三亞灣近岸海域浮游植物群落特征及其環境影響因子

趙 茜，王興華，王 蒙，李格樂，王 輝，殷安齊

（1. 海南熱帶海洋學院 熱帶海洋生物資源利用與保護教育部重點實驗室，海南 三亞 572022; 2. 海南熱帶海洋學院 海南省熱帶海洋漁業資源保護與利用重點實驗室，海南 三亞 572022; 3. 海南熱帶海洋學院 海南省近岸海洋生態環境過程與碳匯重點實驗室，海南 三亞 572022; 4. 海南熱帶海洋學院 海南省現代化海洋牧場工程研究中心，海南 三亞 572022; 5. 海南熱帶海洋學院 生態環境學院，海南 三亞 572022; 6. 湛江港（集團）股份有限公司，廣東 湛江 524068; 7. 三亞市農業技術推廣服務中心，海南 三亞 572019）

海洋浮游植物是海洋生態系統的重要組成部分，是物質循環和能量流動的關鍵過程[1-2]。浮游植物群落結構的變化可以及時反映水體環境的變化以及整個水生生態系統的穩定性[3-4]，水環境的變化也會改變浮游植物群落結構的物種組成和豐度。浮游植物與其生活環境密切相關，營養鹽水平、溫度和光照條件對浮游植物群落結構影響很大，其影響水平能夠通過浮游植物的生長和繁殖率表現出來[5-6]。因此，根據浮游植物群落結構多樣性及其時空變化，能夠對水體的營養水平和污染狀態作出判斷，有助于深入了解海洋生態系統的健康狀況。

三亞灣（18°13′～18°17′N；109°22′～109°29′E）是緊挨三亞市區的六大海灣之一，是三亞市重點監測港灣。隨著海南建設自由貿易港、打造國際旅游島等一系列國家戰略決策的實施，三亞市旅游業、加工業及港口航運等發展迅速[7-9]。近年來，由于生活污水和船舶廢水的排放以及海岸工程的建設，三亞灣近岸海域污染日趨嚴重，部分區域出現海水渾濁和海灘變黑的現象[10]。此外，海灣的大量建筑物削弱了該海域的水動力，使得該海域對營養鹽等污染物質的凈化能力降低。目前，三亞灣有關浮游植物的調查已開展多次：2004 年，楊志浩等[11]在三亞灣共鑒定出169 種網采浮游植物；2011 年，車志偉等[12]在春、夏、秋、冬4個季節對三亞灣海域網采浮游植物種類進行研究和分析；2019 年，程賢松等[13]在春、秋兩季對三亞灣的浮游植物及水質進行網采取樣調查；2020 年4 月和2021 年4 月，洪鵬等[14]對三亞灣近岸海域浮游植物進行2 次網采取樣調查。近年來，對三亞灣浮游植物的研究主要是用淺水Ⅲ型浮游生物網（77 μm）的方式進行樣品采集，水采的方式較少。網采樣品中小尺寸浮游植物的遺漏導致該區域浮游植物豐度的結果偏低[15-16]；而水采樣品中小尺寸浮游植物豐度較高，誤差較小，水采對不同尺寸浮游植物統計更全面[16]，更適用于三亞灣近岸海域浮游植物的定量研究。本研究基于2021 年夏冬兩季三亞灣近岸海域水采浮游植物與水環境因子調查，分析浮游植物群落結構特征及其與環境因子之間的關系，以期為三亞灣近岸海域的生態系統保護提供基礎數據和支持。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析 參考《海洋調查規范》[17]，結合三亞灣近岸海域實際情況，在水深小于10 m處設置6 個站位（圖1）。S1位于三亞灣與天涯灣分界處，處于圍填海狀態；S2位于三亞灣派出所附近，人為干擾較少，可作為背景值；S3位于三亞景利萊文旅商業中心附近，人為干擾較多；S4位于海月廣場附近的淺橋下，人為干擾較為嚴重；S5位于三亞港碼頭處，受航運情況、船舶廢水的影響較多；S6位于半山半島帆船港處，處于圍填海狀態。三亞地處熱帶區域，四季劃分不明顯，于2021年6月（夏季）和12 月（冬季）進行采樣。

1.1.1 浮游植物樣品 參考《近岸海域環境監測技術規范》[18]，使用玻璃采水器在表層水深0.5 m處采集水樣，并將水樣立即轉入1 L的采樣瓶，用中性福爾馬林溶液固定樣品至終濃度為1%～2%，帶回實驗室靜置至少48 h后采用虹吸法吸去上清液，濃縮至25 mL，獲得浮游植物定量樣品，在蔡司顯微鏡Axiolab 5下進行種類鑒定和細胞計數。

1.1.2 水環境樣品 用1.5 L采水器采集混合水樣，使用多參數水質測定儀現場測定溫度（T）、鹽度（S）、酸堿度（pH）、溶解氧（DO）；將采集后的水樣裝入溶解氧瓶和采樣瓶中，置于裝有冰袋的泡沫箱中低溫保存。參考《海洋監測規范 第4部分:海水分析》（GB 17 378.4-2007）[19]，將帶回實驗室的水樣進行化學需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、亞硝酸鹽氮（NO2-N）、硝酸鹽氮（NO3-N）和無機磷（DIP）的測定，各指標的分析方法見表1。

表1 水質分析方法

1.2 數據處理

1.2.1 優勢種的確定 根據每個種類的優勢度（Y）[20]確定優勢種。

式中，Ni表示所測樣品中第i種物種的個數，N表示樣品中所有種類的總個數，fi表示第i種在各站點出現的頻率。Y＞0.02的種類為優勢種。

1.2.2 多樣性的分析 采用生物多樣性指數（Shannon-Wiener[21]；Pielou[22]；Margalef[23]）進行多樣性分析。

式中：H′表示Shannon-Wiener多樣性指數，J表示Pielou均勻度指數，d表示Margalef豐富度指數，S表示樣品的總種類數，Pi表示第i種的個數（Ni）與總個數（N）的比值（Ni/N）。

1.2.3 統計分析 運用Excel 2019和Origin 2021進行統計分析和繪圖。采用SPSS 26.0對各項數據進行正態性檢驗，符合正態分布且方差齊性時，采用單因素ANOVA方差分析組間差異性，反之則用Wilcoxon秩和檢驗（兩組之間）和Kruskal-Wallis檢驗（多組之間）分析組間差異性。采用Canoco 5.0對優勢浮游植物種類作去趨勢對應分析（DCA），DCA大于4時，選擇典范對應分析（CCA）來解釋優勢浮游植物和環境因子之間的關系；DCA小于3時，應選擇冗余分析（RDA）；DCA介于3～4之間，兩種分析模型均可[24]。

2 結果與分析

2.1 浮游植物種類組成 本研究共鑒定出浮游植物158 種（含變種、變型，不含未定種），隸屬于6門64 屬。硅藻種類最多，42 屬116 種，占總種類數的73.42%；甲藻17 屬36 種，占總種類數的22.78%。其中，角毛藻屬（Chaetoceros）種類最多，共19 種，占總種類數的12.03%；其次是根管藻屬（Rhizosolenia）和原多甲藻屬（Protoperidinium），均為10 種，各占總種類數的6.33%；其他61 屬的種類數均小于10 種。夏季共發現浮游植物130 種，其中硅藻99 種、甲藻25 種；冬季共發現浮游植物111 種，其中硅藻80 種、甲藻26 種。硅藻與甲藻種類數占比在95%左右，可見該海域浮游植物群落主要由硅藻和甲藻構成。夏季S2站位的浮游植物種類最多，為88 種，S6最少，為36 種；冬季S4站位的浮游植物種類最多，為80 種，S6最少，為21 種（圖2）。

圖2 浮游植物種類組成

2.2 浮游植物細胞豐度 如圖3所示，在夏季和冬季，S4站位浮游植物豐度均最高，分別為39.04×105個·L-1和20.46×105個·L-1；S6站位浮游植物豐度最低，分別為4.33×105個·L-1和0.60×105個·L-1。在季節方面，夏季浮游植物平均豐度（15.07×105個·L-1）顯著高于冬季（7.06×105個·L-1）。

圖3 浮游植物細胞豐度

2.3 浮游植物優勢種 調查海域的浮游植物優勢種季節變化明顯：夏季（表2）優勢種13 種，鏈狀曲殼藻（Achnanthes catenate）為第一優勢種（Y=0.123），細胞豐度為13.28×105個·L-1，占總豐度的14.71%，其豐度最大值出現在S4站位（8.63×105個·L-1），僅在S5站位未發現該藻種。冬季（表3）優勢種10 種，翼根管藻（Rhizosolenia alata）為第一優勢種（Y=0.109），細胞豐度為4.62×105個·L-1，占總豐度的10.89%，其豐度最大值出現在S3站位（1.78×105個·L-1），最小值出現在S6站位（0.003×105個·L-1）。整體來說，三亞灣近岸海域硅藻優勢最為明顯。此外，冬季一些物種的豐度占比雖高于0.02，但因其出現頻率低，未成為優勢種，如鏈狀曲殼藻（A. catenate）和中肋骨條藻（S. costatum）等。

表2 夏季浮游植物優勢種及優勢度

表3 冬季浮游植物優勢種及優勢度

2.4 浮游植物群落結構指數 三亞灣近岸海域浮游植物群落結構指數如圖4所示，Shannon-Wiener多樣性指數的變化范圍為2.08～5.16，均值為4.14，最高值出現在夏季的S2站位，最低值出現在冬季的S6站位，水質多處于無污染-輕污染狀態。Pielou均勻度指數在0.47～0.82之間變化，均值為0.70。均勻度指數最高值出現在夏季的S2站位，最低值出現在冬季的S4站位，水質多處于輕污染-中污染狀態。Margalef豐富度指數變化范圍為1.26～4.45，均值為3.13，最高值為夏季的S2站位，最低值出現在冬季的S6站位，水質多處于中污染狀態。經Wilcoxon秩和檢驗和Kruskal-Wallis檢驗得出，各項浮游植物群落結構指數時空差異性不明顯。

2.5 浮游植物與環境因子相關性分析

2.5.1 環境因子的分布特征 三亞灣近岸海域水環境因子狀況見表4，經Wilcoxon秩和檢驗，除S、COD、BOD5、NO3-N和DIP（P＞0.05）以外，其他環境因子均存在顯著性差異。其中，T（P＜0.01）、pH（P＜0.05）和NH3-N（P＜0.01）的夏季數值顯著高于冬季，DO（P＜0.01）和NO2-N（P＜0.05）的冬季數值顯著高于夏季。水質符合二類海水水質標準。

表4 三亞灣近岸海域水環境因子狀況

2.5.2 冗余分析（RDA） 選取夏季、冬季各站位出現頻率≥20%，且至少取一個站位的相對豐度高于1%的10 種浮游植物進行去趨勢對應分析[25-26]，梯度長度分別為1.7和2.3，均小于3，采用冗余分析對優勢浮游植物豐度與環境因子進行RDA排序（圖5），藻類代碼見表5。

表5 進行RDA排序的浮游植物種類代碼

圖5 夏季（A）和冬季（B）優勢浮游植物豐度與環境因子的RDA排序

利用向前引入法逐步篩選環境因子，經Monte Carlo置換檢驗，結果表明，夏季COD（F=15.2，P=0.002）、DO（F=12.0，P=0.002）、NO3-N（F=9.3，P=0.002）、S（F=6.5，P=0.012）和NO2-N（F=3.5，P=0.028）這5 個環境因子達到顯著水平，是影響夏季優勢浮游植物豐度的主要環境因子；冬季NH3-N（F=8.9，P=0.002）、COD（F=3.5，P=0.002）、S（F=5.1，P=0.002）、NO3-N（F=4.0，P=0.002）和pH（F=2.9，P=0.012）這5個環境因子達到顯著水平，是影響冬季優勢浮游植物豐度的主要環境因子。

圖5表明，夏季優勢浮游植物主要集中在第一、四象限，與環境因子有明顯關系，可以分為3類：第一類包括圓海鏈藻（T. rotula）、柔弱擬菱形藻（P. delicatissima）、丹麥細柱藻（L. danicus）、勞氏角毛藻（C. lorenzianus）、中肋骨條藻（S. costatum），與DO、pH、BOD5呈正相關，與NH3-N、DIP、NO2-N、S和NO3-N呈負相關；第二類是小球藻（C.sp.），與T和COD呈負相關；第三類包括骨條藻（S.sp.）、角毛藻（C.spp.）、鏈狀曲殼藻（A.catenate）和日本星桿藻（A. japonica），與T、COD呈正相關。冬季優勢浮游植物主要集中在第二、三象限，也分為3類：第一類包括角毛藻（C.spp.）、柔弱擬菱形藻（P. delicatissima）、勞氏角毛藻（C.lorenzianus）、丹麥細柱藻（L. danicus）、尖刺擬菱形藻（P. pungens），與T、DO呈正相關，與NO2-N、NO3-N和DIP呈負相關；第二類為小球藻（C.sp.），與COD、BOD5、NH3-N呈正相關，與pH、S呈負相關；第三類包括翼根管藻（R. alata）、暹羅角毛藻（C. siamense）、扁面角毛藻（C. compressus）、并基角毛藻（C. decipiens），與pH、S正相關，與COD、BOD5、NH3-N呈負相關。

結果表明，硅藻門在三亞灣近岸海域浮游植物群落結構中起主要貢獻作用，RDA分析結果表明，S、pH、DO、COD、NO2-N、NO3-N和NH3-N是夏冬兩季浮游植物群落結構的關鍵驅動因子。

3 討 論

3.1 浮游植物群落結構組成 本研究結果表明，三亞灣近岸海域夏冬兩季浮游植物共158 種，兩季皆以硅藻為主，其次為甲藻，兩者共占總種類數的96.20%，其他門類僅占極少數，該海域浮游植物群落結構的生態類型為硅藻-甲藻型，與其他海灣的浮游植物群落結構研究結果一致[27-29]。關于三亞灣海域浮游植物長期變化的研究報道均是使用淺水Ⅲ型浮游生物網進行采集樣品[11-14]，而基于水采方法的浮游植物群落結構比傳統的網采方法更能反映浮游植物的實際情況，因為網采樣品不能將水體中全部粒徑的浮游植物采獲，算是1種半定量的方法。本研究中水采的浮游植物豐度的數量級為105個·L-1，而程賢松[13]、車志偉[12]、楊志浩[11]、洪鵬[14]等網采樣品的數量級在105個·m-3左右。在鏡檢樣品時發現，粒徑小的浮游植物遠遠多于粒徑大的，不僅是部分硅藻，絕大多數甲藻的尺寸都小于77 μm。網采樣品中浮游植物種類數、豐度與甲藻種類數均呈現出水采高于網采的規律[11,30-32]，此次水采樣品的總豐度及甲藻種類數均高于之前的網采樣品，所以采樣方式可能是導致該海域浮游植物豐度數量級與前人研究不同的原因。

三亞灣近岸海域夏冬兩季優勢種差異較大，交替明顯，18 種優勢種中只有5 種是共有優勢種，均為廣溫廣布性種，優勢種中近岸廣布性種占主要地位，并在夏冬兩季均有出現。夏季第一優勢種為鏈狀曲殼藻（A. catenate），鏡檢結果表明，其主要以6～20 個的群體形態出現，易志勇[33]研究發現，鏈狀曲殼藻（A. catenate）在低氮濃度下更易于形成鏈狀群體，當氮濃度為2.5 mg·L-1時，鏈狀曲殼藻（A. catenate）生長情況最佳。三亞灣近岸海域的氮元素水平均處于較低的狀態，鏈狀曲殼藻（A.catenate）以群體形態出現與易志勇的研究是一致的。冬季的第一優勢種是翼根管藻（R. alata），夏季數量不多，卻在冬季成為第一優勢種，羅先香等[31]對黃河口及鄰近海域的調查發現，翼根管藻（R. alata）對水環境變化的敏感程度相對較高，與S呈顯著正相關關系，與T、COD和pH呈顯著負相關關系，與本研究中的翼根管藻（R. alata）的豐度分布情況大致相同。

3.2 浮游植物群落的多樣性 Shannon-Wiener多樣性指數用于判斷群落結構的復雜程度，浮游植物的種類越多或者分布越均勻，值越大，群落結構越復雜[34]。均勻度指數用于判斷群落是否成熟穩定[35]，豐富度指數的值越大，群落結構越穩定，生態系統的抗干擾能力越強[36]。本研究結果表明，夏季各站位浮游植物群落的H′、J和D的平均值分別為4.44、0.73和3.33，冬季分別為3.84、0.67和2.93，說明該海域浮游植物多樣性較高，物種較為豐富，群落結構較復雜、穩定性較好，生態系統抗干擾能力較強。

綜合對比圖2和圖4可以發現，夏、冬兩季物種數與豐富度指數變化大致相同。兩者在S2站位均達到峰值，不同之處出現在夏季的S4站位，雖然此站位的物種數處于較高水平，但由于硅藻（豐度占比99.12%）大量繁殖導致豐度遠遠高于其他站位，使得該站位豐富度指數較低，出現偏差。單一藻類優勢過高，會影響群落結構指數的變化趨勢[37]，夏季鏈狀曲殼藻（A. catenate）的豐度占比為14.71%，冬季翼根管藻（R. alata）的豐度占比為10.89%，是引起該海域多樣性指數與豐富度指數變化趨勢不同的原因。三亞旅游業淡、旺季特征明顯，4 月至10 月是旅游淡季，而1 月至3 月和11 月至12 月為旺季[38]。S2站位相對于其他站位人流量最少，受人為影響最小，夏季該站位的浮游植物種類數、多樣性指數和豐富度指數均處于高峰期，表明該站位物種種類多、多樣性好，分布均勻。

夏冬兩季的浮游植物群落差異性明顯。夏季浮游植物豐度和種類數均顯著高于冬季。S2站位受人類活動干擾較少，浮游植物種類較豐富，在夏冬兩季均為最高值，且物種分布均勻，群落穩定性大，水質狀況整體優良。S4站位的兩季硅藻種類數相差不大，但冬季甲藻種類數高于夏季，導致該站位種類數季節差異與其他站位相反，即夏季種類數低于冬季。經差異性檢驗后發現，S1站位與S6站位無顯著性差異（P=0.805）。S1站位處以大壩作為三亞灣與天涯灣的分界，S6站位位于半山半島帆船港港內。二者均處于圍填海狀態，僅有圍填海的程度不同。圍海可以興建養殖池塘、圍海制鹽等，填?？梢杂糜诟劭诖a頭建設、城鎮及工業用地發展等[39]，而圍填海這一用海方式能夠引發圍填海附近海域生物多樣性降低、優勢種演替和群落結構變化[40]，所以S1、S6站位的物種多樣性均低于其他站位可能與圍填海工程有關，且處于港灣內部的S6站位受到的影響更為嚴重，浮游植物種類和豐度均處于最低水平，該站位浮游植物群落復雜程度低，穩定性差，物種豐富度低，生態系統抗干擾能力弱。S4站位與S1、S6站位均存在極顯著性差異（P＜0.01）。S4站位位于海上淺橋的橋下，人流量較大，有機污染程度較高，COD和浮游植物豐度在該站位均達到最高。COD是反映水體有機和無機可氧化物質污染的常用指標，較高的有機物含量，有利于浮游植物的生長[37]，與該站位浮游植物豐度達到最高的結果相一致。

3.3 浮游植物群落與環境因子的關系 浮游植物的生長受溫度、鹽度、營養鹽等諸多環境因子的綜合影響，各環境因子及其間的交互作用共同影響浮游植物群落結構[41]，RDA分析結果顯示，夏季浮游植物主要受S、DO、COD、NO2-N和NO3-N的影響，冬季主要受S、pH、COD、NO3-N和NH3-N的影響。

S是影響浮游植物營養鹽吸收和繁殖的關鍵因素之一[42]，本研究中，S的季節變化不明顯，兩季的S在S5站位均為最低值，可能與船舶廢水、生活污水等的排放有關。林庚明等[43]通過主成分分析發現S對楚科奇海浮游植物分布有重要影響；卜世勛等[44]發現S是影響2020 年撫寧海灣扇貝養殖區的浮游植物群落結構的主要環境因子之一，與本研究結果相符。

三亞灣近岸海域水質呈弱堿性，而弱堿性的水體環境有助于浮游植物吸收CO2，從而提高光合作用的效率[45]。本研究中發現，夏季的pH值是顯著高于冬季的，甲藻的種類數與豐度占比在冬季均有所升高，據Chust等[46]認為，CO2的增加對硅藻應該是略微有益的，對甲藻非常有益，因此，推測pH對冬季的浮游植物群落結構組成影響較夏季明顯。

近岸海域是敏感區域，在多種作用的影響下，會導致DO呈現出不同的特點[42]，如水質中營養鹽含量較為豐富時，浮游植物大量繁殖，光合作用增強，導致溶解氧含量上升[47]。本研究中，夏季的DO含量與優勢浮游植物呈顯著正相關關系，與O′boyle等[48]對愛爾蘭河口和近岸沿海水域浮游植物生物量積累影響因素的研究結果相一致。同時，DO也與溫度呈負相關關系，夏季雖有大量的浮游植物進行光合作用，產生DO，但水溫的升高有利于海洋動物的生長繁殖，消耗水中的DO[30]，從而導致夏季的DO含量低于冬季。

COD是表示水體還原性物質含量的指標，也是衡量水體有機物含量的指標[37]。本研究中，COD無明顯的季節性變化，但空間變化較為顯著。S4站位位于海月廣場附近，人流量較其他站位大，還處于海岸工程的橋下，COD含量均顯著高于其他站位。人類活動輸入大量的營養物質[49]，導致有機物質含量較高，為浮游植物的大量繁殖提供了條件，特別是甲藻，其豐度和種類數在此站位均達到最高值。甲藻與硅藻的生存條件相似，這與柴然等[37]對嶗山近岸浮游植物群落的研究結果相一致。

氮、磷是浮游植物生長中常見的限制營養元素，可以調節浮游植物的生長，影響浮游植物的種類和豐度[50]。鄒景忠等[51]提出營養鹽閾值標準為：水質中DIN含量為0.2～0.3 mg·L-1，DIP含量為0.04 mg·L-1。本研究中，三亞灣近岸海域兩個季節的DIN和DIP含量均低于閾值，證明了該海域為貧營養海域。結果表明，優勢浮游植物豐度與無機氮呈顯著負相關關系，與無機磷的相關性不顯著。有研究結果表明，硅藻和甲藻對氮磷的需求是不同的，其中，硅藻對氮元素的需求較大，甲藻對磷元素的需求較大[52]。夏冬兩季硅藻豐度占比分別為97.81%和96.88%，對氮元素的需求更大，磷元素與甲藻豐度均處于較低水平，相關性不明顯。

綜上所述，三亞灣近岸海域浮游植物以硅藻門為主要種類，該海域浮游植物豐度存在明顯的季節性差異。該海域浮游植物群落多樣性較高，穩定性較好，生態系統具有較強的抗干擾能力。兩季水環境因子表明該海域水質處于二類海水水質狀態，相關部門應該采取相關措施，降低人為活動及海岸工程建設對三亞灣近岸海域水質的影響，保護海域生態環境。