天津市近岸海域秋季浮游動物群落結構與環境因子相關性

師艷麗，張依章1,*，閆禎，常寶健，張勝，陳振宇，平令文，曹英杰

1.中國環境科學研究院

2.天津市濱海新區環境創新研究院

3.中山大學環境科學與工程學院

浮游動物廣泛存在于湖泊、河流和海洋等生境中[1]，參與生態系統物質和能量的流通，是水生態系統循環中的重要因素[2]。浮游動物對環境變化和人為活動影響極為敏感，其群落結構多樣性隨水溫、pH、營養鹽等水環境因子變化而呈現差異性[3]，這種群落結構差異性常被用來客觀地指示和評估水生態環境質量[4]。除水體理化指標外，浮游植物和魚類等生物量也是影響浮游動物群落結構多樣性的重要因素[5]。葉文建等[6]研究表明，溫度、鹽度(Salt)、葉綠素a（Chla）和營養鹽濃度是導致舟山海域大中型浮游動物群落結構時空變化的主要因素；陳業等[7]研究表明，水位、水溫、總磷和總氮濃度等是影響洪澤湖浮游動物時空分布的主要因素。浮游動物作為魚類生長重要的餌料，魚類捕食也是影響其群落變化的重要因素[8]。此外，水生植物類型[9]、植被覆蓋度[10]等也會對其群落結構產生影響。

天津市近岸海域處于渤海灣灣底，海域管轄面積約3 000 km2，屬于半封閉內海，為渤海灣與河口的交界處，是天津市重要的漁業水域[11-12]。隨著經濟快速發展，化工生產、港口建設與運輸、圍填海和水產養殖等活動日益增多[13]，使該近岸海域生態環境遭到破壞，浮游動物種類組成及數量等發生變化。關于天津市近岸海域浮游動物的相關調查與研究時間較早，如高文勝等[14]基于2004—2009 年監測數據，對渤海灣近岸海域浮游動物多樣性進行分析；王宇等[15]于2012 年春季對渤海灣天津市海域浮游動物群落結構及其與環境因子的關系進行了調查研究。近幾年來，針對天津市近岸海域浮游動物的研究鮮有報道，對該海域生態環境狀況的評價不夠。筆者基于2020 年9 月對天津市近岸海域浮游動物的調查數據，利用生物多樣性指數評價法分析浮游動物多樣性分布差異，利用冗余分析法（RDA）分析浮游動物多樣性與水環境因子之間的相關性，利用主成分分析法（PCA）分析影響天津市近岸海域浮游動物多樣性分布的主要水環境因子，以期為加強渤海灣天津市近岸海域生態環境管理和保護提供科學參考和基礎數據支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

于2020 年9 月在天津市近岸海域布設16 個采樣點（圖1），進行水質和浮游動物樣品采集。各采樣點水深（d）變化范圍為3.3～12.5 m，平均水深為7.05 m。依據 GB/T 12763.1—2007《海洋調查規范 第1部分：總則》[16]進行樣品采集。浮游動物樣品采用淺水Ⅰ型浮游生物網由底到表層垂直拖網進行采集，采集到的樣品裝入1 000 mL 塑料瓶中，現場加5%福爾馬林溶液固定保存，帶回實驗室利用體視顯微鏡進行鑒定和計數。采用便攜式多參數水質測量儀（SEBAsn3476，德國）現場測定水體pH、溶解氧（DO）濃度、鹽度（Salt）、懸浮物（SS）濃度和Chla 濃度[17]，根據GB 17 378.4—2007《海洋監測規范 第4 部分：海水分析》[18]測定水體氨氮（）、活性磷酸鹽、硝氮（）和石油類濃度及化學需氧量（COD）。

圖1 天津市近岸海域浮游動物采樣點分布Fig.1 Distribution of zooplankton sampling sites in Tianjin coastal marine areas

1.2 數據處理與分析

應用Shannon-Wiener 多樣性指數（H′）[19]、Margalef豐富度指數（D）[20]、Pielou 均勻度指數（J）[21]和Simpson 優勢度指數（C）[22]、生物多樣性閾值（Dy）[17]對天津近岸海域浮游動物多樣性進行分析評價。Dy評價標準如表1 所示。運用Canoco for Windows 4.5 軟件進行浮游動物與水環境因子間的RDA 和PCA 分析，運用ArcGIS 10.5 軟件制作采樣點分布圖。

表1 Dy 分級評價標準Table 1 Evaluation standard for the biodiversity threshold classification

2 結果與分析

2.1 近岸海域水環境因子特征

天津市近岸海域各采樣點pH 為7.90～8.07，變化幅度較小，水體偏堿性；DO 濃度為7.96～9.43 mg/L，平均值為8.27 mg/L；Salt 為28.9～31.0；SS 濃度 為2.0～7.7 mg/L，平均值 為5.0 mg/L；COD 為0.74～1.16 mg/L，平均值為0.97 mg/L；濃度為0.02～0.39 mg/L；濃度為0.11～0.44 mg/L；Chla 濃度為1.28～3.54 μg/L，平均值為2.35 μg/L。各采樣點pH、DO、Salt、SS、COD、、Chla 和指標均達到GB 3097—1997《海水水質標準》第一類水質標準。活性磷酸鹽濃度為0.010～0.024 mg/L，平均值為0.020 mg/L，其中12.5%采樣點的濃度達到第三類水質標準；石油類濃度為0.01～0.06 mg/L，平均值為0.13 mg/L，其中37.5%和18.75%采樣點的濃度分別達第四類和劣四類水質標準。

2.2 浮游動物群落結構多樣性

2.2.1 物種組成

本次監測到浮游動物共計5 大類群18 種（表2），主要類群為浮游幼蟲、毛顎類、有尾類、橈足類和原生動物。其中，橈足類為主要類群，有9 種，占浮游動物類群總量的50%；其次是浮游幼蟲，有6 種；毛顎類、有尾類和原生動物均調查到1 種，分別為強壯箭蟲（Sagitta crassa）、異體住囊蟲（Oikopleura dioica）和夜光蟲（Noctiluca scientillans）；物種數量占比較多的有橈足類幼體（Copepodite larva）、近緣大眼劍水蚤（Corycaeus affinis）、橈足類無節幼蟲〔Nauplius larva（Copepoda）〕、小擬哲水蚤（Paracalanus parvus）和夜光蟲（Noctiluca scientillans）等。

表2 天津市近岸海域浮游動物物種名錄Table 2 List of zooplankton species in Tianjin coastal marine areas

2.2.2 物種多樣性

16 個采樣點中，浮游動物物種數最多的為9 號和13 號采樣點（表3），均有10 種，8 號采樣點物種數最少，僅為1 種；各采樣點D平均值為1.37，其中9 號采樣點最高（2.30）；各采樣點H'平均值為1.31，其中13 號采樣點最高（2.02）；各采樣點J平均值為0.71，其中7 號采樣點最高（0.94）；各采樣點C平均值為0.36，其中8 號采樣點最高（1.00），13 號采樣點最低，僅為0.13；各采樣點總生物量平均值為850 mg/m3，其中14 號采樣點最高（1 611 mg/m3），1 號采樣點最低（256 mg/m3）。75%的采樣點Dy屬于Ⅱ級，生物多樣性一般；12.5%的采樣點Dy屬于Ⅰ級，生物多樣性較差；只有13 號采樣點Dy為1.78，屬于Ⅲ級，生物多樣性較好；8 號采樣點檢測到1 種浮游動物，無法計算閾值。本次調查發現不同采樣點的生物多樣性指數表現出差異性，可能與采樣點水體中SS 濃度、氨氮濃度、pH 等水環境因子有關。

表3 天津市近岸海域各采樣點浮游動物多樣性Table 3 Diversity of zooplankton at monitoring sites in Tianjin coastal marine areas

2.3 相關性分析

除趨勢 對應分 析（detrended correspondence analysis，DCA）排序結果表明，前4 個軸最大值均小于3，因此選擇RDA 探討浮游動物多樣性與水環境因子之間的關系，結果如圖2 所示。由圖2 可知，pH、SS、、活性磷酸鹽、DO、COD、Salt、Chla、、d和石油類10 個水環境因子與H'、D、J、C和總生物量5 個生物多樣性指數之間前2 個排序軸的相關性分別為0.599 和0.809，前2 個排序軸累積解釋量達到97.8%，該分析結果可準確反映浮游動物群落多樣性與水環境因子之間關系。SS 與總生物量、D、J、H'之間均呈負相關；活性磷酸鹽與J、H'呈正相關，與其他生物多樣性指數均呈負相關；pH、Salt 與C呈負相關，與其他生物多樣性指數呈正相關；Chla、與C、J呈正相關，與其他生物多樣性指數呈負相關；DO 與C和總生物量呈負相關，與其他生物多樣性指數呈正相關；石油類與C呈負相關，與其他生物多樣性指數呈正相關，d與C之間呈負相關，與其他生物多樣性指數呈正相關。此外，活性磷酸鹽、Chla、COD 與等水環境理化指標之間呈現不同程度的正負相關性。

圖2 天津市近岸海域浮游動物多樣性與環境因子RDA 分析Fig.2 RDA of zooplankton diversity and environmental factors in Tianjin coastal marine areas

2.4 主成分分析

PCA 排序圖中，環境因子箭頭越長，表示該項環境因子載荷越大[23]，對環境影響越大。天津市近岸海域水環境因子PCA 分析結果如圖3 所示。天津近岸海域水環境因子主成分排序PC1 和PC2 兩個排序軸累積解釋量達到88.1%，說明分析結果可準確反映該區域主要的水環境影響因子。由圖3 可知，天津市近岸海域影響浮游動物物種分布的主要影響因子為d、SS、活性磷酸鹽、Chla 和，其次為pH 和Salt，而COD 和DO 影響較小。環境影響因子相似或差異較小的可聚為一類[24]，表明不同污染物具有同源性特征[25]。圖3 中采樣點較為分散，表明天津市近岸海域各采樣點對應的環境影響因子不同，各采樣點水體主要污染物來源差異較大。本次監測的水環境指標中，SS、活性磷酸鹽、Chla 和是影響水環境質量的主要因子，此外季風、洋流等其他因素也可能對水環境質量產生影響。

圖3 天津市近岸海域水環境因子PCA 分析Fig.3 PCA of water environment factors in Tianjin coastal marine areas

3 討論

3.1 水環境理化指標與浮游動物多樣性特征

對于天津市近岸海域水環境質量狀況與浮游動物多樣性分布特征的調查研究較少，地域特征揭示依然不夠。本次監測的水體理化指標評價結果表明，調查范圍內水質狀況良好，部分點位存在石油類超標風險，石油類濃度達到第四類和劣四類水質標準。16 個采樣點浮游動物多樣性指數D、H'、J、C和總生物量表現出不同程度的差異性，其中J基本高于0.6，最高值接近于1，表明研究區域內浮游動物均勻度較高；H'平均值為1.31，最大值達到2.02，表明研究區域內浮游動物群落結構處于比較復雜、穩定的狀態。研究區75%的采樣點生物多樣性閾值屬于Ⅱ級，生物多樣性一般。

天津市近岸海域浮游動物多樣性監測結果表明，橈足類為主要類群，占浮游動物類群總量的50%。橈足類是淡水及海洋生態系統中重要的浮游動物之一，隸屬節肢動物門甲殼綱橈足亞綱，屬于小型甲殼動物[26]。高文勝等[14]基于2004—2009 年渤海灣近岸海域浮游動物監測數據，共鑒定出浮游動物9 大類48 種，其中橈足類占總種類數的33.33%，浮游幼蟲占總種類數的43.75%，且研究表明2005—2007 年浮游動物多樣性指數呈下降趨勢，2008 年后多樣性指數有所提升，夏季物種多樣性高于春季。王宇等[15]于2012 年春季在渤海灣天津近岸海域設12 個監測點，調查到浮游動物有28 種，其中橈足類物種數最多，分析表明Salt、溫度、透明度和水深對浮游動物分布具有重要影響。本次調查所監測到的浮游動物種類有18 種，與歷史研究結果相比發現，天津市近岸海域浮游動物種類數有所下降，這可能與采樣點位設置、采樣季節及環境變化等有關，但橈足類均是近年來監測到的主要類群。龐碧劍等[27]調查表明北部灣近岸海域橈足類是種類數最多的終生性浮游動物，橈足類浮游動物廣泛分布于近岸海域中，是海域生態系統中不可缺少的重要組成部分。

3.2 浮游動物與環境因子的關系

近岸海域浮游動物群落結構多樣性受氣候條件、環境因子和人類活動等影響表現出差異性[28-29]，其中環境因子包括自然環境、水體理化性質、棲息地和生境質量等因子[30]。天津市近岸海域浮游動物多樣性與水環境因子之間呈現不同程度的相關性，影響浮游動物分布的主要水環境因子為SS、Chla、和活性磷酸鹽。

SS 濃度對浮游動物生長有一定的影響，研究發現隨著SS 濃度增加，浮游動物死亡率增加，水體中SS 濃度過高會對浮游動物生長產生抑制作用[31-32]，本研究SS 與浮游動物多樣性指數之間呈負相關，說明SS 對天津市近岸海域浮游動物多樣性產生了抑制作用。Chla 是衡量水生植物的重要指標，通過直接或間接作用對浮游動物生長產生抑制或促進作用，水體中氮、磷營養鹽濃度對浮游動物多樣性分布產生重要影響[33]，本研究Chla 與總生物量之間呈負相關，、活性磷酸鹽與浮游動物生物多樣性指數呈負相關，表明Chla、和活性磷酸鹽對浮游動物生物量產生抑制作用，竇勇等[34]的研究也表明氮鹽對浮游動物存活可能存在一定的抑制作用。此外，已有研究表明水溫和Salt 也是影響浮游動物生長和分布的重要因子[35]，高溫條件不適宜小擬哲水蚤生存，雙毛紡錘水蚤更適宜于低鹽環境，水溫、鹽條件差異是影響浮游動物群落結構變化的主要因素[36]。本研究Salt 與H'、D、J、C和總生物量之間呈正相關，由于此次采樣范圍位于渤海灣天津市近岸海域，屬于半封閉海灣，水體交換能力較差，水體Salt 變化范圍為28.9～31.0，適宜浮游動物生長。季節變化也是導致浮游動物群落結構差異性的主要因素，秋季浮游動物豐度顯著高于春季和夏季[37]，Liu 等[38]研究表明，浮游動物豐度和生物量夏季最高，其次為春季和秋季，冬季最低。本研究在秋季對天津市近岸海域浮游動物多樣性展開調查，與已有調查結果相比，浮游動物多樣性群落較低，可能與季節變化存在一定關系。水體酸堿性也是影響浮游動物分布的重要因子，本研究水體pH 為7.90～8.07，偏堿性，橈足類為主要物種，高原等[39]研究結果也表明，橈足類更適宜生活在偏堿性水體中。不同種類浮游動物對COD、石油類等水生態環境影響因子的耐受性也是影響多樣性分布的重要因素[40]。本次監測COD 為0.74～1.16 mg/L，達到第一類海水水質標準，但COD 與浮游動物多樣性指數H'、D、J和總生物量之間呈負相關，表明本次所檢出的18 種浮游動物對有機污染耐受能力較弱；石油類是影響天津市近岸海域水質的主要因子，但其對浮游動物影響較小，石油類與總生物量之間呈顯著正相關，表明浮游動物對石油類有較高的耐受力，也可能是由于長期受近岸海域石油開采等影響，浮游動物對該水域環境的耐受性增強。

4 結論

（1）天津市近岸海域浮游動物多樣性調查共鑒定出5 大類18 種，主要類群為浮游幼蟲、毛顎類和橈足類，優勢種為橈足類幼體、近緣大眼劍水蚤、橈足類無節幼蟲等。活性磷酸鹽和石油類濃度是天津市近岸海域水質污染的主要指標。

（3）橈足類是天津市近岸海域中主要的浮游動物類群，該類群更適宜生活在偏堿性的水體環境中。