2005年夏季東太平洋中國(guó)多金屬結(jié)核區(qū)小型底棲生物研究

王小谷 ，周亞?wèn)|，張東聲，洪麗莎，王春生

(1．國(guó)家海洋局第二海洋研究所，杭州 310012;2．國(guó)家海洋局海洋生態(tài)系統(tǒng)與生物地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310012)

東北太平洋海底蘊(yùn)藏大量多金屬結(jié)核，其主要存在于熱帶東北太平洋克拉里昂一克里帕頓斷裂帶(Clarion-Clipperton Fracture Zones，CCFZ)的表層沉積物中間，結(jié)核覆蓋面積超過(guò)50%［1-2］。20世紀(jì)70年代開始，多國(guó)為了獲取結(jié)核區(qū)巨大的礦產(chǎn)資源，開始在該區(qū)進(jìn)行大面積的勘探［3-4］，我國(guó)從20世紀(jì)80年代末期開始，對(duì)位于CCFZ的多金屬結(jié)核以及沉積物進(jìn)行了多年調(diào)查，現(xiàn)已在CCFZ區(qū)獲得7．5萬(wàn)km2的專屬開辟區(qū)—中國(guó)多金屬結(jié)核區(qū)合同區(qū)(The COMRA's Contract Area)。

小型底棲生物作為底棲生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是構(gòu)成底棲食物網(wǎng)的基本環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)底棲群落(種類，密度，新陳代謝)作出巨大貢獻(xiàn)［5-7］。多年來(lái)，人們對(duì)近岸、陸架以及深海邊緣的小型底棲生物已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究［8-15］。從20世紀(jì)70年代開始，基于采礦勢(shì)必給深海生物及環(huán)境帶來(lái)破壞的共同認(rèn)識(shí)［16-20］，國(guó)際上為了控制和減輕采礦所帶來(lái)的影響，保護(hù)礦區(qū)生物多樣性，開始在CCFZ進(jìn)行深海環(huán)境及生物基線的調(diào)查，并取得了一定成果［21-28］。目前我國(guó)僅高愛(ài)根，楊俊毅等［29-30］對(duì)我國(guó)多金屬結(jié)核合同區(qū)的小型底棲生物進(jìn)行過(guò)研究。本項(xiàng)研究的主要目的是加深對(duì)結(jié)核區(qū)小型底棲生物的認(rèn)識(shí)，評(píng)估小型底棲生物的群落組成，密度，生物量以及分布特征，以便將來(lái)采礦后對(duì)海洋環(huán)境的持續(xù)管理。

1 材料和方法

1．1 調(diào)查區(qū)域和站位

研究樣品由“大洋一號(hào)”調(diào)查船于2005年夏季采自東太平洋中國(guó)多金屬結(jié)核開辟區(qū)東、西兩小區(qū) (以下簡(jiǎn)稱東、西小區(qū))內(nèi)(圖1)，東、西兩小區(qū)各設(shè)6個(gè)采樣站位，具體站位經(jīng)緯度及深度見(jiàn)表1。

圖1 研究海域圖Fig．1 Map of the study area

表1 中國(guó)多金屬結(jié)核區(qū)小型底棲生物采樣站位及深度Table 1 Locations and depth of sampling stations

1．2 采樣及樣品處理

小型底棲生物樣品使用MCS-1型沉積物多管取樣器采集，每根取樣管長(zhǎng)61 cm，內(nèi)徑9．5 cm，每站取2根取樣管樣品進(jìn)行小型底棲生物分樣。每根樣現(xiàn)場(chǎng)處理如下:(1)將上覆水虹吸入32 μm孔徑的網(wǎng)篩，濾取其中的小型底棲動(dòng)物，(2)用分樣器把每根樣按0—1 cm、1—2 cm、2—4 cm和4—6 cm分層裝瓶，上覆水濾樣與0—1 cm層合裝一瓶，用7%的中性福爾馬林溶液固定。回實(shí)驗(yàn)室后樣品經(jīng)250μm，125μm，63μm，38μm孔徑的網(wǎng)篩過(guò)濾后，采用改進(jìn)后的ludox離心法進(jìn)行離心分選［31］，虎紅染色后在顯微鏡下鑒定并計(jì)數(shù)。

小型底棲生物生物量的測(cè)定步驟:

(1)在顯微鏡下利用Leica QWin軟件測(cè)量生物體最大體寬和體長(zhǎng)(線蟲包括細(xì)尾)，并由公式計(jì)算體積:

V=L×W2×C

式中，L為體長(zhǎng)(mm)，W為直徑(mm)，系數(shù)C。

(2)體積V到濕重生物量(g)的換算系數(shù)為1．13，濕重生物量到干重乘以系數(shù)0．25［32］。另取一根芯樣按0—1 cm、1—2 cm、2—4 cm和4—6 cm分層，分取現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)測(cè)定子樣，葉綠素和脫鎂葉綠素現(xiàn)場(chǎng)采用唐納熒光法進(jìn)行測(cè)定［33］。沉積物中微型生物的生物量用ATP法(三磷酸腺苷)測(cè)定計(jì)算［34-35］。

1．3 數(shù)據(jù)處理

小型底棲生物密度和生物量分布圖采用Surfer8．0軟件繪制。小型底棲生物密度和生物量與環(huán)境因子相關(guān)性分析使用primer 6．0軟件。

2 結(jié)果

2．1 沉積物葉綠素a和脫鎂葉綠素的水平分布

中國(guó)開辟區(qū)東小區(qū)和西小區(qū)沉積物(0—6cm)葉綠素a含量極低，變化范圍為0．001—0．007 μg/cm2，平均值為 0．003 μg/cm2，其中東小區(qū)沉積物葉綠素 a 平均值為 0．004 μg/cm2，西小區(qū)為 0．002 μg/cm2;東、西小區(qū)沉積物(0—6cm)脫鎂葉綠素變化范圍為 0．074—0．199 μg/cm2，平均值為 0．125 μg/cm2，其中東小區(qū)沉積物脫鎂葉綠素平均值為 0．169 μg/cm2，西小區(qū)為 0．082 μg/cm2。

中國(guó)開辟區(qū)東區(qū)和西區(qū)之間的沉積物葉綠素含量顯然有所差異，東小區(qū)沉積物葉綠素a含量、脫鎂葉綠素含量均高于西小區(qū)(圖2)，表明上層水體有機(jī)碎屑沉降于兩個(gè)區(qū)域的通量是不同的。

圖2 各站位沉積物(0—6cm)葉綠素和脫鎂葉綠素Fig．2 Top 6cm sediment Chl-a and Phl-a of the survey stations

2．2 沉積物微型生物生物量水平分布

中國(guó)開辟區(qū)東小區(qū)和西小區(qū)沉積物(0—6 cm)微型生物生物量變化范圍為 0．043—0．477 μg/cm2，平均值為0．163 μg/cm2，其中東小區(qū)沉積物葉綠素a平均值為 0．252 μg/cm2，西小區(qū)為0．074 μg/cm2。中國(guó)開辟區(qū)東小區(qū)沉積物微型生物生物量明顯高于西小區(qū)(圖3)。

圖3 各站位沉積物(0—6 cm)微型生物生物量Fig．3 Top 6cm sediment microbial biomass of the survey stations

2．3 小型底棲生物類群組成

調(diào)查海域共有13個(gè)類群的小型底棲生物，其中東小區(qū)11類，西小區(qū)12類。包括線蟲(Nematoda)、腹毛類(Gastrotricha)、動(dòng) 吻 類 (Kinorhyncha)、多 毛 類(Polychaeta)、寡毛類(Oligochaeta)、介形類(Ostracoda)、橈足類(絕大部分為猛水蚤 Harpacticoida)、等足類(Isopoda)、緩步類(Tardigrada)、蜱螨類(Acari)、雙殼類(Bivalvia)、鎧甲類(Loricifera)、其他未鑒定種類(Other)。其中海洋線蟲為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)類群，其他較為重要的類群有底棲橈足類，多毛類，介形類等。東、西兩小區(qū)小型底棲生物主要類群的密度見(jiàn)表2。

2．4 小型底棲生物密度和生物量水平分布

調(diào)查海域東、西兩小區(qū)小型底棲生物平均密度分別為(104．4±20．48)個(gè)/10 cm2，(40．26±25．84)個(gè)/10 cm2，密度占前五位的的類群依次為線蟲、橈足類、多毛類、介型類和緩步類。東小區(qū)最高密度值出現(xiàn)在ES0506站，為137．55個(gè)/10 cm2，最低密度出現(xiàn)在ES0504站，為84．65個(gè)/10 cm2;西小區(qū)最高密度值出現(xiàn)在WS0502站，為90．15個(gè)/10 cm2，最低密度出現(xiàn)在WS0504，為17．35個(gè)/10 cm2。線蟲是小型底棲生物中的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種，東、西兩小區(qū)平均密度分別為(97．23±19．51)個(gè)/10 cm2和(36．78±25．08)個(gè)/10 cm2;橈足類東、西兩小區(qū)平均密度分別為(4．21±1．05)個(gè)/10 cm2和(2．08±0．82)個(gè)/10 cm2，東小區(qū)最高值出現(xiàn)在 ES0503站，為5．50個(gè)/10 cm2，最低值出現(xiàn)在ES0502站，為2．82個(gè)/10 cm2;西小區(qū)最高值出現(xiàn)在WS0502，為3．1個(gè)/10 cm2，最低值出現(xiàn)在WS0504，為0．85個(gè)/10 cm2。多毛類在東小區(qū)平均密度較高，有(1．03±0．39)個(gè)/10 cm2，而在西小區(qū)平均密度僅有0．14個(gè)/10 cm2(圖4)。

表2 東、西小區(qū)小型底棲生物各類群平均密度Table 2 Abundanc of meiofaunal groups and nematode biomass

圖4 小型底棲生物密度水平分布Fig．4 horizontal distribution of the abundance of meiofauna

調(diào)查海域東、西兩小區(qū)線蟲平均生物量分別為(5．25±0．99)μg干重/10 cm2和(1．68±0．77)μg干重 /10cm2。東小區(qū)線蟲最高生物量出現(xiàn)在ES0506站，為6．57μg干重/10cm2，最低生物量出現(xiàn)在ES0504站，僅為3．86 μg干重/10cm2;西小區(qū)線蟲最高生物量出現(xiàn)在 WS0502，為 3．15 μg干重/10cm2;最低出現(xiàn)在WS0504，為0．96 μg干重/10cm2。深海線蟲生物量較近岸低，與其個(gè)體小有一定關(guān)系。

2．5 小型底棲生物密度垂直分布

中國(guó)開辟區(qū)小型底棲生物密度的垂直分布趨勢(shì)為:至表層向底層遞減的趨勢(shì)，小型底棲生物分布集中在沉積物表面0—2 cm層中，占總數(shù)的75%以上(圖5)。

圖5 小型底棲生物垂直分布Fig．5 Vertical distribution of meiofauna abundance

2．6 小型底棲生物密度與環(huán)境變量的相關(guān)性

對(duì)2005年調(diào)查中同步測(cè)定的小型底棲生物密度，線蟲密度，線蟲生物量，橈足類密度，多毛類密度分別對(duì)各站位的經(jīng)、緯度(n=12)，沉積物葉綠體含量(n=10)，沉積物微型生物生物量(n=10)進(jìn)行相關(guān)分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 小型底棲生物密度、生物量與環(huán)境因子的相關(guān)分析結(jié)果Table 3 Correlationanalysis between miofuana abundance，biomass and environmental variables

結(jié)果顯示:調(diào)查區(qū)域的小型底棲生物密度，線蟲密度，線蟲生物量，橈足類密度，多毛類密度與經(jīng)、緯度呈顯著負(fù)相關(guān)，與脫鎂葉綠素呈顯著正相關(guān)，與沉積物微型生物生物量相關(guān)性不顯著。小型底棲生物密度，線蟲密度，線蟲生物量，多毛類密度與葉綠素a呈顯著正相關(guān)，橈足類與葉綠素a相關(guān)性不顯著。脫鎂葉綠素與沉積物微型生物生物量呈顯著正相關(guān)。

3 討論

3．1 深海小型底棲生物密度的影響因子

深海海盆通常食物貧瘠，食物來(lái)源主要依靠表層水體中有機(jī)碎屑的沉降，有機(jī)碎屑沉降通量對(duì)深海沉積物中底棲生物密度，生物量高低起著決定性影響。調(diào)查結(jié)果顯示，中國(guó)開辟區(qū)小型底棲生物密度及線蟲生物量與沉積物中葉綠素a和脫鎂葉綠素含量均呈顯著正相關(guān)(表2)，這與以往相關(guān)研究結(jié)果相同［26，36-38］。此外，沉積物特性也對(duì)小型底棲生物密度、垂直分布有一定影響，中國(guó)開辟區(qū)內(nèi)的沉積物以硅質(zhì)粘土、硅質(zhì)軟泥和含硅質(zhì)粘土為主。其中東小區(qū)表層沉積物以硅質(zhì)粘土為主，硅質(zhì)軟泥和含硅質(zhì)粘土次之，它們分別約占東區(qū)面積為70%、26%、4%，沉積物松軟［40］;西小區(qū)表層沉積物硅質(zhì)軟泥含量偏低，占西區(qū)的16%，硅質(zhì)粘土占79%，含硅質(zhì)粘土占4%，表明東區(qū)的沉積物組分更細(xì)，更松軟，西區(qū)沉積物則較東區(qū)粗而硬，兩區(qū)在沉積環(huán)境上存在著差異［39］。由于底質(zhì)顆粒越細(xì)越有利于有機(jī)物的富集［40-41］，底質(zhì)越松軟則越有利于小型底棲生物上下活動(dòng)，向深層分布，從大面分布來(lái)看東區(qū)小型底棲生物的密度要高于西區(qū)，從垂直分布來(lái)看，東區(qū)小型底棲生物在深層的分布的比例要比西區(qū)的比例大一些。

3．2 與歷史資料的比較

由于受到采樣技術(shù)的限制，歷史上對(duì)深海的小型底棲生物研究相對(duì)近海而言較少，特別是在太平洋CCZ，加之不同的研究運(yùn)用采樣和室內(nèi)分選的方法有所差異，因此要進(jìn)行精確比較是相對(duì)困難的。從群落結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，各項(xiàng)研究差異性不大，線蟲，底棲橈足類，多毛類是小型底棲生物的優(yōu)勢(shì)類群，尤其是線蟲，為深海小型底棲生物的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)類群［23，42］。

表4記錄了國(guó)際上關(guān)于太平洋CCFZ以及周邊深海小型底棲生物的數(shù)據(jù)，由于沉積物樣品的厚度以及研究的重點(diǎn)有所不同(Bown［26］等調(diào)查沉積物最表層線蟲密度，Renaud-Mornant等對(duì)沉積物2．5 cm厚度的線蟲進(jìn)行研究，Snider等［27］，A．Miljutina等［25］，Kaneko等［28］對(duì)沉積物5 cm 厚度的小型底棲生物進(jìn)行研究)，因此只能進(jìn)行粗略的對(duì)比。A．Miljutina等數(shù)據(jù)顯示，CCFZ沉積物表層5 cm線蟲平均密度為80個(gè)/10 cm2，與本次研究的中國(guó)合同區(qū)東小區(qū)線蟲密度((97．23±19．51)個(gè)/10 cm2)相仿，但遠(yuǎn)高于中國(guó)合同區(qū)西小區(qū)的線蟲密度((36．78±25．08)個(gè)/10 cm2)?？傮w而言，CCFZ線蟲密度要遠(yuǎn)低于 Mokievskij等［43］2007年所得到的全球深海線蟲密度值((196±15)個(gè)/10 cm2)。這與CCFZ位于透光層初級(jí)生產(chǎn)力很低的中北太平洋寡營(yíng)養(yǎng)區(qū)有直接關(guān)系［25］。

表4 本研究與歷史資料比較Table 4 Comparison between present study and history data

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