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        2005年夏季東太平洋中國多金屬結(jié)核區(qū)小型底棲生物研究

        2013-09-11 08:38:12王小谷周亞東張東聲洪麗莎王春生
        生態(tài)學(xué)報 2013年2期
        關(guān)鍵詞:橈足類深海線蟲

        王小谷 ,周亞東,張東聲,洪麗莎,王春生

        (1.國家海洋局第二海洋研究所,杭州 310012;2.國家海洋局海洋生態(tài)系統(tǒng)與生物地球化學(xué)重點實驗室,杭州 310012)

        東北太平洋海底蘊藏大量多金屬結(jié)核,其主要存在于熱帶東北太平洋克拉里昂一克里帕頓斷裂帶(Clarion-Clipperton Fracture Zones,CCFZ)的表層沉積物中間,結(jié)核覆蓋面積超過50%[1-2]。20世紀(jì)70年代開始,多國為了獲取結(jié)核區(qū)巨大的礦產(chǎn)資源,開始在該區(qū)進行大面積的勘探[3-4],我國從20世紀(jì)80年代末期開始,對位于CCFZ的多金屬結(jié)核以及沉積物進行了多年調(diào)查,現(xiàn)已在CCFZ區(qū)獲得7.5萬km2的專屬開辟區(qū)—中國多金屬結(jié)核區(qū)合同區(qū)(The COMRA's Contract Area)。

        小型底棲生物作為底棲生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是構(gòu)成底棲食物網(wǎng)的基本環(huán)節(jié),對整個底棲群落(種類,密度,新陳代謝)作出巨大貢獻(xiàn)[5-7]。多年來,人們對近岸、陸架以及深海邊緣的小型底棲生物已經(jīng)進行了廣泛的研究[8-15]。從20世紀(jì)70年代開始,基于采礦勢必給深海生物及環(huán)境帶來破壞的共同認(rèn)識[16-20],國際上為了控制和減輕采礦所帶來的影響,保護礦區(qū)生物多樣性,開始在CCFZ進行深海環(huán)境及生物基線的調(diào)查,并取得了一定成果[21-28]。目前我國僅高愛根,楊俊毅等[29-30]對我國多金屬結(jié)核合同區(qū)的小型底棲生物進行過研究。本項研究的主要目的是加深對結(jié)核區(qū)小型底棲生物的認(rèn)識,評估小型底棲生物的群落組成,密度,生物量以及分布特征,以便將來采礦后對海洋環(huán)境的持續(xù)管理。

        1 材料和方法

        1.1 調(diào)查區(qū)域和站位

        研究樣品由“大洋一號”調(diào)查船于2005年夏季采自東太平洋中國多金屬結(jié)核開辟區(qū)東、西兩小區(qū) (以下簡稱東、西小區(qū))內(nèi)(圖1),東、西兩小區(qū)各設(shè)6個采樣站位,具體站位經(jīng)緯度及深度見表1。

        圖1 研究海域圖Fig.1 Map of the study area

        表1 中國多金屬結(jié)核區(qū)小型底棲生物采樣站位及深度Table 1 Locations and depth of sampling stations

        1.2 采樣及樣品處理

        小型底棲生物樣品使用MCS-1型沉積物多管取樣器采集,每根取樣管長61 cm,內(nèi)徑9.5 cm,每站取2根取樣管樣品進行小型底棲生物分樣。每根樣現(xiàn)場處理如下:(1)將上覆水虹吸入32 μm孔徑的網(wǎng)篩,濾取其中的小型底棲動物,(2)用分樣器把每根樣按0—1 cm、1—2 cm、2—4 cm和4—6 cm分層裝瓶,上覆水濾樣與0—1 cm層合裝一瓶,用7%的中性福爾馬林溶液固定?;貙嶒炇液髽悠方?jīng)250μm,125μm,63μm,38μm孔徑的網(wǎng)篩過濾后,采用改進后的ludox離心法進行離心分選[31],虎紅染色后在顯微鏡下鑒定并計數(shù)。

        小型底棲生物生物量的測定步驟:

        (1)在顯微鏡下利用Leica QWin軟件測量生物體最大體寬和體長(線蟲包括細(xì)尾),并由公式計算體積:

        V=L×W2×C

        式中,L為體長(mm),W為直徑(mm),系數(shù)C。

        (2)體積V到濕重生物量(g)的換算系數(shù)為1.13,濕重生物量到干重乘以系數(shù)0.25[32]。另取一根芯樣按0—1 cm、1—2 cm、2—4 cm和4—6 cm分層,分取現(xiàn)場參數(shù)測定子樣,葉綠素和脫鎂葉綠素現(xiàn)場采用唐納熒光法進行測定[33]。沉積物中微型生物的生物量用ATP法(三磷酸腺苷)測定計算[34-35]。

        1.3 數(shù)據(jù)處理

        小型底棲生物密度和生物量分布圖采用Surfer8.0軟件繪制。小型底棲生物密度和生物量與環(huán)境因子相關(guān)性分析使用primer 6.0軟件。

        2 結(jié)果

        2.1 沉積物葉綠素a和脫鎂葉綠素的水平分布

        中國開辟區(qū)東小區(qū)和西小區(qū)沉積物(0—6cm)葉綠素a含量極低,變化范圍為0.001—0.007 μg/cm2,平均值為 0.003 μg/cm2,其中東小區(qū)沉積物葉綠素 a 平均值為 0.004 μg/cm2,西小區(qū)為 0.002 μg/cm2;東、西小區(qū)沉積物(0—6cm)脫鎂葉綠素變化范圍為 0.074—0.199 μg/cm2,平均值為 0.125 μg/cm2,其中東小區(qū)沉積物脫鎂葉綠素平均值為 0.169 μg/cm2,西小區(qū)為 0.082 μg/cm2。

        中國開辟區(qū)東區(qū)和西區(qū)之間的沉積物葉綠素含量顯然有所差異,東小區(qū)沉積物葉綠素a含量、脫鎂葉綠素含量均高于西小區(qū)(圖2),表明上層水體有機碎屑沉降于兩個區(qū)域的通量是不同的。

        圖2 各站位沉積物(0—6cm)葉綠素和脫鎂葉綠素Fig.2 Top 6cm sediment Chl-a and Phl-a of the survey stations

        2.2 沉積物微型生物生物量水平分布

        中國開辟區(qū)東小區(qū)和西小區(qū)沉積物(0—6 cm)微型生物生物量變化范圍為 0.043—0.477 μg/cm2,平均值為0.163 μg/cm2,其中東小區(qū)沉積物葉綠素a平均值為 0.252 μg/cm2,西小區(qū)為0.074 μg/cm2。中國開辟區(qū)東小區(qū)沉積物微型生物生物量明顯高于西小區(qū)(圖3)。

        圖3 各站位沉積物(0—6 cm)微型生物生物量Fig.3 Top 6cm sediment microbial biomass of the survey stations

        2.3 小型底棲生物類群組成

        調(diào)查海域共有13個類群的小型底棲生物,其中東小區(qū)11類,西小區(qū)12類。包括線蟲(Nematoda)、腹毛類(Gastrotricha)、動 吻 類 (Kinorhyncha)、多 毛 類(Polychaeta)、寡毛類(Oligochaeta)、介形類(Ostracoda)、橈足類(絕大部分為猛水蚤 Harpacticoida)、等足類(Isopoda)、緩步類(Tardigrada)、蜱螨類(Acari)、雙殼類(Bivalvia)、鎧甲類(Loricifera)、其他未鑒定種類(Other)。其中海洋線蟲為絕對優(yōu)勢類群,其他較為重要的類群有底棲橈足類,多毛類,介形類等。東、西兩小區(qū)小型底棲生物主要類群的密度見表2。

        2.4 小型底棲生物密度和生物量水平分布

        調(diào)查海域東、西兩小區(qū)小型底棲生物平均密度分別為(104.4±20.48)個/10 cm2,(40.26±25.84)個/10 cm2,密度占前五位的的類群依次為線蟲、橈足類、多毛類、介型類和緩步類。東小區(qū)最高密度值出現(xiàn)在ES0506站,為137.55個/10 cm2,最低密度出現(xiàn)在ES0504站,為84.65個/10 cm2;西小區(qū)最高密度值出現(xiàn)在WS0502站,為90.15個/10 cm2,最低密度出現(xiàn)在WS0504,為17.35個/10 cm2。線蟲是小型底棲生物中的絕對優(yōu)勢種,東、西兩小區(qū)平均密度分別為(97.23±19.51)個/10 cm2和(36.78±25.08)個/10 cm2;橈足類東、西兩小區(qū)平均密度分別為(4.21±1.05)個/10 cm2和(2.08±0.82)個/10 cm2,東小區(qū)最高值出現(xiàn)在 ES0503站,為5.50個/10 cm2,最低值出現(xiàn)在ES0502站,為2.82個/10 cm2;西小區(qū)最高值出現(xiàn)在WS0502,為3.1個/10 cm2,最低值出現(xiàn)在WS0504,為0.85個/10 cm2。多毛類在東小區(qū)平均密度較高,有(1.03±0.39)個/10 cm2,而在西小區(qū)平均密度僅有0.14個/10 cm2(圖4)。

        表2 東、西小區(qū)小型底棲生物各類群平均密度Table 2 Abundanc of meiofaunal groups and nematode biomass

        圖4 小型底棲生物密度水平分布Fig.4 horizontal distribution of the abundance of meiofauna

        調(diào)查海域東、西兩小區(qū)線蟲平均生物量分別為(5.25±0.99)μg干重/10 cm2和(1.68±0.77)μg干重 /10cm2。東小區(qū)線蟲最高生物量出現(xiàn)在ES0506站,為6.57μg干重/10cm2,最低生物量出現(xiàn)在ES0504站,僅為3.86 μg干重/10cm2;西小區(qū)線蟲最高生物量出現(xiàn)在 WS0502,為 3.15 μg干重/10cm2;最低出現(xiàn)在WS0504,為0.96 μg干重/10cm2。深海線蟲生物量較近岸低,與其個體小有一定關(guān)系。

        2.5 小型底棲生物密度垂直分布

        中國開辟區(qū)小型底棲生物密度的垂直分布趨勢為:至表層向底層遞減的趨勢,小型底棲生物分布集中在沉積物表面0—2 cm層中,占總數(shù)的75%以上(圖5)。

        圖5 小型底棲生物垂直分布Fig.5 Vertical distribution of meiofauna abundance

        2.6 小型底棲生物密度與環(huán)境變量的相關(guān)性

        對2005年調(diào)查中同步測定的小型底棲生物密度,線蟲密度,線蟲生物量,橈足類密度,多毛類密度分別對各站位的經(jīng)、緯度(n=12),沉積物葉綠體含量(n=10),沉積物微型生物生物量(n=10)進行相關(guān)分析,分析結(jié)果見表3。

        表3 小型底棲生物密度、生物量與環(huán)境因子的相關(guān)分析結(jié)果Table 3 Correlationanalysis between miofuana abundance,biomass and environmental variables

        結(jié)果顯示:調(diào)查區(qū)域的小型底棲生物密度,線蟲密度,線蟲生物量,橈足類密度,多毛類密度與經(jīng)、緯度呈顯著負(fù)相關(guān),與脫鎂葉綠素呈顯著正相關(guān),與沉積物微型生物生物量相關(guān)性不顯著。小型底棲生物密度,線蟲密度,線蟲生物量,多毛類密度與葉綠素a呈顯著正相關(guān),橈足類與葉綠素a相關(guān)性不顯著。脫鎂葉綠素與沉積物微型生物生物量呈顯著正相關(guān)。

        3 討論

        3.1 深海小型底棲生物密度的影響因子

        深海海盆通常食物貧瘠,食物來源主要依靠表層水體中有機碎屑的沉降,有機碎屑沉降通量對深海沉積物中底棲生物密度,生物量高低起著決定性影響。調(diào)查結(jié)果顯示,中國開辟區(qū)小型底棲生物密度及線蟲生物量與沉積物中葉綠素a和脫鎂葉綠素含量均呈顯著正相關(guān)(表2),這與以往相關(guān)研究結(jié)果相同[26,36-38]。此外,沉積物特性也對小型底棲生物密度、垂直分布有一定影響,中國開辟區(qū)內(nèi)的沉積物以硅質(zhì)粘土、硅質(zhì)軟泥和含硅質(zhì)粘土為主。其中東小區(qū)表層沉積物以硅質(zhì)粘土為主,硅質(zhì)軟泥和含硅質(zhì)粘土次之,它們分別約占東區(qū)面積為70%、26%、4%,沉積物松軟[40];西小區(qū)表層沉積物硅質(zhì)軟泥含量偏低,占西區(qū)的16%,硅質(zhì)粘土占79%,含硅質(zhì)粘土占4%,表明東區(qū)的沉積物組分更細(xì),更松軟,西區(qū)沉積物則較東區(qū)粗而硬,兩區(qū)在沉積環(huán)境上存在著差異[39]。由于底質(zhì)顆粒越細(xì)越有利于有機物的富集[40-41],底質(zhì)越松軟則越有利于小型底棲生物上下活動,向深層分布,從大面分布來看東區(qū)小型底棲生物的密度要高于西區(qū),從垂直分布來看,東區(qū)小型底棲生物在深層的分布的比例要比西區(qū)的比例大一些。

        3.2 與歷史資料的比較

        由于受到采樣技術(shù)的限制,歷史上對深海的小型底棲生物研究相對近海而言較少,特別是在太平洋CCZ,加之不同的研究運用采樣和室內(nèi)分選的方法有所差異,因此要進行精確比較是相對困難的。從群落結(jié)構(gòu)上來說,各項研究差異性不大,線蟲,底棲橈足類,多毛類是小型底棲生物的優(yōu)勢類群,尤其是線蟲,為深海小型底棲生物的絕對優(yōu)勢類群[23,42]。

        表4記錄了國際上關(guān)于太平洋CCFZ以及周邊深海小型底棲生物的數(shù)據(jù),由于沉積物樣品的厚度以及研究的重點有所不同(Bown[26]等調(diào)查沉積物最表層線蟲密度,Renaud-Mornant等對沉積物2.5 cm厚度的線蟲進行研究,Snider等[27],A.Miljutina等[25],Kaneko等[28]對沉積物5 cm 厚度的小型底棲生物進行研究),因此只能進行粗略的對比。A.Miljutina等數(shù)據(jù)顯示,CCFZ沉積物表層5 cm線蟲平均密度為80個/10 cm2,與本次研究的中國合同區(qū)東小區(qū)線蟲密度((97.23±19.51)個/10 cm2)相仿,但遠(yuǎn)高于中國合同區(qū)西小區(qū)的線蟲密度((36.78±25.08)個/10 cm2)??傮w而言,CCFZ線蟲密度要遠(yuǎn)低于 Mokievskij等[43]2007年所得到的全球深海線蟲密度值((196±15)個/10 cm2)。這與CCFZ位于透光層初級生產(chǎn)力很低的中北太平洋寡營養(yǎng)區(qū)有直接關(guān)系[25]。

        表4 本研究與歷史資料比較Table 4 Comparison between present study and history data

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