浮游植物作为海洋生态系统的初级生产者, 通过光合作用将太阳能转化为有机能,开启了物质循环和能量流动, 对海洋渔业资源和全球气候变化具有重要影响.作为食物链的基础环节,浮游植物不仅为浮游动物和鱼虾等高营养级生物提供食物,而且其生长和死亡过程中释放的溶解有机物也为细菌等原核生物提供营养物质[1].同时,浮游植物与水温、盐度、透明度、营养盐、浮游动物摄食压力等理化、生物因子密切相关.因此,海区浮游植物群落特征反映了生态系统的稳定度,开展浮游植物调查可进一步了解生态系统的健康状况.
岱衢洋位于浙江舟山群岛岱山的长涂岛和衢山岛及其附近海域,是鱼虾蟹产卵、索饵和育肥的场所[2-7].但由于过度捕捞,岱衢洋的渔业资源遭受了严重威胁.此外,随着临港工业的快速发展和大面积滩涂围垦,岱衢洋的生态环境也面临着巨大威胁.近年来,为保护水产资源,除实行伏季休渔制度外,有关部门在岱衢洋进行了大黄鱼、黑鲷等增殖放流,以期渔业资源得到逐年恢复.由于浮游植物群落可以迅速而灵敏地反映环境变化,利用浮游植物并结合理化指标评价水质状况已有一些报道[8-12].有关舟山海域浮游植物的研究虽有一些报道[8, 13-15],但尚无专门关于岱衢洋海域浮游植物的调查研究以及水质评价方面的报道.本文以岱衢洋为研究对象,对春夏秋冬四季浮游植物的群落组成、种类数量、细胞丰度等进行调查,同时探讨丰度、生物多样性指数、均匀度指数、丰富度指数与水温、盐度、透明度、叶绿素a、营养盐等理化因子的相关性,并利用富营养化指数、水质综合污染指数及生物多样性指数等指标评价海域的水质现状,为今后海洋工程项目以及海洋功能规划中生态环境质量及生物资源保护等提供基础资料和数据.
1 材料与方法 1.1 样品采集与分析分别在衢山岛、长涂岛一侧,按照相邻站位经度方向间隔6.42 km原则,各设置5个站位,D01~D10 (见图 1).于2010年5月(春季)、8月(夏季)、11月(秋季)和2011年2月(冬季)在以上10个站位采集浮游植物以及理化分析样品.
依据《海洋调查规范——海洋生物调查》(GB 12763.6-2007) 进行浮游植物样品的采集、保存和分析.采用装有流量计的浅水Ⅲ型浮游生物网(网口直径37 cm,网长140 cm,筛绢网目为0.077 mm)在每个调查站位由底至表层进行垂直拖网采样,对所采样品立即用中性福尔马林固定保存(终浓度为5%).带回实验室浓缩后,采用0.1 mL计数框于Nikon TE2000-S生物倒置显微镜下进行种类鉴定[16-17]和计数(无法确定到种的至少需鉴定到科).
其他样品的采集、保存、分析均按《海洋调查规范》(GB 12763-2007) 和《海洋监测规范第4部分:海水分析》(GB 17378.4-2007) 中的规范进行,各站位同步调查水深、水温(WT)、盐度(S)、透明度(SD)、溶解氧(DO)、pH、叶绿素a(Chl-a)、无机氮(DIN,包括硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和氨氮)、活性磷酸盐(PO4-P)、活性硅酸盐(SiO3-Si)、化学需氧量(COD)、石油类(oil)、铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)等理化参数.现场调查时, 水深、WT与S数据用温盐深测定仪(CTD)采集,透明度盘目视法测定SD,DO与pH参数用美国YSI55多参数测定仪测定,其他参数带回实验室分析,每航次每站位各1次.
1.2 数据分析采用优势度(Yi)[18]、生物多样性指数(H′)[19]、均匀度(J)[20]、丰富度指数(d)[21]进行生物评价,计算公式如下:
$ \begin{array}{c} {Y_i} = \frac{{{n_i}}}{N} \times {f_i},\\ H\prime = - \sum\limits_{i = 1}^s {{P_i}{\rm{lo}}{{\rm{g}}_2}{P_i}} ,\\ J = \frac{{H\prime }}{{{\rm{lo}}{{\rm{g}}_2}s}},\\ d = \left( {s - 1} \right)/{\rm{lo}}{{\rm{g}}_2}N, \end{array} $ |
其中,ni为第i种的总个体数;fi为该种在各样品中出现的频率;N为全部样品中的总个体数;s为采集样品中的种类总数;Pi=ni/N为第i种在样品中的细胞丰度概率.其中,以Yi≥0.02判定为该区域浮游植物优势种.
应用SPSS17.0软件分析岱衢洋海域的浮游植物细胞丰度、多样性指数、均匀度指数、丰富度指数与同步监测的WT、S、SD、Chl-a、COD,PO4-P、DIN、SiO3-Si等水质环境因子的相关性.
1.3 评价方法 1.3.1 富营养化指数法海水富营养状态依据富营养化指数(E)的计算结果确定[22],计算公式为
$ E = {C_{{\rm{COD}}}} \times {C_{{\rm{DIN}}}} \times {C_{{\rm{P}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}} - {\rm{P}}}} \times {10^6}/4500, $ |
其中,CCOD、CDIN、CPO4-P分别为COD、DIN、PO4-P的测定浓度,单位均为mg·L-1.
E≥1为富营养化,其中1≤E≤3为轻度富营养化,3<E≤9为中度富营养化,E>9为重度富营养化.
1.3.2 水质综合污染指数法采用水质综合污染指数[10, 23]评价海水污染程度,包括有机污染因子(DO、COD、DIN、PO4-P),石油类和有毒重金属(Cu、Pb、Zn、Cd)等污染因子.计算公式为
$ {A_{综合}} = {A_{有机}} + {A_{石油}} + {A_{有毒}}, $ |
其中,A综合为水质综合污染指数,A有机、A石油、A有毒分别为有机污染指数、石油污染指数、有毒重金属污染指数,其中A有机=αDO+αCOD+αDIN+αPO4-P,A石油=α石油,A有毒=(αCu+αPb+αZn+αCd)/4,α为各参数的标准指数.其中0<A综合≤1为清洁,1<A综合≤2为微污染,2<A综合≤7为轻污染,7<A综合≤9为重污染,A综合>9为严重污染.
调查海域附近有农渔业区,各参数的标准指数执行《海水水质标准》(GB 3097-1997) 中的第2类标准.
1.3.3 浮游植物多样性指数评价方法浮游植物多样性指数对应的水质污染等级:H′<1为重污染,H′=1~2为重中污染(α-中度污染),H′=2~3为轻中污染(β-中度污染),H′>3为轻度污染至无污染[23].
应用SPSS17.0软件对富营养化指数、水质综合污染指数、浮游植物多样性指数三者进行相关性分析.
2 结果与分析 2.1 种类组成与时空分布 2.1.1 种类组成调查期间,共鉴定出浮游植物50属116种(含变种、变型).其中,硅藻门37属92种,占总种数的79.3%;甲藻门10属20种, 占总种数的17.2%;绿藻门1属2种;蓝藻门2属2种.硅藻以角毛藻属(Chaetoceros)为优势类群,占硅藻总种数的26.1%;甲藻以角藻属(Ceratium)为优势类群,占甲藻总种数的35.0%.
2.1.2 主要类群分布分析结果表明,调查期间,共出现6种浮游植物优势种(见表 1),除春季优势种含甲藻门的夜光藻(Noctiluca scintillans)外,其余优势种均为硅藻.全年优势种主要为琼氏圆筛藻(Coscinodiscus jonesianus)、星脐圆筛藻(Coscinodiscus asteromphalus)和中肋骨条藻(Skeletonema costatum),且所有季度的优势种中均有琼氏圆筛藻,其他2种出现在3个季度的优势种中.
由图 2可知,各个站位春秋季浮游植物种数较夏冬季少,整个海域春季共鉴定出浮游植物33种,其中硅藻27种,甲藻6种;夏季,浮游植物增加至68种,其中硅藻52种,甲藻16种;秋季,浮游植物减少至46种,其中硅藻32种,甲藻11种,绿藻1种,蓝藻2种;冬季增至全年最高值,达71种,其中硅藻60种,甲藻9种,绿藻和蓝藻各1种.显著性检验结果表明,不同季节浮游植物种数的变化极显著(p=0.008<0.01).
结果表明,D06和D10站位全年浮游植物种数略少,各为56种,D01、D02、D04、D08和D09站位稍多,均超过60种,其中离岛最近的D01站位最多,达69种,其余站位均为60种左右.因此,全年浮游植物种数基本呈现由远岸向近岸略增的趋势.
2.2 细胞丰度的时空分布调查海区各站位浮游植物细胞丰度比例,由图 3可知,除D06和D07站位夏季较低以外(低于50%),其余站位均夏季最高,其中靠近衢山岛一侧的5个站位夏季细胞丰度比例可达全年的98%以上.其中夏季细胞丰度最高值出现在D03站位,为330.73×106 cell·m-3,主要由硅藻门的尖刺拟菱形藻贡献,数值高达174.48×106 cells·m-3,D05站位次之,细胞丰度为141.08×106 cells·m-3,最低的为靠近长涂岛一侧的D06站位,年平均细胞丰度为0.49×106 cells·m-3.浮游植物4个季度细胞丰度的平面分布基本呈北高南低的趋势.整个海域,春夏秋冬4季平均细胞丰度分别为0.12×106,67.66×106,0.22×106,0.78×106 cells·m-3,年平均细胞丰度为17.2×106 cells·m-3.除夏季丰水期外,其他季节的细胞丰度都极低.
岱衢洋海域浮游植物的多样性指数(H′)、均匀度(J)指数在不同季节的变化趋势基本保持一致(见图 4),呈现春夏秋季逐渐减少、冬季增加的趋势.丰富度指数(d)则呈春夏季增加、秋季减少、冬季又增加的趋势.多样性指数均值为2.40,变化范围为1.42~3.65,其中冬季(3.01,2.75~3.65)>春季(2.50,2.14~2.99)>夏季(2.36,1.54~3.25)>秋季(1.72,1.42~2.05),最高值分布在冬季的D04站位,最低值在秋季的D10站位;均匀度指数0.31~0.75,均值为0.53,其中春季(0.63,0.54~0.75)>冬季(0.61,0.51~0.74)>夏季(0.48,0.31~0.67)>秋季(0.41,0.33~0.49),最高值分布在春季的D10站位,最低值在夏季的D06站位;丰富度指数均值为1.2,变化范围为0.7~2.08,其中冬季(1.62,1.25~2.08)>夏季(1.28,1.07~1.51)>秋季(0.98,0.77~1.2)>春季(0.91,0.7~1.12),最高值分布在冬季的D01站位,最低值在春季的D10站位.综合多样性指数、丰富度指数,调查海域冬季浮游植物多样性最高,物种也较丰富.春季均匀度指数最高,多样性指数也较高,但丰富度指数最低,这是由于春季浮游植物种类最少,丰富度指数对物种数依赖程度较强,能充分反应物种的分布状况.根据显著性检验结果,浮游植物多样性指数、均匀指数的季节变化极显著(p=0.000<0.001),但不同季节丰富度指数的变化差异不显著(p=0.94>0.05).
岱衢洋海域处于长江口、杭州湾的影响范围,水文动力情况较为复杂,长江口处的冲淡水所携带的大量泥沙极易对其产生影响,加之受潮流及风浪影响,水体含沙量较高.
调查海域的环境因子,水温为6.54~27.71 ℃;盐度为20.29~27.31,由西到东、由北到南递增趋势明显;透明度为0.20~7.80 m,由西到东递增趋势明显;叶绿素a为0.20~5.68 μg·L-1;无机氮为0.21~1.60 mg·L-1;活性磷酸盐为0.005~0.039 mg·L-1;活性硅酸盐为0.86~1.63 mg·L-1 (见表 2).其中水温、盐度和透明度反映了岱衢洋海域的物理水文状况.其他理化因子各季节的调查情况详见表 2.
如表 3所示,全年来说,岱衢洋海域浮游植物细胞丰度与水温、透明度呈正相关,相关系数为0.414(p<0.01) 和0.380(p<0.05),而与活性磷酸盐呈显著负相关,相关系数为-0.376(p<0.05);多样性指数(H′)、均匀度指数(J)、丰富度指数(d)与盐度呈显著正相关,相关系数分别为0.666(p<0.01),0.401(p<0.05) 和0.689(p<0.01),而与水温呈显著负相关,相关系数分别为-0.397(p<0.05),-0.367(p<0.05) 和-0.393(p<0.05);另外,多样性指数(H′)与活性磷酸盐和活性硅酸盐呈显著负相关,相关系数分别为-0.411(p<0.01) 和-0.531(p<0.01);丰富度指数(d)与叶绿素a、无机氮、活性磷酸盐和活性硅酸盐都呈显著负相关,相关系数分别为-0.380(p<0.05),-0.652(p<0.01),-0.340(p<0.05) 和-0.577(p<0.01).
不同季节中,春季H′、J与透明度呈显著正相关.夏季浮游植物丰度与活性磷酸盐呈显著正相关,秋季H′与无机氮呈显著负相关.冬季浮游植物丰度、H′与水温呈显著正相关,J、d与盐度和叶绿素a呈显著正相关.
2.6 水质评价调查海域不同站位不同季节富营养化指数(E)、水质综合污染指数(A综合)以及浮游植物多样性指数(H′)如图 5所示.整个海域四季度E值,春季(3.95,1.64~6.22)>秋季(2.74, 1.47~4.44)>冬季(1.00, 0.56~1.48)>夏季(0.83, 0.07~2.06),结果表明,春秋季整个海域均处于富营养化状态,其中春季除D04、D05、D06站位处于轻度富营养化外,其余站位均处于中度富营养化,而秋季除D08、D10处于中度富营养化外,其余站位均处于轻度富营养化.夏冬季多数站位未发生富营养化,夏季仅D02、D06、D07、D09站位,冬季仅D02、D03、D04、D08、D10站位发生轻度富营养化,因此水质状况夏季>冬季>秋季>春季.不同站位不同季节A综合变化趋势与E值基本一致,春秋季明显高于夏冬季,春季(5.59,4.71~7.20)>秋季(4.58,4.04~5.50)>夏季(4.00,2.05~5.05)>冬季(3.57,2.46~4.45).除春季D01、D09站位为重污染外,其余站位均为轻污染,水质状况夏冬秋季>春季,且整个海域基本处于轻污染状态.不同季节H′变化趋势总体为冬季(3.01,2.75~3.65)>春季(2.50,2.14~2.99)>夏季(2.36,1.54~3.25)>秋季(1.72,1.42~2.05),表明除冬季D03、D04、D05站位为轻度至无污染、夏季D04、D05、D06站位为重中污染外,冬春夏季其他站位均为轻中污染,秋季污染最严重,除D06、D09处于轻中污染外,其他站位均处于重中污染,水质状况冬季>春季>夏季>秋季,且整个海区除秋季外基本处于重中污染,其他季节基本处于轻中污染.
2010年5月至2011年2月期间,岱衢洋海域浮游植物是以硅藻为主导型的群落.在硅藻中,尖刺拟菱形藻的丰度占浮游植物总细胞丰度的59.81%,因此,尖刺拟菱形藻的种群动态对岱衢洋海域浮游植物的丰度分布有显著影响.此外,岱衢洋海域浮游植物种数的季节变化明显,冬季最多,为71种,春季最少,仅有33种.岱衢洋海域浮游植物年平均丰度为17.20×106 cells·m-3.夏季平均丰度最高,达67.66×106 cells·m-3,春季最低, 仅为0.12×106 cells·m-3,季节差异极显著(p=0.003<0.01).夏季丰水期平均细胞丰度显著高于春、秋、冬季,这可能是由于水体浑浊度高,进入海水的光强减弱,从而影响浮游植物的生长.海水中悬浮物含量较高,会导致太阳光的反射率、散射率增强,从而使进入海水的光强减弱,此时只有近表层的浮游植物能进行光合作用.此外,海区的浑浊容易加速浮游生物的灭亡[24].
近年来,长江口和杭州湾海域赤潮频发,逐渐成为研究热点之一.由于岱衢洋处于两者的影响范围内,也有一些关于其附近海域浮游植物调查的研究(见表 4).与历史资料相比, 岱衢洋相邻海域硅藻出现的频率和种数均为最高,甲藻次之,群落平均细胞丰度多为夏季较高,这与本文的调查结果一致.
浮游植物群落结构具有沿岸性特征,外海高盐水系也有一定的影响,优势种以广温、广盐为主,偶尔有热带性种出现.由表 4可知,优势种交叉演替,中肋骨条藻、尖刺拟菱形藻、圆筛藻属等在岱衢洋及其附近海域均有分布并成为常见优势种.夏季,优势种细胞较小,多为链状或锯齿状群体,这种小型化群落特征在世界众多海域均有报道[29-30],是生物群落结构适应全球生态环境变化的普遍规律.
值得注意的是,按照文献[31]的标准(H′<1, J<0.2),衢山岛一侧的D03、D05站位,其指数均不在赤潮发生范围.如根据细胞丰度标准,本研究的细胞丰度距离赤潮发生的标准还差1~2个数量级.从整个调查海域来看,大部分水体都比较混浊,泥沙含量较高,尖刺拟菱形藻仅在个别悬浮物较少的站位出现,且细胞丰度虽相对较高但也远未达到赤潮标准.因此,纵观整个海域,不同季节各站位均H′>1,J>0.3,细胞丰度远小于赤潮标准,岱衢洋海域很难形成大规模的赤潮.
3.2 岱衢洋海域浮游植物群落与环境因子的关系相关性表明,4个季度浮游植物细胞丰度与水温、透明度呈正相关,与活性磷酸盐呈显著负相关,多样性指数(H′)、均匀度指数(J)、丰富度指数(d)均与盐度呈显著正相关,与水温呈显著负相关.此外,H′还与活性磷酸盐和活性硅酸盐呈显著负相关,d与叶绿素a、无机氮、活性磷酸盐和活性硅酸盐均呈负相关.说明在岱衢洋海域化学环境因子(特别是营养盐)的浓度已经远远超过了浮游植物生长和繁殖所需的浓度,这与调查海域附近中街山列岛海域的情况一致[32].在此情况下,物理环境因子(水温、盐度、透明度)对于浮游植物生长和繁殖就显得尤其重要.
不同季节,由于水温、盐度、透明度等差异,各因素相关性也有较大区别.春季受透明度影响较大,H′、J均与透明度正相关,这可能由水样中含沙浓度较高所致.通常营养盐浓度较高时,浮游植物生长茂盛,但也有例外.本研究中夏季浮游植物丰度与活性磷酸盐呈正相关,此时活性磷酸盐对浮游植物生长有影响.而秋季H′与无机氮却呈负相关,表明该季节无机氮含量可能对浮游植物群落内某些优势藻类(如中肋骨条藻和琼氏圆筛藻)的生长有较大的促进作用,进而造成群落的多样性降低.冬季浮游植物丰度H′又与水温正相关,说明冬季水温是重要的限制因子.此外,冬季的J、d指数与盐度和叶绿素a也分别正相关,同时调查结果亦表明,冬季盐度和叶绿素a平均含量南部(靠近长途岛一侧)高于北部(靠近衢山岛一侧),这也间接表明冬季岱衢洋海域浮游植物群落分布南部海域较北部更均匀.
3.3 各水质评价指标的相关性分析相关性分析结果表明,富营养化指数与水质综合污染指数之间呈极显著的正相关(R=0.802,p=0.000<0.001,n=55),富营养化指数与浮游植物多样性指数之间呈显著负相关(R=-0.266,p=0.04<0.05,n=55),但水质综合污染指数与浮游植物多样性指数之间的相关性不显著(R=-0.232,p=0.088>0.05,n=55).而在本研究中,E的评价结果与根据A综合得到的结论基本一致,夏、冬、秋季均优于春季,但在污染程度上,差别较大,且E的评价结果与根据H′得到的结论也有一定的相似性,两者均说明夏、冬季水质明显优于秋季,而A综合的评价结果与根据H′得到的结论不一致,根据A综合,春季水质最差,夏、秋、冬季水质基本无差别.
究其原因,对于E和A综合,结合《海水水质标准》(GB 3097-1997) 单因子污染指数法,DO、COD、Cd、Cu、Zn均符合第二类标准,PO4-P除秋季外,其他季节也都符合第二类标准,DIN均不符合第二类标准,石油类除冬季个别站位不符合第二类标准外,其他均符合第二类标准,Pb部分站位不符合第二类标准,春、夏、秋、冬站位超标率分别为40%,60%,10%,60%.因此,对E和A综合值起决定作用的都是DIN.E和A综合呈极显著的正相关,但两者在等级划分上标准不一,E代表了富营养化的程度,仅与COD、DIN、PO4-P的浓度有关,而A综合还受众多其他理化因子的影响.对于E和H′,根据H′与部分环境因子的相关性分析结果,全年来说,H′与PO4-P呈显著负相关,秋季H′与DIN呈显著负相关,这很好地解释了E和H′在数值上也呈一定的负相关性.另外,SMAYDA[33-34]指出,富营养化会增加水华发生率,孙鲁峰等[35]也研究了椒江口海域浮游植物与富营养化的关系,结果表明,E在秋季(19.27,5.03~54.10) 最高,春季次之(15.83,3.44~85.71),夏季最低(7.91,2.36~20.43),春、秋季富营养化程度明显高于夏季,H′夏季(2.4,1.18~3.06) 与春季(2.5,0.96~3.47) 较为接近,比秋季(2.2,0.64~2.97) 略高.若根据本文的E和H′判断标准,椒江口海域水质状况均为夏季>春季>秋季,且两者数值上也呈一定的负相关.对于A综合和H′,可能是由于A综合作为化学评价指标,代表的是瞬间采样结果,易受自然条件影响,具有一定的偶然性.而H′是从浮游植物物种组成和数量分布考察水体质量,但不能体现优势种更替和细胞丰度变化.
因此,利用单一的富营养化指数或水质综合指数或浮游植物多样性指数来评价海域污染状况均具有一定的局限性,需结合多个指标共同分析.利用浮游植物多样性指数评价时,还需要更多的调查和研究资料来验证和修正,如浮游动物对浮游植物的摄食压力.
4 结论硅藻是构成岱衢洋海域浮游植物群落的主要类群,其种类数的季节变化极显著,冬季最多,春季最少.在硅藻中,尖刺拟菱形藻的种群动态对岱衢洋海域浮游植物的丰度分布有显著影响,其中靠近衢山岛一侧的D03和D05站位,夏季尖刺拟菱形藻会大量增殖,但不具备发生赤潮的条件.除夏季丰水期外,其他季节的丰度都极低,4个季度丰度的水平分布基本呈北高南低的趋势,这可能与海水浑浊度有关.
调查海域浮游植物的多样性指数与均匀度指数的季节变化趋势基本保持一致,春、夏、秋季逐渐减少,冬季增加.丰富度指数则呈春、夏季增加,秋季减少,冬季又增加的趋势.相关性分析表明,浮游植物群落分布与水温、盐度、透明度、叶绿素a及营养盐等环境因子存在一定的相关性.
采用富营养化指数与采用水质综合污染指数评价水质状况得到的结论基本一致,夏、秋、冬季均优于春季,但在污染程度上,差别较大;富营养化指数与浮游植物多样性指数的水质评价结果也有一定的相似性,均表现为夏冬季明显优于秋季,但水质综合污染指数与浮游植物多样性指数的水质评价结果不一致,根据水质综合污染指数,春季水质最差,夏冬秋季水质基本无区别.显著性检验结果也证实了上述观点,富营养化指数与水质综合指数呈极显著正相关,而其与浮游植物多样性指数呈显著负相关,但水质综合指数与浮游植物多样性指数关系不显著,表明在水质评价时,需考虑水文、气象、理化、生物等多种因素,结合多种方法进行综合评价.
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