洞頭島養殖區浮游植物群落特征研究

樓哲豐 孫 敏 關萬春 張 鵬

(1.溫州醫學院生命科學學院海洋科學系, 溫州 325035; 2.浙江省海洋水產養殖研究所, 溫州 325005)

洞頭位于溫州甌江口外約61 km的洋面上, 是全國12個海島縣之一, 由 103個島嶼和 259座礁石組成, 有“百島縣”之稱。洞頭屬亞熱帶海洋性季風氣候, 常年平均氣溫17.4℃。洞頭列島海域是浙江省重要的海洋水產養殖基地, 受江浙沿岸流和甌江等徑流的影響, 營養物質輸入豐富。近幾年隨著洞頭列島海域周邊地區經濟的快速發展, 工業、農業(含水產養殖)和生活廢水排放量不斷增加,對洞頭列島海域的生態環境造成了一定的影響[1]。

浮游植物作為海洋主要的初級生產者, 通過生物泵將大氣中 CO2沉降到大洋當中, 在全球碳循環過程中起著極其關鍵的作用, 并減緩溫室效應。近岸水體由于受到人類活動的影響較大, 水體中營養鹽濃度較高, 常暴發赤潮。如在2003—2005年, 洞頭島海域共發現了6起赤潮,且赤潮維持的時間越來越長, 規模越來越大。具有毒性的藻類引發的赤潮嚴重影響了該海域的生態環境和水產品質量安全[1]。因此, 本實驗針對人為干預導致水體惡化的洞頭沿岸典型養殖區進行調查, 觀察水體基本參數以及浮游植物群落結構和生物量, 希望通過本項目的研究, 初步掌握洞頭島養殖區水體在6、7、8三個月份浮游植物群落結構的組成和多樣性; 同時在觀察月份交替過程中, 浮游植物群落演替的規律; 并通過與非養殖區水體的對比, 總結出人為干預對浮游植物多樣性和群落結構組成的影響。

目前, 探討浮游植物多樣性和群落結構組成方面的研究, 主要是研究其對水溫、營養鹽濃度、水體鹽度、酸堿度等環境因子的響應[2—4], 而針對洞頭島沿岸水體, 對比養殖區與非養殖區浮游植物生物多樣性隨月份變化的研究則很少見。因此, 本項目研究的目的不僅是為了掌握浮游植物多樣性及其分布情況, 更重要是可以進一步了解營養鹽濃度、環境因子對浮游植物群落組成和多樣性影響的認識。同時, 浙江省已經被國務院批準為海洋經濟發展示范區, 該項目的開展可以進一步深入了解浙江省近岸水體浮游植物群落結構和生物多樣性情況, 有利于掌握近岸水環境的變化, 并提出針對性的改良方案, 為降低因浮游植物引起赤潮而帶來的經濟損失起到至關重要的作用。同時還可以為人類患海洋疾病的程度作出評價, 這將利于浙江省海洋經濟示范區的建設和海洋產業的快速發展。

1 材料與方法

1.1 采樣點的設定

圖1 洞頭島海域采樣點圖Fig.1 Sampling sites in Dongtou Islands Sea Area

洞頭島桐橋村近岸, 設定4個采樣點, 即A、B、C、D四區, 采樣點選擇具有典型特點的區域(圖1)： A為漁排養殖區(受人類活動干預最顯著的區域); B為臨近養殖區;C為海藻養殖區(實驗期間, 6—8月份, 大型海藻已經收獲); D為非養殖區, 與外海相同, 海水交換量較大。

1.2 水樣的采集

分別于2011 年6 月、7 月和8月在以上4 個采樣點進行表層浮游植物樣品的采集。利用1.5 L采水器分別采集距離岸邊大約 40—50 m處表層水(水深小于 10 m),水樣采集依據《海洋生物生態調查技術規程》所列的實驗方法采樣[5]。每個采樣點采集4000 mL水樣, 其中2000 mL加入中性福爾馬林固定, 最終濃度為 4%, 用于浮游植物的分析。

1.3 各項檢測指標及檢測分析方法

帶回實驗室后, 逐步沉淀濃縮至 20 mL, 取出0.1 mL樣品, 利用浮游植物計數框在普通顯微鏡(Olympus CH30RF200, Japan)下觀察、測量細胞大小, 于倒置顯微鏡(Nikon ECLIPSE TS100, Japan)下計數, 并采用具有自動拍照系統(Nikon E4500, Japan)的熒光顯微鏡(Nikon E600W, Japan)拍照, 以便鑒定種類; 另外 2000 mL水樣添加硫酸酸化保存, 用于檢測水體中N、P的濃度。各項營養鹽采用分光光度法測定[6,7], 其中銨鹽(NH4+-N)采用次溴酸鈉氧化法, 硝酸鹽(NO3?-N)采用鋅鎘還原-偶氮比色法, 亞硝酸鹽(NO2?-N)用重氮偶氮比色法, 磷酸鹽(PO43?-P)用磷鉬酸法。溶解無機氮(DIN)濃度為銨鹽、硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度值和。

采用YSI(YSI 556 MPS, USA)在原位測定水體溫度、鹽度、DO、pH。

1.4 數據處理

浮游植物群落的各項生態指數, 如豐富度(D)、優勢度(C)、多樣性(H′)和均勻度(J′)分別采用以下公式計算[5]：

豐富度D=(S?1)/log2(N)

優勢度C=SUM(ni/N)2

多樣性H′= SUM (ni/N)log2(ni/N)

均勻度J′=H′/log2S

式中S為浮游植物的物種數,N為所有物種的個體總數,ni為第i種的個體總數。

用同步觀測到的水溫、鹽度, 以及后期在實驗室內檢測獲得營養鹽濃度等數據, 應用SPSS軟件分析浮游植物細胞豐度與環境因子的相關性。

2 結果

2.1 浮游植物生物量

浮游植物細胞數量, 隨月份更替,各區均呈現由6月至8月逐漸減少的趨勢(圖2)。同一月份內, 養殖區(A和C)細胞密度明顯高于非養殖區(B和D)。

圖2 各采樣點6–8月份浮游植物細胞數曲線圖Fig.2 Month variations of cell abundance of phytoplankton

2.2 浮游植物的種類組成

在洞頭島海域的 3個月份樣品中, 共鑒定浮游植物72 種, 分別隸屬于硅藻門、甲藻門和綠藻門三個門類。硅藻門種類最多, 觀察到51 種; 甲藻門種類次之, 有20種; 綠藻門種類最少, 只有1 種(表1)。隨著月份的更替,7、8月份浮游植物的種類數明顯高于6月份。除8月外,其余兩個月份浮游植物種類數皆為養殖區A最低。

洞頭島海域浮游植物種類名錄(表2)。硅藻以圓篩藻屬(Coscinodiscus)的種類多樣性最高, 觀察到 5種; 海鏈藻屬(Thalassiosira)次之, 有 3種; 舟形藻屬(Navicula)、曲舟藻屬(Pleurosigma)、菱形藻屬(Nitzschia)、海線藻屬(Thalassionema)均為 2種。甲藻中以原甲藻屬(Prorocentrum)的種類多樣性最高, 有 4 種; 角藻屬(Ceratium)次之, 有3種。

2.3 浮游植物的生態指數

在3個調查月份中, 浮游植物物種豐富度、多樣性、均勻度及優勢度的月份變化都較明顯(表3)。不同月份之間豐富度的變化為： 調查期間, A區的豐富度(除 8月份)明顯低于其他三區, 各區浮游植物多樣性和均勻度從 6月份至8月份都逐漸增大。同一月份中4個采樣點之間沒有明顯的規律。優勢度隨著月份的更替, 從6月至8月, 4

個區都呈現遞減趨勢。同一月份內, 養殖區與非養殖區物種優勢度、多樣性或均勻度都不呈明顯的規律。

表1 浮游植物的種類組成Tab.1 Composition of phytoplankton in different investigation months

表2 浮游植物種類名錄Tab.2 List of phytoplankton species

續表2

2.4 浮游植物的優勢種群

各采樣點浮游植物優勢種類的月份變化明顯(表4)。6月份時, 4個采樣點的優勢種群均為東海原甲藻(P.donghaiense), 且東海原甲藻的優勢程度顯著, 所占的細胞比例均在80%以上, 易形成東海原甲藻赤潮。在7月份,各區優勢種群均為菱形海線藻(T.nitzschioides), 8月份,各區優勢種群均中肋骨條藻(S.costatum), 且表現出優勢種類多樣性, 優勢種類在浮游植物總細胞數中所占有比例都在20%以下。從優勢種的角度分析, 養殖區與非養殖區沒有差異。

2.5 浮游植物與環境因子的關系

在同一采樣點內, 除pH外, 其他各項水質參數在不同月份內的波動顯著; 而在同一月份內, 營養鹽濃度在養殖區與非養殖區波動范圍較大, 而水質環境參數波動范圍較小 (表5)。6—8月, A、B、C、D各區磷酸鹽濃度呈現逐漸升高趨勢, 而各區 DIN則為 7月份最低。在月份更替過程中, 非養殖區(D區)DIN濃度和磷酸鹽濃度均小于養殖區(A區)(表 5)。水體溫度隨著月份的更替逐漸升高, 由 6月的 20℃升高為 8月份的 29℃; 同一月份中各區水溫差異不大; 鹽度和溶解氧沒有明顯變化規律。利用SPSS 軟件進行相關性分析, 顯示N/P比值與多樣性指數沒有明顯的相關性(R2<0.6)。

表3 不同月份浮游植物群落的生態指數Tab.3 Community indexes of phytoplankton in different months

表4 各采樣點優勢種類的細胞豐度及其占有比例Tab.4 List of dominant species and their cell densities, percentage in every sampling sites

表5 各項常規水質參數的月份變化Tab.5 Month variations and average values of chemical parameters

3 討論

在水體浮游植物群落結構調查過程中發現, 浮游植物群落優勢種從6月份的甲藻向7、8月份的硅藻演變, 這一現象無論在養殖區還是非養殖區都存在, 由 6月份絕對優勢種類東海原甲藻(P.donghaiense)轉變為8月份的中肋骨條藻(S.costatum)。這體現了藻細胞在月份交替過程中對環境因子改變的響應。東海原甲藻的最適水溫是19—22℃, 最適鹽度為25‰—31‰[8]; 而中肋骨條藻的適宜水溫是28.2—28.7℃, 適宜鹽度是31.66‰—32.95‰[9]。在本次調查中 6月份的水溫剛好滿足東海原甲藻的最適生長溫度, 而7月份和8月份的水溫升高為26—29℃, 滿足了中肋骨條藻的最適生長溫度。水體中 N/P比值也體現了優勢種的演替特征。有研究表明甲藻(三角棘原甲藻)赤潮暴發期間對磷酸鹽的需求高于氮鹽[9], 本次調查中 6月份東海原甲藻成為優勢種期間, 水體中磷酸鹽濃度因此而降低; 7月份和8月份, 水體中硅藻(菱形海線藻和中肋骨條藻)成為優勢種, 該藻對 N元素需求較高, 導致水體中N元素消耗較快[7,9], 因此, N/P比值高于6月份(表5), 且此時水體中磷酸鹽濃度偏高, 不限制硅藻赤潮暴發。雖然實驗獲得 N/P比值(表 5)遠低于 Redfield值(N∶P=16∶1)[9,10], 這可能跟實驗的測定方法導致P濃度偏高有關, 但是 DIN和 P的絕對濃度是非常高的(表 5),對浮游植物的生長沒有抑制作用, 且實驗中測定的 DIN濃度與姚偉民的研究結果相接近[1], 這是因為調查區域為近岸水體, 受到人為干預、生活污水排放和地表徑流的影響較為嚴重, 所以水體不存在營養鹽限制的情況。因此,不同種類藻細胞的營養鹽利用能力和營養儲存能力的差異對藻類種群的生活策略以及種群在群落中的競爭結局都有重要的影響[11—15]。

通過對比 4個采樣點水體營養鹽濃度可以看出, 同一個月份內, 養殖區(A區)最高, 臨近A區的B區營養鹽次之, C區營養鹽與D區接近, D區最低(表5)。將養殖區與非養殖區進行對比, 3個調查月份中, 無論哪個月份,魚排養殖區 DIN濃度均高于非養殖區, 磷酸鹽濃度均高于非養殖區(除8月份的小于B區); 浮游植物細胞密度養殖區(A、C兩區平均值)高于非養殖區(B、D兩區平均值)(圖 2), 而浮游植物種類數則是養殖區(A區)低于非養殖區的(D區)(表 1)。導致以上結果出現的可能原因是魚排養殖區受到人為投餌和養殖魚類排泄物的影響, 水體富營養化程度高于非養殖區, 有利于浮游植物大量繁殖生長。同時, 養殖區水體受到魚排網箱的影響, 流速較慢,水體交換量明顯小于受人為干預小、與外海相接的非養殖區(D 區)。所以, 養殖區水質污染較嚴重, 從而導致浮游植物種類數下降(表1)。而作為養殖大型海藻的C區, 則不存在這一現象, 且 C區的營養濃度以及各種生態指數與非養殖區B和D較接近。這是因為大型海藻只在冬春兩季養殖, 在實驗階段(6—8月份), 大型海藻已經收獲,由于之前大型海藻對水體中營養鹽的吸收和利用, 降低了C區營養鹽濃度。通過以上數據可以證實, 在環境治理工作中, 選用種植大型海藻或高等植物, 吸收營養鹽, 達到凈化水體, 修復環境的目的是有可能實現的。在養殖方面采用大型海藻養殖以及魚類網箱養殖交互混養的模式,可改善水體環境, 降低富營養化程度, 同時凈化養殖水體, 改善水質, 提高養殖動物的品質。而大型海藻可以利用水產養殖帶來的過多營養鹽, 加快生長, 提高產量, 增加經濟效益。

4 結論

(1)本次調查可以得出, 隨著月份的交替、環境因子的變化(如營養鹽、溫度), 養殖區和非養殖區水體的優勢種群都隨之發生相同的演替, 由東海原甲藻演變為中肋骨條藻, 多樣性和均勻度呈現升高趨勢, 而優勢度呈下降趨勢, 豐富度沒有明顯規律。

(2)與非養殖區(D 區)進行對比, 人類的養殖行為增加了魚類養殖區(A區)水體N、P營養鹽濃度, 3個月平均N和P濃度分別是非養殖區的2.6倍和1.5倍, 且養殖區浮游植物細胞數量(3個月平均為2.1×105cells/L)大于非養殖區的(3個月平均為 1.8×105cells/L), 但前者的種類數(3個月平均為43種)小于后者(3個月平均為50種)。可見, 魚類養殖對水體存在負面效應： 增加了富營養化程度, 降低了水體浮游植物種類數。

(3)海藻養殖區(C區)浮游植物物種多樣性及生物量沒有受到養殖行為的顯著影響, 結果與非養殖區(D區)相近。因此, 海藻養殖區可以有效地降低水體營養鹽濃度,達到凈化水體的目的。

致謝：

感謝方留郁、林立本、劉葉文、許凱倫等同學在水樣采集和樣品分析方面的幫助。

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