膠州灣小型底棲動物豐度、生物量及環境因子的研究?

祝 琳,陳 晨,楊湘君,崔雯瑤,邵聰聰,滕安康,于子山??

(1. 中國海洋大學海洋生命學院,山東 青島 266003; 2. 山東省海洋科學研究院,山東 青島 266100; 3. 中國科學院昆明動物研究所,云南 昆明 650201)

小型底棲動物是指分選時能通過0.500 mm孔徑的網篩,但被0.031 mm孔徑網篩所截留的一類底棲動物[1]。其作為微型底棲動物和大型底棲動物的中間環節,在整個底棲生態系統中的物質循環和能量流動過程中起著承上啟下的作用[2];此外,小型底棲動物具有野外采樣簡便、物種豐富度高(比大型底棲動物高一個數量級)、生活周期短(每年平均3～5代)、生活史中無浮游階段等特點,使其成為許多生態學家所青睞的研究對象[3-4]。

膠州灣是中國海灣生態學研究的典型區域。關于膠州灣小型底棲動物的研究,始于張志南等[5]對膠州灣北部軟底的小型底棲動物豐度的報道。張艷對膠州灣北部軟底區的一個典型站位[6]以及紅島泥灘潮間帶[7]的小型底棲動物進行了研究。楊世超等[8]報道了冬季膠州灣內2個站位及鄰近山東半島南岸12個站位小型底棲動物的豐度和生物量。紀瑩璐[9]報道了膠州灣西北部海域小型底棲動物豐度和生物量及季節變化。Gao等[10]報道了膠州灣小型底棲動物的時空分布及同環境因子的關系。高群[11]對膠州灣中部區域以及潮間帶的小型底棲動物的豐度和生物量進行了研究。上述這些研究大多都局限于膠州灣的一部分區域,鑒于此,本研究中擴大了研究覆蓋面,對2018年5月在膠州灣全水域設置了15個站位,對小型底棲動物和環境因子數據進行收集,以對小型底棲動物展開類群組成、豐度和生物量以及這三個參數同環境因子關系的研究,以期能對整個膠州灣的小型底棲動物有較全面的了解,并為該海域底棲生態學的深入研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究海域

于2018年5月4日和5日對膠州灣設置的15個站位進行調查取樣(見圖1),調查船為“天使1號”。

圖1 膠州灣小型底棲動物調查取樣站位圖Fig.1 Map of the sampling stations of meiofauna in Jiaozhou Bay

1.2 取樣方法及樣品處理

現場用0.05 m2的箱式采泥器采沉積物樣。使用內徑為2.9 cm的采樣管(由注射器改制),在表面未受擾動的沉積物中隨機取3管芯樣(芯樣深度為8 cm),每管芯樣按0～2、2～5和5～8 cm分層瓶裝,加入等體積的10%福爾馬林溶液固定,用于小型底棲動物室內分析;以同樣方式取3管芯樣,相應分層后分別裝入封口袋,-20 ℃冷凍保存,用于沉積物葉綠素a(Chlorophylla,Chla)含量測定;另取沉積物表層樣各1袋,-20 ℃冷凍保存,以測定沉積物有機質和粒度。

沉積物中:Chla含量的測定采用熒光分光光度法;有機質含量的測定采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法,進而得到有機質含量(有機碳含量×1.724)[12];沉積物粒度利用激光粒度分析儀測定;水深、底溫及底鹽由纜式線型感溫(Cable thermal detector,CTD)探測儀現場測得。

1.3 數據處理與分析

1.3.1 小型底棲動物的豐度 用單位面積所包含的個體數來表示小型底棲動物的豐度(單位:ind.·cm-2):

豐度=個體數/(3.14×1.45×1.45)。

1.3.2 小型底棲動物的生物量 小型底棲動物的生物量=數量×個體平均干質量。根據文獻[9,13-15]中小型底棲動物不同類群的個體平均干質量,將各類群的平均個體干質量進行總結(見表1)。

表1 小型底棲動物的個體平均干質量換算系數Table 1 Transformation coefficients of individual average dry weight of meiofaunal taxon

1.3.3 相關性分析 利用SPSS22.0軟件進行相關性分析。

2 結果

2.1 沉積環境

研究海域的環境因子如表2所示。研究海域的平均水深為11.1 m,水深由北向南逐漸增大,在灣口附近站位的水較深,最深處在J32站位,為29.7 m;最淺處是在北部的J02站位,僅為6.0 m。平均底溫為13.77 ℃,呈現灣外向灣內減小的趨勢。平均底鹽31.82,最高值在J01站位,為32.22,最低值為30.95,出現在J16站位。Chla含量的平均值為0.59 μg/g,膠州灣北部的Chla含量比南部的高,最高值出現在北部的J16站位,高達1.23 μg/g;最低值出現在J33站位,僅為0.21 μg/g。有機質含量平均值為 1.78 mg/g,灣口附近的J43站位最高,為3.23 mg/g;最低值出現在J01站位,僅為1.05 mg/g。灣北部的沉積物類型多為砂質粉砂,灣口附近海域顆粒變粗,出現了粉砂質砂和礫質泥質砂。

表2 海域環境因子調查數據Table 2 Survey data of marine environment factors

2.2 小型底棲動物的類群組成、豐度和生物量

本研究共分選出16個小型底棲動物類群(見表3),包括自由生活海洋線蟲(Nematoda)(以下簡稱線蟲)、底棲橈足類(Copepoda)(以下簡稱橈足類)、多毛類(Polychaeta)、渦蟲類(Tubellaria)、輪蟲(Rotifera)、介形類(Ostracoda)、動吻類(Kinarhyncha)、枝角類(Cladocera)、甲殼類幼體(Nauplii)、紐蟲(Nemertina)、雙殼類(Bivalvia)、海螨(Halacaroidea)、漣蟲(Cumacea)、緩步類(Tardigrada)、等足類(Isopoda)和其他類群。

表3 研究海域小型底棲動物各類群的豐度和生物量Table 3 Abundance and biomass of each meiofaunal taxon in surveyed area

小型底棲動物的平均豐度為(89.689±43.007) ind.·cm-2。其中:線蟲為最優勢類群,平均豐度為(77.547±40.008) ind.·cm-2,占小型底棲動物總豐度的86.463%;橈足類的優勢其次,占小型底棲動物總豐度的6.132%。線蟲和橈足類的豐度總和占小型底棲動物總豐度的92.595%。小型底棲動物的平均生物量為(104.652±42.706) μg·cm-2,位居首位的依然是線蟲,其生物量為(31.019±16.003) μg·cm-2,占總生物量的29.640%。

2.3 小型底棲動物豐度的空間分布

2.3.1 水平分布 小型底棲動物的豐度分布如圖2所示。其中:豐度最高值出現在J13站位,平均豐度為(182.979±25.180) ind.·cm-2,其附近的J12和J14站位也有較高的豐度;灣口附近J33站位的小型底棲動物豐度最低,為(25.245±10.280) ind.·cm-2。小型底棲動物的平均豐度呈現出北部高、南部低的特點。

圖2 研究海域小型底棲動物豐度分布Fig.2 Distribution of abundance of meiofauna in surveyed area

研究海域的15個站位均以線蟲為第一優勢類群(見圖3),其中:J13站位的線蟲占比最高(91.060%);J34站位的線蟲占比最低(73.674%),原因是該站位第二優勢類群橈足類占比達到21.321%。

圖3 研究海域小型底棲動物各類群豐度累計百分比Fig.3 Cumulative percentage of each meiofauna taxon in surveyed area

2.3.2 垂直分布 小型底棲動物主要分布在沉積物表層0～2 cm,該層小型底棲動物的平均豐度為(42.810±29.316) ind.·cm-2,占總豐度的47.731%;中層2～5 cm和底層5～8 cm的小型底棲動物分別占總豐度的32.242%和20.026%。本研究0～5 cm芯樣的取樣效率可達79.973%。

大多數站位的小型底棲動物主要分布在沉積物表層0～2 cm,其豐度占比最高的為J31站位(75%); J11、J22和J33站位在中層2～5 cm處有較高的豐度。大多數小型底棲動物類群主要分布在表層0～2 cm,輪蟲和緩步類主要分布在2～5 cm層。線蟲作為小型底棲動物中的優勢類群,分布于沉積物表層0～2 cm處,其豐度占總豐度的45.308%,且線蟲豐度變化同小型底棲動物豐度趨于一致。橈足類主要分布在沉積物表層0～2 cm內,其豐度占比達到78.641%(見圖4)。

圖4 研究海域小型底棲動物豐度垂直分布Fig.4 Vertical distribution of abundance of meiofauna in surveyed area

2.4 小型底棲動物豐度與環境因子的相關性分析

本研究將小型底棲動物的總豐度、線蟲及橈足類豐度同環境因子數據進行Pearson相關性分析,結果見表4。由表4可以看出,小型底棲動物總豐度、線蟲豐度及橈足類豐度,均同Chla含量呈顯著正相關,同其他環境因子均無顯著相關性。

表4 小型底棲動物豐度與環境因子的相關性分析Table 4 Results of correlation between meiofaunal abundance and environmental factors

2.5 線蟲同橈足類豐度之比

本研究小型底棲動物、線蟲和橈足類豐度及線蟲同橈足類豐度之比見表5。本研究海域所有站位的線蟲豐度同橈足類豐度之比的平均值為15.49,其最高值出現在J14站位,為26.69;最低值出現在J34站位,僅為3.46。

表5 本研究小型底棲動物、線蟲和橈足類豐度及線蟲同橈足類豐度之比Table 5 Abundances of meiofauna,nematodes and copepods and the abundance ratio of nematodes to copepods in surveyed area

3 討論

3.1 本研究結果與歷史資料的對比

本研究結果與歷史資料的對比見表6。本研究中所有小型底棲動物的平均豐度小于以往研究結果,這可能同每項研究的采樣時間、站位分布和分選網篩孔徑不同等因素有關。本研究鑒定出小型底棲動物類群數較多,線蟲和橈足類分別為第一和第二優勢類群,同張艷[6]、楊世超[8]和紀瑩璐[9]等報道的結果相同。

3.2 環境因子對小型底棲動物豐度的影響

不同環境中,影響小型底棲動物的主要環境因素不同。比如在河口軟泥地區,影響小型底棲動物豐度的因素是沉積物顆粒的大小、鹽度和溫度;而在潮下帶地區,底層環境相對穩定,小型底棲動物則主要受攝食、生物擾動和洋流的影響[16]。沉積物類型、含水量、溫度、鹽度和底棲微藻豐度等都是影響小型底棲動物的重要因素。

本研究通過對小型底棲動物的總豐度、線蟲及橈足類豐度同環境因子數據的Pearson相關性分析(見表4)得出,小型底棲動物的總豐度、線蟲豐度及橈足類豐度,均同Chla含量呈顯著正相關。即Chla含量越大,豐度值也越大,這同很多研究結果相一致[17-20]。沉積物中的Chla含量是由浮游藻類沉降到底層和底棲硅藻形成的,因而可預示初級生產力的狀況以及小型底棲動物的食物來源[21]。在本研究中,各站位Chla含量與小型底棲動物的豐度分布趨勢基本一致,都呈現出北部高、南部低的特點。小型底棲動物以底棲硅藻為食[22],春季光照和溫度以及較高營養鹽水平均適宜,使得藻類快速從底泥中復蘇,大量繁殖[17],為更多的小型底棲動物提供食物,從而使小型底棲動物的豐度升高。

由表6還可知,本研究中的橈足類的豐度占比要稍高于其他季節,原因可能是春季膠州灣內的Chla含量較其他季節高[23],大多數橈足類通常以藻類為食,豐富的食物導致橈足類的增多,占比增大[23]。由本研究橈足類豐度同Chla含量呈顯著正相關性(見表5),也確認了這一原因。

3.3 線蟲同橈足類豐度之比與有機質污染環境的評價

線蟲和橈足類是小型底棲動物中最主要的兩個類群,它們對環境擾動和對有機質污染的耐受力不同,橈足類對有機質污染的敏感程度較高,而線蟲在有機質污染的沉積物中依然可以保持較高的豐度,因此可將兩個類群的豐度之比作為指示海洋有機質污染的指標[24-25]。一般認為,當線蟲同橈足類豐度之比值小于50時,表示沉積環境質量優良,未受擾動;當線蟲同橈足類豐度之比值在50～100之間時,表示沉積環境處于富營養化狀態;當線蟲同橈足類豐度之比值大于100時,表示沉積環境中存在有機質污染[26-27]。雖然該值的使用還存在一定的爭議,但仍被廣泛應用于一些海域的研究[28-31]。

本研究各站位的線蟲同橈足類豐度之比值見表5。本研究海域全部站位的線蟲同橈足類豐度之比值小于50,這指示膠州灣海域沒有受到污染。所有站位的有機碳含量也均未超過2%,低于國家沉積物質量一類標準(2%),與線蟲同橈足類豐度之比值指示的結果一致。但是在對比各站位線蟲同橈足類豐度之比值和有機碳含量時,線蟲同橈足類豐度之比值呈現北部高、南部低的特點,而有機碳含量則是灣東部高、西部低,兩者的分布趨勢并不相同,表明利用線蟲同橈足類豐度之比值來監測有機質污染會存在局限性。

在自然狀態下,線蟲和橈足類的豐度同沉積物類型、食物來源、有機質含量和自身繁殖等諸多因素有關,其豐度大小會隨著時間和空間等的變化而波動[28]。例如橈足類可能因對砂質底質的偏好(非環境質量差異)而造成相對數量的增加,從而降低了線蟲同橈足類豐度之比值,掩蓋了真實環境質量狀況[32]。因此,根據線蟲同橈足類豐度之比值評價環境質量時,須慎重考慮其可否作為一個參考指標。另外,要參考其他因子如有機碳的含量、沉積物粒度和食物來源等因素進行綜合評估。

崔雯瑤等[33]通過利用豐度生物量比較曲線(Curve of abundance and biomass comparison)、攝食均勻度指數以及香農威納多樣性指數等方法,對同本研究同步獲得的大型底棲動物數據進行分析,以對沉積環境質量進行評價,結果是僅J16站位受到中度擾動,其余站位未受擾動,與本研究基本一致。陳晨等[22]利用多毛類機會種和端足類構建的多毛類機會種和端足目動物指數(Benthic opportunistic polychaetes amphipods index,BOPA)指數,對與本研究同步獲得的大型底棲動物的數據進行分析,結果也是沉積環境質量狀況優,未受擾動,同本研究基本一致。胡睿等[34]利用表層沉積物的7種重金屬元素元素(Hg、Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、As)對膠州灣進行風險評價,研究表明,7種重金屬元素總體在表層沉積物中污染程度屬于清潔或輕度污染,進而說明其潛在生態風險程度較低。

綜上所述,本研究的海域沉積環境整體優良。

4 結論

(1)本研究共分選出16個小型底棲動物類群,小型底棲動物的平均豐度為(89.689±43.007)ind.·cm-2,平均生物量為(104.652±42.706)μg·cm-2。平均豐度和生物量都呈現出北部高、南部低的特點,分布在沉積物表層(0～2 cm)、中層(2～5 cm)和底層(5～8 cm)的小型底棲動物的總豐度占比分別為47.73%、32.24%和20.03%。

(2)線蟲和橈足類為本研究海域小型底棲動物的優勢類群。

(3)Chla含量是影響研究海域小型底棲動物的總豐度、優勢類群(線蟲以及橈足類)的豐度的最重要的環境因子。

(4)研究海域沉積環境整體優良。