渤海灣大型底棲動(dòng)物調(diào)查及與環(huán)境因子的相關(guān)性

周 然，覃雪波，彭士濤，石洪華，鄧仕槐

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，成都 611130;2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456;3.天津自然博物館，天津 300074;4.國家海洋局第一海洋研究所，青島 266061)

渤海灣是一個(gè)典型的半封閉海灣，由于與外海的水交換非常緩慢，灣內(nèi)的各種污染物容易累積，導(dǎo)致水質(zhì)下降［1］。特別是近年來隨著環(huán)渤海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大量生產(chǎn)生活污水被排放到渤海灣，水質(zhì)進(jìn)一步惡化。作為海洋生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)重要的生態(tài)類群，大型底棲動(dòng)物在能流和物流中占有十分重要的地位，特別是其活動(dòng)能力弱、棲息地相對穩(wěn)定、對海洋環(huán)境反應(yīng)敏感的特點(diǎn)，長期以來一直作生態(tài)系統(tǒng)變化的環(huán)境指示種［2－4］。渤海灣底棲動(dòng)物早有研究，但主要涉及物種、豐度、生物量、物種多樣性、群落結(jié)構(gòu)等［5－6］。環(huán)境因子影響大型底棲動(dòng)物的分布，然而大型底棲動(dòng)物和環(huán)境因子之間的關(guān)系研究在渤海灣卻鮮有涉及。

2008年5月，對渤海灣大型底棲動(dòng)物和環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)查，運(yùn)用多元分析探討大型底棲動(dòng)物與環(huán)境因子之間的關(guān)系，明確影響大型底棲動(dòng)物空間分布的關(guān)鍵環(huán)境因子，為評估人類活動(dòng)對渤海灣生態(tài)環(huán)境的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 站位布設(shè)

2008年5月，在渤海灣均勻設(shè)置30個(gè)站位(圖1)，其中S7位于南部水域，鄰近熱電廠;S13鄰近海河河口;S19位于北塘河口附近;S位25位于天津漢沽區(qū)附近。

1.3 樣品采集與分析

采樣使用取樣面積為0.10m2的抓斗式采泥器，每站取樣5次，合并為1個(gè)樣品，用0.50 mm孔徑的網(wǎng)篩分選樣品。樣品的處理、保存、計(jì)數(shù)等按《海洋調(diào)查規(guī)范》［7］操作。

水深和透明度根據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范》［7］進(jìn)行測定;水溫 (WT)、pH、鹽度 (Sal)和溶解氧 (DO)等環(huán)境參數(shù)由便攜式多參數(shù)－水質(zhì)分析低儀(MS5，HACH)現(xiàn)場測定。營養(yǎng)鹽，包括亞硝酸鹽(NO2－N)、硝酸鹽(NO3－N)、氨氮(NH4－N)、溶解性活性磷酸鹽(SRP)和硅酸鹽(SiO4)，參考APHA(1998)方法進(jìn)行分析［8］，其中亞硝酸鹽、硝酸鹽、氨氮合并為無機(jī)氮(DIN)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

優(yōu)勢種由公式y(tǒng)=fi×pi來確定，式中y為優(yōu)勢度，fi為i種在采樣點(diǎn)中出現(xiàn)頻率，pi為i種在總數(shù)量中的比例，y＞0.02 時(shí)，定為優(yōu)勢種［9］。

環(huán)境因子和大型底棲動(dòng)物數(shù)量的站位間差異采用單因素方差分析法(One－way ANOVA)進(jìn)行分析，在SPSS13.0上進(jìn)行。

圖1 渤海灣調(diào)查站位Fig.1 The sampling stations in Bohai bay

大型底棲動(dòng)物與環(huán)境因子的排序分析采用多元分析進(jìn)行，在Canoco for windows 4.5軟件包上進(jìn)行。進(jìn)入排序的大型底棲動(dòng)物要經(jīng)過篩選，只有至少在一個(gè)站位數(shù)量占該站位總數(shù)量5%以上的種類才考慮［10］。分析前，大型底棲動(dòng)物數(shù)據(jù)量和環(huán)境因子(除pH外)均轉(zhuǎn)換成log(x+1)形式。首先對物種變量進(jìn)行除趨勢對應(yīng)分析(DCA)，以確定群落屬于單峰型分布或線型分布［11］。DCA結(jié)果表明，所有軸中梯度最長為4，大于3，因此運(yùn)用典范對應(yīng)分析(CCA)進(jìn)行大型底棲動(dòng)物與環(huán)境因子之間關(guān)系分析，同時(shí)采用向前引入法逐步篩選出顯著的環(huán)境變量，每一步都采用Monte Carlo置換檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 海區(qū)環(huán)境特征

各站位的水環(huán)境特征見圖2。從圖2中可見，水深、鹽度從近海到外海呈現(xiàn)增加的趨勢，相反，水溫呈現(xiàn)下降變化特征;pH和溶解氧的空間分布沒有規(guī)律性。營養(yǎng)鹽的空間分布主要受入海徑流的影響，濃度由近岸向外海逐漸降低，表明入海河流是海洋營養(yǎng)鹽的重要來源。

2.2 大型底棲動(dòng)物種類與數(shù)量

調(diào)查期間，在渤海灣發(fā)現(xiàn)45種大型底棲動(dòng)物，出現(xiàn)頻率最高的是小胡桃蛤(Nucula paulula)，達(dá)到77%，其次是渦蟲(Planocera sp.)、棘刺錨參(Protankyra bidentata)和絨毛細(xì)足蟹(Raphidopus ciliatus)，出現(xiàn)頻率也超過50%。共有35種大型底棲動(dòng)物至少在一個(gè)站位數(shù)量占該站位總數(shù)量5%以上(表1)。

渤海灣大型底棲動(dòng)物平均密度為406個(gè)/m2。數(shù)量空間分布明顯，呈現(xiàn)從近岸到外海降低的分布特征(圖3)，最高值出現(xiàn)位于南部海域的S7，高達(dá)6008個(gè)/m2，而位于天津港附近的S20，沒有采到大型底棲動(dòng)物。

共發(fā)現(xiàn)3個(gè)優(yōu)勢種，分別是小月阿布蛤(Abrina lunella)、小胡桃蛤(Nucula paulula)和脆殼理蛤(Theora fragilis)，優(yōu)勢度分別為 0.02，0.03，0.22，其中小月阿布蛤和小胡桃蛤分布于多個(gè)站位，而脆殼理蛤主要分布于S7和S8(圖4)。

圖2 渤海灣各站位水體理化參數(shù)Fig.2 Water physicochemical variables in different sampling stations of Bohai bay

表1 渤海灣主要大型底棲動(dòng)物Table 1 The main macroinvertebrate in Bohai Bay

圖3 渤海灣大型底棲動(dòng)物數(shù)量空間分布Fig.3 Distribution of macroinvertebrate amount in Bohai bay

圖4 渤海灣大型底棲動(dòng)物優(yōu)勢種分布Fig.4 Distribution of dominant species in Bohai bay

2.3 大型底棲動(dòng)物與環(huán)境因子之間關(guān)系

用CCA分析大型底棲動(dòng)物與環(huán)境因子之間的關(guān)系。前兩個(gè)排序軸的特征值分別為0.36和0.31，環(huán)境因子軸與物種排序軸之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.90和0.91;兩個(gè)物種排序軸近似垂直，相關(guān)系數(shù)為－0.10，兩個(gè)環(huán)境排序軸的相關(guān)系數(shù)為0(表2)，說明排序軸與環(huán)境因子間線性結(jié)合的程度較好地反映了物種與環(huán)境之間的關(guān)系，排序結(jié)果可靠［12］。利用向前引入法對環(huán)境因子進(jìn)行逐步篩選，Monte Carlo置換檢驗(yàn)結(jié)果顯示，8個(gè)環(huán)境因子中，只有水深(F=1.71，P=0.01)、無機(jī)氮(F=1.84，P=0.01)和溶解氧(F=1.68，P=0.02)達(dá)到顯著水平，表明這3個(gè)環(huán)境因子對渤海灣大型底棲動(dòng)物分布起到主導(dǎo)作用。

表2 前2個(gè)排序軸和環(huán)境因子間的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients of environmental factors with the first two axes of CCA

圖5 渤海灣大型底棲動(dòng)物與環(huán)境因子CCA排序圖(數(shù)字是大型底棲動(dòng)物代碼，表1)Fig.5 Correlation plots of the redundancy analysis(RDA)on the relationship between the environmental variables and macroinvertebrate taxa in Bohai bay(the number is the code of the macroinvertebrate in Table 1)

渤海灣大型底棲動(dòng)物與環(huán)境因子之間的關(guān)系可以很好在CCA排序圖中表現(xiàn)出來(圖5)。第一軸與水深呈顯著負(fù)相關(guān)，代表水深的梯度變化。從圖5的左到右，隨著水深減少，即向沿岸，底棲動(dòng)物相應(yīng)增加;第二排序軸與無機(jī)氮和溶解氧呈顯著負(fù)相關(guān)，代表無機(jī)氮和溶解氧的梯度變化。從圖5的上到下，隨著無機(jī)氮和溶解氧增加，底棲動(dòng)物相應(yīng)減少，表明底棲動(dòng)物不喜歡棲息于無機(jī)氮含量較高的水域，盡管該水域溶解氧較高。

3 討論

3.1 渤海灣大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)變化

歷史上，渤海灣的大型底棲動(dòng)物種類非常多，如1983年的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)122種［5］。進(jìn)入21世紀(jì)以來，渤海灣大型底棲動(dòng)物的發(fā)生較大的變化，主要表現(xiàn)3個(gè)方面的變化。一是種數(shù)變化，在2005年之前，種數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，而2005年之后，種數(shù)開始回升(表3)。下降的原因是由于多年來特別是改革開放以來，人類活動(dòng)造成渤海灣水質(zhì)降低所致。作為我國一個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)區(qū)，渤海灣所在的區(qū)域經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)，與此同時(shí)，各種生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的廢水也較多，這些廢水通過河流排入渤海灣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年大約有1億t的來自北京、天津和河北省等的廢水被排入渤海灣，使得渤海灣水質(zhì)急劇下降［14］。加之渤海灣是一個(gè)半封閉海灣，水交換能力弱，加劇水質(zhì)下降趨勢［1］。隨著渤海灣水質(zhì)下降，勢必造成許多底棲動(dòng)物無法生存，表現(xiàn)為種類降低。2005年后渤海灣底棲動(dòng)物種數(shù)有所回升，這得益于近年來國家出臺各種渤海生態(tài)保護(hù)政策，如2001年開始實(shí)施的《渤海碧海行動(dòng)計(jì)劃》、2008年出臺的《渤海環(huán)境保護(hù)總體規(guī)劃》。在這些政策保障下，一方面，污染物排放量受到控制;另一方面，生態(tài)修復(fù)工程開始實(shí)施，如國家863計(jì)劃課題的“渤海典型海岸帶生境修復(fù)技術(shù)”就對渤海灣進(jìn)行了示范。因此，渤海灣的海洋環(huán)境得到改善，底棲動(dòng)物種群開始恢復(fù)，表現(xiàn)為種類回升。從表3可見，2011年渤海灣大型底棲動(dòng)物的種數(shù)(111種)與1983年(122種)相差不遠(yuǎn)。盡管如此，與渤海的臨近海灣相比，渤海灣的大型底棲動(dòng)物種類不僅低于膠洲灣(59種)［15］，更低于萊洲灣(214種)［16］。這表明，渤海灣環(huán)境壓力依然嚴(yán)峻。二是密度發(fā)生變化。從表3可以看出，近30年來，渤海灣大型底棲動(dòng)物的密度呈現(xiàn)不規(guī)律的變化，表明環(huán)境波動(dòng)較大，與人為干擾相關(guān)。三是優(yōu)勢種更換頻繁。如2004年是日本鼓蝦和脆殼理蛤，到2011年，則是凸殼肌蛤和長偏頂蛤，這也表明渤海灣水環(huán)境不穩(wěn)定。因此，從大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的變化可以看出，渤海灣的生態(tài)修復(fù)仍需要進(jìn)一步進(jìn)行。

表3 渤海灣大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)變化Table 3 The variation of the macroinvertebrate community structure in Bohai Bay

3.2 渤海灣大型底棲動(dòng)物與環(huán)境因子關(guān)系

大型底棲動(dòng)物不僅受到底質(zhì)影響，也受到底層水環(huán)境的影響［17］。在兩個(gè)底質(zhì)相同的海區(qū)，由于水環(huán)境條件不同，兩者底棲動(dòng)物完全不同［18］。以本研究的S19和S20站位為例，兩站位均位于北塘入?？诟浇?，底質(zhì)均為粘土［19］，但兩個(gè)站位的大型底棲動(dòng)物完全不同，在S19主要分布有小月阿布蛤和泥鉤蝦，而在S20站位沒有采到大型底棲動(dòng)物。這表明，水環(huán)境對底棲動(dòng)物的分布具有重要的影響。在本研究中，水深、無機(jī)氮和溶解氧是影響渤海灣大型底棲動(dòng)物分布的重要環(huán)境因子。

水深影響底棲動(dòng)物的分布，可能與兩方面相關(guān)。一是水深與透明度相關(guān)。水體透明度影響光在水中的強(qiáng)度。動(dòng)物的生長需要一定的光照，過高或過低都會(huì)影響動(dòng)物的生長發(fā)育。從圖5中看，渤海灣的大多底棲動(dòng)物分布于中等深度的海域中，這是由于水深過低，說明離岸最近，受到的人為干擾大［20］，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，近岸水域水體較混濁，透明度小，也不利于動(dòng)物生長發(fā)育。然而，水深過高，使得進(jìn)入水中的光強(qiáng)不夠，從而影響動(dòng)物的生長發(fā)育。二是可能與不同的底棲動(dòng)物的生活習(xí)性相關(guān)。通常，水深是影響多毛類分布的主要環(huán)境因子［21］。因此，在圖5中，異足索沙蠶、寡鰓齒吻沙蠶和沙蠶與水深向量顯著相關(guān)。本研究與Glockzin和Zettler的研究結(jié)果相似，他們發(fā)現(xiàn)水深顯著影響南波羅的海的波美拉尼亞海灣大型底棲動(dòng)物的分布［22］。

Dippner和Ikauniece認(rèn)為，富營養(yǎng)化對大型底棲動(dòng)物群落產(chǎn)生顯著影響［23］。作為衡量富營養(yǎng)化程度重要指標(biāo)之一的無機(jī)氮在本研究中顯著影響大型底棲動(dòng)物的分布。一項(xiàng)對山東半島南部海灣底棲動(dòng)物研究表明，水體中營養(yǎng)鹽物質(zhì)增加時(shí)，大型底棲動(dòng)物多樣性相應(yīng)降低［17］。在本研究中，大型底棲動(dòng)物主要分布于無機(jī)氮含量較低的水域(圖5)，表明渤海灣水體無機(jī)氮濃度已經(jīng)對該海域的大型底棲動(dòng)物產(chǎn)生的負(fù)面影響。因此，控制氮的輸入是維持渤海灣生態(tài)平衡的重要舉措之一。

溶解氧對底棲動(dòng)物的分布及群落結(jié)構(gòu)具有明顯的影響［24］，相關(guān)研究表明，當(dāng)水體中的溶解氧低于2 mg/L時(shí)，底層拖網(wǎng)的漁獲量基本為0［25］。然而，在本研究中，發(fā)現(xiàn)大型底棲動(dòng)物主要分布于溶解相對較低的區(qū)域(圖5)。造成這種原因可能是本研究中的溶解含量總體較高，最低值都超過6 mg/L，均高于一類海水標(biāo)準(zhǔn)。因此可以認(rèn)為其并非是底棲動(dòng)物分布的限制因子。相關(guān)分析表明，溶解氧和無機(jī)氮成顯著正相關(guān)(表2)，可能是造成其成顯著環(huán)境因子的其中原因之一。從各個(gè)環(huán)境因子之間的關(guān)系也可以看出，其它一些環(huán)境因子與本研究得到的3個(gè)顯著環(huán)境因子之間也呈顯著相關(guān)(表2)，這表明，大型底棲動(dòng)物與環(huán)境因子之間的關(guān)系是錯(cuò)綜復(fù)雜，仍需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1)渤海灣共發(fā)現(xiàn)大型底棲動(dòng)物45種，平均密度為406個(gè)/m2。底棲動(dòng)物數(shù)量空間差異明顯，呈現(xiàn)從近岸到外海降低的變化特征。

(2)近30年來，渤海灣大型底棲動(dòng)物種類、密度和優(yōu)勢種都發(fā)生了明顯的變化，這種變化與渤海灣的海洋環(huán)境質(zhì)量變化相關(guān)。渤海灣的環(huán)境并不穩(wěn)定，生態(tài)修復(fù)仍需要進(jìn)一步進(jìn)行。

(3)渤海灣大型底棲動(dòng)物空間分布主要受到水深、無機(jī)氮和溶解氧等3個(gè)環(huán)境因子的影響。

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