天津市近岸海域秋季浮游動物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子相關(guān)性

師艷麗，張依章1,*，閆禎，常寶健，張勝，陳振宇，平令文，曹英杰

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院

2.天津市濱海新區(qū)環(huán)境創(chuàng)新研究院

3.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

浮游動物廣泛存在于湖泊、河流和海洋等生境中[1]，參與生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量的流通，是水生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)中的重要因素[2]。浮游動物對環(huán)境變化和人為活動影響極為敏感，其群落結(jié)構(gòu)多樣性隨水溫、pH、營養(yǎng)鹽等水環(huán)境因子變化而呈現(xiàn)差異性[3]，這種群落結(jié)構(gòu)差異性常被用來客觀地指示和評估水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[4]。除水體理化指標(biāo)外，浮游植物和魚類等生物量也是影響浮游動物群落結(jié)構(gòu)多樣性的重要因素[5]。葉文建等[6]研究表明，溫度、鹽度(Salt)、葉綠素a（Chla）和營養(yǎng)鹽濃度是導(dǎo)致舟山海域大中型浮游動物群落結(jié)構(gòu)時空變化的主要因素；陳業(yè)等[7]研究表明，水位、水溫、總磷和總氮濃度等是影響洪澤湖浮游動物時空分布的主要因素。浮游動物作為魚類生長重要的餌料，魚類捕食也是影響其群落變化的重要因素[8]。此外，水生植物類型[9]、植被覆蓋度[10]等也會對其群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

天津市近岸海域處于渤海灣灣底，海域管轄面積約3 000 km2，屬于半封閉內(nèi)海，為渤海灣與河口的交界處，是天津市重要的漁業(yè)水域[11-12]。隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，化工生產(chǎn)、港口建設(shè)與運輸、圍填海和水產(chǎn)養(yǎng)殖等活動日益增多[13]，使該近岸海域生態(tài)環(huán)境遭到破壞，浮游動物種類組成及數(shù)量等發(fā)生變化。關(guān)于天津市近岸海域浮游動物的相關(guān)調(diào)查與研究時間較早，如高文勝等[14]基于2004—2009 年監(jiān)測數(shù)據(jù)，對渤海灣近岸海域浮游動物多樣性進行分析；王宇等[15]于2012 年春季對渤海灣天津市海域浮游動物群落結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境因子的關(guān)系進行了調(diào)查研究。近幾年來，針對天津市近岸海域浮游動物的研究鮮有報道，對該海域生態(tài)環(huán)境狀況的評價不夠。筆者基于2020 年9 月對天津市近岸海域浮游動物的調(diào)查數(shù)據(jù)，利用生物多樣性指數(shù)評價法分析浮游動物多樣性分布差異，利用冗余分析法（RDA）分析浮游動物多樣性與水環(huán)境因子之間的相關(guān)性，利用主成分分析法（PCA）分析影響天津市近岸海域浮游動物多樣性分布的主要水環(huán)境因子，以期為加強渤海灣天津市近岸海域生態(tài)環(huán)境管理和保護提供科學(xué)參考和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

于2020 年9 月在天津市近岸海域布設(shè)16 個采樣點（圖1），進行水質(zhì)和浮游動物樣品采集。各采樣點水深（d）變化范圍為3.3～12.5 m，平均水深為7.05 m。依據(jù) GB/T 12763.1—2007《海洋調(diào)查規(guī)范 第1部分：總則》[16]進行樣品采集。浮游動物樣品采用淺水Ⅰ型浮游生物網(wǎng)由底到表層垂直拖網(wǎng)進行采集，采集到的樣品裝入1 000 mL 塑料瓶中，現(xiàn)場加5%福爾馬林溶液固定保存，帶回實驗室利用體視顯微鏡進行鑒定和計數(shù)。采用便攜式多參數(shù)水質(zhì)測量儀（SEBAsn3476，德國）現(xiàn)場測定水體pH、溶解氧（DO）濃度、鹽度（Salt）、懸浮物（SS）濃度和Chla 濃度[17]，根據(jù)GB 17 378.4—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范 第4 部分：海水分析》[18]測定水體氨氮（）、活性磷酸鹽、硝氮（）和石油類濃度及化學(xué)需氧量（COD）。

圖1 天津市近岸海域浮游動物采樣點分布Fig.1 Distribution of zooplankton sampling sites in Tianjin coastal marine areas

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析

應(yīng)用Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（H′）[19]、Margalef豐富度指數(shù)（D）[20]、Pielou 均勻度指數(shù)（J）[21]和Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)（C）[22]、生物多樣性閾值（Dy）[17]對天津近岸海域浮游動物多樣性進行分析評價。Dy評價標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。運用Canoco for Windows 4.5 軟件進行浮游動物與水環(huán)境因子間的RDA 和PCA 分析，運用ArcGIS 10.5 軟件制作采樣點分布圖。

表1 Dy 分級評價標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation standard for the biodiversity threshold classification

2 結(jié)果與分析

2.1 近岸海域水環(huán)境因子特征

天津市近岸海域各采樣點pH 為7.90～8.07，變化幅度較小，水體偏堿性；DO 濃度為7.96～9.43 mg/L，平均值為8.27 mg/L；Salt 為28.9～31.0；SS 濃度 為2.0～7.7 mg/L，平均值 為5.0 mg/L；COD 為0.74～1.16 mg/L，平均值為0.97 mg/L；濃度為0.02～0.39 mg/L；濃度為0.11～0.44 mg/L；Chla 濃度為1.28～3.54 μg/L，平均值為2.35 μg/L。各采樣點pH、DO、Salt、SS、COD、、Chla 和指標(biāo)均達到GB 3097—1997《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》第一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)?；钚粤姿猁}濃度為0.010～0.024 mg/L，平均值為0.020 mg/L，其中12.5%采樣點的濃度達到第三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；石油類濃度為0.01～0.06 mg/L，平均值為0.13 mg/L，其中37.5%和18.75%采樣點的濃度分別達第四類和劣四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 浮游動物群落結(jié)構(gòu)多樣性

2.2.1 物種組成

本次監(jiān)測到浮游動物共計5 大類群18 種（表2），主要類群為浮游幼蟲、毛顎類、有尾類、橈足類和原生動物。其中，橈足類為主要類群，有9 種，占浮游動物類群總量的50%；其次是浮游幼蟲，有6 種；毛顎類、有尾類和原生動物均調(diào)查到1 種，分別為強壯箭蟲（Sagitta crassa）、異體住囊蟲（Oikopleura dioica）和夜光蟲（Noctiluca scientillans）；物種數(shù)量占比較多的有橈足類幼體（Copepodite larva）、近緣大眼劍水蚤（Corycaeus affinis）、橈足類無節(jié)幼蟲〔Nauplius larva（Copepoda）〕、小擬哲水蚤（Paracalanus parvus）和夜光蟲（Noctiluca scientillans）等。

表2 天津市近岸海域浮游動物物種名錄Table 2 List of zooplankton species in Tianjin coastal marine areas

2.2.2 物種多樣性

16 個采樣點中，浮游動物物種數(shù)最多的為9 號和13 號采樣點（表3），均有10 種，8 號采樣點物種數(shù)最少，僅為1 種；各采樣點D平均值為1.37，其中9 號采樣點最高（2.30）；各采樣點H'平均值為1.31，其中13 號采樣點最高（2.02）；各采樣點J平均值為0.71，其中7 號采樣點最高（0.94）；各采樣點C平均值為0.36，其中8 號采樣點最高（1.00），13 號采樣點最低，僅為0.13；各采樣點總生物量平均值為850 mg/m3，其中14 號采樣點最高（1 611 mg/m3），1 號采樣點最低（256 mg/m3）。75%的采樣點Dy屬于Ⅱ級，生物多樣性一般；12.5%的采樣點Dy屬于Ⅰ級，生物多樣性較差；只有13 號采樣點Dy為1.78，屬于Ⅲ級，生物多樣性較好；8 號采樣點檢測到1 種浮游動物，無法計算閾值。本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)不同采樣點的生物多樣性指數(shù)表現(xiàn)出差異性，可能與采樣點水體中SS 濃度、氨氮濃度、pH 等水環(huán)境因子有關(guān)。

表3 天津市近岸海域各采樣點浮游動物多樣性Table 3 Diversity of zooplankton at monitoring sites in Tianjin coastal marine areas

2.3 相關(guān)性分析

除趨勢 對應(yīng)分 析（detrended correspondence analysis，DCA）排序結(jié)果表明，前4 個軸最大值均小于3，因此選擇RDA 探討浮游動物多樣性與水環(huán)境因子之間的關(guān)系，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知，pH、SS、、活性磷酸鹽、DO、COD、Salt、Chla、、d和石油類10 個水環(huán)境因子與H'、D、J、C和總生物量5 個生物多樣性指數(shù)之間前2 個排序軸的相關(guān)性分別為0.599 和0.809，前2 個排序軸累積解釋量達到97.8%，該分析結(jié)果可準(zhǔn)確反映浮游動物群落多樣性與水環(huán)境因子之間關(guān)系。SS 與總生物量、D、J、H'之間均呈負(fù)相關(guān)；活性磷酸鹽與J、H'呈正相關(guān)，與其他生物多樣性指數(shù)均呈負(fù)相關(guān)；pH、Salt 與C呈負(fù)相關(guān)，與其他生物多樣性指數(shù)呈正相關(guān)；Chla、與C、J呈正相關(guān)，與其他生物多樣性指數(shù)呈負(fù)相關(guān)；DO 與C和總生物量呈負(fù)相關(guān)，與其他生物多樣性指數(shù)呈正相關(guān)；石油類與C呈負(fù)相關(guān)，與其他生物多樣性指數(shù)呈正相關(guān)，d與C之間呈負(fù)相關(guān)，與其他生物多樣性指數(shù)呈正相關(guān)。此外，活性磷酸鹽、Chla、COD 與等水環(huán)境理化指標(biāo)之間呈現(xiàn)不同程度的正負(fù)相關(guān)性。

圖2 天津市近岸海域浮游動物多樣性與環(huán)境因子RDA 分析Fig.2 RDA of zooplankton diversity and environmental factors in Tianjin coastal marine areas

2.4 主成分分析

PCA 排序圖中，環(huán)境因子箭頭越長，表示該項環(huán)境因子載荷越大[23]，對環(huán)境影響越大。天津市近岸海域水環(huán)境因子PCA 分析結(jié)果如圖3 所示。天津近岸海域水環(huán)境因子主成分排序PC1 和PC2 兩個排序軸累積解釋量達到88.1%，說明分析結(jié)果可準(zhǔn)確反映該區(qū)域主要的水環(huán)境影響因子。由圖3 可知，天津市近岸海域影響浮游動物物種分布的主要影響因子為d、SS、活性磷酸鹽、Chla 和，其次為pH 和Salt，而COD 和DO 影響較小。環(huán)境影響因子相似或差異較小的可聚為一類[24]，表明不同污染物具有同源性特征[25]。圖3 中采樣點較為分散，表明天津市近岸海域各采樣點對應(yīng)的環(huán)境影響因子不同，各采樣點水體主要污染物來源差異較大。本次監(jiān)測的水環(huán)境指標(biāo)中，SS、活性磷酸鹽、Chla 和是影響水環(huán)境質(zhì)量的主要因子，此外季風(fēng)、洋流等其他因素也可能對水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生影響。

圖3 天津市近岸海域水環(huán)境因子PCA 分析Fig.3 PCA of water environment factors in Tianjin coastal marine areas

3 討論

3.1 水環(huán)境理化指標(biāo)與浮游動物多樣性特征

對于天津市近岸海域水環(huán)境質(zhì)量狀況與浮游動物多樣性分布特征的調(diào)查研究較少，地域特征揭示依然不夠。本次監(jiān)測的水體理化指標(biāo)評價結(jié)果表明，調(diào)查范圍內(nèi)水質(zhì)狀況良好，部分點位存在石油類超標(biāo)風(fēng)險，石油類濃度達到第四類和劣四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。16 個采樣點浮游動物多樣性指數(shù)D、H'、J、C和總生物量表現(xiàn)出不同程度的差異性，其中J基本高于0.6，最高值接近于1，表明研究區(qū)域內(nèi)浮游動物均勻度較高；H'平均值為1.31，最大值達到2.02，表明研究區(qū)域內(nèi)浮游動物群落結(jié)構(gòu)處于比較復(fù)雜、穩(wěn)定的狀態(tài)。研究區(qū)75%的采樣點生物多樣性閾值屬于Ⅱ級，生物多樣性一般。

天津市近岸海域浮游動物多樣性監(jiān)測結(jié)果表明，橈足類為主要類群，占浮游動物類群總量的50%。橈足類是淡水及海洋生態(tài)系統(tǒng)中重要的浮游動物之一，隸屬節(jié)肢動物門甲殼綱橈足亞綱，屬于小型甲殼動物[26]。高文勝等[14]基于2004—2009 年渤海灣近岸海域浮游動物監(jiān)測數(shù)據(jù)，共鑒定出浮游動物9 大類48 種，其中橈足類占總種類數(shù)的33.33%，浮游幼蟲占總種類數(shù)的43.75%，且研究表明2005—2007 年浮游動物多樣性指數(shù)呈下降趨勢，2008 年后多樣性指數(shù)有所提升，夏季物種多樣性高于春季。王宇等[15]于2012 年春季在渤海灣天津近岸海域設(shè)12 個監(jiān)測點，調(diào)查到浮游動物有28 種，其中橈足類物種數(shù)最多，分析表明Salt、溫度、透明度和水深對浮游動物分布具有重要影響。本次調(diào)查所監(jiān)測到的浮游動物種類有18 種，與歷史研究結(jié)果相比發(fā)現(xiàn)，天津市近岸海域浮游動物種類數(shù)有所下降，這可能與采樣點位設(shè)置、采樣季節(jié)及環(huán)境變化等有關(guān)，但橈足類均是近年來監(jiān)測到的主要類群。龐碧劍等[27]調(diào)查表明北部灣近岸海域橈足類是種類數(shù)最多的終生性浮游動物，橈足類浮游動物廣泛分布于近岸海域中，是海域生態(tài)系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。

3.2 浮游動物與環(huán)境因子的關(guān)系

近岸海域浮游動物群落結(jié)構(gòu)多樣性受氣候條件、環(huán)境因子和人類活動等影響表現(xiàn)出差異性[28-29]，其中環(huán)境因子包括自然環(huán)境、水體理化性質(zhì)、棲息地和生境質(zhì)量等因子[30]。天津市近岸海域浮游動物多樣性與水環(huán)境因子之間呈現(xiàn)不同程度的相關(guān)性，影響浮游動物分布的主要水環(huán)境因子為SS、Chla、和活性磷酸鹽。

SS 濃度對浮游動物生長有一定的影響，研究發(fā)現(xiàn)隨著SS 濃度增加，浮游動物死亡率增加，水體中SS 濃度過高會對浮游動物生長產(chǎn)生抑制作用[31-32]，本研究SS 與浮游動物多樣性指數(shù)之間呈負(fù)相關(guān)，說明SS 對天津市近岸海域浮游動物多樣性產(chǎn)生了抑制作用。Chla 是衡量水生植物的重要指標(biāo)，通過直接或間接作用對浮游動物生長產(chǎn)生抑制或促進作用，水體中氮、磷營養(yǎng)鹽濃度對浮游動物多樣性分布產(chǎn)生重要影響[33]，本研究Chla 與總生物量之間呈負(fù)相關(guān)，、活性磷酸鹽與浮游動物生物多樣性指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，表明Chla、和活性磷酸鹽對浮游動物生物量產(chǎn)生抑制作用，竇勇等[34]的研究也表明氮鹽對浮游動物存活可能存在一定的抑制作用。此外，已有研究表明水溫和Salt 也是影響浮游動物生長和分布的重要因子[35]，高溫條件不適宜小擬哲水蚤生存，雙毛紡錘水蚤更適宜于低鹽環(huán)境，水溫、鹽條件差異是影響浮游動物群落結(jié)構(gòu)變化的主要因素[36]。本研究Salt 與H'、D、J、C和總生物量之間呈正相關(guān)，由于此次采樣范圍位于渤海灣天津市近岸海域，屬于半封閉海灣，水體交換能力較差，水體Salt 變化范圍為28.9～31.0，適宜浮游動物生長。季節(jié)變化也是導(dǎo)致浮游動物群落結(jié)構(gòu)差異性的主要因素，秋季浮游動物豐度顯著高于春季和夏季[37]，Liu 等[38]研究表明，浮游動物豐度和生物量夏季最高，其次為春季和秋季，冬季最低。本研究在秋季對天津市近岸海域浮游動物多樣性展開調(diào)查，與已有調(diào)查結(jié)果相比，浮游動物多樣性群落較低，可能與季節(jié)變化存在一定關(guān)系。水體酸堿性也是影響浮游動物分布的重要因子，本研究水體pH 為7.90～8.07，偏堿性，橈足類為主要物種，高原等[39]研究結(jié)果也表明，橈足類更適宜生活在偏堿性水體中。不同種類浮游動物對COD、石油類等水生態(tài)環(huán)境影響因子的耐受性也是影響多樣性分布的重要因素[40]。本次監(jiān)測COD 為0.74～1.16 mg/L，達到第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但COD 與浮游動物多樣性指數(shù)H'、D、J和總生物量之間呈負(fù)相關(guān)，表明本次所檢出的18 種浮游動物對有機污染耐受能力較弱；石油類是影響天津市近岸海域水質(zhì)的主要因子，但其對浮游動物影響較小，石油類與總生物量之間呈顯著正相關(guān)，表明浮游動物對石油類有較高的耐受力，也可能是由于長期受近岸海域石油開采等影響，浮游動物對該水域環(huán)境的耐受性增強。

4 結(jié)論

（1）天津市近岸海域浮游動物多樣性調(diào)查共鑒定出5 大類18 種，主要類群為浮游幼蟲、毛顎類和橈足類，優(yōu)勢種為橈足類幼體、近緣大眼劍水蚤、橈足類無節(jié)幼蟲等?；钚粤姿猁}和石油類濃度是天津市近岸海域水質(zhì)污染的主要指標(biāo)。

（3）橈足類是天津市近岸海域中主要的浮游動物類群，該類群更適宜生活在偏堿性的水體環(huán)境中。