郭夏青，楊 悅，于 洋，趙興貴，劉憲斌,

(1.天津科技大學海洋與環(huán)境學院，天津 300457；2.天津市海洋環(huán)境保護與修復技術工程中心，天津 300457)

昌黎黃金海岸國家級自然保護區(qū)位于中國河北省東北部的秦皇島市昌黎縣，保護面積約為300 km2[1].由于河流的注入，在河口淺海區(qū)構成了低鹽度、營養(yǎng)豐富、水溫適宜的沿岸水團，為眾多海洋生物尤其是特有物種文昌魚提供了適宜的產卵、孵化及育幼條件，形成了渤海重要的產卵場[2]，主要生境包括沙丘、沙堤、潟湖、林帶、林間洼地、河口及海洋.昌黎海岸帶景觀獨特，生境復雜多樣，生物多樣性高，海洋與海岸帶資源豐富，具有重要的生態(tài)價值、科研價值和觀賞價值.同時，該區(qū)域還是國務院首批批準建立的5 個國家級海洋類自然保護區(qū)之一.

浮游植物是高度多樣化的、微觀的和豐富的生物體，構成了海洋食物鏈的基礎，是海洋生態(tài)系統(tǒng)中最主要的初級生產者[3]，大約50%的初級生產力是由浮游植物完成[4].浮游植物是浮游動物存活的基礎餌料，在能量流動和物質循環(huán)過程中起著至關重要的作用.它通過光合作用制造有機物，成為食物鏈的首要環(huán)節(jié)，被稱為“海洋中的森林”.浮游植物種群和豐度的變化不止會影響到其他海洋生物的生存，同時會影響到整個海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡[5-6].浮游植物群集的動態(tài)變化是評價海域營養(yǎng)化水平、污染狀況、資源現(xiàn)狀、生產潛力以及海洋生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標[7-9].已有文獻對該區(qū)的浮游植物、浮游動物和底棲生物進行了報道，洛昊等[10]于1999—2013 年對該保護區(qū)海域開展了連續(xù)15 年的生態(tài)調查工作，對種類組成、細胞密度、多樣性等進行討論；梁曉林等[1,11]在2005—2013 年夏季運用典范對應分析方法，對昌黎生態(tài)監(jiān)控區(qū)浮游植物群落結構進行分析；孫富強等[9]于2016 年對昌黎黃金海岸國家級自然保護區(qū)海域浮游植物的種類組成、細胞數(shù)量、生物多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)等進行調查.

但是，關于近3 年來對該區(qū)浮游植物群落結構的研究不多，本文增加了多項環(huán)境因子的測定，比如石油類和活性硅酸鹽，且利用冗余分析對浮游植物群落結構與環(huán)境因子的關系進行討論，研究了2019 年8月昌黎黃金海岸國家級自然保護區(qū)浮游植物的群落特征變化以及其環(huán)境影響因素，旨在為保護區(qū)的環(huán)境管理策略提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 采樣點的布設

本文根據(jù)昌黎黃金海岸國家級自然保護區(qū)的地理和水文特征等，在昌黎黃金海岸國家級自然保護區(qū)設置14 個采樣站位(圖1)，采樣時間為2019 年8 月(夏季).

圖1 河北昌黎黃金海岸國家級自然保護區(qū)采樣站位示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling stations in Changli Gold Coast National Nature Reserve，Hebei province

1.2 樣品采集和處理

浮游植物的采集、貯存、運輸、預處理和分析按照GB 17378.7—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范·第7 部分：近海污染生態(tài)調查和生物監(jiān)測》[12]規(guī)定的方法進行，樣品的采集采用淺Ⅲ型浮游生物網(wǎng)自下而上垂直拖網(wǎng)進行采樣，樣品用5%甲醛固定和保存，經濃縮后在CKX53 型倒置顯微鏡(OLYMPUS 公司)下進行種類鑒定和細胞計數(shù)，每個浮游植物樣品均計數(shù)3 次取平均值，以保證數(shù)據(jù)的可靠性.

水質樣品的采集、貯存、運輸、預處理和分析按照GB 17378.4—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范·第4 部分：海水分析》[13]方法進行，水樣的采集采用5 L 的卡蓋式采水器，采取表層水樣，分別用于營養(yǎng)鹽、葉綠素a的測定.將部分水樣用0.45 μm 醋酸纖維膜過濾后，濾液用于營養(yǎng)鹽濃度的測定.水溫采用YSI 多功能水質參數(shù)儀(美國YSI 公司)進行現(xiàn)場測定.

測定的水質因子包括水溫、pH(pH 計法)、濁度(濁度計法)、溶解氧(碘量法)、鹽度(鹽度計法)、油類(紫外分光光度法)、化學需氧量(堿性高錳酸鉀法)、葉綠素a(分光光度法)、亞硝酸鹽(萘乙二胺分光光度法)、硝酸鹽(鋅鎘還原法)、氨氮(次溴酸鹽氧化法)、活性硅酸鹽(硅鉬藍法)、活性磷酸鹽(磷鉬藍分光光度法).

1.3 生物多樣性指數(shù)

采用Primer 6.0 軟件進行生物多樣性數(shù)據(jù)計算.生物多樣性指數(shù)采用多樣性指數(shù)(H′)[12]、豐度指數(shù)(d)[14]和均勻度指數(shù)(J′)[15].根據(jù)HJ 442—2008《近岸海域環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》中的生物多樣性評價指標進行評價(表1[16]).優(yōu)勢種選取優(yōu)勢度≥0.02 的物種[17].

多樣性指數(shù)H′

豐度指數(shù)d

均勻度指數(shù)J′

優(yōu)勢度Y

廢渣填埋場若發(fā)生污染物(氟化物或氰化物)泄露，將對地下水產生嚴重污染，并向南側遷移。20 a內最遠可擴散300 m，擴散面積可達36 600 m2。到時下游的新寨、水塘寨以及團結水庫等地的居民生活用水和工業(yè)用水都會受到污染，對社會造成嚴重的危害。因此必須提高填埋場底部及四周的防滲等級。

式中：pi＝ni/N；ni為第i 種的個體數(shù)；N 為所有種的個體數(shù)；S 為物種總數(shù)；fi為第i 種的出現(xiàn)頻率.

表1 生物多樣性評價指標Tab.1 Evaluation index of biodiversity

1.4 冗余分析

利用Canoco 5.0 軟件進行群落與環(huán)境變量的冗余分析(redundancy analysis，RDA).進入分析的物種需滿足以下條件：(1)出現(xiàn)的頻度要大于12.5%；(2)這個物種在至少1 個站位上的相對密度≥1%[18].對浮游植物群落結構進行降趨對應分析(detrended correspondence analysis，DCA)，最長SD＝2.19＜3，所以采用冗余分析.變量重要性的相對大小在程序結果中得到，變量的顯著性水平通過蒙特卡洛置換檢驗(P＜0.05)[18].

2 結果與討論

2.1 浮游植物的物種組成和豐度特征

本次調查共發(fā)現(xiàn)浮游植物2 門21 屬45 種，其中硅藻為39 種，占總數(shù)的86.7%，甲藻6 種，占總數(shù)的13.3%，可見調查期間該海域浮游植物以硅藻為主.

調查海區(qū)浮游植物的生態(tài)類型以廣溫、廣鹽和近岸種為主，優(yōu)勢種為硅藻門中的中肋骨條藻、勞氏角毛藻和甲藻門中的三角角藻(表2)，3 種均為常見的赤潮種.

各站位浮游植物細胞豐度的平面分布差異較大，1—14 站位為 2 839～633 709 m-3，平均值為71 794 m-3.細胞豐度最高值出現(xiàn)在近岸的1 號站位，最低值在遠海的14 號站位(圖2)，其中，硅藻占浮游植物豐度的97.7%以上，浮游植物細胞豐度的分布趨勢與硅藻豐度分布趨勢基本一致，這與近幾年的調查結果也相符[1-2,17].

表2 調查期間浮游植物優(yōu)勢種及其優(yōu)勢度Tab.2 Dominant species and dominance index of the phytoplankton community during two surveys

圖2 2019 夏季昌黎黃金海岸國家級自然保護區(qū)各站位浮游植物豐度變化Fig.2 Phytoplankton abundance changes at each station of Changli Gold Coast National Nature Reserve in summer 2019

2.2 浮游植物群落指數(shù)特征

各監(jiān)測站位H′的變化范圍為1.02～3.46，平均值為2.51，最大值出現(xiàn)在5 號站位，最小值出現(xiàn)在2 號站位；d 的變化范圍為0.83～1.89，平均值為1.26，最大值出現(xiàn)在5 號站位，最小值出現(xiàn)在11 號站位；J′的變化范圍為0.26～0.95，平均值為0.70，最大值出現(xiàn)在14 號站位，最小值出現(xiàn)在2 號站位(圖3).根據(jù)表1 得出，2019 年夏季昌黎黃金海岸國家級自然保護區(qū)生境質量表現(xiàn)為一般，其中5、7、8、10、13 號站位生境質量達到優(yōu)良，而近岸幾個站位的生境質量為差.

圖3 2019 年夏季昌黎黃金海岸國家級自然保護區(qū)各站位浮游植物多樣性指數(shù)變化Fig.3 Changes in the phytoplankton diversity index at each station of Changli Gold Coast National Nature Reserve in summer 2019

2.3 環(huán)境因子的分布特征

溶解氧變化范圍為5.48～8.46 mg/L，最大值出現(xiàn)在4 號站位，最小值出現(xiàn)在11 號站位.鹽度變化范圍為29.0～32.0，最大值出現(xiàn)在10 號站位，最小值出現(xiàn)在1、2 和3 號站位.pH 變化范圍為7.14～7.75，最大值出現(xiàn)在8 號和14 號站位，最小值出現(xiàn)在1 號站位.油類含量變化范圍為9.19～155 μg/L，最大值出現(xiàn)在3 號站位，最小值出現(xiàn)在1 號站位.水溫變化范圍為17.0～19.0 ℃，最大值出現(xiàn)在6 號站位，最小值出現(xiàn)在1 號站位.濁度變化范圍為0.180～1.75 NTU，最大值出現(xiàn)在4 號站位，最小值出現(xiàn)在1號站位.葉綠素 a 含量的變化范圍為 0.474～2.57 μg/L，最大值出現(xiàn)在2 號站位，最小值出現(xiàn)在12號站位.化學需氧量的變化范圍為1.24～2.59 mg/L，最大值出現(xiàn)在1 號站位，最小值出現(xiàn)在9 號站位.亞硝酸鹽氮含量的變化范圍為1.87～23.0 μg/L，最大值出現(xiàn)在13 號站位，最小值出現(xiàn)在5 號站位.氨氮含量的變化范圍為79.1～218 μg/L，最大值出現(xiàn)在4 號站位，最小值出現(xiàn)在14 號站位.硝酸鹽氮含量的變化范圍為40.2～157 μg/L，最大值均出現(xiàn)在1 號站位，最小值出現(xiàn)在7 號站位.活性硅酸鹽含量的變化范圍為613～1 122 μg/L，最大值出現(xiàn)在6 號站位，最小值出現(xiàn)在11 號站位.活性磷酸鹽含量的變化范圍為18.1～82.3 μg/L，最大值均出現(xiàn)在1 號站位，最小值均出現(xiàn)在8 號站位(表3).營養(yǎng)鹽、濁度、油類、葉綠素a 的分布趨勢呈現(xiàn)近海大于遠海的趨勢，pH、溶解氧和透明度呈現(xiàn)遠海大于近海的趨勢.

表3 2019 年夏季昌黎黃金海岸國家級自然保護區(qū)海域環(huán)境因子變化范圍Tab.3 Variation range of environmental factors of Changli Gold Coast National Nature Reserve in summer 2019

Justic 提出的化學計量限制的評估法則[19]：(1)若Si/P＞22，且N/P＞22，則判定為P 限制；(2)若N/P＜10，且Si/N＞1，則判定為N 限制；(3)若Si/P＜10，且Si/N＜1，則判定為Si 限制.從營養(yǎng)限制的角度分析，夏季N/P 的變化范圍為8.61～23.6，Si/N 為0.894～2.85，Si/P 為11.4～44.5，調查區(qū)域的1 號站位存在氮限制，2、3、13 號站位存在磷限制.

2.4 浮游植物與環(huán)境因子冗余分析

通過Monte Carlo 置換檢驗得出，排序效果良好.所有參加排序的環(huán)境因子共解釋了65.18%的物種累積變化信息.通過分析結果(表4)可知，軸1 和軸2 可以解釋大部分的物種累積變化信息，共解釋了總體的 41.93% 的物種變化信息，特征值分別為0.275 6 和0.143 7.結果顯示(表5)，硝酸鹽氮、pH、活性磷酸鹽、鹽度、活性硅酸鹽、氨氮的P 值均小于0.05，說明是影響該海域夏季浮游植物分布的關鍵環(huán)境因子.其他環(huán)境因子與群落關系不顯著，說明它們依賴于主要環(huán)境變量，不能獨立解釋浮游植物群落的特征變化.

表4 2019 年夏季昌黎黃金海岸國家級自然保護區(qū)海域RDA分析中排序軸信息Tab.4 Sorting axis information in the RDA analysis of Changli Gold Coast National Nature Reserve in summer 2019

表5 環(huán)境變量的顯著性檢驗Tab.5 Significance test of environmental variables

圖4 為篩選后26 種物種(S1—S26)與16 項環(huán)境因子(E1—E16)的排序圖，其中：S1 為中肋骨條藻，S2 為三角角藻，S3 為勞氏角毛藻，S4 為圓篩藻屬，S5 為星臍圓篩藻，S6 為布氏雙尾藻，S7 為旋鏈角毛藻，S8 為角毛藻，S9 為中華盒型藻，S10 為格氏圓篩藻，S11 為透明輻桿藻，S12 為丹麥細柱藻S13 為虹彩圓篩藻，S14 為威氏圓篩藻，S15 為冰河擬星桿藻，S16 為巨圓篩藻，S17 為泰晤士旋鞘藻，S18 為曲舟藻，S19 為瓊氏圓篩藻，S20 為浮動彎角藻，S21 為海洋曲舟藻，S22 為叉狀角藻，S23 為輻射圓篩藻，S24為菱形藻，S25 為夜光藻，S26 為針桿藻；E1 為溶解氧，E2 為鹽度，E3 為pH，E4 為油類，E5 為水溫，E6為濁度，E7 為葉綠素a，E8 為化學需氧量，E9 為亞硝酸鹽氮，E10 為氨氮，E11 為硝酸鹽氮，E12 為活性硅酸鹽，E13 為活性磷酸鹽，E14 為N/P，E15 為Si/N，E16 為Si/P.在軸1、軸2 構成的平面中，環(huán)境因子用虛線箭頭表示，箭頭連線的長度代表某個環(huán)境因子與群落分布和種類分布間相關程度的大小，連線越長，說明相關性越大.箭頭連線與排序軸的夾角代表此環(huán)境因子與排序軸相關性大小，夾角越小，相關性越高.兩箭頭之間的連線為銳角，說明兩環(huán)境因子為正相關.物種因子用實線箭頭表示.環(huán)境因子與物種因子之間夾角的余弦值代表其相關性，即夾角越小，說明相關性越強；呈直角說明不相關.

圖4 2019 年夏季昌黎黃金海岸國家級自然保護區(qū)海域冗余分析Fig.4 RDA analysis of Changli Gold Coast National Nature Reserve in summer 2019

由圖4 可以看出：與硝酸鹽氮、活性磷酸鹽呈正相關的為中華盒形藻(Biddulphia sinensis)、旋鏈角毛藻(Chaetoceros curvisetus)、泰晤士旋鞘藻(Helicotheca tamesis)和菱形藻(Nitzschia spp.)等，呈負相關的是叉狀角藻(Ceratium furca)等；與pH、鹽度呈正相關的是叉狀角藻、丹麥細柱藻(Leptocylindrus danicus)，呈負相關的是中華盒形藻、旋鏈角毛藻、泰晤士旋鞘藻和菱形藻；與活性硅酸鹽呈正相關的是圓篩藻(Coscinodiscus sp.)和菱形藻；與氨氮呈正相關關系的有中肋骨條藻、三角角藻和角毛藻(Chaetoceros sp.)等.硅藻可能與營養(yǎng)鹽指標關系較大，甲藻與鹽度可能有關.

3 討論

3.1 與前人歷史資料對比

梁曉林等[1]于2013 年8 月對昌黎海域進行調查，共發(fā)現(xiàn)浮游植物3 門35 種，其中硅藻29 種、甲藻5 種和金藻1種.孫富強等[9]在2016 年夏季對該海域浮游植物群落結構進行了調查，共獲得浮游植物47 種，其中有硅藻42 種、甲藻4 種、金藻1 種；而本次調查期間共鑒定浮游植物2 門45 種，其中硅藻種數(shù)最多，為39 種.與前人的調查相比，本次調查未出現(xiàn)金藻門種類，仍為硅藻占據(jù)優(yōu)勢，種群結構也比較穩(wěn)定.對比其他海域，張彭如燕等[20]在2014 年夏季天津近岸海域進行調查，同樣屬于甲藻門和硅藻門.于瀟等[21]在2018 年對萊州灣的監(jiān)測研究中發(fā)現(xiàn)，浮游植物分屬硅藻門、甲藻門、金藻門、綠藻門、隱藻門，較本海域出現(xiàn)類別多.

3.2 浮游植物群落結構變化

本次調查浮游植物優(yōu)勢種為中肋骨條藻、勞氏角毛藻和三角角藻.研究表明，中肋骨條藻是一種常見赤潮種，其最適溫度范圍為20～25 ℃，這也解釋了夏季中肋骨條藻成為優(yōu)勢種的原因[22].已有實驗[23-25]表明：環(huán)境中不同氮磷比對中肋骨條藻有不同影響，主要是影響比生長率和細胞狀態(tài)，N 濃度相比P 濃度制約能力大，P 限制條件下的細胞數(shù)量和比生長率高于N 限制條件下.三角角藻也是一種常見的赤潮甲藻.

在細胞豐度上，由近海向外海逐漸減小，可能是由于在夏季保護區(qū)來自灤河口和大蒲河口的大量淡水入海，受徑流影響，而優(yōu)勢種中肋骨條藻喜好低鹽環(huán)境，大量生長，導致近海岸浮游植物數(shù)量明顯多于遠海調查區(qū)域[1,26-27].

物種多樣性是群落組織獨特的生物學特征，其作用是表征浮游植物群落的結構類型、所處的發(fā)展階段、生境質量差異[28].一般情況下，一個群落的生物種類越多，多樣性指數(shù)就會越大，呈現(xiàn)正相關關系.而一個群落的多樣性指數(shù)越大，群落就相對越穩(wěn)定.同時，它還可以反映生物環(huán)境質量.均勻度是反映群落結構均勻性的指數(shù)，豐度指數(shù)反映群落中種類的豐富程度.從圖3 中可以明顯看出近岸的多樣性指數(shù)偏低，原因可能是中肋骨條藻細胞密度較大，優(yōu)勢過于明顯，加之浮游植物群落組成的生物種類較少，且種間密度分布不均，導致多樣性指數(shù)值隨之變小.

3.3 浮游植物與環(huán)境因子的關系

本次調查硝酸鹽氮、pH、活性磷酸鹽、鹽度、硅酸鹽、氨氮是影響夏季該海域浮游植物分布的關鍵環(huán)境因子.

首先，營養(yǎng)鹽的變化是對浮游植物群落的一個重要影響因素，N、P 和Si 是海洋藻類生存三大元素，對浮游植物的群落有重要作用[29].卞少偉等[30]研究渤海灣浮游植物時，發(fā)現(xiàn)浮游植物群落受多個因素影響，主要影響因素為營養(yǎng)鹽.Dortch 等[31]研究表明，當海水中Si 缺乏時，會相應的限制硅藻的生長，而其它非硅藻(如甲藻)類卻相反.楊東方等[32]認為在近岸水域會經常發(fā)生因為甲藻產生的赤潮，追根究底就是營養(yǎng)鹽結構的不平衡.當水體中Si 濃度低，而N、P 濃度過高時，硅藻生長受到影響，空間被甲藻迅速占據(jù).Si 在硅藻殼中很難再生，并且再循環(huán)速率比N和P 慢得多[33].N/P 的持續(xù)升高、Si/N 的持續(xù)降低，也將導致硅藻群落的繼續(xù)衰退，這樣會危害傳統(tǒng)養(yǎng)殖產業(yè)，可能還會出現(xiàn)其他問題，如低氧和酸化等.相關研究[34-35]表明，硅藻喜歡生活在硝酸鹽含量高的水體，而在本文中與硝酸鹽氮呈正相關關系的幾乎都為硅藻類.硅酸鹽對該海域浮游植物群落結構也有很重要的作用.硅酸鹽含量如果降低，將會呈現(xiàn)硅藻群落向非硅藻群落演替的趨勢.

鹽度能夠影響浮游植物滲透壓，進而影響浮游植物吸收營養(yǎng)鹽以及其懸浮性[36].張芳等[37]研究表明，白令海陸架區(qū)的浮游植物受營養(yǎng)鹽、鹽度以及溫度影響較明顯.本次調查海域浮游植物的生態(tài)類型大多數(shù)屬于廣鹽性，但也存在一個特點，那就是密度沿鹽度梯度變化[38].同時，有研究表明，鹽度對浮游植物有影響的原因主要是種類的不同，對鹽度適應性不同；硅藻喜歡低鹽，甲藻則比硅藻耐高鹽[39].海水的鹽度受降水、蒸發(fā)等眾多因素的影響，鹽度的變化對不同的物種有著不同的影響.在不同鹽度條件下，它將對應于不同的浮游植物細胞密度，并且浮游植物的生長狀態(tài)會相應地變化.本文中鹽度就與甲藻類呈正相關關系.

海水中pH 大小非常影響海洋生物代謝過程[40].pH 影響浮游植物對營養(yǎng)鹽的利用程度，同時影響新陳代謝過程，進而干擾浮游植物自身生長狀況[41].一般狀態(tài)下海水pH 較為穩(wěn)定，如果pH 呈現(xiàn)下降趨勢，則水質和溶解氧濃度也可能會下降，同時還可能會使H2S 含量增加；如果pH 過高會改變氨氮的存在形式，還會增加毒性[42].浮游植物進行光合作用時將會產生OH-，而隨著浮游植物數(shù)量的增加，海水中的pH 就會升高.

此外，環(huán)境因子和浮游植物的關系是極其復雜的，環(huán)境因子與浮游植物的某一方的變化均會給對方帶來影響，同時各個環(huán)境因子之間也會相互作用.因此，多因子、多季節(jié)的分析是必要的.本文僅調查了一個季節(jié)，可能存在一些不足，該海域浮游植物密度與環(huán)境因子之間的關系有待于進一步的研究.

4 結論

(1)調查期間共發(fā)現(xiàn)浮游植物2 門21 屬45 種，硅藻占總數(shù)的86.7%，甲藻占13.3%.優(yōu)勢種是硅藻門的中肋骨條藻、勞氏角毛藻和甲藻門的三角角藻.各站位細胞豐度變化范圍為2 839～633 709 m-3，平均值為71 794 m-3，硅藻為主要的組成部分.

(2)H′的變化范圍為1.02～3.46；d 的變化范圍為0.83～1.89；J′的變化范圍為0.26～0.95，2019 年夏季昌黎黃金海岸國家級自然保護區(qū)海域生境質量為一般.

(3)RDA 結果表明，硝酸鹽氮、pH、活性磷酸鹽、鹽度、活性硅酸鹽、氨氮是影響2019 年夏季昌黎海域浮游植物分布的關鍵環(huán)境因子.

致謝：感謝昌黎黃金海岸國家級自然保護區(qū)管理處對本文野外樣品采集的幫助.