楊 悅,王漢極,崔 澤,于 洋,朱浩然,劉憲斌

(天津科技大學(xué) 天津市海洋環(huán)境保護(hù)與修復(fù)技術(shù)工程中心,天津 300457)

引 言

大型底棲動(dòng)物作為海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,對(duì)水體的物質(zhì)循環(huán)、能量交換和信息傳遞具有重要的作用[1]。研究大型底棲動(dòng)物次級(jí)生產(chǎn)力不僅可以了解生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)和能量循環(huán),同時(shí)也對(duì)海洋資源開發(fā)利用和海洋環(huán)境保護(hù)具有重要意義[2]。大型底棲動(dòng)物次級(jí)生產(chǎn)力的研究最早是由國外學(xué)者Boysen和Jensen開始的,他們利用大型底棲生物的生產(chǎn)量,以減員累計(jì)的方法估算了大型底棲動(dòng)物次級(jí)生產(chǎn)力。為了進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)算,而后眾多學(xué)者又創(chuàng)造了P/B系數(shù)法、體長頻率法、最大生物量法等[3-4]。其中,1990年Brey[5]學(xué)者提出的次級(jí)生產(chǎn)力經(jīng)驗(yàn)公式,受到廣大學(xué)者的關(guān)注。2000年國內(nèi)學(xué)者于子山等[6]利用經(jīng)驗(yàn)公式探究了渤海海域大型底棲動(dòng)物次級(jí)生產(chǎn)力。此后,杜永芬等[7]、李少文等[8]、紀(jì)瑩璐等[9]、李軼平等[2]學(xué)者先后對(duì)遼東灣、膠州灣以及潮間帶等區(qū)域大型底棲動(dòng)物次級(jí)生產(chǎn)力進(jìn)行了研究。為了追求更精確的估算結(jié)果,在大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的累計(jì)下經(jīng)驗(yàn)公式逐漸發(fā)展為估算模型,根據(jù)不同海域的生境類型,從而選擇不同的估算方法。因研究區(qū)域?yàn)楸Ｗo(hù)區(qū),水質(zhì)生態(tài)環(huán)境較好,優(yōu)勢種群明顯,所以本文借鑒了Brey學(xué)者的估算模型,按照海域內(nèi)分布較多的不同種群生物分別計(jì)算其次級(jí)生產(chǎn)力,從而估算出研究區(qū)域的次級(jí)生產(chǎn)力。

河北昌黎黃金海岸國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于河北省東北部秦皇島市昌黎縣沿海。海域總面積208.5 km2,其中海域核心區(qū)70.50 km2,緩沖區(qū)138 km2。該保護(hù)區(qū)內(nèi)擁有豐富的海洋生物資源,同時(shí)也是國家二級(jí)保護(hù)動(dòng)物文昌魚的棲息地[10]。保護(hù)區(qū)內(nèi)多條季節(jié)性淡水河流匯入和周邊大量海水養(yǎng)殖基地產(chǎn)生的餌料殘?jiān)?給保護(hù)區(qū)海域生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)峻的威脅。因此,近年來有不少學(xué)者對(duì)該保護(hù)區(qū)海域大型底棲動(dòng)物群落進(jìn)行了調(diào)查,希望通過生物群落變化來探知海域環(huán)境的潛在變化,如韓志杰等[11]、郭興然等[12]、張?jiān)旅鞯萚13]、趙志楠等[14]。但是,關(guān)于昌黎黃金海岸國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)海域大型底棲動(dòng)物次級(jí)生產(chǎn)力的研究卻鮮有報(bào)道,鑒于此,本文利用2018年和2019年春、夏兩季在該保護(hù)區(qū)進(jìn)行的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù),初步探究了大型底棲動(dòng)物次級(jí)生產(chǎn)力及其與環(huán)境因子之間的關(guān)系,旨在從次級(jí)生產(chǎn)力角度探知底棲動(dòng)物群落變化,為該保護(hù)區(qū)管理處精準(zhǔn)施策提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測時(shí)間及方法

于2018年和5月(春季)、8月(夏季),2019年5月(春季)、8月(夏季)對(duì)保護(hù)區(qū)進(jìn)行監(jiān)測。每次監(jiān)測設(shè)置站位14個(gè),其中4-10號(hào)位于保護(hù)區(qū)核心區(qū),其余站位位于保護(hù)區(qū)緩沖區(qū)(圖1)。按照《海洋監(jiān)測規(guī)范(GB 17378.5-2007)》和《海洋監(jiān)測規(guī)范(GB 17378.7-2007)》[15-16],在每個(gè)監(jiān)測站位使用抓斗式采泥器進(jìn)行4次采樣,取樣面積為0.36 m2,并使用0.5 mm孔徑的篩網(wǎng)進(jìn)行沖洗過濾。將采集到的大型底棲動(dòng)物用5%的甲醛溶液固定,帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鑒定、稱重、計(jì)數(shù)。

圖1 昌黎黃金海岸國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)監(jiān)測站位分布圖

1.2 數(shù)據(jù)分析

大型底棲動(dòng)物次級(jí)生產(chǎn)力采用Brey[5, 17]模型經(jīng)驗(yàn)公式:

lgP=a+b1lgB+b2lgW

(1)

式中,P為大型底棲動(dòng)物年均次級(jí)生產(chǎn)力[g (AFDW)/(m2·a)];B為大型底棲動(dòng)物年均去灰干重[g (AFDW)/m2];W為大型底棲動(dòng)物個(gè)體平均去灰干重[g (AFDW)/個(gè)]。按照大型底棲動(dòng)物生物量濕重的9/50轉(zhuǎn)化為去灰干重(ash-free dry weight,AFDW)。大型底棲動(dòng)物不同類群經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)如表1所示。計(jì)算不同類群大型底棲動(dòng)物的年均去灰干重和年均個(gè)體去灰干重,按照不同系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式逐種計(jì)算不同種群年均次級(jí)生產(chǎn)力,所有種群大型底棲動(dòng)物次級(jí)生產(chǎn)力之和即為該監(jiān)測站位年均次級(jí)生產(chǎn)力。

表1 Brey經(jīng)驗(yàn)公式中不同種群大型底棲動(dòng)物系數(shù)值

利用Excel軟件進(jìn)行次級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)處理,利用SPSS 17.0(IBM公司)軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析[8],利用ArcGIS 10.2(ESRI公司)軟件繪制大型底棲動(dòng)物次級(jí)生產(chǎn)力平面分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 大型底棲動(dòng)物物種組成

昌黎黃金海岸自然保護(hù)區(qū)監(jiān)測到的大型底棲動(dòng)物主要由環(huán)節(jié)動(dòng)物、軟體動(dòng)物、節(jié)肢動(dòng)物、脊索動(dòng)物、棘皮動(dòng)物和螠蟲動(dòng)物等組成。2018年共鑒定大型底棲動(dòng)物119種。其中,環(huán)節(jié)動(dòng)物58種,占48.74 %,軟體動(dòng)物32種,占26.89 %,節(jié)肢動(dòng)物19種,占15.97 %。2019年共鑒定到大型底棲動(dòng)物83種。其中,環(huán)節(jié)動(dòng)物33種,占39.76 %,軟體動(dòng)物30種,占36.1 %,節(jié)肢動(dòng)物11種,占13.25 %。

2018年均總生物量為78.96 g/m2,其中,脊索動(dòng)物最多,為22.08 g/m2,環(huán)節(jié)動(dòng)物次之,為17.34 g/m2,螠蟲動(dòng)物最少,為0.42 g/m2;2019年均總生物量為205.22 g/m2,脊索動(dòng)物最多,為78.35 g/m2,軟體動(dòng)物次之,為37.32 g/m2,刺胞動(dòng)物最少,為0.51 g/m2(圖2)。

圖2 大型底棲動(dòng)物年均生物量

2018年均總棲息密度1 514.38 ind./m2,其中環(huán)節(jié)動(dòng)物最多,為590.69 ind./m2,脊索動(dòng)物次之,為542.13 ind./m2,螠蟲動(dòng)物最少,為1.39 ind./m2;2019年均總棲息密度1 444.24 ind./m2,其中脊索動(dòng)物最多1 120.98 ind./m2,環(huán)節(jié)動(dòng)物次之139.70 ind./m2,紐形動(dòng)物最少為5.09 ind./m2(圖3)。

圖3 大型底棲動(dòng)物年均棲息密度

2.2 大型底棲動(dòng)物次級(jí)生產(chǎn)力時(shí)空變化

由表2可知,2018年大型底棲動(dòng)物年平均棲息密3號(hào)站位度最高,為182.88 ind./m2,6號(hào)站位最低,為47.22 ind./m2。年均去灰干重最高為4號(hào)站位3.17 [g(AFDW)/m2],最低為8號(hào)站位0.20 [g(AFDW)/m2]。次級(jí)生產(chǎn)力與年均生物量情況相同,最高為4號(hào)站位2.81 [g(AFDW)/(m2·a)],最低為8號(hào)站位0.32 [g(AFDW)/(m2·a)](圖4)。2019年大型底棲動(dòng)物年平均棲息密度最高出現(xiàn)在12號(hào)站位,為352.77 ind./m2,最低為13號(hào)站位18.06 ind./m2。年均去灰干重14號(hào)站位最高為6.20 [g(AFDW)/m2],最低為13號(hào)站位0.29 [g(AFDW)/m2]。次級(jí)生產(chǎn)力12號(hào)站位最高,為8.28 [g(AFDW)/(m2·a)],13號(hào)站位最低,為0.42 [g(AFDW)/(m2·a)](圖5)。

表2 2018年和2019年昌黎近岸海域各站位大型底棲動(dòng)物次級(jí)生產(chǎn)力與P/B值

圖4 2018年研究區(qū)域次級(jí)生產(chǎn)力空間分布

圖5 2019研究區(qū)域次級(jí)生產(chǎn)力值空間分布

2.3 次級(jí)生產(chǎn)力與環(huán)境因子之間的關(guān)系

將2019年年均次級(jí)生產(chǎn)力、年均棲息密度、年均生物量與水深、水溫等環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果如表3所示。次級(jí)生產(chǎn)力與中值粒徑、年均棲息密度和年均生物量存在顯著正相關(guān)。2018年年均次級(jí)生產(chǎn)力與沉積物中值粒徑和溶解氧存在顯著正相關(guān)。

表3 2019年次級(jí)生產(chǎn)力、年均豐度、年均生物量與環(huán)境因子之間的關(guān)系

3 討論

3.1 大型底棲動(dòng)物次級(jí)生產(chǎn)力

2018年研究區(qū)域大型底棲動(dòng)物年均次級(jí)生產(chǎn)力為1.23 [g(AFDW)/(m2·a)],2019年年均次級(jí)生產(chǎn)力為3.68 [g(AFDW)/(m2·a)],約是2018年的3倍。該變化與年均生物量一致,雖然2018年春季底棲動(dòng)物的棲息密度與2019年相近,但采集到的生物質(zhì)量普遍偏小,處于群落更替的開始階段[18],生物尚處于幼年階段[19],這一點(diǎn)從監(jiān)測到的文昌魚數(shù)量上就可以看出,昌黎黃金海岸自然保護(hù)區(qū)海域是青島文昌魚的棲息地,青島文昌魚作為該海域的顯著優(yōu)勢種,對(duì)于次級(jí)生產(chǎn)力有著巨大的貢獻(xiàn),但2018年青島文昌魚的生物量比2019年約少56 g/m2,這一點(diǎn)與《2018年中國海洋生態(tài)環(huán)境公報(bào)》公布的內(nèi)容相吻合[20]。從空間上來看,除了2018年較2019年次級(jí)生產(chǎn)力整體較低外,各監(jiān)測站位次級(jí)生產(chǎn)力大小分布情況兩年無特別明顯差異。3號(hào)、7號(hào)、12號(hào)、14號(hào)等監(jiān)測站位次級(jí)生產(chǎn)力略高,這主要是上述幾個(gè)站位靠近灤河口[21-22],河流帶來了大量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì),導(dǎo)致浮游植物數(shù)量增加[23],可供底棲動(dòng)物尤其是青島文昌魚食用的藻類增加。同時(shí),以上幾個(gè)站位處于保護(hù)區(qū)核心區(qū)與緩沖區(qū)的邊緣,周圍貝類、蛤類等人工養(yǎng)殖區(qū)同樣帶來了較多的營養(yǎng)物質(zhì)[24],給大型底棲動(dòng)物生長發(fā)育提供了有利的條件。除此之外,根據(jù)各個(gè)采樣站位采集到的生物種類和生物數(shù)量來看,青島文昌魚、豆形短眼蟹、長吻沙蠶等優(yōu)勢種數(shù)量在以上幾個(gè)站位居多也可以驗(yàn)證該現(xiàn)象。根據(jù)2018年和2019年次級(jí)生產(chǎn)力空間分布圖可以看出,研究區(qū)域中靠近灤河口的區(qū)域次級(jí)生產(chǎn)力相對(duì)較高。這主要是因?yàn)榻陙頌春拥妮斏沉繙p少,并不足以補(bǔ)充整個(gè)保護(hù)區(qū),而且該區(qū)域僅受到潮汐,近岸流等作用,搬運(yùn)效果差。文昌魚主要集中在該區(qū)域,而文昌魚又是次級(jí)生產(chǎn)力的主要貢獻(xiàn)者,因而會(huì)出現(xiàn)次級(jí)生產(chǎn)力相比其他區(qū)域較高的現(xiàn)象。

3.2 環(huán)境因子對(duì)次級(jí)生產(chǎn)力的影響

大型底棲動(dòng)物次級(jí)生產(chǎn)力除與棲息密度和生物量關(guān)系密切外,還會(huì)受到各種環(huán)境因子的影響。全秋梅等[3]研究發(fā)現(xiàn)底質(zhì)類型也是影響大型底棲動(dòng)物次級(jí)生產(chǎn)力的重要因素。嚴(yán)娟等[25]發(fā)現(xiàn)海水總氮與次級(jí)生產(chǎn)力有極顯著相關(guān)關(guān)系。本研究分別對(duì)2018年和2019年年均次級(jí)生產(chǎn)力與環(huán)境因子進(jìn)行了相關(guān)性分析,結(jié)果表明,除了大型底棲動(dòng)物棲息密度和生物量外,沉積物中值粒徑和海水溶解氧是影響大型底棲動(dòng)物次級(jí)生產(chǎn)力的重要環(huán)境因子。推測分析可能是由于研究區(qū)域靠近灤河口和大蒲河口,由陸地淡水中的有機(jī)污染物流入到海水中,微生物通過生化作用消耗有機(jī)物導(dǎo)致了海水中的溶解氧降低[26],進(jìn)而影響到了大型底棲動(dòng)物的次級(jí)生產(chǎn)力。張萍等[27]發(fā)現(xiàn)天津近岸海域大型底棲動(dòng)物次級(jí)生產(chǎn)力會(huì)受到水溫和水深的影響。在本研究區(qū)域中各采樣站位水溫與水深相差不多,未表現(xiàn)相關(guān)性。但在采樣過程中發(fā)現(xiàn),砂質(zhì)底質(zhì)文昌魚數(shù)量較多[28],且文昌魚是研究區(qū)域的優(yōu)勢種群,所以特別將文昌魚數(shù)量居多的2、3、4、5、7、12采樣站位進(jìn)行了Pearson相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)次級(jí)生產(chǎn)力與中值粒徑和粉砂均有極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。分析表明,該區(qū)域?yàn)楸Ｗo(hù)區(qū)核心區(qū),極少受到擾動(dòng),且周圍蛤類養(yǎng)殖提供了較多有機(jī)質(zhì)[29],因此,沉積物中值粒徑越小的區(qū)域,有機(jī)質(zhì)含量也相應(yīng)越高,適合大型底棲動(dòng)物的生存,從而提高次級(jí)生產(chǎn)力[30]。

3.3 昌黎環(huán)境海岸保護(hù)區(qū)P/B值及次級(jí)生產(chǎn)力估算

P/B系數(shù)又可以稱為周轉(zhuǎn)率,是指在一定的時(shí)間內(nèi)種群和群落的生產(chǎn)力與平均生物量的比值高低,這一數(shù)值與生物的生命周期有關(guān),可以反映生態(tài)系統(tǒng)的生命周期與新陳代謝的快慢[31]。研究區(qū)2018年P(guān)/B值在0.88 a-1～2.24 a-1之間,P/B值相對(duì)貢獻(xiàn)較高的生物是文昌魚、日本臭海蛹、東方似蟄蟲。2019年P(guān)/B值在1.21 a-1～1.63 a-1之間,P/B值相對(duì)貢獻(xiàn)較高的生物是文昌魚、擬腹羅和日本刺沙蠶。在這兩年中,P/B值相對(duì)較高的站位生物量貢獻(xiàn)度最高的均有文昌魚,這也和文昌魚是該海域的顯著優(yōu)勢種有關(guān)。同時(shí)根據(jù)2018年和2019年的P/B值也可以推測出,該區(qū)域的生物種群更替約為1.5～2年每代。

昌黎黃金海岸國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)海域總面積為208.5 km2,參照本文計(jì)算的2018年和2019年年均次級(jí)生產(chǎn)力為1.23 [g(AF DW)/(m2·a)]和3.68 [g(AFDW)/(m2·a)],估算2018年和2019年整個(gè)保護(hù)區(qū)海域年次級(jí)生產(chǎn)力為1 424.75 t(濕重)和4 262.67 t(濕重)。

3.4 研究的不確定性分析

本研究在底棲生物采樣過程中雖然嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)以及在相關(guān)專家的指導(dǎo)下進(jìn)行,但是仍存在不確定性因素。大型底棲生物樣品采集具有一定的偶然性,時(shí)間以及海洋中潮汐流場的變化都會(huì)影響采樣結(jié)果,因此采樣時(shí)采集了多個(gè)平行樣本以減少不確定性。在次級(jí)生產(chǎn)力的估算中一方面缺少秋季和冬季的數(shù)據(jù)結(jié)果,另一方面缺少長時(shí)間年際變化的數(shù)據(jù),所以在計(jì)算中次級(jí)生產(chǎn)力的估算會(huì)受到不確定性而產(chǎn)生偏差,且難以判斷出長時(shí)間的年際變化趨勢。因此在今后的研究中,應(yīng)注意保證監(jiān)測季節(jié)性的完整和監(jiān)測時(shí)間的連續(xù)性,從而得到更加精準(zhǔn)的次級(jí)生產(chǎn)力估算。

4 結(jié)論

(1)昌黎黃金海岸國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)海域2018年年均次級(jí)生產(chǎn)力為1.23 [g(AFDW)/(m2·a)],2019年年均次級(jí)生產(chǎn)力為3.68 [g(AFDW)/(m2·a)]。估算2018年和2019年整個(gè)保護(hù)區(qū)海域年次級(jí)生產(chǎn)力為1 424.75 t(濕重)和4 262.67 t(濕重)。

(2)Pearson相關(guān)性分析表明,次級(jí)生產(chǎn)力與中值粒徑、年均棲息密度、海水溶解氧和年均生物量存在正相關(guān)。特別是優(yōu)勢種文昌魚等出現(xiàn)較多的站位,次級(jí)生產(chǎn)力與沉積物中值粒徑呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)。

(3)保護(hù)區(qū)內(nèi)大型底棲動(dòng)物相比于其他海區(qū)偏少,應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)該海域生態(tài)環(huán)境保護(hù),減少人為因素的干擾。

致謝：感謝昌黎黃金海岸國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理中心和課題組同學(xué)對(duì)野外樣品采集提供的幫助。