四十里灣營養狀況與浮游植物生態特征

李 斌，白艷艷，邢紅艷，馬元慶，宋秀凱，張秀珍，孫玉增，劉義豪，秦華偉

(山東省海洋水產研究所山東省海洋生態修復重點實驗室，煙臺 264006)

四十里灣(37°29'—37°35'N，121°25'—121°35'E)位于煙臺市萊山區北部海域，為耳狀半封閉海灣，毗鄰北黃海，面積13000 hm2，平均水深為8—10 m。近年來，煙臺市經濟的快速發展對四十里灣生態系統造成了很大壓力，對海水增養殖業和濱海旅游業造成了巨大損失。四十里灣海水中化學需氧量(COD)呈上升趨勢，5—9月赤潮頻發，這與人類活動加劇、陸源污染物輸入量增加及水文氣象條件適宜等有關［1］。2003—2008年，四十里灣海水中氮、磷、硅營養鹽濃度均增加3倍以上［2］。營養鹽是海洋浮游植物生長繁殖的物質基礎，營養鹽結構及營養水平對浮游植物群落結構與動態具有重要的調控作用［3-5］。水體富營養化是赤潮發生的主要誘因，而陸源污染可能是導致其富營養化的關鍵因素。營養鹽結構與營養狀況研究對弄清四十里灣浮游生物數量、結構變化及赤潮暴發原因具有重要意義，本文研究了近5年來四十里灣氮磷硅營養鹽結構變化，比較了近5年不同季節海水的營養級，并探討了其與浮游植物數量和多樣性的關系，以期為評價四十里灣的營養狀況與生態健康水平提供科學依據。

1 試驗方法與數據分析

1.1 站位布設及樣品采集

在四十里灣布設6個定點測站S1—S6(圖1)，監測時間為2006—2010年5月、8月和10月各一次。樣品采集按《海洋調查規范》(GB/T 12763.6—2007)［6］和《海洋監測規范》(GB 17378.4—2007)［7］進行，取表層水和網樣浮游植物樣品進行分析。

1.2 樣品測定

圖1 四十里灣調查站位圖Fig.1 Survey stations in the Sishili Bay

溶解氧、化學需氧量、氨、硝酸鹽、亞硝酸鹽、無機磷、活性硅酸鹽分別采用碘量法、堿性高錳酸鉀法、鋅-鎘還原法、萘乙二胺分光光度法、次溴酸鹽氧化法、磷鉬藍分光光度法、硅鉬黃法。浮游植物樣品用碘液固定、保存，帶回實驗室內用顯微鏡進行物種鑒定和細胞計數。所有樣品分析均按照《海洋調查規范》(GB/T 12763.6—2007)［6］進行。

1.3 評價分析方法與數據處理

采用郭衛東等［8］的營養級分級模式(表1)對四十里灣富營養化進行評價，采用有機污染綜合指數法及有機污染等級［9］(表2)對四十里灣有機污染狀況進行分析，浮游植物多樣性指數(H')的計算采用Shannon-Wiener公式［10］，采用SPSS 17.0統計軟件進行ANOVA單因素方差分析和 Duncan's多重比較進行顯著性檢驗，差異顯著度為0.05，并進行Pearson相關性分析。

表1 營養級分級標準Table 1 Trophic level grading standard

表2 有機污染分級標準Table 2 Organic pollution level grading standard

2 結果

2.1 營養鹽結構變化

2006年5月N/P值為128.18，顯著高于其他兩個月份(P＜0.05)，而Si/P和Si/N則反之(表3);8月，與5月恰好相反，無機氮為限制因素。2007年，N/P值有增加趨勢，但差異不顯著(P＞0.05);而Si/P和Si/N則反之，5月表現為氮限制。2008年，N/P值普遍高于上年同期，尤其8月和10月較明顯(P＜0.05);而Si/P和Si/N則反之，且營養鹽含量季節變化較大;8月明顯表現為磷限制。2009年5月，N/P高達162.05，為近5年各月份最高值，8月驟減75%(P＜0.05);而Si/P和Si/N均呈明顯上升趨勢。2010年，N/P呈逐漸升高趨勢，而Si/P和Si/N均在8月出現低值，為近5年同期最低值;在5月出現最高值，與近5年同期相比屬較高。

表3 海水中N/P、Si/P和Si/N比值的季節與年際變化Table 3 Seasonal and annual variations of N/P、Si/P and Si/N values in seawater

2.2 營養狀況

從近5年海水營養級的季節變化趨勢可以看出，四十里灣海域受磷限制，磷酸鹽含量水平不高。5月和8月，基本屬于貧營養或磷限制中度營養或磷限制潛在性富營養(表4);10月，海水營養級有所升高，主要表現在磷的限制水平降低:2006和2007年均為磷中等限制潛在性富營養，2008年和2010年均為磷限制潛在性富營養。

表4 海水營養級的季節與年際變化Table 4 Seasonal and annual variations of the trophic grade in seawater

2.3 有機污染狀況

2006年8月，有機污染指數A低于其他兩個月份，10月(A=2.80)最高(表5)，水質為輕度污染;2007年、2008年均呈逐漸增加的趨勢，尤其2007年10月(A=3.43)水質達到中度污染;2009年和2010年，則呈先升高后降低的趨勢，均在8月份出現高值，A值均不超過2.0;尤其2009年，各月份水質均為較好。總體而言，四十里灣有機污染狀況有向好趨勢。

表5 海水有機污染指數A的季節與年際變化Table 5 Seasonal and annual variations of the organic pollution index A in seawater

2.4 浮游植物種類組成與豐度分布特征

2006—2010年，浮游植物數量呈先增加后降低的趨勢。除2008年外，其他年份的浮游植物月均數量均在8月最高(圖2)。2008年最高值出現在10月，并且為5a中各月份最高值，達到51.61×104個/L，且各站位間差別顯著(P＜0.01)，整個監測海域優勢種為中肋骨條藻;10月的6號站位最低，為487.2個/L，最高的4號站約高出約140倍;2009年8月，浮游植物數量也高達38.61×104個/L，發生明顯赤潮，且3個站位的優勢種均為紅色裸甲藻。2007年10月，月均值最低，為0.02×104個/L。浮游植物數量年均值變化特征與透明度相似，2008年最高，2009年次之，2007年最低;并基本呈現灣東部高于西部的趨勢。8月是赤潮多發期，且近年來甲藻出現頻次有增加趨勢;5月和10月也有赤潮發生。一般，尖刺菱形藻和角毛藻是四十里灣的常見種類。

2.5 多樣性指數

浮游植物多樣性指數年際變化顯示，總體呈先降低后增加的趨勢(圖3)，與其數量變化趨勢相反。2008、2009年，浮游植物多樣性指數低于其他年份，尤其2009年5月、8月分別為近5年來同期最低，而10月為同期最高值，季節變化較大。2010年，浮游植物多樣性指數平均值高于其他年份，且各月份多樣性指數均在3.0左右，季節變化不大。

圖2 浮游植物細胞數量的季節及年際分布特征Fig.2 Seasonal and annual variations of phytoplankton cell numbers

圖3 浮游植物多樣性指數的季節及年際分布特征Fig.3 Seasonal and annual variations of phytoplankton diversity index

2.6 相關性分析

各因子的相關性分析結果顯示，有機污染指數A與IP濃度呈顯著正相關(P＜0.01)，而與DIN相關性不顯著(P＞0.05)(表6)，這說明IP是影響四十里灣有機污染水平的首要因素。A與IP濃度的相關方程是:

浮游植物多樣性指數與其數量相關系數為-0.475，而與Si/P和IP相關系數分別為0.446和0.413，相關性均不顯著(P＞0.05)，浮游植物多樣性受IP和Si/P的影響較大。IP是四十里灣有機污染、營養水平及浮游植物多樣性的主要限制因子。

表6 四十里灣各監測指標間的Pearson相關系數Table 6 Pearson correlation among factors of seawater investigation

3 討論

N/P比值(原子比)是衡量營養鹽結構的主要指標，浮游植物的生長繁殖對無機氮和磷酸鹽的攝取基本以N/P為16的比例(即Redfield比值)進行［11］，因此把這一比值作為研究生態環境中氮或磷缺乏的依據。多種微藻生長所需的適宜N/P為10—20，但不同種類的微藻對氮、磷的需求特征不同［12］。表1顯示，四十里灣僅在2006、2007年個別月份的N/P比低于16，其他年份均超過30，其中，2009年5月高達160以上，說明N相對豐富而P相對缺乏的狀態。有研究表明，2002—2007年間，四十里灣N/P值有增加趨勢［13］;本文結果顯示，近兩年N/P又有所降低趨勢，且四十里灣近岸海域有機污染有所減輕，水質有向好趨勢(表5)。這與煙臺市近年來加強了陸源污染治理，大力實施了海洋生態保護不無關系。

四十里灣海水通常并未達到富營養化水平，但隨著營養鹽含量的升高，赤潮爆發的頻率也在增加，赤潮通常爆發在溫度適宜、營養鹽驟增的條件下，如夏季大雨過后的晴朗天氣［14］。從圖2可知，2008、2009年赤潮發生重于其他年份，浮游植物數量在2008年出現最高值，其次是2009年;而浮游植物多樣性指數呈相反的變化趨勢，2008、2009年低于其他年份。這說明赤潮發生時，赤潮生物過度繁殖，可能抑制了其他浮游植物的生長。

2003年5—9月，四十里灣整個海域處于貧營養狀態［15］。從近5年海水營養級的變化趨勢也可以看出，5月和8月，四十里灣多呈貧營養和中度營養;而10月多為磷限制潛在性富營養(表5)。這可能是由于5—8月份浮游植物快速繁殖消耗大量營養鹽，隨著雨季降水增多，大量的無機氮隨河流排入導致10月出現潛在性富營養;而磷受陸源污染的影響較小。海底表層沉積物中的IP的向上輸送，也是海水中IP補充的一個重要來源［6］。四十里灣無機氮、磷酸鹽與鹽度存呈顯著負相關，說明無機氮、磷酸鹽主要通過地表徑流得到補充;硅酸鹽主要以沉積物釋放，經海水上下混合得到補充［10］。7—8月份煙臺降水增多，大量的無機氮、磷隨河流排入四十里灣。近年來，農業面源污染對水體營養狀況的影響越來越明顯，已成為水體富營養化的最主要原因之一［16］。

以往研究表明，四十里灣春、夏和冬季硅是相對限制因子;秋季氮則成為硅藻的相對限制因子，1997—1998年的N/P值不超過16［17］。而本研究表明，近年來，IP成為了四十里灣的主要限制因子，N/P、Si/P值均顯著升高數十倍，其含量和比值的變化對海灣生態系統結構和功能可能產生重要影響。這與Hao等［2］和劉義豪等［15］的結果一致，磷酸鹽是該海域浮游植物生長的限制因子。另外，磷對浮游植物的固碳強度的影響明顯強于其他環境因素［18］，因此，四十里灣磷酸鹽含量會影響該海域初級生產力和轉移大氣二氧化碳潛力。

四十里灣的浮游植物群落相對比較穩定，類群以廣溫廣鹽種為主，優勢種主要由硅藻組成，其次是甲藻［2］。角毛藻和尖刺菱形藻為近年來四十里灣最常見種類。四十里灣有機污染狀況有向好趨勢，浮游植物多樣性有所增加(圖3)。浮游植物同海洋生態環境有密切的聯系，其生物量的大小是反映海洋初級生產力的重要指標，對于海洋生物資源的開發起著重要的指示作用。海水富營養化不但表現為營養鹽濃度的升高，而且還表現為初級生產力的升高［19］。還有研究表明，秋季，山東半島南部海灣的大型底棲動物多樣性與硝酸鹽呈負相關關系［20］，富營養化可能對整個海灣生態系統都具有一定的負面影響。有關四十里灣海洋浮游植物多樣性及其影響機理研究有待深入，并加強人類活動對近海營養狀況、有機污染及生態健康水平等方面的評估工作，為實現海洋經濟與生態環境可持續發展提供技術保障。

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