石曉勇 王麗莎 楊世民

(1. 中國海洋大學化學化工學院 青島 266100; 2. 中國海洋大學船舶中心實驗室 青島 266003;3. 國家海洋局海洋減災中心 北京 100194)

2010年冬季, 受北方寒潮的影響膠州灣潮間帶及淺海大面積結冰, 養(yǎng)殖業(yè)損失嚴重, 這一時期膠州灣的環(huán)境狀況深受各界關注。至2月初, 除膠州灣北部還有少量海冰外, 其余海域海冰已基本消融, 因此我們及時對膠州灣進行了環(huán)境調查。低溫的海水環(huán)境不利于浮游植物的生長, 海冰的覆蓋會造成光照不足, 更加劇了對浮游植物生長的抑制作用(Hegseth et al, 2002; Fonda et al, 2005; 李宏亮等, 2007; 張芳等,2012)。此時的大面站調查, 有助于我們了解低溫自然災害情況下浮游植物群落結構的特點, 本文即是通過本次調查采集的水樣對浮游植物群落結構進行了分析研究, 并參閱了以往國內學者的歷史資料(錢樹本等,1983; 王文海, 1993; 齊雨藻, 2004; 吳玉霖等, 2004,2005; Li et al, 2005; 李艷等, 2005; 楊世民等, 2009),為膠州灣生態(tài)系統(tǒng)動力學的研究提供基礎資料, 也為膠州灣這一時期海洋環(huán)境的評價提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

膠州灣冬季調查共設立 23個大面站, 其分布見圖1。調查時間為2010年2月4日。采樣方式依照《海洋調查規(guī)范》(國家技術監(jiān)督局, 1992)進行, 于每站位各水層(0m, 5m, 10m, 20m, 30m, 水深淺于5m的站位只取表層水)采集500mL水樣, 樣品用1%中性福爾馬林固定保存, 水樣采集工具為 HQM-2球蓋式有機玻璃采水器。采水樣品的分析和計數(shù)采用國際通用的 Uterm?hl方法(Uterm?hl, 1958)。取 25mL水樣置于Hydro-Bios計數(shù)框內, 靜置24h后在NikonTS100倒置顯微鏡下進行浮游植物物種鑒定(金德祥等,1965; 郭玉潔, 2003; 楊世民等, 2006; Tomas, 1997)和細胞計數(shù)。

物種多樣性指數(shù)的計算采用香農-威納指數(shù)(H′,Shannon-Wiener index) (Shannon et al, 1949), 物種均勻度指數(shù)(J)采用Pielou的計算公式(Pielou, 1969)。

2 結果與討論

2.1 物種組成

膠州灣冬季浮游植物樣品經初步鑒定, 調查期內共檢出浮游植物69種, 分別隸屬于5門44屬。其中硅藻門32屬54種(包括2變型); 甲藻門9屬12種;金藻門1屬1種; 藍藻門1屬1種; 隱藻門1屬1種。種名錄見表1。在各站位各水層硅藻在物種和數(shù)量上都占絕對優(yōu)勢。硅藻占細胞豐度的80%—100%, 平均98.81%; 甲藻占細胞豐度的0—20%, 平均1.18%; 金藻、藍藻、隱藻只是在個別站位的個別水層偶爾出現(xiàn)。調查區(qū)浮游植物的生態(tài)類型多為廣布性和溫帶性物種, 也有少量冷水性物種。

冬季膠州灣浮游植物的主要優(yōu)勢種均為硅藻:柔弱幾內亞藻(Guinardia delicatula)、扭鏈角毛藻(Chaetoceros tortissimus)、諾氏海鏈藻(Thalassiosira nordenski?ldii)和 尖 刺 偽 菱 形 藻 (Pseudo-nitzschia pungens)。其中柔弱幾內亞藻的優(yōu)勢度最高, 為0.213;尖刺偽菱形藻的出現(xiàn)頻度最高, 為0.952。

圖1 膠州灣冬季取樣站位Fig.1 The sampling station in the Jiaozhou Bay in winter

表1 膠州灣冬季浮游植物的物種組成Tab.1 Species composition of phytoplankton assemblage in the Jiaozhou Bay in winter

續(xù)表

圖2 表層水體浮游植物細胞豐度的平面分布Fig.2 Horizontal distribution of phytoplankton cell abundance

2.2 浮游植物的細胞豐度

冬季膠州灣浮游植物的細胞豐度介于 0.5—1270.6cell/mL, 平均 222.8cell/mL, 最高值位于灣東北部區(qū)域 9號站表層。硅藻細胞豐度介于 0.4—1270.6cell/mL, 平均 222.4cell/mL, 最高值亦位于 9號站表層; 甲藻細胞豐度介于 0—2.5cell/mL, 平均0.3cell/mL, 最高值位于灣口區(qū)域24號站表層。

2.2.1 表層平面分布特征 冬季膠州灣表層水體浮游植物細胞豐度介于 2.5—1270.6cell/mL, 平均275.0cell/mL, 略高于各水層浮游植物平均細胞豐度。最高值位于灣東北部區(qū)域9號站, 并在膠州灣東北部形成浮游植物細胞豐度密集區(qū), 總體分布趨勢為北部高于南部(圖2)。

表層水體硅藻細胞豐度介于2.5—1270.6cell/mL,平均274.7cell/mL。最高值亦位于灣東北部區(qū)域9號站, 其分布趨勢與表層水體浮游植物細胞豐度的分布趨勢極為相似(圖3a)。表層水體甲藻細胞豐度介于0—2.5cell/mL, 平均0.3cell/mL, 總體細胞豐度較低。最高值位于灣口區(qū)域 24號站, 分布趨勢為膠州灣東北部和南部灣口海域較高, 中西部海域較低(圖3b)。

與 1977年網(wǎng)采歷史調查資料相比(錢樹本等,1983), 浮游植物細胞豐度的分布趨勢有所不同, 1977年冬季膠州灣浮游植物在灣東南部形成細胞豐度密集區(qū), 但本次調查細胞豐度密集區(qū)在灣東北部, 而且本次調查的細胞豐度也低于1977年同期細胞豐度。出現(xiàn)這種情況的原因主要是1977年2月浮游植物群落的優(yōu)勢種中肋骨條藻(Skeletonema costatum)和角毛藻屬(Chaetoceros spp.)的物種在本次調查中細胞豐度值較低。尤其是角毛藻屬的物種, 1977年冬季在膠州灣東南部形成細胞豐度高值區(qū), 而本次調查中無此情況, 這也是本次調查與 1977年同期細胞豐度分布趨勢不同的主要原因。另外, 相對于中肋骨條藻和角毛藻屬的物種, 本次調查的最優(yōu)勢物種柔弱幾內亞藻更適應低溫的環(huán)境(楊世民等, 2009), 這也從反面證明了本次調查期間海冰、低溫對浮游植物群落結構變化的影響。

2.2.2 垂直分布特征 冬季膠州灣浮游植物的垂直分布如圖 4a, 由于膠州灣淺水樣品的數(shù)量大大多于深水樣品的數(shù)量, 因此雖然表面上看浮游植物細胞豐度隨著水深的增加逐漸降低, 但浮游植物真正的垂直分布是趨向于均勻, 除個別站位外各水層之間細胞豐度相差不大。

冬季膠州灣硅藻垂直分布如圖 4b, 其垂直分布趨勢與浮游植物的垂直分布趨勢也是極為相似。甲藻的垂直分布如圖4c, 其主要分布在表層、5m和10m層。如果扣除表層樣品較多的因素外, 總體趨勢應為由表至底細胞豐度逐漸升高。

圖3 表層水體浮游硅藻細胞豐度和浮游甲藻細胞豐度的平面分布Fig.3 Horizontal distribution of planktonic diatom cell abundance, horizontal distribution of planktonic dinoflagellate cell abundance in surface water

圖4 冬季膠州灣浮游植物、硅藻、甲藻及優(yōu)勢種細胞豐度的垂直分布Fig.4 Vertical distribution of phytoplankton cell abundance, planktonic diatom cell abundance, planktonic dinoflagellate cell abundance and dominant species cell abundance in Jiaozhou Bay in winter

2.2.3 表層優(yōu)勢種平面分布特征 膠州灣冬季浮游植物呈現(xiàn)優(yōu)勢種較多、優(yōu)勢種之間優(yōu)勢度差別不明顯的特點, 優(yōu)勢種的表層平面分布如圖5所示。柔弱幾內亞藻為溫帶近岸性種, 是調查期內膠州灣的最優(yōu)勢物種。細胞豐度介于 0—317.2cell/mL, 平均62.5cell/mL, 最高值位于灣西北部區(qū)域14號站表層。柔弱幾內亞藻的出現(xiàn)頻度并不高, 在優(yōu)勢種中是最低的, 但其出現(xiàn)的細胞豐度較高的站位最多。在表層水體分布的高值區(qū)位于膠州灣北部水域, 呈現(xiàn)北高南低的分布趨勢。

扭鏈角毛藻為北溫帶近岸性種。細胞豐度介于0—310.0cell/mL, 平均 55.8cell/mL, 最高值位于灣東北部區(qū)域9號站表層。扭鏈角毛藻主要出現(xiàn)在膠州灣東部和北部海域, 出現(xiàn)頻度為 0.833。在表層水體分布的高值區(qū)亦位于膠州灣東部和北部, 呈現(xiàn)東北高、西南低的分布趨勢。

諾氏海鏈藻為北方或北極近海性種。細胞豐度介于0—474.6cell/mL, 平均37.8cell/mL, 最高值亦位于灣東北部區(qū)域9號站表層。諾氏海鏈藻主要出現(xiàn)在膠州灣北部海域, 出現(xiàn)頻度同樣為 0.833。在表層水體的分布趨勢為北高南低。

尖刺偽菱形藻為廣溫性近岸種。細胞豐度介于 0—87.0cell/mL, 平均 16.6cell/mL, 最高值位于灣中部區(qū)域26號站10m層。尖刺偽菱形藻在膠州灣分布很廣, 出現(xiàn)頻度在優(yōu)勢種中最高。在表層水體的分布趨勢為灣中部較高, 由此向北、向南逐漸降低。

與歷史資料相比(錢樹本等, 1983; 齊雨藻, 2004;楊世民等, 2009)這些物種的優(yōu)勢種地位并沒有發(fā)生改變, 尤其是柔弱幾內亞藻在青島前海細胞豐度曾達到近103cell/mL(楊世民等, 2006, 2009), 因此其在今后的調查研究中應予以重點關注。

2.2.4 優(yōu)勢種垂直分布特征 冬季膠州灣浮游植物優(yōu)勢種柔弱幾內亞藻和扭鏈角毛藻的垂直分布如圖4d、4e, 其垂直分布趨勢與浮游植物總的分布趨勢相似, 扣除表層樣品較多的因素, 垂直分布是趨向于均勻, 各水層之間細胞豐度相差不大。

優(yōu)勢種諾氏海鏈藻和尖刺偽菱形藻的垂直分布如圖4f、g, 其分布趨勢與甲藻相似, 總體趨勢為由表至底細胞豐度逐漸升高。

圖5 表層水體浮游植物優(yōu)勢種細胞豐度的平面分布Fig.5 Horizontal distribution in cell abundance of dominant phytoplankton species

2.3 浮游植物群落的多樣性

冬季膠州灣浮游植物的 Shannon-Wiener多樣性指數(shù)值介于0.497—3.404, 平均值2.335, 其值總體較高。多樣性指數(shù)在表層水體的平面分布見圖6a, 高值區(qū)位于膠州灣口, 而低值區(qū)位于膠州灣西北部海域。膠州灣冬季浮游植物優(yōu)勢種較多, 在某一站位某一水層往往有多個優(yōu)勢種出現(xiàn), 從而形成了較為復雜的群落結構, 而在灣西北部海域, 可能受到海冰等自然條件的影響, 浮游植物形成了以柔弱幾內亞藻為單一優(yōu)勢種的較為簡單的群落結構。

冬季膠州灣浮游植物的均勻度指數(shù)值介于0.150—0.831, 平均值 0.600, 其值亦總體較高。均勻度指數(shù)在表層水體的平面分布見圖 6b, 其分布趨勢為東南至膠州灣口為高值區(qū), 由此向西北逐漸降低,因此膠州灣冬季東南至膠州灣口海域浮游植物群落更加穩(wěn)定。

圖6 表層水體Shannon-Wiener指數(shù)和均勻度指數(shù)的平面分布Fig.6 Horizontal distribution of Shannon-Wiener diversity index and evenness index in surface water

2.4 浮游植物與環(huán)境因子的關系

膠州灣冬季浮游植物細胞豐度與環(huán)境因子的相關性分析(表2)表明, 浮游植物細胞豐度和硅藻細胞豐度與銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、硅酸鹽均呈密切的正相關, 優(yōu)勢種中柔弱幾內亞藻、扭鏈角毛藻、諾氏海鏈藻亦與此四種營養(yǎng)鹽呈密切的正相關。本次調查期間浮游植物和多數(shù)優(yōu)勢種與氮、硅的相關關系非常顯著, 說明氮、硅是這一時期促進浮游植物生長的主要因素。而調查期間硅酸鹽濃度總體較低, 這是由于硅藻生長繁殖需要硅酸鹽組成硅質細胞壁和進行生物合成的調節(jié)(De La Rocha et al, 1998;楊小龍等, 1990; 彭欣等, 2006), 從而消耗了大量的硅, 這也從另一方面證明了硅酸鹽對浮游植物生長的促進作用。

表2 浮游植物細胞豐度與環(huán)境因子的Pearson相關分析Tab.2 Pearson correlation analysis between phytoplankton cell abundance and environmental factors

2.5 浮游植物的季節(jié)變化

本次調查與2009年5月春季(楊世民等, 2014)、2009年8月夏季(楊世民等, 2015)的調查結果相比較,雖然細胞豐度低于 2009年春季, 但從與環(huán)境因子顯著的相關關系可以看出浮游植物的生長非常旺盛,說明隨著膠州灣水溫的升高、海冰的消融, 浮游植物開始利用營養(yǎng)鹽等有利因素大量繁殖, 這一時期浮游植物的生長狀態(tài)是三次調查中最好的。

3 結論

(1) 2010年冬季膠州灣共發(fā)現(xiàn)浮游植物 5門 44屬 69種, 其中硅藻在物種數(shù)量和細胞豐度上都占有絕對優(yōu)勢。浮游植物物種的生態(tài)類型多為廣布性和溫帶性物種, 也有少量冷水性物種。

(2) 膠州灣冬季平均細胞豐度 222.8cell/mL, 平面分布趨勢為北部高于南部, 垂直分布則是趨向于均勻, 各水層之間細胞豐度相差不大。

(3) 調查期內膠州灣浮游植物優(yōu)勢種為柔弱幾內亞藻、扭鏈角毛藻、諾氏海鏈藻和尖刺偽菱形藻。平面分布除尖刺偽菱形藻高值區(qū)位于膠州灣中部海域外, 其余優(yōu)勢種均呈現(xiàn)細胞豐度北高南低的分布趨勢; 垂直分布趨勢柔弱幾內亞藻和扭鏈角毛藻為各水層之間細胞豐度相差不大, 而諾氏海鏈藻和尖刺偽菱形藻為由表至底細胞豐度逐漸升高。

(4) 冬季膠州灣浮游植物 Shannon-Wiener指數(shù)和均勻度指數(shù)的值均較高, 其分布顯示膠州灣東南至膠州灣口海域浮游植物群落更加穩(wěn)定, 而灣西北部海域浮游植物群落較為單一, 這種分布趨勢可能與膠州灣西北部海域海冰的存在有關。

(5) 膠州灣冬季浮游植物和硅藻細胞豐度以及優(yōu)勢種中的柔弱幾內亞藻、扭鏈角毛藻、諾氏海鏈藻與銨鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、硅酸鹽均呈顯著的正相關關系。

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