張紀暉, 周成旭, 李冬玲, 林忠洲, 邱悅, 沙龍濱*

福建敖江口表層沉積硅藻空間分布特征

張紀暉1a, 周成旭1b, 李冬玲1a, 林忠洲2, 邱悅1a, 沙龍濱1a*

(1. 寧波大學(xué), a. 地理與空間信息技術(shù)系; b. 食品與藥學(xué)學(xué)院, 浙江 寧波 315832; 2. 寧波海洋研究院, 浙江 寧波 315000)

為探討福建敖江口表層沉積硅藻空間分布特征，2019年7月對敖江口進行表層沉積硅藻的采樣調(diào)查，并研究了硅藻與環(huán)境因子的關(guān)系。結(jié)果表明，從13個站點共檢出硅藻114種，隸屬于39屬。硅藻豐度具有從河口向外海先減少后增加的變化特征。聚類分析表明，主要硅藻屬種可劃分為淡水種組合帶和半咸水-咸水種組合帶。典型對應(yīng)分析(CCA)表明，表層海水溫度和鹽度是影響硅藻分布的主要環(huán)境變量。河口區(qū)鹽度相對較低，主要分布淡水種雙面曲殼藻、優(yōu)美曲殼藻和顆粒溝鏈藻；外海區(qū)北部鹽度相對較高，主要分布咸水種流水雙菱藻；外海區(qū)南部鹽度相對較低，主要分布淡水種優(yōu)美曲殼藻和顆粒溝鏈藻；灘涂的沉積物較粗，主要分布優(yōu)美曲殼藻。此外，河口區(qū)和外海區(qū)南部可能存在一定的水體污染。

福建；敖江；硅藻；環(huán)境；典型對應(yīng)分析；聚類分析

近岸海域是航道交通、生產(chǎn)生活的重點區(qū)域。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和海岸海洋資源開發(fā)力度的不斷加大，人類活動對近岸海域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生著越來越重要的影響：不僅包括海水養(yǎng)殖，海洋捕撈等社會經(jīng)濟活動，還包括伴隨這些活動而產(chǎn)生的各類環(huán)境污染。為研究日益復(fù)雜化的近岸海域水體環(huán)境，在研究中往往需要尋找一種對環(huán)境變量敏感的物種，通過研究該物種的時空分布變化特征，從而指示海域的環(huán)境變化。

硅藻是一種個體微小的單細胞生物，分布范圍極其廣泛，在陸地湖泊、近岸海域以及海洋中均有發(fā)現(xiàn)[1]。硅藻對環(huán)境因子(如溫度、鹽度、酸堿度、營養(yǎng)鹽含量等)的變化靈敏[2]，能對水體環(huán)境變化做出迅速的反應(yīng)，因而其組合結(jié)構(gòu)就是對當前水體環(huán)境特點最直接的體現(xiàn)[3]，硅藻已成為廣泛用于水體環(huán)境監(jiān)測的指示類物種[4–5]。

敖江口是福建敖江干流的入?？冢挥诟＝ㄟB江縣，坐落于我國浙閩東南沿海地區(qū)，是我國海洋經(jīng)濟最為發(fā)達的區(qū)域之一。連江縣生產(chǎn)生活主要以第一產(chǎn)業(yè)為主，以海洋經(jīng)濟為傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)，海水養(yǎng)殖業(yè)尤為發(fā)達，以養(yǎng)殖鮑魚、縊蟶和海帶等水產(chǎn)為名。發(fā)達的海水養(yǎng)殖業(yè)勢必會對敖江口水體環(huán)境產(chǎn)生影響，然而目前使用硅藻作為指標對該區(qū)域水體環(huán)境進行研究較少，目前已有采用其他指標對敖江口周邊和敖江流域水體環(huán)境狀況進行研究的報道，阮金山等[6]對連江縣東南部養(yǎng)殖水體中的重金屬和有機污染物含量進行了研究；張玉珍等[7]對敖江全流域底棲動物和魚類群落結(jié)構(gòu)進行了研究；張丹丹等[8]對敖江下游河段的抗生素抗性基因分布特征進行了研究。

本文通過在福建敖江口采集表層沉積物，調(diào)查河口、灘涂和外海區(qū)表層沉積硅藻分布情況，探討了敖江口表層沉積硅藻的空間分布特征，并對主要硅藻屬種與表層海水溫度、鹽度、pH等環(huán)境因子間的關(guān)系進行分析，了解該海域河口、灘涂和外海區(qū)影響硅藻分布的主要環(huán)境因素。研究結(jié)果將為了解敖江口硅藻對環(huán)境的響應(yīng)機制、該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力變化，以及人類活動對該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的綜合影響研究提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 樣品和環(huán)境變量的采集

表層沉積物采樣工作于2019年7月完成。使用抓斗在13個采樣點抓取底部表層沉積物，樣品密封保存送至實驗室。使用HORIBA設(shè)備收集采樣點表層海水溫度、鹽度、pH、濁度等環(huán)境信息。采樣站點位置見圖1，其中外海站點4個(WH1、WH2、WH3、WH4)；灘涂站點6個(TT1、TT2、TT3、TT4、TT5、TT6)；河口站點3個(HD1、HD2、HD4)。

1.2 方法

硅藻鑒定 稱取約1 g烘干樣品放入燒杯, 加入10%的稀鹽酸攪拌均勻，待充分反應(yīng)后加入30%的雙氧水去除有機質(zhì)，待完全反應(yīng)并出現(xiàn)明顯分層后，加入去離子水靜置約10 h，抽去上層清液, 重復(fù)洗酸3次；將樣品倒入比色管中，加入明膠溶液和去離子水定容搖勻，轉(zhuǎn)移至固定好蓋玻片的培養(yǎng)皿中靜置24 h后引流；將處理好的蓋玻片用Naphrax膠(dn=1.73)固定于載玻片上。在徠卡光學(xué)顯微鏡下進行鑒定，放大倍率為1 000×油鏡，隨機逐行統(tǒng)計硅藻屬種與數(shù)量，對于不完整的硅藻，若是超過一半則視為整體處理。參考Krammer等[9–12]和金德祥等[13]的方法進行硅藻鑒定，大部分硅藻鑒定到種，少數(shù)不確定的鑒定到屬。

圖1 敖江口采樣站點分布

粒度分析 稱取烘干樣品0.2 g置于干凈燒杯中，先加入10 mL 10%的雙氧水溶液去除有機質(zhì)，然后加入10 mL 10%的HCl溶液去除碳酸鹽；水浴加熱2 h后，燒杯中加滿去離子水靜置12 h。待樣品顆粒盡量分散后抽取上層清液，加入2滴1 mol/L的六偏磷酸鈉[(NaPO3)6]溶液，放入超聲波儀中震蕩分散15 min后在Beckman Coulter LS13320型激光粒度儀上進行粒度測試，使用自帶軟件LS13320對數(shù)據(jù)進行處理分析。依照?？?洛克三角分級和命名法分為3個粒度，即粘土(<4m)、粉砂(4～63m)和砂(>63m)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

硅藻豐度計算 絕對豐度=/，式中，為絕對豐度(cell/g)，為硅藻總個數(shù)(cell)，為樣品干質(zhì)量(g)。在實際操作中，參照梁鈺瑩等[14]的方法，上式可轉(zhuǎn)化為=(×)/(×)，式中，為顯微鏡視野內(nèi)硅藻個數(shù)(cell)，為顯微鏡視野面積(cm2),為培養(yǎng)皿面積(cm2)。硅藻豐度的空間分布特征采用Surfer軟件分析。

聚類分析 聚類分析是一種生態(tài)學(xué)研究的常用方法。以樣點間的相似性為依據(jù)劃分為不同的組，從而找出樣點間的共性與規(guī)律。根據(jù)樣點特征，當樣點本身具有空間或時間的連續(xù)屬性時，應(yīng)當采用順序聚類的方式；反之當樣點本身不具有空間或時間連續(xù)性時，應(yīng)當采用無序聚類的方式。本文采用Tilia軟件的無序聚類方式。

相關(guān)性分析 硅藻分布不僅受生境的影響,還受到外在因素的制約，如局地海流、水體營養(yǎng)化等。而通過相關(guān)性分析，如典型對應(yīng)分析(canonical correspondence analysis, CCA)，可以將硅藻屬種與環(huán)境變量的相互關(guān)系通過二維圖的形式來表現(xiàn)出來，從而得出硅藻屬種與各環(huán)境變量間的關(guān)系[15]。CCA分析是一種有效的直接梯度分析法，將環(huán)境變量、物種數(shù)據(jù)和站點同時顯示在一個低維空間中,可以非常直觀地展現(xiàn)出環(huán)境變量與物種之間的關(guān)系特征。CCA分析的假設(shè)前提是物種與環(huán)境的關(guān)系呈現(xiàn)非線性的單峰響應(yīng)特點。因此，在進行CCA分析之前，應(yīng)當首先進行去趨勢分析(detrended corre- spondence analysis, DCA)，得到物種數(shù)據(jù)的梯度長度, 當梯度長度>4時，表明物種數(shù)據(jù)具有單峰分布的特點，適用于CCA分析；若梯度長度<3時物種數(shù)據(jù)更適用于冗余分析(redundancy analysis, RDA)等線性模型。本文采用CANOCO軟件進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 環(huán)境變量特征

從表1可知，研究區(qū)域內(nèi)表層海水溫度存在一定的波動，為26.00℃～28.07℃，最高值出現(xiàn)在TT1站點，最低值出現(xiàn)在WH1站點。鹽度的變化很大(4.50‰～26.90‰)，主要是由于敖江徑流輸入的影響，從而導(dǎo)致河口區(qū)的鹽度明顯低于外海和灘涂區(qū)。沉積物粒度存在顯著差異，河口區(qū)與外海區(qū)的沉積物多為粘土質(zhì)粉砂，而灘涂區(qū)的沉積物多為砂。研究區(qū)pH變化不大(7.86～8.26)，溶解氧含量為5.86～7.47 mg/L，濁度為30.0～237.0 NTU，濁度的高值分別出現(xiàn)在HD1、HD2、HD4和TT6站點。

2.2 主要硅藻屬種

從沉積物中共鑒定出硅藻114種，分屬39屬，其中河口區(qū)站點的硅藻屬種最多，平均54種；灘涂區(qū)站點最少，平均22種。硅藻屬種最多的是HD4站點，位于河口區(qū)，共鑒定出59種；最少的是TT1站點，位于灘涂區(qū)，共鑒定出13種。

敖江口表層沉積硅藻常見屬為小環(huán)藻屬()、曲殼藻屬()、輻環(huán)藻屬()、圓篩藻屬()和溝鏈藻屬()；主要硅藻有雙面曲殼藻()、優(yōu)美曲殼藻()、諾氏輻環(huán)藻()、簡單雙眉藻()、顆粒溝鏈藻()、條紋小環(huán)藻()、具槽帕拉藻()、流水雙菱藻()、菱形海線藻()和卵形摺盤藻()。

表1 研究區(qū)站點的環(huán)境因子

2.3 硅藻豐度特征

將敖江口各站點的硅藻豐度導(dǎo)入Surfer軟件中，使用克里金插值法進行插值計算，得到敖江口表層硅藻的空間分布情況(圖2)。硅藻在河口區(qū)和外海區(qū)分布相對集中，硅藻豐度由河口向外海呈現(xiàn)先減少后增加的特征。最大硅藻豐度位于HD2站點，最小硅藻豐度位于TT2站點。硅藻在灘涂區(qū)豐度最小，平均豐度為5 136.67 cell/g；在河口區(qū)豐度最大，平均豐度為67 579.35 cell/g。

2.4 硅藻分布特征和聚類分析

采用Tilia軟件進行聚類分析結(jié)果表明(圖3), 條紋小環(huán)藻、具槽直鏈藻、菱形海線藻和卵形摺盤藻在除TT1以外的所有站點均有分布，是研究區(qū)內(nèi)的優(yōu)勢種。根據(jù)聚類分析結(jié)果，可以將敖江口表層沉積硅藻劃分為2個組合帶：I帶有HD1、HD2和HD4共3個站點，顆粒溝鏈藻和雙面曲殼藻在這3個站點含量較高，在其他站點幾乎沒有發(fā)現(xiàn)；雖然優(yōu)美曲殼藻在這3個站點也有發(fā)現(xiàn)，但占比相對較少,其主要在TT1站點有大量分布，因而I帶的主要硅藻組合為顆粒溝鏈藻-雙面曲殼藻。II帶有WH2、WH3、WH4、TT5和TT6共5個站點，流水雙菱藻在這些站點的含量較高，在其他站點較少發(fā)現(xiàn)；條紋小環(huán)藻在這些站點中的含量明顯高于I帶站點，具槽直鏈藻、菱形海線藻和卵形摺盤藻的含量則變化不大，因而II帶主要硅藻組合為流水雙菱藻-條紋小環(huán)藻。

圖2 敖江口硅藻豐度(cell/g)分布插值圖

圖3 敖江口硅藻的聚類分析。A. bia: 雙面曲殼藻; A. del: 優(yōu)美曲殼藻; A. nor: 諾氏輻環(huán)藻; A. exi: 簡單雙眉藻; A. gra: 顆粒溝鏈藻; C. sch: 叔曼小環(huán)藻; C. str: 條紋小環(huán)藻; E. gib: 駝峰窗紋藻; N. cus: 急尖舟形藻; P. sul: 具槽帕拉藻; S. flu: 流水雙菱藻; T. nit: 菱形海線藻; T. coc:卵形摺盤藻。圖5同。

從圖3還可看出，WH1和TT1是特殊站點, WH1站點中諾氏輻環(huán)藻的含量很高，優(yōu)美曲殼藻、顆粒溝鏈藻和叔曼小環(huán)藻()僅有少量，未檢出流水雙菱藻。相比于其他外海區(qū)站點, WH1站點的硅藻分布特征更接近河口區(qū)站點。TT1站點的硅藻分布特征最為特殊，未見優(yōu)勢種(如條紋小環(huán)藻)以及I帶和II帶的主要硅藻(如顆粒溝鏈藻和流水雙菱藻)，其含量最高的是優(yōu)美曲殼藻和簡單雙眉藻，還有少量的駝峰窗紋藻()和急尖舟形藻()。

2.5 相關(guān)性分析

首先對敖江口表層沉積硅藻進行DCA分析, 得到物種的梯度長度為6.006，表明硅藻屬種在坐標軸上具有非線性單峰分布的特點，說明CCA分析更適用于敖江口表層沉積硅藻-環(huán)境變量的相關(guān)性分析。硅藻與環(huán)境變量的CCA分析結(jié)果表明，前兩軸特征值分別為0.837和0.567，可以解釋53.09%的硅藻-環(huán)境變量關(guān)系的變化特征，研究區(qū)硅藻屬種和環(huán)境變量之間具有很高的相關(guān)性。通過膨脹系數(shù)(VIF≥20)以及蒙特卡羅篩選檢驗(999次循環(huán))后，最終篩選出5個環(huán)境變量：表層海水溫度、鹽度、濁度、pH和溶解氧含量。將這5個環(huán)境變量與硅藻屬種再次進行CCA分析，結(jié)果表明前兩軸特征值分別為0.634和0.481，共解釋了70.16%的硅藻-環(huán)境變量關(guān)系變化特征(表2)，比未篩選前有很大提高。此外，表層海水溫度與鹽度的特征值分別占5個環(huán)境變量的39.88%和30.28%，進一步說明表層海水溫度與鹽度是影響敖江口表層沉積硅藻分布的關(guān)鍵環(huán)境變量。

對站點-環(huán)境變量間的關(guān)系進行CCA分析，環(huán)境變量用矢量表示，箭頭指向表示其極值，具有相似的硅藻屬種和環(huán)境變量的站點在圖中位置相近[15], 站點的投影在環(huán)境變量正延長線上表示其與環(huán)境變量呈正相關(guān)性，反之呈負相關(guān)性[16]。從圖4可見, HD1、HD2、HD4和WH1站點與鹽度呈負相關(guān), WH3、WH4、TT5、TT6、WH2和TT1站點與鹽度呈正相關(guān)；HD1、HD2、TT1和WH2站點與表層海水溫度呈正相關(guān)，WH1、WH3、WH4、TT5、TT6和HD4站點與表層海水溫度呈負相關(guān)。從分析結(jié)果可知, 河口區(qū)水體鹽度相對較低，海水溫度相對較高；外海區(qū)海水溫度總體上相對較低，然而南部(WH1站點)和北部(WH2、WH3和WH4站點)的鹽度存在差異，表現(xiàn)為南部比北部低。灘涂區(qū)TT1站點的海水溫度和鹽度較高，而TT5和TT6站點的水體環(huán)境則更接近于外海區(qū)北部的WH3和WH4站點。

表2 硅藻屬種-環(huán)境變量的CCA分析

圖4 敖江口站點與環(huán)境變量的CCA關(guān)系圖。Turb: 濁度; Temp: 表層海水溫度; DO: 溶解氧; Sali: 鹽度。下圖同。

對主要硅藻屬種-環(huán)境變量的關(guān)系進行CCA分析，環(huán)境變量使用矢量表示，針對某一具體的環(huán)境變量，可以將該變量沿矢量反方向延長，從而將其近似地看作這一環(huán)境變量的“數(shù)軸”，硅藻屬種與環(huán)境變量的關(guān)系體現(xiàn)在硅藻投影到環(huán)境變量“數(shù)軸”上的得分情況。從圖5可見，大部分硅藻與鹽度呈正相關(guān)，只有叔曼小環(huán)藻、諾氏輻環(huán)藻、顆粒溝鏈藻和雙面曲殼藻與鹽度呈負相關(guān)。在與表層海水溫度的相關(guān)性上，硅藻屬種的分布比較均衡。

3 結(jié)論和討論

河口與近岸海域是一個復(fù)雜的水體環(huán)境，作為河水、海水和人類活動的交集地，往往會受到三者的共同影響, 因而，河口與近岸海域中的硅藻分布特征往往是溫、鹽、沉積環(huán)境和人類活動等多重因素共同作用的結(jié)果[17]。福建敖江口是典型的潮間帶海域，通過對其表層沉積物中的硅藻進行鑒定，發(fā)現(xiàn)條紋小環(huán)藻、具槽直鏈藻、菱形海線藻和卵形摺盤藻是該海域的優(yōu)勢種(圖3)，其中條紋小環(huán)藻、具槽直鏈藻和菱形海線藻都是我國近岸海域最為常見的廣布種[18–21]，卵形摺盤藻則是福建沿海的常見種[13]。結(jié)合CCA分析表明，由于敖江徑流和外海的共同影響，表層海水溫度和鹽度是影響敖江口表層沉積硅藻自河口向外海分布呈現(xiàn)空間差異的最重要環(huán)境變量。此外，從沉積物粒度、硅藻豐度及硅藻組成來看，河口、灘涂和外海沉積環(huán)境的差異和人類活動因素，也對敖江口的表層沉積硅藻分布存在一定影響。

圖5 敖江口硅藻與環(huán)境變量關(guān)系圖

敖江徑流的輸入使鹽度成為硅藻分布最關(guān)鍵的影響因子。作為受敖江徑流影響最大的區(qū)域，河口區(qū)具有低鹽度、低表層海水溫度的特征，硅藻組合屬于I帶，主要分布有淡水種雙面曲殼藻、顆粒溝鏈藻和優(yōu)美曲殼藻[18,22–25]。此外，河口區(qū)也是敖江口硅藻豐度最高的區(qū)域(圖2)。河口區(qū)的濁度較高，推測可能是人類活動引起的水體富營養(yǎng)化。顆粒溝鏈藻對水體富營養(yǎng)化程度具有指示作用，常在中度營養(yǎng)鹽的水體中占據(jù)優(yōu)勢地位[23]，該種在河口區(qū)較為豐富，指示了河口區(qū)的水體富營養(yǎng)化較為嚴重。

外海區(qū)遠離敖江徑流，受人類活動影響小，總體上海水溫度較低，然而在鹽度上卻存在空間差異，表現(xiàn)為外海區(qū)北部水體鹽度高于南部水體。聚類分析結(jié)果表明，外海區(qū)北部WH2、WH3和WH4站點硅藻組合屬于II帶，優(yōu)勢種為流水雙菱藻，是典型的咸水種[26–27]，表明水體鹽度較高；但外海區(qū)南部水體中流水雙菱藻的含量很低，淡水種優(yōu)美曲殼藻和顆粒溝鏈藻的含量卻相對較高(圖3)，推測這片區(qū)域可能受到了來自敖江南部的閩江淡水影響。此外，諾氏輻環(huán)藻在這片區(qū)域的含量較高(圖3)，其被認為是一種水體富營養(yǎng)化指示種[23]，因而外海區(qū)南部的水體中可能也存在一定的水體污染。

河口區(qū)與外海區(qū)的主要沉積物都是粘土質(zhì)粉砂,而灘涂區(qū)的主要沉積物則是砂(表1)。這種沉積物粒度的空間差異性可能導(dǎo)致灘涂區(qū)硅藻分布特征有別于河口和外海區(qū)。聚類結(jié)果表明TT1站點的優(yōu)美曲殼藻和簡單雙眉藻的含量非常高(圖3)。有研究表明, 優(yōu)美曲殼藻對沉積物粒度具有指示作用[19]。因此，在灘涂區(qū)，沉積物粒度對硅藻分布的影響較為顯著。

綜上所述，通過對福建敖江口表層沉積硅藻的采樣調(diào)查與結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)敖江口表層沉積硅藻在空間分布上具有顯著的差異性，表現(xiàn)為河口區(qū)、外海區(qū)北部、外海區(qū)南部和灘涂區(qū)4個區(qū)域主要硅藻屬種的差異性。相關(guān)性分析表明，表層沉積硅藻的空間分布受到鹽度和海水溫度的顯著影響。此外,研究區(qū)域中沉積物粒度和人為活動因素對表層沉積硅藻的空間分布也具有一定的影響。

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Diatom Distribution in Surface Sediments of Aojiang River Estuary in Fujian, China

ZHANG Jihui1a, ZHOU Chengxu1b, LI Dongling1a, LIN Zhongzhou2, QIU Yue1a, SHA Longbin1a*

(1a. Department of Geography and Spatial Information Techniques; 1b. College of Food and Pharmaceutical Sciences, Ningbo University,Ningbo 315211, Zhejiang, China; 2. Ningbo Institute of Oceanography,Ningbo 315000, Zhejiang, China)

To understand the spatial distribution characteristic of diatoms in Aojiang River estuary area, Fujian, surface sediment samples from 13 sites were collected in July 2019, and the relationship between distribution of diatoms and environmental factors was studied. The results showed that there were 114 species of diatoms belonging to 39 genera identified from sediment samples. The abundance of diatoms from estuarine to offshore was firstly decreased and then increased. Cluster analysis showed that the main diatom species could be divided into fresh water assemblage zone and brackish-brackish water assemblage zone. Surface water temperature and salinity were the main environmental variables that affect the distribution of diatoms by canonical correspondence analysis (CCA). The salinity in the estuary area was relatively low, freshwater diatoms, such as,andwere the dominant species. The salinity of northern offshore area of Aojiang River was high, marine diatomwas dominant. However, the salinity of southern offshore area was low, the abundance of freshwater diatomwas higher than that in northern area. In addition, it is speculated that there may be some water pollution in estuary and the southern offshore area.

Aojiang River; Diatom; Environment; Canonical correspondence analysis; Cluster analysis

10.11926/jtsb.4375

2021-01-08

2021-04-30

國家重點研發(fā)計劃(2018YFD0900702); 國家自然科學(xué)基金項目(41776193, 41876215); 浙江省自然科學(xué)基金項目(Y19D010011)資助

This work was supported by the Project for Key Research & Development of China (Grant No. 2018YFD0900702), the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 41776193, 41876215), and the Project for Natural Science in Zhejiang (Grant No. Y19D010011).

張紀暉(1998～ ), 男, 主要從事海洋環(huán)境研究。E-mail: zhangjihui0@163.com

通信作者 Corresponding author. E-mail: shalongbin@nbu.edu.cn