廖秀麗, 黃洪輝, 劉華雪, 戴 明, 于 杰, 田梓楊

(1. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 南海水產(chǎn)研究所, 廣東 廣州510300; 2. 農(nóng)業(yè)部南海漁業(yè)資源環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站, 廣東 廣州510300; 3. 廣東省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510300)

海水葉綠素a(Chlorophyll a, Chl-a)濃度是表征海域中光合浮游生物現(xiàn)存生物量的重要指標(biāo)[1], 也是估算初級(jí)生產(chǎn)力的主要參數(shù)之一。脫鎂葉綠酸a(Phaeophorbide a, Pha)是葉綠素a降解產(chǎn)物的主要形式。沉積物中Chl-a的含量關(guān)系到底棲動(dòng)物的食物來(lái)源和底質(zhì)環(huán)境的質(zhì)量, Pha的含量預(yù)示著底質(zhì)中死亡植物的量[2-5], 它們是底棲生態(tài)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié), 對(duì)能量流動(dòng)和食物鏈研究起重要作用。關(guān)于水體Chl-a的研究很多, 但關(guān)注沉積物Chl-a的研究較少, 已有的報(bào)道主要集中于潮間帶區(qū)域[6-9], 對(duì)大洋區(qū)域沉積物Chl-a的研究也有報(bào)道[10-13], 但針對(duì)近岸淺海并把水體和沉積物Chl-a結(jié)合研究的報(bào)道很少[14-15]。

茅尾海為欽州灣北部的一個(gè)內(nèi)灣, 海域面積約134 km2, 潮流屬不規(guī)則全日潮, 年均潮差2.40 m[16]。海域北部有茅嶺江、欽江和大欖江三條徑流注入, 河流攜帶來(lái)的泥沙, 在河口區(qū)附近沉積而不斷向海推進(jìn)前展, 形成大片沙質(zhì)和淤泥質(zhì)淺灘, 海岸灘涂資源非常豐富, 是集紅樹(shù)林、海草床和鹽沼等多種多樣的海洋生態(tài)景觀于一體的獨(dú)特的河口型海灣生態(tài)系統(tǒng)。本文根據(jù)2011年6月在茅尾海的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù), 探討觀測(cè)海區(qū)夏季水體和沉積物Chl-a濃度的分布特征及環(huán)境因子對(duì)Chl-a分布的影響, 為茅尾海生物海洋學(xué)研究及海洋生態(tài)環(huán)境管理提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 采樣站位

2011年6月, 在茅尾海海域進(jìn)行了水環(huán)境、沉積環(huán)境和海洋生態(tài)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查, 設(shè)16個(gè)站位(圖1)。站位的布設(shè)主要依據(jù)海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范[17]中的均勻布點(diǎn)原則, 兼顧河流入?yún)R處、海灣中部及灣海交匯處, 并考慮茅尾海的養(yǎng)殖生產(chǎn)狀況, 其中S3、S5、S10、S13毗鄰牡蠣吊養(yǎng)區(qū), S1位于茅尾海最南端(欽州灣灣頸), S11、S14、S15、S16靠近河口。

1.2 環(huán)境參數(shù)及水體葉綠素a

溫度、鹽度用YSI 556 MPS型多功能水質(zhì)儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定, 透明度用Secchi圓盤(pán)作同步觀測(cè)。懸浮物(SS)、無(wú)機(jī)氮(DIN)、活性磷酸鹽(DIP)、Chl-a用有機(jī)玻璃采水器采集表層(0.5 m)水樣, 大型底棲生物用抓斗式采泥器采集沉積物樣品, 按海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范(GB17378-2007)[17]進(jìn)行室內(nèi)分析。沉積物粒度分析根據(jù)海洋調(diào)查規(guī)范(GBT 12763-2007)中激光法[18]進(jìn)行。

圖1 采樣站位示意圖 Fig. 1 The sampling stations

1.3 沉積物葉綠素a

1.4 數(shù)據(jù)分析

水柱及表層沉積物葉綠素a含量分別按以下公式計(jì)算:

(1)式中C(Chl-a)w代表水柱Chl-a含量(mg/m2), [Chl-a]w為表層水體Chl-a濃度(mg/m3),D為水深(m);

(2)式中C(Chl-a)S代表表層(0～5 cm)沉積物Chl-a含量(mg/m2), [Chl-a]S為沉積物Chl-a含量(mg/kg濕重),T為沉積物厚度(本文取0.05 m),ρs為沉積物密度(kg/m3);

(3)式中ρZ為海洋沉積物干密度(取值[20-21]2.7×103kg/m3),2HOω為沉積物含水率(%),ρ為間隙水的密度(取值1.0×103kg/m3)。

數(shù)據(jù)分析和作圖在Arcgis 10、Excel 2010、Spss 18.0(Pearson相關(guān)分析)中進(jìn)行。

2 結(jié)果

2.1 水環(huán)境特征

調(diào)查水域水溫變化范圍為26.72～30.22 ℃, 平均值為(29.33±0.64)℃; 鹽度變化范圍為0.05～21.67, 平均值為(11.66±6.05); 透明度變化范圍為0.2～1.8 m, 平均值為(1.0±0.4) m; 懸浮物變化范圍為2.1～25.0 mg/L, 平均值為(15.9±7.6) mg/L。空間分布特征, 水溫和鹽度均為從河口向海域中部遞增后再向南輕微下降(圖2-a, 圖2-b), 透明度自北向南遞增(圖2-c), 懸浮物濃度從河口往灣口方向迅速降低(圖2-d)。

海區(qū)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富, 無(wú)機(jī)氮變化范圍25.00～53.57 μmol/L, 最高值約為最低值的2倍, 海域平均濃度高達(dá)(34.33±7.66) μmol/L, S16和S14分別位于欽江的兩個(gè)入?？? 無(wú)機(jī)氮濃度出現(xiàn)最高值(53.57 μmol/L)和次高值(47.86 μmol/L), 向南濃度降低(圖2-e)?；钚粤姿猁}變化范圍為0.65～2.58 μmol/L, 最大值約為最小值的 4倍, 海域平均濃度為(0.91±0.53)μmol/L, 茅嶺江口的 S10出現(xiàn)最大值(2.58 μmol/L), S11居第二位(1.61 μmol/L), 其余站位差異小(圖2-f)。無(wú)機(jī)氮與活性磷酸鹽濃度的比值(N/P)見(jiàn)表1, 除S10、S11比例明顯較低外, 其余站位差異不大, 空間分布特征為河口區(qū)高而南部低。

對(duì)水體中的各環(huán)境參數(shù)作相關(guān)性分析, 結(jié)果顯示, 水溫分別與鹽度、透明度極顯著正相關(guān)(P＜0.01,n=16, 下同), 與活性磷酸鹽極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01); 鹽度與透明度極顯著正相關(guān)(P＜0.01), 與無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05); 透明度與活性磷酸鹽 極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01); N/P比值分別與無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽濃度呈極顯著正、負(fù)相關(guān)(P＜0.01)。

大年三十前夕，大雪依然紛紛揚(yáng)揚(yáng)。父親將我們召集到一起，問(wèn)想吃什么，明天是年前最后一次逢集，都給買(mǎi)回來(lái)。

圖2 環(huán)境參數(shù)空間分布 Fig. 2 The spatial distribution of some environmental parameters

2.2 底棲生物棲息密度和沉積物粒度分析

茅尾海大型底棲生物棲息密見(jiàn)表1, 其變化范圍為150.03～800.16 個(gè)/m2, 海域均值為(268.80±157.19)個(gè)/m2, 最高棲息密度出現(xiàn)在欽江口的S16, 海域中部的S7次之, 其余站位數(shù)值相近?？傮w而言底棲生物在整個(gè)海域的數(shù)量分布較均勻。

沉積物粒度分析數(shù)據(jù)如表1。海域南部站位(S1～S7)的礫含量均檢出且普遍高于北部站位, 而粒徑較細(xì)的粉砂、黏土比例則相反。絕大多數(shù)站位沉積物均以砂為主要組分。

表1 水體N/P、底棲生物和沉積物粒度數(shù)據(jù) Tab. 1 Data of N/P, benthos and sediment-size

2.3 水體和沉積物葉綠素a分布特征

水體Chl-a濃度范圍為1.384～4.060 mg/m3, 平均值為(2.143±0.768) mg/m3, 濃度高值出現(xiàn)在海域北部三條河流注入茅尾海并開(kāi)始擴(kuò)散的沖淡水稀釋區(qū), 在海域西南部亦出現(xiàn)小范圍高值區(qū)(圖3)。最大Chl-a濃度為4.060 mg/m3, 在大欖江口和欽江口外的S16 出現(xiàn)。Chl-a濃度的空間分布自北向南逐漸降低, 離河流越遠(yuǎn)濃度越低; 低值出現(xiàn)在東南部的淡水龍至辣椒槌海域。海域中部、南部Chl-a濃度較低且分布均勻。

茅尾海夏季表層沉積物Chl-a空間差異明顯(圖4), 16個(gè)調(diào)查站位其變化范圍為0.006～0.740 mg/kg (濕重, 下同), 均值(0.124±0.179) mg/kg; S16的含量顯著高于其他站位, 達(dá)0.740 mg/kg, S13、S14次之, Chl-a含量分別為0.256 mg/kg和0.214 mg/kg, 其余站位均低于0.2 mg/kg, S2特別低, 僅0.006 mg/kg?？?cè)~綠素(Chl-a+Pha)變化范圍為0.065～1.421 mg/kg, 平均為(0.445±0.368) mg/kg; 其中S2、S3、S5～S7、S12數(shù)值介于0.065～0.166 mg/kg之間, 含量較低; S4、S8～S11、S14、S15變化范圍為0.401～0.579 mg/kg, 含量中等; S1、S13、S16含量較高, 分別為0.910、0.866、1.421 mg/kg。Chl-a在總?cè)~綠素中所占比例從9.17%至52.08%不等, 平均占27.86%。表層沉積物中Chl-a與總?cè)~綠素的變化趨勢(shì)基本一致, 均大致呈現(xiàn)從河口向南部遞減的趨勢(shì)。

根據(jù)1.4的公式計(jì)算出的茅尾海各站位水柱及沉積物Chl-a含量見(jiàn)表2。表層厚度為5 cm的沉積物, 每平方米面積上的Chl-a含量(即C(Chl-a)S)北部明顯高于南部, 靠近河口的區(qū)域高于海域中部及南部, 海域平均(14.20±20.99) mg/m2。水柱Chl-a含量(即C(Chl-a)w)受水深的影響呈現(xiàn)北低南高的趨勢(shì), 均值為(10.97±5.49) mg/m2。沉積物表層Chl-a平均占其上方水柱Chl-a的129.44%。

圖3 水體葉綠素a空間分布圖 Fig. 3 The spatial distribution of Chl-a contents in the water

3 討論

3.1 徑流對(duì)茅尾海葉綠素a空間分布的影響

入海河流攜帶大量淡水、泥沙、污染物等, 降低了河口區(qū)的鹽度和透明度[22], 改變了底質(zhì)環(huán)境, 增加了水體的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給, 促進(jìn)浮游植物的生長(zhǎng)。調(diào)查期間茅尾海河口區(qū)透明度普遍不足1.0 m, 但在此透明度低值區(qū)卻出現(xiàn)了本次調(diào)查的Chl-a高值, 相關(guān)分析顯示水體Chl-a含量與透明度呈現(xiàn)一定程度的負(fù)相關(guān)(表3), 而與懸浮物含量呈正相關(guān)。盡管光是影響海洋中浮游植物光合作用速率的重要理化因子, 直接影響著海水中Chl-a濃度的分布狀況[23], 但本次水體Chl-a只測(cè)定了表層(0.5 m)的濃度, 光線都能透過(guò), 光對(duì)浮游植物的光合作用影響不大。本研究表明海區(qū)水體的Chl-a濃度與鹽度顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05), Chl-a數(shù)值較高的站位多出現(xiàn)在河口低鹽區(qū)域, 顯示受河流的影響大。

本次調(diào)查河口區(qū)水體的無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽濃度均明顯高于南部海域, 且海域的N、P濃度均高于限制浮游植物生長(zhǎng)的濃度閾值(N濃度為1 μmol/L, P濃度為0.1 μmol/L[24,25]), 浮游生物的生長(zhǎng)不存在N、P的營(yíng)養(yǎng)鹽限制。調(diào)查海域N/P比值平均為35.34, 明顯高于最適合浮游植物生長(zhǎng)的比值16[26], 可理解為N相對(duì)過(guò)?；騊的潛在性限制。不同區(qū)域N/P比值存在差異, 海域中部(S6～S9)和南部(S1～S5)均值相近, 分別為42.07和42.48, 北部河口區(qū)(S10～S16)均值為48.85, 明顯高于中部和南部海域, 表明河流輸入了更多的無(wú)機(jī)氮。值得注意的是, 茅嶺江口的S10、S11其N(xiāo)/P比值(12.46、19.49)明顯低于海域的其他站位, 這兩個(gè)站的活性磷酸鹽含量特別高, 造成這種差異的原因可能是由于茅嶺江接納的主要是 農(nóng)業(yè)污染(氮肥、磷肥等), 而大欖江和欽江流經(jīng)市區(qū),接納的主要是生活污水(含磷洗滌劑已被限制使用), 因而大欖江和欽江河口區(qū)的S12～S16的N/P比值均值(62.00)顯著高于茅嶺江口的S10、S11。相關(guān)分析顯示, 水體Chl-a濃度與無(wú)機(jī)氮顯著正相關(guān)(P＜0.05), 與N/P比存在一定程度的正相關(guān)關(guān)系, 與磷酸鹽相關(guān)性差, 表明盡管水體中的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度高于浮游植物生長(zhǎng)的閾值, 但無(wú)機(jī)氮含量的升高在一定程度上仍能促進(jìn)浮游植物的生長(zhǎng)繁殖。

圖4 表層沉積物葉綠素a含量 Fig. 4 The contents of Chl-a in the surface sediments

表2 水柱及表層沉積物葉綠素a含量 Tab.2 Chl-a contents of water column and surface sediments

與歷年夏季的調(diào)查結(jié)果[27]相比發(fā)現(xiàn), 從2003年至2010年, 夏季茅尾海水體Chl-a濃度普遍低于5.0 mg/m3(2009年例外, 高達(dá)7.0 mg/m3, 當(dāng)時(shí)可能發(fā)生了赤潮), 其中2003年、2007年、2008年、2010年平均濃度均小于2.0 mg/m3; 本次調(diào)查海區(qū)均值為2.143 mg/m3, 位于歷年調(diào)查的變化范圍內(nèi)且與多數(shù)年份的調(diào)查數(shù)值相近, 顯示茅尾海海域夏季Chl-a濃度較為穩(wěn)定。營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)顯示[27], 從2003年至本次調(diào)查時(shí)止, 海域N/P的數(shù)值均高于最適合浮游植物生長(zhǎng)的16: 1, 磷可能對(duì)浮游植物的生長(zhǎng)繁殖起潛在的限制作用, 因而總體上海域的水體Chl-a濃度不高。

茅尾海位于茅嶺江、大欖江欽江的河口, 夏季海域中部漲、落潮平均流速[28]分別為0.67和1.09 m/s, 在潮流及徑流的共同作用下, 自北向南沉積物逐漸變粗, 表現(xiàn)為沉積物中細(xì)顆粒含量北部高于南部, 從而對(duì)表層沉積物中總?cè)~綠素的含量產(chǎn)生一定的影響。從2.3的分析中得知, S2、S3、S5、S6、S7、S12這6個(gè)站位的沉積物表層Chl-a及總?cè)~綠素含量均較低, 而相對(duì)應(yīng)的細(xì)顆粒含量(粉砂+黏土)亦低(比例范圍為0～6.629%), 其他站位的比例均在10%以上, 最高達(dá)59.527%。相關(guān)分析顯示, 底泥的細(xì)顆粒含量與總?cè)~綠素濃度存在一定的正相關(guān)關(guān)系, 但與Chl-a濃度不具明顯相關(guān)性。這與姚曉等[29,30]的研究結(jié)果相似, 即底棲微型藻類在顆粒較細(xì)的沉積物中更易積聚和生長(zhǎng)。

在自然條件下, 表層沉積物與上方的水體存在沉積、懸浮等相互作用。分析16個(gè)站沉積物葉綠素與部分水質(zhì)因子的相關(guān)關(guān)系(表1)后發(fā)現(xiàn), 沉積物Chl-a與水體無(wú)機(jī)氮、N/P存在極顯著或顯著的正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01或P＜0.05), 而沉積物總?cè)~綠素與無(wú)機(jī)氮顯著正相關(guān)(P＜0.05), 這表明沉積物葉綠素在一定程度上受河流輸入的無(wú)機(jī)氮的影響, 而與光照、河流沖淡水、磷酸鹽的關(guān)系不明顯。此外, 沉積物Chl-a與水體Chl-a具極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01), 與長(zhǎng)江河口的研究結(jié)果一致[22], 顯示水體Chl-a濃度較高, 對(duì)應(yīng)的表層沉積物Chl-a含量亦高。而2.3的結(jié)果顯示表層沉積物(0～5 cm)中Chl-a含量甚至高于其上方水柱 Chl-a含量, 研究結(jié)果支持了Richard(2000)[14]的觀點(diǎn), 即若單以水柱中Chl-a含量來(lái)估算初級(jí)生產(chǎn)力, 結(jié)果可能偏低。

綜上所述, 河口區(qū)高濃度營(yíng)養(yǎng)鹽特別是無(wú)機(jī)氮的輸入, 成為水體和表層沉積物中浮游植物生長(zhǎng)繁殖的重要影響因素。

表3 Chl-a與部分環(huán)境參數(shù)的相關(guān)性(r值) Tab. 3 Correlation coefficient between Chl-a contents and some environmental parameters (r)

3.2 茅尾海底棲生物、養(yǎng)殖貝類與葉綠素a的關(guān)系分析

水體中的浮游植物會(huì)沉降至海底從而給底棲生物提供食物來(lái)源, 因而水體Chl-a濃度高的地方表層沉積物Chl-a含量亦較高, 底棲生物出現(xiàn)的數(shù)量也多, 表現(xiàn)為茅尾海16個(gè)站位大型底棲生物的棲息密度與水體Chl-a濃度顯著正相關(guān)(P＜0.05)。沉積物中Chl-a及總?cè)~綠素均與底棲生物棲息密度呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01), 顯示底棲生物作為底層食物鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 通過(guò)自身的轉(zhuǎn)化加速營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解, 供應(yīng)底棲藻類生長(zhǎng)所需, 并通過(guò)自身對(duì)底質(zhì)的攪動(dòng)把埋藏于表層之下的藻類帶至上層, 減少藻類由于泥砂沉降而逐漸被深埋的量, 而藻類中的Chl-a會(huì)因深埋過(guò)程中的黑暗和缺氧而降解為Pha。本研究表明, 茅尾海底棲生物對(duì)沉積物中Chl-a含量的保持起促進(jìn)作用, 與張培玉[5]在渤海灣的研究結(jié)果一致。

在河口地區(qū), 由于懸浮泥沙的沉積、懸浮、再沉積又再懸浮過(guò)程使得表層沉積不穩(wěn)定, 從正上方水柱中沉淀下來(lái)的浮游植物及其碎屑?xì)報(bào)w未能得到適宜的生存環(huán)境, 或被泥沙沉積物掩埋或隨泥沙再懸浮而重新回到水體中, 因而沉積物中的Chl-a濃度較低。若沉積物總?cè)~綠素中Pha占大部分, 則說(shuō)明沉積物表層光合生物的細(xì)胞活性較低[22]。長(zhǎng)江口沉積物表層Chl-a含量均值為(0.089±0.052) mg/kg, 占總?cè)~綠素的比例為 9.79%[30], 與之相比, 茅尾海底質(zhì)Chl-a含量(均值0.124 mg/kg)約為長(zhǎng)江口的1.4倍, Chl-a在總?cè)~綠素中的比例(27.86%)約為長(zhǎng)江口的3倍, 說(shuō)明茅尾海潛在生產(chǎn)力明顯高于長(zhǎng)江口。從90年代末開(kāi)始, 茅尾海的貝類養(yǎng)殖蓬勃發(fā)展, 幾乎遍布整個(gè)海區(qū)[31], 對(duì)浮游植物的攝食強(qiáng)度日益增強(qiáng), 貝類的強(qiáng)濾食作用對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的抑制作用[32], 使海水中Chl-a濃度普遍不高, 茅尾海從2003年至2011年夏季水體Chl-a濃度普遍較低證明了這點(diǎn); 但貝類顯著加速了水體中顆粒物的沉積過(guò)程(Giles和Pilditch的研究[33]顯示貝類介導(dǎo)的生物沉積速度可達(dá)自然沉積速度的40倍), 部分未被分解的浮游植物隨貝類的糞或假糞沉降到水底, 這對(duì)沉積物表層Chl-a有較大的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

茅尾海夏季具有水渾、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富、葉綠素a濃度一般的獨(dú)特生態(tài)特征。2011年夏季觀測(cè)海域水體的葉綠素a濃度高值出現(xiàn)在徑流注入茅尾海的河口區(qū)域, 往南及遠(yuǎn)離河流的方向濃度逐漸降低, 海域表層沉積物葉綠素a和總?cè)~綠素含量亦呈現(xiàn)出類似的空間分布特征。水體、沉積物葉綠素(a)均與無(wú)機(jī)氮濃度及底棲生物棲息密度呈顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01或P＜0.05), 表明河流輸入的營(yíng)養(yǎng)鹽促進(jìn)了海區(qū)浮游植物的生長(zhǎng), 而水體Chl-a濃度的升高促使其下方的表層沉積物Chl-a含量增加, 為底棲物提供更豐富的食物來(lái)源, 表現(xiàn)為更高的棲息密度。0～5 cm沉積物葉綠素a含量超過(guò)其上方水柱葉綠素a的含量, 顯示沉積物對(duì)海域初級(jí)生產(chǎn)力有顯著的潛在貢獻(xiàn)。

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