，营养盐的变化是对浮游植物群落的一个重要影响因素，N、P 和Si 是海洋藻类生存三大元素，对浮游植物的群落有重要作用[29].卞少伟等[30]研究渤海湾浮游植物时，发现浮游植物群落受多个因素影响，主要影响因素为营养盐.Dortch 等[31]研究表明，当海水中Si 缺乏时，会相应的限制硅藻的生长，而其它非硅藻(如甲藻)类却相反.杨东方等[32]认为在近岸水域会经常发生因为甲藻产生的赤潮，追根究底就是营养盐结构的不平衡.当水体中Si 浓度低，而N、P 浓度过高时，硅藻生长受到影响，空间被甲藻迅速占据.Si 在硅藻壳中很难再生，并且再循环速率比N和P 慢得多[33].N/P 的持续升高、Si/N 的持续降低，也将导致硅藻群落的继续衰退，这样会危害传统养殖产业，可能还会出现其他问题，如低氧和酸化等.相关研究[34-35]表明，硅藻喜欢生活在硝酸盐含量高的水体，而在本文中与硝酸盐氮呈正相关关系的几乎都为硅藻类.硅酸盐对该海域浮游植物群落结构也有很重要的作用.硅酸盐含量如果降低，将会呈现硅藻群落向非硅藻群落演替的趋势.

盐度能够影响浮游植物渗透压，进而影响浮游植物吸收营养盐以及其悬浮性[36].张芳等[37]研究表明，白令海陆架区的浮游植物受营养盐、盐度以及温度影响较明显.本次调查海域浮游植物的生态类型大多数属于广盐性，但也存在一个特点，那就是密度沿盐度梯度变化[38].同时，有研究表明，盐度对浮游植物有影响的原因主要是种类的不同，对盐度适应性不同；硅藻喜欢低盐，甲藻则比硅藻耐高盐[39].海水的盐度受降水、蒸发等众多因素的影响，盐度的变化对不同的物种有着不同的影响.在不同盐度条件下，它将对应于不同的浮游植物细胞密度，并且浮游植物的生长状态会相应地变化.本文中盐度就与甲藻类呈正相关关系.

海水中pH 大小非常影响海洋生物代谢过程[40].pH 影响浮游植物对营养盐的利用程度，同时影响新陈代谢过程，进而干扰浮游植物自身生长状况[41].一般状态下海水pH 较为稳定，如果pH 呈现下降趋势，则水质和溶解氧浓度也可能会下降，同时还可能会使H2S 含量增加；如果pH 过高会改变氨氮的存在形式，还会增加毒性[42].浮游植物进行光合作用时将会产生OH-，而随着浮游植物数量的增加，海水中的pH 就会升高.

此外，环境因子和浮游植物的关系是极其复杂的，环境因子与浮游植物的某一方的变化均会给对方带来影响，同时各个环境因子之间也会相互作用.因此，多因子、多季节的分析是必要的.本文仅调查了一个季节，可能存在一些不足，该海域浮游植物密度与环境因子之间的关系有待于进一步的研究.