李 斌，白艷艷，邢紅艷，馬元慶，宋秀凱，張秀珍，孫玉增，劉義豪，秦華偉

(山東省海洋水產(chǎn)研究所山東省海洋生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，煙臺(tái) 264006)

四十里灣(37°29'—37°35'N，121°25'—121°35'E)位于煙臺(tái)市萊山區(qū)北部海域，為耳狀半封閉海灣，毗鄰北黃海，面積13000 hm2，平均水深為8—10 m。近年來(lái)，煙臺(tái)市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)四十里灣生態(tài)系統(tǒng)造成了很大壓力，對(duì)海水增養(yǎng)殖業(yè)和濱海旅游業(yè)造成了巨大損失。四十里灣海水中化學(xué)需氧量(COD)呈上升趨勢(shì)，5—9月赤潮頻發(fā)，這與人類活動(dòng)加劇、陸源污染物輸入量增加及水文氣象條件適宜等有關(guān)［1］。2003—2008年，四十里灣海水中氮、磷、硅營(yíng)養(yǎng)鹽濃度均增加3倍以上［2］。營(yíng)養(yǎng)鹽是海洋浮游植物生長(zhǎng)繁殖的物質(zhì)基礎(chǔ)，營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)及營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)具有重要的調(diào)控作用［3-5］。水體富營(yíng)養(yǎng)化是赤潮發(fā)生的主要誘因，而陸源污染可能是導(dǎo)致其富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵因素。營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)與營(yíng)養(yǎng)狀況研究對(duì)弄清四十里灣浮游生物數(shù)量、結(jié)構(gòu)變化及赤潮暴發(fā)原因具有重要意義，本文研究了近5年來(lái)四十里灣氮磷硅營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)變化，比較了近5年不同季節(jié)海水的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，并探討了其與浮游植物數(shù)量和多樣性的關(guān)系，以期為評(píng)價(jià)四十里灣的營(yíng)養(yǎng)狀況與生態(tài)健康水平提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)分析

1.1 站位布設(shè)及樣品采集

在四十里灣布設(shè)6個(gè)定點(diǎn)測(cè)站S1—S6(圖1)，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2006—2010年5月、8月和10月各一次。樣品采集按《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763.6—2007)［6］和《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB 17378.4—2007)［7］進(jìn)行，取表層水和網(wǎng)樣浮游植物樣品進(jìn)行分析。

1.2 樣品測(cè)定

圖1 四十里灣調(diào)查站位圖Fig.1 Survey stations in the Sishili Bay

溶解氧、化學(xué)需氧量、氨、硝酸鹽、亞硝酸鹽、無(wú)機(jī)磷、活性硅酸鹽分別采用碘量法、堿性高錳酸鉀法、鋅-鎘還原法、萘乙二胺分光光度法、次溴酸鹽氧化法、磷鉬藍(lán)分光光度法、硅鉬黃法。浮游植物樣品用碘液固定、保存，帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用顯微鏡進(jìn)行物種鑒定和細(xì)胞計(jì)數(shù)。所有樣品分析均按照《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763.6—2007)［6］進(jìn)行。

1.3 評(píng)價(jià)分析方法與數(shù)據(jù)處理

采用郭衛(wèi)東等［8］的營(yíng)養(yǎng)級(jí)分級(jí)模式(表1)對(duì)四十里灣富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用有機(jī)污染綜合指數(shù)法及有機(jī)污染等級(jí)［9］(表2)對(duì)四十里灣有機(jī)污染狀況進(jìn)行分析，浮游植物多樣性指數(shù)(H')的計(jì)算采用Shannon-Wiener公式［10］，采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行ANOVA單因素方差分析和 Duncan's多重比較進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，差異顯著度為0.05，并進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。

表1 營(yíng)養(yǎng)級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Trophic level grading standard

表2 有機(jī)污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Organic pollution level grading standard

2 結(jié)果

2.1 營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)變化

2006年5月N/P值為128.18，顯著高于其他兩個(gè)月份(P＜0.05)，而Si/P和Si/N則反之(表3);8月，與5月恰好相反，無(wú)機(jī)氮為限制因素。2007年，N/P值有增加趨勢(shì)，但差異不顯著(P＞0.05);而Si/P和Si/N則反之，5月表現(xiàn)為氮限制。2008年，N/P值普遍高于上年同期，尤其8月和10月較明顯(P＜0.05);而Si/P和Si/N則反之，且營(yíng)養(yǎng)鹽含量季節(jié)變化較大;8月明顯表現(xiàn)為磷限制。2009年5月，N/P高達(dá)162.05，為近5年各月份最高值，8月驟減75%(P＜0.05);而Si/P和Si/N均呈明顯上升趨勢(shì)。2010年，N/P呈逐漸升高趨勢(shì)，而Si/P和Si/N均在8月出現(xiàn)低值，為近5年同期最低值;在5月出現(xiàn)最高值，與近5年同期相比屬較高。

表3 海水中N/P、Si/P和Si/N比值的季節(jié)與年際變化Table 3 Seasonal and annual variations of N/P、Si/P and Si/N values in seawater

2.2 營(yíng)養(yǎng)狀況

從近5年海水營(yíng)養(yǎng)級(jí)的季節(jié)變化趨勢(shì)可以看出，四十里灣海域受磷限制，磷酸鹽含量水平不高。5月和8月，基本屬于貧營(yíng)養(yǎng)或磷限制中度營(yíng)養(yǎng)或磷限制潛在性富營(yíng)養(yǎng)(表4);10月，海水營(yíng)養(yǎng)級(jí)有所升高，主要表現(xiàn)在磷的限制水平降低:2006和2007年均為磷中等限制潛在性富營(yíng)養(yǎng)，2008年和2010年均為磷限制潛在性富營(yíng)養(yǎng)。

表4 海水營(yíng)養(yǎng)級(jí)的季節(jié)與年際變化Table 4 Seasonal and annual variations of the trophic grade in seawater

2.3 有機(jī)污染狀況

2006年8月，有機(jī)污染指數(shù)A低于其他兩個(gè)月份，10月(A=2.80)最高(表5)，水質(zhì)為輕度污染;2007年、2008年均呈逐漸增加的趨勢(shì)，尤其2007年10月(A=3.43)水質(zhì)達(dá)到中度污染;2009年和2010年，則呈先升高后降低的趨勢(shì)，均在8月份出現(xiàn)高值，A值均不超過(guò)2.0;尤其2009年，各月份水質(zhì)均為較好。總體而言，四十里灣有機(jī)污染狀況有向好趨勢(shì)。

表5 海水有機(jī)污染指數(shù)A的季節(jié)與年際變化Table 5 Seasonal and annual variations of the organic pollution index A in seawater

2.4 浮游植物種類組成與豐度分布特征

2006—2010年，浮游植物數(shù)量呈先增加后降低的趨勢(shì)。除2008年外，其他年份的浮游植物月均數(shù)量均在8月最高(圖2)。2008年最高值出現(xiàn)在10月，并且為5a中各月份最高值，達(dá)到51.61×104個(gè)/L，且各站位間差別顯著(P＜0.01)，整個(gè)監(jiān)測(cè)海域優(yōu)勢(shì)種為中肋骨條藻;10月的6號(hào)站位最低，為487.2個(gè)/L，最高的4號(hào)站約高出約140倍;2009年8月，浮游植物數(shù)量也高達(dá)38.61×104個(gè)/L，發(fā)生明顯赤潮，且3個(gè)站位的優(yōu)勢(shì)種均為紅色裸甲藻。2007年10月，月均值最低，為0.02×104個(gè)/L。浮游植物數(shù)量年均值變化特征與透明度相似，2008年最高，2009年次之，2007年最低;并基本呈現(xiàn)灣東部高于西部的趨勢(shì)。8月是赤潮多發(fā)期，且近年來(lái)甲藻出現(xiàn)頻次有增加趨勢(shì);5月和10月也有赤潮發(fā)生。一般，尖刺菱形藻和角毛藻是四十里灣的常見種類。

2.5 多樣性指數(shù)

浮游植物多樣性指數(shù)年際變化顯示，總體呈先降低后增加的趨勢(shì)(圖3)，與其數(shù)量變化趨勢(shì)相反。2008、2009年，浮游植物多樣性指數(shù)低于其他年份，尤其2009年5月、8月分別為近5年來(lái)同期最低，而10月為同期最高值，季節(jié)變化較大。2010年，浮游植物多樣性指數(shù)平均值高于其他年份，且各月份多樣性指數(shù)均在3.0左右，季節(jié)變化不大。

圖2 浮游植物細(xì)胞數(shù)量的季節(jié)及年際分布特征Fig.2 Seasonal and annual variations of phytoplankton cell numbers

圖3 浮游植物多樣性指數(shù)的季節(jié)及年際分布特征Fig.3 Seasonal and annual variations of phytoplankton diversity index

2.6 相關(guān)性分析

各因子的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，有機(jī)污染指數(shù)A與IP濃度呈顯著正相關(guān)(P＜0.01)，而與DIN相關(guān)性不顯著(P＞0.05)(表6)，這說(shuō)明IP是影響四十里灣有機(jī)污染水平的首要因素。A與IP濃度的相關(guān)方程是:

浮游植物多樣性指數(shù)與其數(shù)量相關(guān)系數(shù)為-0.475，而與Si/P和IP相關(guān)系數(shù)分別為0.446和0.413，相關(guān)性均不顯著(P＞0.05)，浮游植物多樣性受IP和Si/P的影響較大。IP是四十里灣有機(jī)污染、營(yíng)養(yǎng)水平及浮游植物多樣性的主要限制因子。

表6 四十里灣各監(jiān)測(cè)指標(biāo)間的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 6 Pearson correlation among factors of seawater investigation

3 討論

N/P比值(原子比)是衡量營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)，浮游植物的生長(zhǎng)繁殖對(duì)無(wú)機(jī)氮和磷酸鹽的攝取基本以N/P為16的比例(即Redfield比值)進(jìn)行［11］，因此把這一比值作為研究生態(tài)環(huán)境中氮或磷缺乏的依據(jù)。多種微藻生長(zhǎng)所需的適宜N/P為10—20，但不同種類的微藻對(duì)氮、磷的需求特征不同［12］。表1顯示，四十里灣僅在2006、2007年個(gè)別月份的N/P比低于16，其他年份均超過(guò)30，其中，2009年5月高達(dá)160以上，說(shuō)明N相對(duì)豐富而P相對(duì)缺乏的狀態(tài)。有研究表明，2002—2007年間，四十里灣N/P值有增加趨勢(shì)［13］;本文結(jié)果顯示，近兩年N/P又有所降低趨勢(shì)，且四十里灣近岸海域有機(jī)污染有所減輕，水質(zhì)有向好趨勢(shì)(表5)。這與煙臺(tái)市近年來(lái)加強(qiáng)了陸源污染治理，大力實(shí)施了海洋生態(tài)保護(hù)不無(wú)關(guān)系。

四十里灣海水通常并未達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化水平，但隨著營(yíng)養(yǎng)鹽含量的升高，赤潮爆發(fā)的頻率也在增加，赤潮通常爆發(fā)在溫度適宜、營(yíng)養(yǎng)鹽驟增的條件下，如夏季大雨過(guò)后的晴朗天氣［14］。從圖2可知，2008、2009年赤潮發(fā)生重于其他年份，浮游植物數(shù)量在2008年出現(xiàn)最高值，其次是2009年;而浮游植物多樣性指數(shù)呈相反的變化趨勢(shì)，2008、2009年低于其他年份。這說(shuō)明赤潮發(fā)生時(shí)，赤潮生物過(guò)度繁殖，可能抑制了其他浮游植物的生長(zhǎng)。

2003年5—9月，四十里灣整個(gè)海域處于貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)［15］。從近5年海水營(yíng)養(yǎng)級(jí)的變化趨勢(shì)也可以看出，5月和8月，四十里灣多呈貧營(yíng)養(yǎng)和中度營(yíng)養(yǎng);而10月多為磷限制潛在性富營(yíng)養(yǎng)(表5)。這可能是由于5—8月份浮游植物快速繁殖消耗大量營(yíng)養(yǎng)鹽，隨著雨季降水增多，大量的無(wú)機(jī)氮隨河流排入導(dǎo)致10月出現(xiàn)潛在性富營(yíng)養(yǎng);而磷受陸源污染的影響較小。海底表層沉積物中的IP的向上輸送，也是海水中IP補(bǔ)充的一個(gè)重要來(lái)源［6］。四十里灣無(wú)機(jī)氮、磷酸鹽與鹽度存呈顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明無(wú)機(jī)氮、磷酸鹽主要通過(guò)地表徑流得到補(bǔ)充;硅酸鹽主要以沉積物釋放，經(jīng)海水上下混合得到補(bǔ)充［10］。7—8月份煙臺(tái)降水增多，大量的無(wú)機(jī)氮、磷隨河流排入四十里灣。近年來(lái)，農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)狀況的影響越來(lái)越明顯，已成為水體富營(yíng)養(yǎng)化的最主要原因之一［16］。

以往研究表明，四十里灣春、夏和冬季硅是相對(duì)限制因子;秋季氮?jiǎng)t成為硅藻的相對(duì)限制因子，1997—1998年的N/P值不超過(guò)16［17］。而本研究表明，近年來(lái)，IP成為了四十里灣的主要限制因子，N/P、Si/P值均顯著升高數(shù)十倍，其含量和比值的變化對(duì)海灣生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能可能產(chǎn)生重要影響。這與Hao等［2］和劉義豪等［15］的結(jié)果一致，磷酸鹽是該海域浮游植物生長(zhǎng)的限制因子。另外，磷對(duì)浮游植物的固碳強(qiáng)度的影響明顯強(qiáng)于其他環(huán)境因素［18］，因此，四十里灣磷酸鹽含量會(huì)影響該海域初級(jí)生產(chǎn)力和轉(zhuǎn)移大氣二氧化碳潛力。

四十里灣的浮游植物群落相對(duì)比較穩(wěn)定，類群以廣溫廣鹽種為主，優(yōu)勢(shì)種主要由硅藻組成，其次是甲藻［2］。角毛藻和尖刺菱形藻為近年來(lái)四十里灣最常見種類。四十里灣有機(jī)污染狀況有向好趨勢(shì)，浮游植物多樣性有所增加(圖3)。浮游植物同海洋生態(tài)環(huán)境有密切的聯(lián)系，其生物量的大小是反映海洋初級(jí)生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，對(duì)于海洋生物資源的開發(fā)起著重要的指示作用。海水富營(yíng)養(yǎng)化不但表現(xiàn)為營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的升高，而且還表現(xiàn)為初級(jí)生產(chǎn)力的升高［19］。還有研究表明，秋季，山東半島南部海灣的大型底棲動(dòng)物多樣性與硝酸鹽呈負(fù)相關(guān)關(guān)系［20］，富營(yíng)養(yǎng)化可能對(duì)整個(gè)海灣生態(tài)系統(tǒng)都具有一定的負(fù)面影響。有關(guān)四十里灣海洋浮游植物多樣性及其影響機(jī)理研究有待深入，并加強(qiáng)人類活動(dòng)對(duì)近海營(yíng)養(yǎng)狀況、有機(jī)污染及生態(tài)健康水平等方面的評(píng)估工作，為實(shí)現(xiàn)海洋經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)保障。

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