崔雯瑤, 楊湘君, 張蒙生, 陳 晨, 于子山

膠州灣春季大型底棲生物多樣性及群落結(jié)構(gòu)特征

崔雯瑤1, 楊湘君1, 張蒙生2, 陳 晨1, 于子山1

(1. 中國海洋大學(xué) 海洋生命學(xué)院, 山東 青島 266003; 2. 上海勘測設(shè)計研究院, 上海 200050)

基于2018年5月膠州灣海域共計20個站位所獲取的生物及環(huán)境數(shù)據(jù), 研究膠州灣大型底棲生物多樣性以及群落結(jié)構(gòu)特征。調(diào)查海域共發(fā)現(xiàn)大型底棲生物208種, 大型底棲生物總平均豐度和生物量分別為2 654.38 ind./m2和1 024.512 2 g/m2, 大型底棲生物物種數(shù)、豐度和生物量均呈現(xiàn)北部高、南部低的分布趨勢; 調(diào)查海域優(yōu)勢種以多毛類為主,RI值最高的物種為菲律賓蛤仔; 香農(nóng)維納指數(shù)與ABC曲線均表明調(diào)查海域底棲生態(tài)環(huán)境整體清潔; 在40%相似性水平上, 可將調(diào)查海域大型底棲生物劃分為4個群落; 底溫和底鹽影響調(diào)查海域大型底棲生物豐度分布。

膠州灣; 大型底棲生物; 生物多樣性; 群落結(jié)構(gòu)

膠州灣位于山東半島南部, 是一個自然條件相對獨立的半封閉式中型海灣。海域環(huán)境特殊, 底棲生物復(fù)雜多樣[1], 是我國最早開展海灣生態(tài)學(xué)研究的典型海域之一[2]。早在20世紀(jì)30年代, 張璽教授等開始對膠州灣軟體動物進(jìn)行了全面調(diào)查[3]。50年代中國科學(xué)院海洋研究所與蘇聯(lián)科學(xué)院動物研究所合作, 對膠州灣潮間帶底棲生物做了比較詳細(xì)的調(diào)查, 并根據(jù)底質(zhì)對底棲生物群落進(jìn)行了初步劃分[4]。80—90年代劉瑞玉教授等對膠州灣進(jìn)行了長期連續(xù)的綜合調(diào)查, 對膠州灣底棲生物群落劃分做了更詳細(xì)的論述[5]。90年代起, 對膠州灣大型底棲生物的研究開始增多[6-8]。21世紀(jì)后, 人們對膠州灣大型底棲生物的研究更加詳盡, 研究涉及大型底棲生物的種類組成、群落結(jié)構(gòu)、生物多樣性、次級生產(chǎn)力、功能群劃分以及與環(huán)境因子間的關(guān)系等方面[9-15]。這些研究或局限于膠州灣的局部海域[1, 10], 或設(shè)置的站位較少[11, 15], 難以反映膠州灣大型底棲生物的全貌。本研究在膠州灣共均勻設(shè)置20個站位, 展開了對膠州灣大型底棲生物的研究, 以期為膠州灣底棲生態(tài)系統(tǒng)及生物資源持續(xù)利用的深入研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 站位布設(shè)和樣品處理

于2018年5月4日和5日對膠州灣大型底棲生物進(jìn)行了調(diào)查取樣, 共設(shè)置20個站位(圖1), 調(diào)查船為“天使一號”。使用0.05 m2箱式采泥器采集沉積物樣品, 每站連續(xù)采樣3次合并為一個樣品, 使用孔徑為0.5 mm的網(wǎng)篩對沉積物樣品進(jìn)行分選, 分選后的樣品及殘渣全部收集裝瓶, 用10%福爾馬林溶液固定。樣品的處理、保存、計數(shù)、稱重等均按照《海洋調(diào)查規(guī)范》要求進(jìn)行[16]。

圖1 調(diào)查海域大型底棲生物取樣站位圖

1.2 環(huán)境因子的測定

每站分別取一定量的沉積物表層樣品裝入密封袋中, –20℃保存[17], 用于葉綠素(Chl)、有機碳與沉積物粒度的測定。

葉綠素的測定采用熒光分光光度法。有機碳含量按照《海洋調(diào)查規(guī)范》中重鉻酸鉀-硫酸氧化法進(jìn)行測定[16]。沉積物粒度利用激光粒度分析儀進(jìn)行測定, 依據(jù)矩值法計算粒度參數(shù)[18], 通過Folk法分析沉積物類型[19]。水深、底溫及底鹽均由CTD探測儀現(xiàn)場測得。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 優(yōu)勢種的確定

相對重要性指數(shù)RI(Index of Relative Importance)計算公式如下:

RI=(+)×,

其中:為每個物種生物量占總生物量的百分比,為每個物種豐度占總豐度的百分比,為該種出現(xiàn)的頻率。

1.3.2 多樣性指數(shù)的計算

Shannon-Wiener指數(shù)()、Margalef 豐富度指數(shù)()以及Pielou’s 物種均勻度指數(shù)()計算公式如下:

= –∑(n/) ×log2(n/)，

= (– 1) / log2，

=/log2,

其中:為總種數(shù),為總個體數(shù),n為第種的個體數(shù)。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析

利用大型底棲生物豐度和生物量數(shù)據(jù)繪制豐度/生物量比較曲線(ABC曲線); 對豐度數(shù)據(jù)進(jìn)行Cluster分析(劃分群落)以及SIMPER分析(確定對群落劃分起主要作用的種), 以上分析均使用PRIMER 6.0軟件包。

2 結(jié)果

2.1 沉積環(huán)境

表1為調(diào)查海域各環(huán)境因子檢測結(jié)果。調(diào)查海域各站位平均水深為12.6 m。水深最深處位于灣口的J42站, 為31.0 m; 最淺處位于東北部的J02站, 僅為6.0 m。底溫平均值為13.65 ℃, 分布呈現(xiàn)從北至南遞減的趨勢; 底鹽平均值為31.81, 分布趨勢與底溫分布趨勢相反, 從北至南遞增。調(diào)查海域Chl分布不均勻, 北部海域的J11、J12、J13、J14、J15、J16站Chl較高, 在0.68 μg/g以上; 大沽河口的J01站、李村河口的J02站以及灣口處的J33站和J41站Chl較低, 低于0.30 μg/g。有機碳僅東部河口及灣口處含量較高, 如灣口處J43站位(1.872 mg/g)和李村河口J16站(1.612 mg/g), 其余站位有機碳含量均在0.609至1.281 mg/g之間。北部海域沉積物類型以砂質(zhì)粉砂為主; 南部海域近灣口處沉積物顆粒變粗, 出現(xiàn)礫石。

表1 調(diào)查海域各站位環(huán)境因子

續(xù)表

2.2 大型底棲生物種類組成與優(yōu)勢種

本次調(diào)查共采集到大型底棲生物208種, 分屬腔腸動物、扁形動物、紐形動物、多毛類、軟體動物、甲殼類、棘皮動物、半索動物和脊索動物九個門類。其中多毛類、軟體動物和甲殼類分別出現(xiàn)76、42和72種, 為主要類群, 其物種數(shù)之和占總種數(shù)的92.23%。

物種數(shù)最多的站位出現(xiàn)在北部海域的J14站, 為58種; 其次在西部海域靠近洋河河口的J21站, 為49種。物種數(shù)最少的站出現(xiàn)在灣口附近的J33站, 僅23種; 灣口處的J41和J43站出現(xiàn)的物種數(shù)也較少, 均是24種。調(diào)查海域北部站位的物種數(shù)相對較多。

表2為RI排名前10位的物種。菲律賓蛤仔為本次調(diào)查的第一優(yōu)勢種, 主要出現(xiàn)在調(diào)查海域的西北部。RI排名前10位的物種中多毛類共7種, 出現(xiàn)頻率較高, 幾乎遍布整個調(diào)查海域, 顯示了多毛類在調(diào)查海域的優(yōu)勢地位。

表2 調(diào)查海域物相對重要性指數(shù)排名前十的物種

2.3 大型底棲生物豐度與生物量

如表3所示, 調(diào)查海域大型底棲生物總平均豐度為2 654.38 ind./m2。豐度最高值出現(xiàn)在李村河口的J02站, 豐度高達(dá)9 670.00 ind./m2, 該站位出現(xiàn)了豐度很高的中華蜾蠃蜚(7 470.00ind./m2); 豐度次高值出現(xiàn)在李村河口的J16站, 豐度為5 933.33 ind./m2, 該站同樣出現(xiàn)了大量的中華蜾蠃蜚(4 140.00 ind./m2)。調(diào)查海域西北部的J01、J11、J12、J13和J14站均出現(xiàn)了菲律賓蛤仔, 其豐度相對較高, 這可能與該物種在調(diào)查海域北部大面積養(yǎng)殖有關(guān)。豐度最低值出現(xiàn)在灣口處的J43站, 豐度僅為393.33 ind./m2;次低值出現(xiàn)在J42站, 也是位于灣口海域, 豐度為630.00 ind./m2。豐度值總體呈現(xiàn)北高、南低的分布趨勢, 豐度高值區(qū)位于大沽河口及李村河口附近站位(圖2)。

圖2 調(diào)查海域大型底棲生物豐度(a)和生物量(b)空間分布圖

調(diào)查海域大型底棲生物總平均生物量為1 024.512 2 g/m2(表3)。東北部海域的J15站生物量最高, 為9 231.552 0 g/m2, 該站出現(xiàn)了個體較大的長牡蠣, 生物量高達(dá)8 842.276 0 g/m2; 生物量次高的站位是位于北部海域的J14站, 生物量為3 862.755 3 g/m2。灣口附近的J33站生物量最低, 僅為7.624 g/m2; 生物量次低值出現(xiàn)在灣口處的J43站, 為9.698 7 g/m2。生物量與本次調(diào)查的豐度和物種數(shù)分布趨勢相同, 呈現(xiàn)北部高、南部低的趨勢(圖2)。

2.4 大型底棲生物多樣性指數(shù)

調(diào)查海域各站位多樣性指數(shù)見表3。調(diào)查海域的平均值為3.769。北部沿岸站位的較低, 都在2左右。最低值為1.841, 位于J02站。而位于中部的站位值較高, 多數(shù)大于4。最高的站位是J24站, 為4.830。

調(diào)查海域的平均值為0.726,最高值出現(xiàn)在灣口附近的J33站, 為0.938,最低值出現(xiàn)在東北部海域的J02站, 為0.344。平均值為4.940, 灣口附近的J34站值最高, 為7.082, 灣口處的J41站值最低, 為3.215。

2.5 大型底棲生物群落

圖3和圖4為大型底棲生物聚類分析結(jié)果, 在40%的相似度水平上, 可將大型底棲生物劃分為4個群落。每個群落中選取相似性貢獻(xiàn)率最高的三個物種(SIMPER分析), 作為群落的特征種, 并以3個特征種作為群落名稱。

圖3 調(diào)查海域大型底棲生物聚類分析圖

群落Ⅰ, 中蚓蟲、寡鰓齒吻沙蠶和雙櫛蟲群落。該群落位于調(diào)查海域的灣口附近, 包括J33和J41站, 平均水深26.4 m, 沉積物類型分別為礫質(zhì)泥質(zhì)砂以及礫質(zhì)砂。群落Ⅰ組內(nèi)平均相似性為53.27%, 三個特征種對組內(nèi)相似性的累計貢獻(xiàn)率高達(dá)28.20%。

群落Ⅱ, 雙櫛蟲、東方縫棲蛤和豆形短眼蟹群落。該群落水深31.0 m, 沉積物類型類型為含礫泥質(zhì)砂。該群落僅包含灣口處的J42站, 與其他群落相異性最高, 在70.40%~77.25%之間。

群落Ⅲ, 寡鰓齒吻沙蠶、不倒翁蟲和中蚓蟲群落。該群落包括西部海域以及中部海域站位, 平均水深13.8 m, 沉積物類型以砂質(zhì)粉砂為主。組內(nèi)平均相似性為46.57%, 三個特征種對組內(nèi)相似性貢獻(xiàn)率累計達(dá)21.22%。

群落Ⅳ, 中蚓蟲絲異須蟲.和棒毛擬隱鱗蟲群落。該群落包括東北部海域的J02和J15站, 平均水深6.3 m, 沉積物類型分別為粉砂和砂質(zhì)粉砂。群落Ⅳ組內(nèi)平均相似性為42.88%, 三個特征種對組內(nèi)相似性累計貢獻(xiàn)率為18.46%。

3 討論

3.1 調(diào)查海域大型底棲生物豐度與環(huán)境因子關(guān)系

諸多研究表明[20-22], 大型底棲生物豐度分布與環(huán)境因子存在相關(guān)性, 本研究也進(jìn)行了大型底棲生物豐度與環(huán)境因子數(shù)據(jù)的Pearson相關(guān)性分析, 環(huán)境因子包括水深、底溫、底鹽、Chl、有機碳、平均粒徑和中值粒徑, Pearson相關(guān)性分析結(jié)果見表4。

表4 調(diào)查海域大型底棲生物豐度與環(huán)境因子的Pearson相關(guān)性

注: **在0.01水平上顯著相關(guān); *在0.05水平上顯著相關(guān)

結(jié)果表明大型底棲生物豐度與底溫呈極顯著正相關(guān), 與底鹽呈極顯著負(fù)相關(guān), 與其他環(huán)境因子無顯著相關(guān)關(guān)系。陳曉娟等[23]和畢洪生[24]對膠州灣大型底棲動物的研究也得到了相似結(jié)論, 即底溫與底鹽影響膠州灣大型底棲生物的豐度分布。

3.2 調(diào)查海域底棲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分析

目前利用大型底棲生物評價生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的方法有許多, 如Shannon-Wiener指數(shù)[25]、ABC曲線[26]、AMBI[27]等, 其中Shannon-Wiener指數(shù)具有較強的普遍適用性[28]。蔡立哲等[29]提出,分四級來評價環(huán)境質(zhì)量狀況:值大于3為清潔,值在2-3之間為輕度污染,值在1~2之間為中度污染,值小于1為重度污染。由表2可以看出, 除北部海域的J01、J02和J16站外, 其余站位均大于3; J01站與J16站在2~3之間; J02站最小, 僅為1.841。根據(jù)值的描述, 可以認(rèn)為調(diào)查海域整體環(huán)境清潔, 僅北部海域的J01、J02和J16站受到擾動, 其中大沽河河口附近的J01站受到輕度擾動, 李村河口附近的J02和J16站分別受到中度擾動與輕度擾動。

本文也做了各站位大型底棲生物的豐度/生物量比較曲線, 發(fā)現(xiàn)僅李村河口附近的J16站的曲線發(fā)生交叉重疊, 指示J16站受到中度擾動(圖5), 其余站位的ABC曲線均是生物量線位于豐度線之上, 指示并未受到擾動。ABC曲線與生物多樣性指數(shù)結(jié)果基本一致。

圖5 受擾動的J16站ABC曲線

近年來一些學(xué)者對膠州灣重金屬污染開展了一系列研究[30-32], 研究結(jié)果顯示重金屬高值區(qū)主要位于東部李村河口及西部大沽河口附近。2017年肖彩玲等人[33]5月份的研究結(jié)果顯示: 李村河口和大沽河口為Cr、Ni和Cu重金屬的富集區(qū), 其中Cr、Ni和Cu平均值分別達(dá)到62.73 mg/kg、24.62 mg/kg和23.44 mg/kg, 與本研究的擾動站位分布情況大致相同。

青島市海洋環(huán)境公報表明, 2017年膠州灣符合第一、二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的海域所占比例比2012年至2016年的平均值升高了14.3%[34]。2018年第一、二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的海域面積占膠州灣總面積的73.7%, 同比2017年提高了1.9%, 比2014年提高了10.3%[35], 這與表5中呈現(xiàn)的逐年升高的趨勢相符合, 可以看出近年膠州灣水質(zhì)有所改善。

綜上所述, 本文初步認(rèn)為調(diào)查海域底棲生態(tài)環(huán)境整體清潔, 大沽河口和李村河口附近海域存在一定程度的污染。

3.3 本研究結(jié)果與歷史研究資料的對比

表5為本研究與近年膠州灣海域歷史研究資料[1, 10-11, 15, 36]的對比。本研究大型底棲生物的平均豐度、生物量、和第一優(yōu)勢種與歷史研究相差不大。2007年隋吉星[1]的研究中大型底棲生物平均豐度最低, 平均生物量也相對較低, 第一優(yōu)勢種為棘刺錨參, 與本研究以及其他歷史研究[15, 36]的第一優(yōu)勢種不同, 這可能是由于隋吉星[1]的站位設(shè)置在膠州灣中央并未涉及北部海域的貝類養(yǎng)殖區(qū)[37]。本研究與徐兆東[15]的研究中群落劃分的結(jié)果基本一致, 主要劃分為膠州灣北部及西部海域、膠州灣的中部海域和灣口附近海域, 但群落的特征種不完全相同, 如本研究中膠州灣北部及西部海域的群落特征種為寡鰓齒吻沙蠶、不倒翁蟲和中蚓蟲, 而徐兆東[15]的研究結(jié)果中該群落的特征種為寡鰓齒吻沙蠶、二齒半尖額漣蟲和巴氏鉤毛蟲, 這可能與站位設(shè)置、樣品采集方法的不同以及人類活動和氣候變化可能對區(qū)域內(nèi)底棲生物的影響有關(guān)。

表5 本研究與歷史研究資料的對比

注: ——: 未涉及優(yōu)勢種

4 結(jié)論

1) 調(diào)查海域底棲生態(tài)環(huán)境基本清潔, 大沽河口及李村河口海域附近站位存在一定程度污染。

2) 底溫和底鹽是影響調(diào)查海域大型底棲生物豐度的主要環(huán)境因子。

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Diversity and community structure of the macrobenthos in Jiaozhou Bay in spring

CUI Wen-yao1, YANG Xiang-jun1, ZHANG Meng-sheng2, CHEN Chen1, YU Zi-shan1

(1. College of Marine Life Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266003, China; 2. Survey and Design Institute of Shanghai, Shanghai 200050, China)

Biological and environmental data were obtained from 20 stations in Jiaozhou Bay in May 2018 to investigate the diversity and community structure of the macrobenthos. A total of 208 macrobenthic species were found in the survey area, with an average abundance of 2 654.38 individuals/m2and an average biomass of 1 024.5122 g/m2. The species richness, abundance, and biomass were higher in the northern area than in the southern area. Most of the dominant species were polychaetes, withbeing the most dominant. Both the Shannon–Wiener index and the ABC curve showed that the benthic ecological environment in the survey area was undistured. At 40% similarity level, 4 commumities could be clustered. The abundance of the macrobenthos was influenced by temperature and salt content of the bottom water.

Jiaozhou Bay; macrobenthos; biodiversity; community structure

Nov. 18, 2019

Q958.8

A

1000-3096(2020)06-0101-09

10.11759/hykx20191118001

2019-11-18;

2020-01-07

膠州灣海洋生物多樣性普查及信息庫構(gòu)建項目; 國家自然科學(xué)基金項目(41576153)

[Jiaozhou Bay Marine Biodiversity census and information database construction project; The National Natural Science Foundation of China, No.41576153]

崔雯瑤(1995-), 女, 黑龍江哈爾濱人, 碩士生, 研究方向為海洋底棲生物生態(tài)學(xué), E-mail: 1042650492@qq.com; 于子山(1963-),通信作者, 男, 山東青島人, 副教授, 研究方向為海洋底棲生物生態(tài)學(xué), 電話: 0532-82031938, E-mail:yu_zishan@ouc.edu.cn.

(本文編輯: 趙衛(wèi)紅)