廈門灣大型底棲動(dòng)物多樣性指數(shù)空間分布及其與環(huán)境因子的關(guān)系

黃 昆，陳 嵐，傅婷婷，黃智偉，陳 凱

(1.福建海洋研究所，福建 廈門 361013；2.福建省海陸界面生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門 361013)

大型底棲動(dòng)物是指生活在海洋沉積物底內(nèi)、底表以及以水中生物和非生物體為依托并能被0.5 mm孔徑網(wǎng)篩所截留的底棲生態(tài)類群[1]，運(yùn)動(dòng)能力不強(qiáng)，被廣泛地用于指示其棲居環(huán)境質(zhì)量狀況[2-4]。生物多樣性是指在一定時(shí)間和一定地區(qū)所有生物物種及其遺傳變異和生態(tài)系統(tǒng)的總稱，是人類生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。香農(nóng)-威納(Shannon-Weaver)多樣性指數(shù)H′、AZTI海洋生物指數(shù)AMBI和多變量AZTI海洋生物指數(shù)M-AMBI是近年評(píng)價(jià)海洋環(huán)境使用較多的多樣性指數(shù)[5-16]。廈門島四面環(huán)海，沿岸海域由同安灣、馬鑾灣、西部海域、九龍江口海域、東部海域、南部海域等組成，屬于半封閉性河口海灣，海域總面積約390 km2，海岸線蜿蜒曲折，全長(zhǎng)234 km。近些年，廈門灣沿岸城市經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，海域污染日趨嚴(yán)重，底棲生物棲息地被破壞[17]。本研究以廈門灣為研究區(qū)域，于2012年夏季，在廈門灣各海域進(jìn)行采樣調(diào)查，分析廈門灣大型底棲動(dòng)物的生物多樣性現(xiàn)狀，以及其與環(huán)境理化因子的相關(guān)關(guān)系，為廈門灣的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 野外調(diào)查與采樣

本次調(diào)查于2012年8月在廈門灣海域布設(shè)25個(gè)潮下帶大型底棲動(dòng)物取樣站。站位分布圖見圖1。其中1～3號(hào)取樣站位于同安灣頂部海域，4～10號(hào)取樣站位于同安灣口與東海域交界處，11～15號(hào)取樣站位于高崎機(jī)場(chǎng)埭遼排污口附近海域，16～20號(hào)取樣站位于廈門東海域，21號(hào)取樣站位于九龍江口海域，22～25號(hào)取樣站位于杏林灣內(nèi)。潮下帶大型底棲動(dòng)物采用面積為0.20 m×0.25 m(0.05 m2)的蚌式采泥器取樣，每站連續(xù)采集沉積物4斗。沉積物樣經(jīng)淘洗后，用網(wǎng)目為0.5 mm的篩網(wǎng)分選，分離出大型底棲動(dòng)物標(biāo)本。各個(gè)樣站的4個(gè)平行樣裝入一瓶，用5%福爾馬林固定，并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行大型底棲生物計(jì)數(shù)、稱重和數(shù)據(jù)處理。底棲動(dòng)物樣品的處理與分析均按《海洋調(diào)查規(guī)范》[18]的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，生物量采用樣品的濕重表示。水質(zhì)鹽度、pH、溶解氧數(shù)據(jù)，采用多功能水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀YSI6600現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，化學(xué)需氧量采用堿性高錳酸鉀法測(cè)定。沉積物數(shù)據(jù)中，有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化-還原容量法測(cè)定，硫化物采用碘量法測(cè)定，石油類采用紫外分光光度法測(cè)定。水質(zhì)和沉積物的采集、運(yùn)輸和保存依據(jù)《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》執(zhí)行[19-20]。

1.2 數(shù)據(jù)處理

選取物種數(shù)S、香農(nóng)-威納(Shannon-Weaver)多樣性指數(shù)H′、AMBI指數(shù)和M-AMBI指數(shù)計(jì)算大型底棲動(dòng)物的多樣性，利用SPSS軟件的Pearson相關(guān)性分析計(jì)算各指數(shù)與各環(huán)境因子間的相關(guān)關(guān)系。本文圖片由Surfer軟件繪制。

其中，香農(nóng)-威納(Shannon-Weaver)種類多樣性指數(shù)H′計(jì)算公式如下：

(1)

式中：H′——種類多樣性指數(shù)；N——單位面積樣品中收集到各類動(dòng)物的總個(gè)數(shù)；Ni——單位面積樣品中第i種動(dòng)物的個(gè)數(shù)；S——收集到的動(dòng)物種類數(shù)。

式(1)表明底棲動(dòng)物種類越多，H′值越大，水質(zhì)或底質(zhì)越好；反之，種類越少，H′值越小，水體或水質(zhì)污染越嚴(yán)重[9]。

AMBI指數(shù)計(jì)算公式如下：

AMBI={(0×%G1)+(1.5×%G2)+(3.0×%G3)+(4.5×%G4)+(6.0×%G5)}/100

(2)

式中：G1～G5代表軟相沉積環(huán)境中依大型底棲動(dòng)物對(duì)污染耐受程度不同而劃分的5個(gè)生態(tài)組群[6]。

AMBI值在0到7范圍內(nèi)波動(dòng)，AMBI值越高，底棲群落受擾動(dòng)程度越大，生態(tài)環(huán)境污染越嚴(yán)重。

M-AMBI指數(shù)采用了統(tǒng)計(jì)學(xué)中要素分析(Factor analysis，簡(jiǎn)稱FA)和判別分析(Discriminant analysis，簡(jiǎn)稱DA)將AMBI指數(shù)、多樣性指數(shù)H′和豐度指數(shù)有機(jī)融合起來。該指數(shù)計(jì)算方法與AMBI相似，從AZTI(西班牙漁業(yè)與技術(shù)研究所)的網(wǎng)站(http：//www.azti.es)上可以下載到相應(yīng)的應(yīng)用軟件和物組群落分類目錄。

M-AMBI指數(shù)的取值數(shù)范圍在0～1之間，且M-AMBI值越接近1，則該點(diǎn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好；M-AMBI值越接近0，則該點(diǎn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越差。

2 結(jié)果

2.1 多樣性指數(shù)的空間分布

2012年8月調(diào)查海區(qū)潮下帶大型底棲動(dòng)物共出現(xiàn)103種，分屬海綿動(dòng)物門、刺胞動(dòng)物門、紐形動(dòng)物門、環(huán)節(jié)動(dòng)物門、軟體動(dòng)物門、節(jié)肢動(dòng)物門、棘皮動(dòng)物門以及脊索動(dòng)物門8門。本次調(diào)查中各站位底棲動(dòng)物種類數(shù)有明顯變化，分布區(qū)間為1～29種，平均為11種。其中位于東海域的16號(hào)取樣站種類數(shù)最多，為29種，位于埭遼排污口附近的12號(hào)和位于杏林灣內(nèi)的22號(hào)取樣站最少，均只有1種。各海區(qū)站位平均種類數(shù)以東海域最多，為19種/站，其次是九龍江口海域，為17種/站，同安灣口海域?yàn)?2種/站，埭遼排污口附近海域?yàn)?種/站，杏林灣海域?yàn)?種/站，同安灣頂部海域最低，平均種類數(shù)為3種/站(圖2)。

2012年8月調(diào)查海域大型底棲動(dòng)物多樣性指數(shù)H′有明顯的站位變化，各站位分布區(qū)間在0～4.457之間，平均值為2.328。其中位于東海域的16號(hào)取樣站多樣性指數(shù)H′最高，為4.457，位于埭遼排污口附近的12號(hào)站和位于杏林灣內(nèi)的22號(hào)取樣站最低，均為0。各海區(qū)站位平均生物多樣性指數(shù)H′以東海域最高，為3.723，其次是同安灣口海域，為2.843，埭遼排污口海域?yàn)?.000，九龍江口海域?yàn)?.691，杏林灣海域?yàn)?.424，同安灣頂部海域最低，為0.762(圖3)。

2012年8月調(diào)查海域大型底棲動(dòng)物AMBI有明顯的站位變化，分布區(qū)間在0.201～4.500之間，平均值為1.739。其中位于埭遼排污口附近海域的12號(hào)取樣站AMBI最高，為4.500，位于同安灣口海域的4號(hào)取樣站最低，為0.201。各海區(qū)站位平均AMBI值以九龍江口海域最高，為3.750，其次是同安灣頂海域，為2.085，埭遼排污口附近海域?yàn)?.930，杏林灣海域?yàn)?.888，東海域?yàn)?.614，同安灣口海域最低，為1.169(圖4)。

2012年8月調(diào)查海域大型底棲動(dòng)物M-AMBI有明顯的站位變化，分布區(qū)間在0.107～0.967之間，平均值為0.538。其中東海域的16號(hào)取樣站M-AMBI最高，為0.967，埭遼排污口附近海域的12號(hào)取樣站最低，為0.107。各海區(qū)站位平均M-AMBI值以東海域最高，為0.738；其次是同安灣口海域，為0.620；埭遼排污口海域?yàn)?.486；九龍江口海域?yàn)?.431；杏林灣海域?yàn)?.395；同安灣頂部海域最低，為0.323(圖5)。

2.2 多樣性指數(shù)與環(huán)境因子的相關(guān)分析

表1為各站位多樣性指數(shù)，表2為各站位環(huán)境理化因子數(shù)值，表3為各多樣性指數(shù)與理化因子的相關(guān)關(guān)系，其中有機(jī)碳、硫化物和石油類為沉積物參數(shù)，其它為水質(zhì)參數(shù)。

表1 廈門灣大型底棲動(dòng)物多樣性

續(xù)表1

表2 廈門灣各取樣站環(huán)境因子

表3 廈門灣大型底棲動(dòng)物多樣性與環(huán)境因子的相關(guān)分析

注：*在P<0.05水平上顯著，**在P<0.01水平上顯著，ns：無顯著性相關(guān)。

Notes：*correlation was significant at the 0.05 level；**correlation was significant at the 0.01 level；ns：no significant correlation.

各站位種類數(shù)與硫化物、石油類之間無顯著相關(guān)關(guān)系。與有機(jī)碳之間有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；與鹽度之間有顯著正相關(guān)關(guān)系；與pH之間有極顯著正相關(guān)關(guān)系；與溶解氧之間有極顯著正相關(guān)關(guān)系；與化學(xué)需氧量之間有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

各站位多樣性指數(shù)H′與有機(jī)碳之間有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；與硫化物之間有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；與石油類之間有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；與鹽度之間有極顯著正相關(guān)關(guān)系；與pH之間有極顯著正相關(guān)關(guān)系；與溶解氧之間有極顯著正相關(guān)關(guān)系；與化學(xué)需氧量之間有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

各站位AMBI與有機(jī)碳、pH、溶解氧、化學(xué)需氧量間均無顯著相關(guān)關(guān)系。與硫化物之間有極顯著正相關(guān)關(guān)系；與石油類之間有極顯著正相關(guān)關(guān)系；與鹽度之間有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

各站位M-AMBI與有機(jī)碳之間有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；與硫化物之間有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；與石油類之間有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；與鹽度之間有極顯著正相關(guān)關(guān)系；與pH之間有極顯著正相關(guān)關(guān)系；與溶解氧之間有極顯著正相關(guān)關(guān)系；與化學(xué)需氧量之間有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 討論

廈門灣海域中同安灣頂、杏林灣和埭遼海域均處于海灣內(nèi)部，水動(dòng)力交換較弱，且受到較強(qiáng)程度的陸源排污影響，海域環(huán)境質(zhì)量較差，尤其是灣頂離岸邊較近站點(diǎn)和排污口附近站點(diǎn)。九龍江口海域主要受到九龍江淡水和陸源排污匯入影響，調(diào)查期間也受到航道疏浚工程的一定擾動(dòng)影響。東海域靠近外海，遠(yuǎn)離陸地，水動(dòng)力交換較強(qiáng)，陸源污染物被稀釋較多，環(huán)境質(zhì)量較好。同安灣口位于同安灣與東海域交界之處，環(huán)境質(zhì)量介于二者之間。

本次調(diào)查共采集記錄到廈門灣大型底棲動(dòng)物8門103種。其中環(huán)節(jié)動(dòng)物多毛類種類最多，其次是軟體動(dòng)物。廈門灣大型底棲動(dòng)物以體型小、適應(yīng)范圍廣、繁殖力強(qiáng)的r對(duì)策種為主，說明廈門灣底棲生態(tài)環(huán)境退化情況比較明顯[21]。各海區(qū)站位平均種類數(shù)分布趨勢(shì)為東海域>九龍江口海域>同安灣口海域>埭遼排污口附近海域>杏林灣海域>同安灣頂部海域。平均生物多樣性指數(shù)H′分布趨勢(shì)為東海域>同安灣口海域>埭遼排污口附近海域>九龍江口海域>杏林灣海域>同安灣頂部海域。平均AMBI值分布趨勢(shì)為九龍江口海域>同安灣頂海域>埭遼排污口附近海域>杏林灣海域>東海域>同安灣口海域。平均M-AMBI值分布趨勢(shì)為東海域>同安灣口海域>埭遼排污口附近海域>九龍江口海域>杏林灣海域>同安灣頂部海域，M-AMBI分布趨勢(shì)與多樣性指數(shù)H′分布趨勢(shì)一致，因?yàn)镸-AMBI的計(jì)算與多樣性指數(shù)H′有很大相關(guān)性。按照平均多樣性指數(shù)H′來評(píng)價(jià)廈門海域的健康狀況，東海域?yàn)榍鍧嵑Ｓ?，同安灣口和埭遼排污口附近海域?yàn)檩p度污染海域，杏林灣和九龍江口海域?yàn)橹卸任廴竞Ｓ?，同安灣頂部海域?yàn)橹囟任廴竞Ｓ?。按照AMBI值來評(píng)價(jià)，除了九龍江口海域?yàn)檩p度污染，其它海域皆為清潔海域。按照M-AMBI值來評(píng)價(jià)，東海域和同安灣口海域?yàn)榍鍧嵑Ｓ?，九龍江口和埭遼排污口附近海域?yàn)檩p度污染海域，杏林灣和同安灣頂部海域?yàn)橹卸任廴竞Ｓ?。AMBI指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)另兩種指數(shù)偏高。種類數(shù)和多樣性指數(shù)H′以及M-AMBI值的空間分布趨勢(shì)表明，廈門灣海域環(huán)境總體為近岸較差、外海較好，東海域的健康狀況普遍好于各內(nèi)灣，這與人類活動(dòng)影響的強(qiáng)度分布如各類陸源污染物的匯入，以及海域水動(dòng)力環(huán)境的好壞相一致。而AMBI的分布趨勢(shì)顯示，從九龍江口往北往東延伸，海域沉積環(huán)境逐漸好轉(zhuǎn)。

與理化因子的相關(guān)分析表明：多樣性指數(shù)H′和M-AMBI與各環(huán)境因子間相關(guān)關(guān)系均較強(qiáng)，AMBI只與硫化物、鹽度、石油類之間有顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系。種類數(shù)與有機(jī)碳、鹽度、pH、溶解氧、化學(xué)需氧量之間有顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系。其中有機(jī)碳、硫化物、石油類和化學(xué)需氧量反映了水體的污染狀況，鹽度和pH一般隨著離岸距離增加而升高。多樣性指數(shù)H′和M-AMBI與各因子具有較強(qiáng)相關(guān)性，說明該指數(shù)可以較好地反映環(huán)境壓力。AMBI在本實(shí)驗(yàn)中與環(huán)境因子關(guān)聯(lián)性較差，且評(píng)價(jià)結(jié)果普遍偏高，無法敏感地響應(yīng)環(huán)境壓力，說明其不適用于評(píng)價(jià)廈門海域[22]。

香農(nóng)-威納生物多樣性指數(shù)H′在國(guó)內(nèi)外常被用來描述生物群落的生態(tài)學(xué)特征，也常被用來監(jiān)測(cè)淡水、海水底棲生物群落結(jié)構(gòu)的變化，被認(rèn)為能較好地評(píng)價(jià)水體的污染程度，在我國(guó)一直被廣泛應(yīng)用。M-AMBI充分考慮到群落結(jié)構(gòu)狀況的好壞以及各個(gè)物種的環(huán)境敏感程度，可以有效地評(píng)價(jià)河口和近岸海域軟底質(zhì)底棲生態(tài)質(zhì)量狀況。在本次實(shí)驗(yàn)中，兩種指數(shù)與環(huán)境因子呈現(xiàn)較強(qiáng)相關(guān)性，可較敏感地響應(yīng)廈門灣海域環(huán)境的空間變化，很好地指示海域沉積環(huán)境和水體富營(yíng)養(yǎng)化的壓力變化，較為適合在本研究區(qū)域使用。