夏季強降雨對膠州灣浮游硅藻群落結構的影響

王為民 ,陳洪舉 ,梁生康,劉光興

(1.中國海洋大學 海洋環境與生態教育部重點實驗室,山東 青島 266100;2.中國海洋大學 環境科學與工程學院,山東 青島 266100;3.中國海洋大學 化學化工學院,山東 青島 266100)

臺風等極端天氣事件導致的強降雨會為海域帶來大量淡水輸入(濕沉降和徑流流量的增加),這將改變海水的鹽度和營養鹽濃度,使海域初級生產力發生變化,浮游植物數量、空間分布和群落結構發生顯著改變。國外有關降雨對浮游植物影響的研究多有報道,如 Willey[1]在北卡羅來納海域、Paerl[2-4]在帕姆利科灣和北卡羅來納州海域進行的研究表明,降雨導致海水中營養鹽濃度升高和鹽度下降,減小營養鹽對浮游植物生長的限制,使海域初級生產力和浮游植物數量升高。另外降雨不僅對浮游植物產生影響,還可能影響到其他海洋生物(如魚類),進而對海洋生態系統產生影響[5]。

2012年8月2日晚,臺風“達維”登陸青島,這是青島1949年來最強臺風,受其影響,8月2日6時至3日下午2時,青島市降大到暴雨,全市平均降水量69.9 mm。膠南市大部、黃島區北部和膠州市南部降水量較大,在100 mm以上。降雨主要集中在3日凌晨 0時至上午 10時(52.4 mm),占總降水量的75.0%(數據來源于青島市氣象局)。

關于膠州灣浮游植物生態群落的研究長期以來一直受到重視,膠州灣海域近年來環境變化(如富營養化現象加重等)對浮游植物群落結構影響的研究也多有報道[6-7]。但是,有關強降水對膠州灣海域浮游植物影響的研究少見報道。為研究臺風等異常天氣導致的強降水對膠州灣浮游植物群落的影響及其作用機制,我們在暴雨前(2012年7月17日)和暴雨后兩天(2012年8月5日)于膠州灣進行了2次調查,并以浮游硅藻為主要研究對象,分析了強降雨對其豐度、平面分布和群落結構特征的影響。本研究對于掌握強降水對膠州灣生境的影響、了解浮游植物群落對臺風等異常降水事件的響應具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 調查海區和站位設置

分別于 2012年 7月 17日(暴雨前)和 2012年8月5日(暴雨后)在膠州灣進行2次浮游植物調查,研究站位見圖1。

圖1 調查區域和站位Fig.1 Investigation area and sampling stations

1.2 樣品采集、處理方法及數據收集

樣品的采集、保存以及分析均按照《海洋調查規范——海洋生物調查》(GB12763.6-2007)進行。本次調查使用淺水Ⅲ型浮游生物網(網口內徑 37 cm,篩絹網孔徑 0.077 mm)由底至表垂直采集浮游植物樣品,樣品用5 %的福爾馬林海水溶液固定和保存。樣品帶回實驗室濃縮,在顯微鏡下進行種類鑒定和計數。

表層溫度和表層鹽度采用隨船多參數水質儀(Manta,美國 Eureka公司)現場測定,總無機氮(DIN)、硅酸鹽(SiO32--Si)、活性磷酸鹽(PO43--P)和富營養化指數等為同步調查數據。

1.3 分析方法

浮游植物的豐度(abundance)根據拖網時的濾水體積,以每立方米水體中的浮游植物細胞個數(個/m3)表示。

優勢度值計算公式[8]為:Y=

式中,ni為第 i 種浮游植物的豐度,N為浮游植物總豐度,?i為第 i 種浮游植物出現的頻率,優勢度 Y值大于0.02 的種類為優勢種[9]。

采用 Surfer 8.0 軟件繪制站位圖、以及表層鹽度、膠州灣浮游植物總豐度和各優勢種豐度的平面分布等值線圖。

2 結果

2.1 暴雨前后的環境變化

暴雨前后膠州灣海水的表層鹽度、表層溫度和營養鹽變化情況見表1。暴雨前后表層鹽度均由北向南逐漸升高。暴雨后,膠州灣海域表層鹽度下降明顯,其平均值由暴雨前的29.99降至暴雨后的28.25。灣北部和西部海域表層鹽度值下降最為明顯,在灣口區表層鹽度與暴雨前相比下降較不明顯(圖2);氮、硅和磷營養鹽濃度都出現了明顯的上升,其最高值出現在灣東北部海域。

圖2 調查區域表層鹽度的平均分布Fig.2 Surface salinity distribution of the area surveyed

2.2 浮游植物的種類組成

暴雨前,共鑒定浮游硅藻22屬54種,甲藻3屬8種;硅藻以角毛藻屬種類最多(18種);優勢種有浮動彎角藻(Eucampia zoodiacus)、星臍圓篩藻(Coscinodiscus asteromphalus)、擬旋鏈角毛藻(Chaetoceros pseudocurvisetus)和勞氏角毛藻(Chaetoceros lorenzianus)。暴雨后,共鑒定浮游硅藻18屬38種,甲藻5屬9種;硅藻門中仍以角毛藻屬種類最多(9種);優勢種有浮動彎角藻、星臍圓篩藻、大洋角管藻(Cerataulina pelagica)和波狀石絲藻(Lithodesmium undulatum)。暴雨前后膠州灣海域浮游硅藻優勢種平均豐度與優勢度見表2。

表1 降雨前后各站位表層溫度、表層鹽度以及營養鹽的平均值與最大值Tab.1 The average and maximum values of surface temperature,surface salinity and nutrients of the stations surveyed before and after the rainstorm

表2 暴雨前后浮游硅藻優勢種及其優勢度和豐度值Tab.2 The dominant species,and their dominance and abundance before and after the rainstorm

2.3 浮游硅藻豐度的平面分布

暴雨前,調查海域浮游硅藻平均豐度為 2 953.9×104個/m3,豐度最大值出現在灣西部的 10號站(28 980.0×104個/m3),最小值出現在黃島附近的 14號站(175.2×104個/m3),浮游硅藻豐度高值區分布在灣西部海域(圖3a)。暴雨后,調查海域各站浮游硅藻平均豐度為 111.4 ×104個/m3,其豐度值相比暴雨前降低了一個數量級,豐度最大值出現在灣東部港口處的22號站(330.1×104個/m3),最小值出現在灣口的1號站(9.6×104個/m3),相比暴雨前浮游硅藻水平分布較均勻,在東部港口處海域有一較小范圍的豐度高值區(圖3b)。

暴雨前,優勢種的平面分布情況: 浮動彎角藻在各站均有分布,是本次調查豐度最大的優勢種,其豐度最大值23 808.0×104個/m3,出現在灣西部的10站,其水平分布趨勢與硅藻水平分布趨勢相似;星臍圓篩藻豐度值由東北海域向西南方向逐漸減小,灣中部和灣口處海域豐度值較小,最大值 1 039.5×104個/m3,出現在灣東北部的8站;擬旋鏈角毛藻在灣中央海域豐度值較大,北部沿岸海域較小,最大值2 256.0 × 104個/m3,出現在10站;勞氏角毛藻亦在各站均有分布,在灣西部海域豐度值較高,豐度最大值768.0 × 104個/m3,也出現在10站。各優勢種平面分布見圖4。

圖3 暴雨前后浮游硅藻豐度平面分布(× 104 個/m3)Fig.3 Abundance distribution of Diatom before and after the rainstorm (× 104 個/m3)

圖4 暴雨前浮游硅藻優勢種的平面分布 (×104個/m3)Fig.4 Spatial distribution of dominant species before the rainstorm (×104cells/m3)

暴雨后,優勢種的平面分布情況: 浮動彎角藻在灣中部海域豐度值較大,最大值為 313.6×104個/m3,出現在灣東部港口處的22站,在灣北部和灣口海域豐度值較低;星臍圓篩藻水平分布呈現由西北向東南逐漸減小的趨勢,到灣口海域豐度值較小,其豐度最大值77.3×104個/m3,出現在灣西部的10站;波狀石絲藻在灣北部海域豐度值較高,向南逐漸減小,豐度最大值50.4 × 104個/m3,出現在灣北部的9站;大洋角管藻在西部海域豐度值較高,最大值 97.5×104個/m3,出現在10站。各優勢種平面分布見圖5。

3 討論

本研究結果顯示,暴雨后膠州灣浮游硅藻的豐度值出現顯著下降,由暴雨前的2 953.9×104個/m3降到111.4×104個/m3,比暴雨前低了一個數量級;浮游硅藻種類數也出現了下降,由暴雨前的54種降到暴雨后的39種。在以往學者關于臺風等異常天氣導致的強降雨對浮游硅藻影響的研究中,得到的結果大多是在強降雨后浮游硅藻乃至浮游植物豐度值相比降雨前出現升高,學者們對于這種現象也給出了解釋,如Mallin[10]、Miller[11]均指出臺風導致的降雨可以通過增加水體營養鹽濃度使海域初級生產力和浮游硅藻豐度值升高;Paerl[12-13]指出臺風通過物理作用攪動水體使沉積物中營養物質釋放到上層水體中,在不同的季節都會導致浮游硅藻豐度的升高;霍文毅等[14]研究了膠州灣海域降雨后中肋骨條藻赤潮的暴發,指出中肋骨條藻在強降雨后 2天開始暴發性增殖引發赤潮,4天后進入消亡期。但本次調查中,得到了與上述研究不同的結果,浮游硅藻豐度值在強降雨兩天后出現了顯著下降,中肋骨條藻的豐度值雖然出現上升,但并未如霍文毅等[14]的調查中出現暴發性增殖。Willey[1]的研究說明葉綠素a對降雨的響應存在2天的潛伏期;Loftus[15]研究表明,降雨4天后浮游植物豐度值開始顯著升高,到第10天達到最高;這表明,降雨對浮游硅藻的影響可能存在滯后性,浮游植物對降雨的響應可能有一定的周期,降雨并不能立即造成浮游硅藻豐度值的升高。分析認為,臺風過程及強降水造成的劇烈物理沖擊和鹽度的快速下降等因素可能會在短期內造成浮游硅藻豐度值的下降。本研究中,暴雨后的取樣是在降雨后2天進行的,浮游硅藻可能因受物理沖擊和鹽度下降的影響而正處在其豐度值的下降時期。我們推測,在暴雨若干天之后,膠州灣浮游硅藻的豐度值也會出現顯著上升,浮游植物豐度值和種類數也會出現上升,但這還有待下一步更多的觀測資料來支持。

圖5 暴雨后浮游硅藻優勢種的平面分布 (×104個/m3)Fig.5 Spatial distribution of dominant species after the rainstorm (×104cells/m3)

強降雨后膠州灣浮游硅藻的平面分布趨勢也發生了顯著變化。降雨前浮游硅藻豐度的高值區出現在灣西部海域,降雨后浮游硅藻豐度值分布較均勻,但西部海域豐度值下降更為顯著(圖3)。在匯入膠州灣的河流中,灣西部的大沽河的淡水輸入量占膠州灣海域所有河流輸入量的大部分(77%),灣東部河流流量較小,降雨后大量淡水由大沽河輸入到膠州灣內;灣西部的洋河在降雨后淡水輸入量的比例由0.1%升高到 4.0%左右(數據來源于同步調查監測)。另外,據青島市氣象部門的報告,降雨量較大的區域(膠南市大部、黃島區北部和膠州市南部)大多分布在膠州灣西部沿岸。由此可見,降雨后徑流和濕沉降過程給膠州灣西部海域浮游硅藻的沖擊相比東部海域似乎更為劇烈,這可能是導致強降雨后西部海域浮游硅藻豐度值相比東部海域出現更為顯著下降的主要原因。

臺風帶來的強降水導致大量的淡水輸入和入海徑流流量的增大,使近岸海域營養鹽濃度發生變化[12],同時,臺風的物理作用可能使底層營養鹽被交換到真光層,也可能導致海水中營養鹽濃度的上升[12-13,15]。本次調查中,降雨前后N、P和Si營養鹽濃度均大于以往研究中的數據[14],在這種富營養化的條件下,水體中豐富的營養鹽可能并不會成為限制浮游硅藻生長繁殖的因素,所以暴雨前后膠州灣浮游硅藻豐度值與營養鹽相關性較小。降雨后浮游硅藻并未出現因營養鹽濃度上升而導致的豐度值的上升,而其他因素如物理作用和鹽度變化等可能對浮游硅藻影響更大而導致了浮游硅藻豐度值的減小。

浮動彎角藻在暴雨前后都成為優勢度最大的優勢種,其豐度值分別占浮游硅藻豐度值的 72.9%和 61.8%。浮動彎角藻是膠州灣重要赤潮種,常在膠州灣海域形成赤潮[17]。張永山等[17]在膠州灣浮動彎角藻赤潮生消過程的研究中指出,其生長的適溫范圍為23.2～24.6℃,鹽度為30.94～34.61。本次調查中降雨前膠州灣平均溫度和鹽度分別為 24.79℃和29.99,降雨后為26.74℃和28.25,降雨后的溫鹽條件相比降雨前不適合浮動彎角藻的生長和繁殖。降雨前浮動彎角藻主要分布在灣西部海域,而降雨后灣西部海域溫鹽變化相比其他海域更大,其環境條件也更不適于浮動彎角藻的增殖,降雨后灣西部海域浮動彎角藻數量出現顯著下降,這可能是導致降雨后浮動彎角藻乃至浮游植物總豐度值下降的原因之一。

4 小結

臺風“達維”導致的強降雨顯著改變了膠州灣浮游硅藻的種類組成,暴雨后,浮游硅藻的種類數量和豐度值明顯下降。暴雨后浮游硅藻豐度值降低了1個數量級。膠州灣浮游硅藻的分布也在暴雨前后發生了顯著變化,受暴雨影響更大的灣西部海域浮游硅藻豐度下降更明顯。暴雨后優勢種的組成和其豐度值也發生變化。本研究是在暴雨后2天進行的,得到的降雨后浮游硅藻豐度值變化規律與有些研究報道有所不同,可能與觀測時間、浮游植物生長周期等因素有關。作者將繼續相關研究,以獲取更全面的降雨對浮游硅藻及浮游植物影響等方面的認知。

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