膠州灣表層沉積物甲藻孢囊的分布與環境因素的相關分析

沈萍萍,湯亞楠,李 影,田雨杭,劉夢壇

(1.煙臺大學海洋學院,山東 煙臺 264005;2.西湖大學生物醫學實驗技術中心,浙江 杭州 310024;3. 深圳藍晶微生物科技有限公司, 廣東 深圳 518000;4. 中國科學院南海海洋研究所，中國科學院邊緣海重點實驗室,廣東 廣州 510301;5.中國科學院海洋研究所，膠州灣海洋生態系統國家野外研究站,山東 青島 266071)

甲藻是海洋生態系統中重要的浮游植物類群,其種類和數量僅次于硅藻,也是近岸海域引發赤潮和貝毒素污染的重要微藻[1]。許多甲藻在遭遇不良環境條件時,以休眠體的形式保存在沉積物中,在適宜條件下,又能萌發成營養細胞釋放到水體中,成為赤潮發生的“種源”,赤潮后期孢囊的形成也是赤潮消退的重要原因[2]。海洋中甲藻孢囊的形成和萌發受到海水溫度、鹽度和各種營養元素的影響[3],孢囊在沉積物中的分布還會受到水流、沉降速率以及沉積物粒度大小等的影響[4-5]。因此,沉積物中甲藻孢囊的分布特征能在一定程度上反映出水體中生產力、浮游植物、海水溫度、鹽度等歷史信息,可以較好地反演海域水體環境狀況的變化過程[6-7]。

膠州灣位于山東半島南岸,與黃海相連并伸入內陸,是受人類活動影響劇烈的典型的半封閉海灣,具有豐富的海洋生物、港口和旅游等資源,沿海產業高度密集。近百年來,隨著人類活動的不斷加劇,尤其是不合理開發利用,使得膠州灣海域、灘涂面積及納潮量等顯著減小,海水水質惡化、富營養化加劇、赤潮災害時有發生,海洋生態環境問題日趨嚴重[8]。盡管已有很多學者對膠州灣沉積物生物地球化學指標進行過較全面系統的調查與研究[9],但有關甲藻孢囊的工作卻非常少。我們曾對膠州灣表層沉積物中甲藻孢囊的分布情況進行了初步報道[10],但對其分布特征與環境影響因素的關系尚未深入研究。通過沉積物中甲藻孢囊等指標來研究膠州灣水體和沉積環境的變化過程,對膠州灣的保護與發展具有重要指示意義。因此,本文在前期研究的基礎上,進一步分析了膠州灣表層沉積物甲藻孢囊的分布及群落結構與海灣環境因素之間的關系,為評估人類活動對海灣環境的影響過程與機制提供數據參數。

1 材料和方法

1.1 采樣區及采樣方法

2015年7月11日—12日,在膠州灣設12個站位(S3—S14)(圖1),使用抓斗式采泥器采集表層沉積物后置于冰盒中帶回實驗室,并于4 ℃冰箱中保存用于后續分析。

1.2 環境指標的測定與分析

1.2.1 海水溫度、鹽度和水深 2015年7月(夏季)在12個站位(S3—S14)用YSI(YSI 6600, Yellow Springs, OH, USA)現場測定水深、海水溫度和鹽度;2014年8月(夏季)和2015年2月(冬季)的海水溫度和鹽度數據由膠州灣海洋生態系統國家野外研究站提供。已有研究發現年際水文變化會對孢囊的分布產生很大影響,其影響因素分析可利用冬季以及夏季環境數據[6,11]。因此,本文即利用了膠州灣海域連續兩年的夏季和冬季的溫度和鹽度進行相關分析。

1.2.2 沉積物粒度分析 取5 g沉積物樣品,放置于烘箱中70 ℃烘干24 h以上,然后取出1 g干重樣品用蒸餾水浸泡并滴加0.05 N六偏磷酸鈉,在燒杯中靜置24 h后用超聲波振蕩儀振蕩15 min,然后上機測試。

粒度分級1Φ,每個樣品測試3次,測試結果取平均值。測試儀器為英國馬爾文公司Mastersizer 2000G型激光衍射粒度分析儀,測量范圍0.02～2000 μm,相對誤差小于2%。

1.3 甲藻孢囊的分離與鑒定

取適量沉積物樣品分成兩份,其中一份(約10 g)放在 60 ℃烘箱中烘干至恒重,用來測定樣品含水率。另一份(約5g)進行網篩過濾,即超聲波震蕩之后,讓其分別通過 15 μm 和125 μm的不銹鋼網篩,收集兩個網篩之間的部分并轉移至表面皿中,旋轉表面皿使液體渦旋[12],然后用吸管吸取上層浮液至 15 mL離心管中,用過濾海水定容至 10 mL,具體方法可參考文獻[10]。

進行甲藻孢囊分析鑒定時,吸取 1 mL 已經處理好的樣品至浮游生物計數框(Sedgewick-Rafter 1mm2)中,置于徠卡顯微鏡(DM2000)200倍下對孢囊依次進行種類的鑒定、計數和拍照。無法鑒定到種水平的甲藻孢囊,以其所在的屬來表示[2,13]。孢囊密度以每克干重沉積物中的孢囊數表示(個/g)。

1.4 數據分析

甲藻孢囊豐度分布圖用SURFER 11軟件繪制。甲藻孢囊群落結構聚類分析(CLUSTER)和多維度排序(MDS)利用軟件Primer 6.0進行,不同種類對分組的貢獻情況利用相似百分比程序(SIMPER)完成。為了研究甲藻孢囊的豐度與環境因子之間的關系,分別利用SPSS 19.0完成t檢驗和回歸分析、Primer 6.0完成主成分分析(principle component analysis,PCA分析)和Bio-Env (BEST)分析。

2 結 果

2.1 環境因子的分布特征

膠州灣的地形西北淺、東南深,海底地形自北向南傾斜,海水深度介于4.5～24.7 m 之間,平均深度為11.4 m,最淺處位于灣內S4站,為4.5 m,最深處位于灣口處S11站,為24.7 m,從灣內向灣外深度逐漸加深。

膠州灣水溫分布和變化具有明顯的季節特征,夏季水溫為全年最高值,介于25.7～28.1 ℃之間,平均值為26.7 ℃,近岸的溫度較高而灣口及外海溫度較低;冬季水溫最低,介于1.8～4.4 ℃之間,平均值為3.3 ℃,受到黃海水入侵的影響呈現為從灣口向灣內逐漸降低的趨勢(圖2(a)、(b))。

夏季海水鹽度介于28.7～30.0之間,平均值為29.5;冬季鹽度介于30.4～31.0之間,平均值為30.9?？傮w來說,膠州灣鹽度的季節變化不顯著,兩個季節鹽度均呈現由灣外向灣內逐漸降低的趨勢,灣內受徑流輸入的影響,鹽度較低,而灣口附近則受外海水的影響,鹽度較高(圖2(c)、(d))。

圖2 膠州灣溫度和鹽度的分布圖

粒度分析發現,海灣表層沉積物主要以砂、粉砂和黏土3種成分為主,其中粉砂的含量最高,介于41.3%～66.7%之間,平均值為56.1%,海底沉積物大部分為細顆粒的粉砂質淤泥所覆蓋(圖3)。砂百分含量介于3.3%～47.3%之間,平均值為27.0%,其中S3站砂百分含量最高,可能與大沽河的泥沙輸入有關。黏土百分含量的變化范圍為10.8%～22.9%之間,平均值為16.9%,變化范圍小,相對比較穩定。

圖3 膠州灣表層沉積物的粒度分布

2.2 甲藻孢囊的種類組成和豐度

膠州灣12個站位的表層沉積物共鑒定到37種甲藻孢囊和2個未定種,包括自養型20種和異養型17種,優勢種主要為膝溝藻類孢囊(Gonyaulaxspp.)[10]。各站位孢囊總豐度介于96～969 個/g,平均值為401個/g。其中灣口外S13站的孢囊豐度最高,為969個/g;而灣內東部S5站的孢囊豐度最低,僅為96 個/g。孢囊的總體分布特征為灣內各站豐度低,而灣口及灣外站位豐度高(圖4)。

圖4 膠州灣甲藻孢囊總豐度分布(個/g)

Cluster聚類分析(圖5)和nMDS排序(圖6)結果表明在50%的相似度水平上甲藻孢囊群落可以分為4個組(ANOSIM,R=0.91,P<0.01),其中第 Ⅰ 組(灣口及灣外組)包含了大部分站位(S7—S14),主要分布在灣口及灣外,其主要貢獻種類為自養型具刺膝溝藻(Gonyaulaxspinifera)和多邊舌甲藻(Lingulodiniumpolyedra)孢囊;第 Ⅱ 組灣西部組包括兩個站位S3和S6,其主要貢獻種類也為具刺膝溝藻(G.spinifera)和多邊舌甲藻(L.polyedra)孢囊,但豐度大幅降低[10];第 Ⅲ 組為灣北部組(S4站)和第Ⅳ組為灣東部組(S5站)(圖5),這兩組的主要貢獻種類為異養型原多甲藻(Protoperidiniumsp.)和長形原多甲藻(P.oblongum)孢囊。SIMPER相似百分比分析表明造成分組差異的主要貢獻種類分別是:具刺膝溝藻(G.spinifera)、多邊舌甲藻(L.polyedra)、原多甲藻(Protoperidiniumsp.)(SIMPER,50%)。

圖5 膠州灣甲藻孢囊的聚類分析

圖6 膠州灣甲藻孢囊群落的nMDS排序

2.3 甲藻孢囊與環境因子的相關分析

主成分分析(PCA)結果表明,兩個主成分累計貢獻環境因子84.4%的信息,較好地反映了環境因子的分布特征,其中第一、第二主成分(PC1、PC2)分別解釋了環境因子56.0%和28.3%的變異,大部分站位于第一、二軸的右側,表現為冬季高溫、高鹽(夏季和冬季),砂質較多和水深較深等,而粉砂和黏土含量則較少(圖7),且甲藻孢囊也呈與此相一致的分布趨勢。相關分析結果表明甲藻孢囊總豐度與冬季溫度、夏季鹽度及海水深度呈顯著正相關(P<0.01),與夏季溫度呈負相關(P<0.05);而與沉積物粒度相關性不顯著(表1)。 Bio-Env 相關分析表明相關性最高的因子組合為夏季和冬季的鹽度(Spearman等級相關系數:ρ=0.759,P<0.01)。

ST:夏季溫度;WT:冬季溫度;SS:夏季鹽度;WS:冬季鹽度;Sand:砂;Silt:粉砂;Clay:黏土;Depth:深度。

表1 環境因素與孢囊豐度的相關分析

3 討 論

3.1 甲藻孢囊的空間分布特征

膠州灣沉積物中甲藻孢囊的空間分布特征差異顯著,灣內孢囊豐度非常低,而灣口及灣外的孢囊豐度較高。灣口及灣外多個站位的孢囊群落結構非常相似,而灣內可能受不同生產活動的影響,如徑流輸入、工農業排污及貝類養殖活動等,導致灣內甲藻孢囊群落結構差異較大且豐度較低,分別為灣西部組、灣北部組和灣東部組。這一聚類分析結果與范文峰[14]把膠州灣水體中浮游植物群落劃分為灣南與灣外海區、灣中西部海區以及灣東海區三個區的結果基本一致,表明沉積物中甲藻孢囊能夠較好反映水體中浮游植物群落結構特征。

灣口及灣外組站位以自養型甲藻孢囊占優勢,優勢種為膝溝藻屬孢囊且豐度較高[10],說明這些海域水體富營養化程度相對較高,應該主要受到周邊生活污水排放以及養殖污染的影響。此外,從聚類分析結果(圖5)可以看出,灣西部組(S3、S6)與灣口及灣外組站位位于同一個較大的分支上,相似度較高,其孢囊種類組成非常相似,均以具刺膝溝藻和多邊舌甲藻孢囊為主,但豐度卻大幅降低[10];這可能與膠州灣西部的貝類養殖有關,高密度養殖的濾食性貝類對浮游植物的攝食壓力很大,極有可能導致水體中浮游植物和沉積物中孢囊數量大幅降低。如CARLSON等[15]研究發現貝類養殖海域浮游植物生物量受濾食性貝類的控制;董婧等[16]發現小窯灣貝類養殖區水域,隨著貝類攝食強度的增強,浮游植物數量、種類都大量減少。此外其他因素如沉積物擾動、底棲動物的攝食和粘附作用,也可能造成表層沉積物中孢囊分布不均或損失。貝類攝食不僅可以通過影響浮游植物的生物量來影響孢囊的分布情況,同時還可以通過攝食和粘附作用,借助其在沉積物中垂直方向上的運動,將原本在表層沉積物中的孢囊帶入底部沉積物中。環膠州灣貝類養殖種類主要為菲律賓蛤仔和貽貝,其中菲律賓蛤仔屬大型底棲濾食性貝類,其最大分布深度可達11 cm[8],因此推測灣內西北側表層沉積物中孢囊豐度低的原因與貝類的攝食及生物擾動有較大關系。

灣北部和灣東部海區的孢囊豐度也很低,但與灣西部不同的是異養型孢囊所占比例升高,主要以原多甲藻(Protoperidiniumsp.)和長形原多甲藻(P.oblongum)孢囊為主。由于異養型甲藻如原多甲藻等可以攝食硅藻等其他浮游植物[17],因此較高比例的異養型甲藻意味著環境中具有豐富的食物來源,表明灣內海域的初級生產力較高,異養型甲藻孢囊也被認為是富營養化導致的高初級生產力的標志[18-19]。

此外,膠州灣內孢囊豐度低也可能與灣內不同的污染物來源和種類有關,研究發現孢囊豐度對不同污染來源的響應不同,工業污染會平衡富營養化導致的孢囊總豐度的升高,使孢囊總豐度保持穩定或減少[18,20-21]。如黃海四十里灣沉積物中孢囊豐度與重金屬含量呈負相關[7],重金屬Cd會抑制孢囊的形成[20]。膠州灣海域灣內東側(S5)附近海底存在大量工業廢渣,重金屬和多環芳烴等含量高[8-9],推測該海域東部附近沉積物中極低的孢囊豐度可能與較高的工業污染物含量有較大關系。

3.2 甲藻孢囊的形成及分布與環境之間的關系

本次分析發現海水溫度和鹽度與膠州灣沉積物中孢囊豐度顯著相關,表明甲藻孢囊的形成與萌發受溫度和鹽度的影響較大。如有研究發現微小亞歷山大藻多分布在鹽度較低的海域附近[21],我們的結果亦顯示膠州灣海域微小亞歷山大藻孢囊主要分布在灣內,與灣內較低的鹽度一致。同時本研究發現膠州灣孢囊豐度與夏季溫度呈負相關(P<0.05)、而與冬季溫度呈正相關(P<0.01),此結果與日本海灣甲藻孢囊沉降通量從夏季到冬季逐漸增加的研究結果相一致[22],表明不同季節的溫度變化是影響孢囊的形成與萌發的重要原因。孢囊的萌發多發生在溫度上升的春季和夏季,孢囊萌發體進入水體,造成水體中甲藻營養細胞豐度升高,而沉積物中孢囊的豐度則降低[2]。晚秋和冬季水溫急劇下降,這一變化導致孢囊大量形成。因此,一般在秋冬季節孢囊的形成率較高,孢囊豐度相應增加[23]。膠州灣水體浮游植物群落研究中也發現硅藻與甲藻的數量比例呈現出從冬季到夏季由高變低的變化特征,夏季甲藻數量的比例明顯升高[24],說明沉積物中甲藻孢囊萌發進入水體,導致孢囊數量降低,也可以解釋膠州灣沉積物孢囊豐度與夏季溫度呈負相關的原因。

此外,孢囊的形成與分布還會受到諸如營養鹽、海水深度、沉降速率、沉積物粒度大小以及海流等多種因素的影響[3,6,20, 25-26],如沉積物粒度大小和沉積速率能夠影響甲藻孢囊的沉降從而影響孢囊的水平分布[27]。甲藻孢囊的大小介于25～65 μm,常在顆粒大小、沉降性質與之相近的黏土中積累,粘性沉積物中的孢囊總豐度一般高于砂質沉積物,而且孢囊豐度與黏土含量成正比,且常隨水深增加。雖然本研究初步分析結果表明甲藻孢囊的豐度與沉積物粒度各組份的相關性不顯著,但膠州灣內沉積物粒度較細,粉砂和黏土含量高,孢囊豐度不高反而較小,一是可能受到養殖貝類的生物擾動,二是可能與灣內河流輸入和水深等其他影響因素有關。膠州灣內北側河流較多,呈放射狀輻聚匯流與海灣,帶來大量懸浮物質及養殖區的殘餌沉積,加快了沉積物的沉降,高抒等[28]發現膠州灣沉積速率由西北部到灣中部至灣口門外呈逐漸降低的趨勢,灣內的沉積速率大于1 mm/a,而灣南部黃島附近僅為0.25 mm/a。灣內海域較高的沉積速率使得在沉降過程中孢囊數量被稀釋[20，25],因而也使得灣內孢囊密度遠低于灣口附近海域。

另外,水深也可以影響孢囊在沉積物中的沉降,ANDERSON等[26]發現甲藻孢囊主要沉積在海底的低凹處,水位較深更有利于孢囊的休眠[12,29]。膠州灣灣口及灣外站水位較深,孢囊豐度較高,深水區受水體攪動的影響較小,有利于孢囊的沉降,因此水深與孢囊豐度呈顯著正相關,可能是灣口附近孢囊豐度較高的原因之一。例外的是灣口附近的S10站位于黃島區碼頭附近,來往青島的輪渡導致該海域附近水體攪動較大,不利于孢囊的沉降,故此海域孢囊豐度較低。

孢囊還可以通過海流的運動從原本形成的地方轉移另一個地方沉降,從而影響孢囊的水平分布。如赤潮發生的沿岸水域多數位于具有復雜環流模式的動力系統中,因此赤潮消亡時產生的孢囊并不總是沉積在赤潮發生地的沉積物中。膠州灣在潮汐、余環流和風成波浪等的影響下,水動力作用較為復雜,灣內形成了若干規模和強度不同的潮致余環流系統,對沉積物中再懸浮孢囊的遷移和擴散有重要影響[30]。此外,膠州灣灣口附近的孢囊豐度高還可能與黃海海流或船舶攜帶的外來孢囊有關,具體情況還需要進一步深入研究。

4 結 論

膠州灣表層沉積物中甲藻孢囊豐度呈現灣內低、灣口灣外高的顯著空間分布特征,可分為四個不同組,灣口及灣外一組的孢囊豐度較高且群落結構最相似,以自養型甲藻孢囊占優勢,優勢種為膝溝藻屬孢囊;而灣內受不同人類活動的影響,甲藻孢囊豐度較低且群落結構差異較大,分為灣北部組、灣西部組及灣東部組,異養型孢囊所占比例升高,主要以原多甲藻類孢囊為主。這種分布格局與海水的溫度和鹽度有顯著的相關性,表明甲藻孢囊的萌發與形成受到溫度和鹽度的調控;同時,海水越深孢囊豐度越高,表明較深的海域更有利于孢囊的沉降。本研究初步分析結果發現甲藻孢囊分布與沉積物性質相關性不顯著,推測極有可能與灣內養殖貝類的生物擾動、河流輸入及較高含量的工業污染物有關,希望后期能繼續有針對性的研究,對于深入理解海灣沉積物中甲藻孢囊的分布特征及其影響因素具有重要意義。

致謝:國家重點基礎研究發展規劃項目(2015CB452900)團隊成員對我們樣品的采集與處理給予了大力支持與幫助,膠州灣海洋生態系統國家野外研究站提供溫度和鹽度數據共享,在此一并表示感謝。