三亞灣近岸海域浮游植物群落特征的變化

洪 鵬，曾 茹，何金曼，李智杰，李亞軍，張秀霞，閆 佳，鄧曉東

（1. 海南大學(xué) 海洋學(xué)院， 海口 570228; 2. 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 熱帶生物技術(shù)研究所 海南省海洋生物資源功能性成分研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， ?？?571101; 3. 海南熱帶農(nóng)業(yè)資源研究院， ?？?571101;4. 海南熱帶海洋學(xué)院 食品學(xué)院，海南 三亞 572022）

海洋作為地球生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳資源庫(kù)，對(duì)CO2的循環(huán)與固定起著極其重要的作用[1]。浮游植物是海洋中最主要的初級(jí)生產(chǎn)者，不僅在海洋碳循環(huán)中發(fā)揮著極其重要作用，而且對(duì)海洋中的氮、硫循環(huán)也具有著重要作用[2-4]。然而，由于各種污水、廢水的排放，導(dǎo)致近岸海域生態(tài)環(huán)境極易發(fā)生改變，造成藻類大量繁殖,暴發(fā)近岸海水赤潮，最終對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，同時(shí)嚴(yán)重威脅著海水養(yǎng)殖、人類健康和生態(tài)安全[5]。浮游植物的群落結(jié)構(gòu)和時(shí)空變化可間接反映浮游植物所處生態(tài)環(huán)境狀態(tài)的變化[6], 因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化，可及時(shí)了解周圍生態(tài)環(huán)境和水質(zhì)健康的狀況。

近年來(lái)，隨著三亞市旅游業(yè)、加工業(yè)及港口航運(yùn)等的迅猛發(fā)展，其近岸海洋生態(tài)環(huán)境受到空前壓力[7]，環(huán)境質(zhì)量受到了負(fù)面影響[8]。三亞灣緊挨三亞市區(qū)，是當(dāng)?shù)鼐用窈陀慰椭匾男蓍e活動(dòng)場(chǎng)所，近年來(lái)，其海灘不斷被侵蝕，近岸植被被破壞，這已影響到三亞灣的娛樂(lè)休閑功能[9]，并對(duì)三亞灣生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。賈磊等[10]對(duì)三亞灣表層沉積物重金屬分布特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域已受到Cd 污染。然而，目前對(duì)三亞灣浮游植物群落特征和水質(zhì)的調(diào)查研究報(bào)道并不多。本研究擬通過(guò)對(duì)海南三亞灣近岸海域網(wǎng)采浮游植物和水質(zhì)的采樣調(diào)查，探究浮游植物的群落結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)種種類、多樣性特征和對(duì)水質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，分析浮游植物與水環(huán)境因子之間的響應(yīng)關(guān)系，評(píng)估水體環(huán)境的污染狀況，旨在了解三亞灣生態(tài)環(huán)境的變化，便于當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門及早采取風(fēng)險(xiǎn)管控措施，減少環(huán)境惡化所帶來(lái)的危害和為赤潮預(yù)警與海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)域及站位設(shè)置通過(guò)參考《海洋調(diào)查規(guī)范》[11]和結(jié)合三亞灣實(shí)際的地理特征和水文環(huán)境，在海南島三亞灣附近海域（109°23′07.64″～109°29′15.72″E，18°15′03.03″～18°17′11.49″N）設(shè)置了4 個(gè)調(diào)查站位，分別于2020 年4 月和2021年4 月進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查站位地理坐標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 三亞灣調(diào)查站位地理坐標(biāo)

1.2 樣本的采集、處理與鑒定根據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范》[12]中的調(diào)查規(guī)定對(duì)三亞灣浮游植物樣本進(jìn)行采樣與處理。利用淺水Ⅲ型浮游生物網(wǎng)采樣，采集的樣品被甲醛溶液固定，最終濃度為4%。樣品靜置、濃縮后，取0.1 mL 均勻樣品置于計(jì)數(shù)框中，在生物顯微鏡（LEICADM6000B）下進(jìn)行計(jì)數(shù)和鑒定。

1.3 水質(zhì)的測(cè)定用1.5 L 采水器采集混合水樣，裝入1 L 樣品瓶中，水質(zhì)物理指標(biāo)（pH、電導(dǎo)率、溶解氧、鹽度、水溫）采用KEDIDDA 便攜式相關(guān)指標(biāo)水質(zhì)檢測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，TN、TP、NH4+-N 等在水樣采集后帶回實(shí)驗(yàn)室，利用哈希DR3900多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀來(lái)分析，具體操作按照哈希水質(zhì)儀配套的相關(guān)檢測(cè)試劑使用說(shuō)明進(jìn)行。

1.4 分析方法

1.4.1 浮游植物群落特征指數(shù)計(jì)算及評(píng)價(jià)方法采用Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（H′）、Pielou 均勻度指數(shù)（J）、優(yōu)勢(shì)度（Y）和豐富度指數(shù)（d）對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析評(píng)價(jià)[13-14]。

式中,ni為第i種的個(gè)體數(shù)量；N為全部物種的個(gè)體數(shù)。

式中，S表示樣品中浮游植物的總種類數(shù)；H′為多樣性指數(shù)。

式中，N為全部物種的個(gè)體數(shù)；S表示樣品中浮游植物的總種類數(shù)。

式中，Pi=ni/N；fi為第i種的出現(xiàn)頻率。

1.4.2 統(tǒng)計(jì)分析相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 初步處理，統(tǒng)計(jì)學(xué)差異性分析使用DPS 18.10 軟件，Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)采用SPSS 25.0 軟件，采用origin.2022和ArcMap 10.8 作圖，分別將浮游植物的2020 年和2021 年優(yōu)勢(shì)度排名前10 的物種數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò) lg（X+1）轉(zhuǎn)換，通過(guò)R 4.2.1 去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析（DCA），結(jié)果顯示2020 年和2021 年4 個(gè)排序軸中的最大值分別為0.404 29 和0.980 64，均小于3，故在軟件Canoco 5.0 中選擇線性模型（RDA）對(duì)三亞灣浮游植物與環(huán)境因子進(jìn)行排序分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游植物種類組成在2020 年和2021 年前后2 個(gè)航次采集到的樣品中，分別鑒定出浮游植物4 門98 種和3 門65 種（圖1），其中，均以硅藻門種類占多數(shù)，分別為78 種和62 種，占浮游植物總種類數(shù)的79.60%和96.92%。甲藻門和藍(lán)藻門種類2021 年的比2020 年的減少，2020 年和2021 年的甲藻門分別為14 種和1 種，2020 年和2021 年的藍(lán)藻門分別為5 種和2 種。2020 年還鑒定出一種隱藻，占總種類數(shù)的1%（圖1）。

圖1 三亞灣各調(diào)查站位浮游植物物種數(shù)

2.2 浮游植物細(xì)胞密度調(diào)查區(qū)域內(nèi)，2020 年浮游植物細(xì)胞密度明顯高于2021 年，2020 年浮游植物細(xì)胞密度介于58.21×104～119.32×104個(gè)·m-3，平均值為103.1×104個(gè)·m-3，2021 年浮游植物的細(xì)胞密度介于1.47×104～78.78×104個(gè)·m-3，平均值為41.42×104個(gè)·m-3，比2020 年降低了59.83%。物種組成方面，2020 年和2021 年浮游植物均以硅藻類占絕大多數(shù)，分布最為廣泛，2020 年硅藻門浮游植物細(xì)胞密度平均占比為98.85%，2021 年平均占比為99.84%，為2 個(gè)航次的調(diào)查中的優(yōu)勢(shì)類群。除此以外，2021 年的硅藻門、甲藻門、藍(lán)藻門的種類數(shù)均低于2020 年（圖2）。

圖2 各門浮游植物空間分布

2.3 浮游植物優(yōu)勢(shì)種將浮游植物優(yōu)勢(shì)度≥0.02 的種類作為該海域的優(yōu)勢(shì)種類。2020 年和2021 年浮游植物優(yōu)勢(shì)種分別為8 種和9 種，按優(yōu)勢(shì)度大小依次排列，2020 年：角毛藻屬＞海洋角毛藻＞勞氏角毛藻＞尖刺擬菱形藻＞并基角毛藻＞柔弱擬菱形藻＞扁面角毛藻＞窄隙角毛藻，2021 年：大角管藻＞勞氏角毛藻＞角毛藻＞擬旋鏈角毛藻＞翼根管藻纖細(xì)變型＞菱形海線藻＞覆瓦根管藻＞雙凹梯形藻＞短角彎角藻。角毛藻屬為第一優(yōu)勢(shì)種，優(yōu)勢(shì)度為0.221，平均密度為15.74×104個(gè)·m-3，在SYW1-1號(hào)站位密度最大。大角管藻為2021 年第一優(yōu)勢(shì)種，優(yōu)勢(shì)度為0.157，平均細(xì)胞密度為6.51×104個(gè)·m-3，在SYW3-1 號(hào)站位密度最大。具體詳見(jiàn)表2 和圖3。

圖3 優(yōu)勢(shì)種空間分布

表2 浮游植物優(yōu)勢(shì)種

2.4 浮游植物群落聚類分析當(dāng)相似尺度為40%時(shí)，2020 年和2021 年的調(diào)查站位可分為四類群落，2020 年SYW1-1 為Ⅰ類，SYW2-1 和SYW3-1為Ⅱ類，SYW3-1 為Ⅲ類，2021 年的4 個(gè)調(diào)查站位為Ⅳ類（圖4）。Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)表明Ⅳ類浮游植物群落與Ⅱ和Ⅲ類浮游植物群落存在顯著性差異（P＜0.05），與Ⅰ類則不存在顯著性差異（P＞0.05），綜合說(shuō)明2021 年浮游植物群落結(jié)構(gòu)與2020 年存在明顯差異（圖5）。

圖4 三亞灣2020 年和2021 年浮游植物聚類分析

圖5 Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)

2.5 浮游植物多樣性、均勻度及豐富度浮游植物多樣性指數(shù)是反映其種類的多寡和各個(gè)種類數(shù)量差異的函數(shù)關(guān)系，均勻度則反映其種類數(shù)量的分布情況，可以作為生態(tài)監(jiān)測(cè)的參數(shù)。一般多樣性指數(shù)大于等于3.0 時(shí)， 表明生態(tài)環(huán)境優(yōu)良；豐富度指數(shù)大于等于3 時(shí)，表明水質(zhì)輕度污染或無(wú)污染，大于等于1 小于3 時(shí)，表明水質(zhì)中度污染，小于1 時(shí)，表明水質(zhì)重度污染。三亞灣2020 年和2021 年浮游植物4 個(gè)站位的多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)的平均值差異不大，2020 年多樣性指數(shù)均值為3.35，高于2021 年的3.27；2020 年均勻度指數(shù)均值為0.59，低于2021 年的0.66；2020 年豐富度指數(shù)均值為3.72，高于2021 年的2.5。2021 年SYW1-1 站位的多樣性指數(shù)比2020 年明顯降低了43.15%，豐富度指數(shù)明顯降低了73.60%，而2021 年SYW2-1 站位的均勻度指數(shù)比2020 年明顯升高了29.82%（圖6）。

圖6 三亞灣各站位浮游植物多樣性指數(shù)、均勻度和豐富度指數(shù)

2.6 三亞灣浮游植物與環(huán)境因子間的關(guān)系如表3 所示，2020 年和2021 年三亞灣調(diào)查期間平均氣溫差別不大，而2021 年的電導(dǎo)率比2020 年明顯升高了70.5%（表3）。各站位總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH4+-N）含量如圖7 所示，2021 年水質(zhì)中總氮（TN）含量平均值為5.47 mg·L-1且4 個(gè)調(diào)查站位的TN 含量均顯著低于2020 年（P＜0.05）；而2021 年水質(zhì)中的總磷（TP）和氨氮（NH4+-N）的平均值分別為0.73 和2.95 mg·L-1，均高于2020 年的0.34 和2.81 mg·L-1。

圖7 三亞灣水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)

表3 三亞灣各調(diào)查站位環(huán)境參數(shù)表

將三亞灣2020 年和2021 年的浮游植物與環(huán)境因子進(jìn)行RDA 排序（圖8）的分析結(jié)果表明：0.466 5 和0.3848 分別為2020 年前兩個(gè)排序軸的特征值，累計(jì)解釋了85.13%的物種變化信息；0.8791 和0.1144 分別為2021 年前兩個(gè)排序軸的特征值，累計(jì)解釋了99.35%的物種變化信息。

圖8 三亞灣2020 年和2021 年浮游植物與環(huán)境因子的RDA 排序圖

利用向前引入法逐步篩選環(huán)境因子，在7 個(gè)環(huán)境因子中，總氮（TN）（F=7.4，P=0.002），氨氮（NH4+-N）（F=15，P=0.002）和總磷（TP）（F=7.2，P=0.03）及電導(dǎo)率（Cond）（F=5.3,P=0.034）的檢驗(yàn)結(jié)果在2020 年的調(diào)查結(jié)果中達(dá)到顯著水平；氨氮（NH4+-N）（F=12.5，P=0.018）、電導(dǎo)率（Cond）（F=17.3,P=0.006）、總磷（TP）（F=11.4，P=0.002）和鹽度（S）（F=60.3，P=0.002）的檢驗(yàn)結(jié)果在2021 年的調(diào)查結(jié)果中達(dá)到顯著水平。其中氨氮、電導(dǎo)率、總磷在2020 年和2021 年的檢驗(yàn)結(jié)果中均達(dá)到顯著水平，說(shuō)明這3 個(gè)環(huán)境因子在影響三亞灣浮游植物群落結(jié)中占據(jù)著更重要的地位。

RDA 排序結(jié)果表明，2020 年的海洋角毛藻與WT、S、NH4+-N 呈正相關(guān)關(guān)系，與Cond、DO、TN、TP 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；尖刺擬菱形藻、窄隙角毛躁與S、NH4+-N、Cond 呈正相關(guān)關(guān)系，與WT、DO、TN、TP 呈負(fù)相關(guān)系；勞氏角毛藻、扁面角毛藻、異角毛躁與WT 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與其他環(huán)境因子呈正相關(guān)關(guān)系；角毛藻屬和并基角毛藻與WT、S 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與其他環(huán)境因子呈正相關(guān)關(guān)系；柔弱擬菱形藻和短孢角毛藻與WT、S 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與其他環(huán)境因子呈正相關(guān)關(guān)系；2021 年浮游植物與環(huán)境因子的關(guān)系發(fā)生明顯變化，勞氏角毛躁與TP、WT、Cond 呈正相關(guān)關(guān)系，與其他4 種環(huán)境因子呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；角毛藻除與溶解氧呈正相關(guān)關(guān)系和與TP 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系外，與其他環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系與勞氏角毛藻相同；其余8 種浮游植物與TP、WT、Cond、DO 呈正相關(guān)關(guān)系，與其他3 種環(huán)境因子呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 討 論

2020 年浮游植物平均細(xì)胞密度為1.031×106個(gè)·m-3，2021 年為4.142×105個(gè)·m-3，根據(jù)浮游植物細(xì)胞密度評(píng)價(jià)水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)[15],2020 年水體為貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，2021 年為極貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，營(yíng)養(yǎng)減弱可能導(dǎo)致了2021 年浮游植物的門類數(shù)和種類數(shù)少于2020 年。但在本研究的水質(zhì)測(cè)定結(jié)果中，2021 年的營(yíng)養(yǎng)鹽元素氨氮和總磷含量略高于2020 年，這可能是利用哈希DR3900 多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)誤差造成的?？偟膩?lái)看，2020 年和2021 年的水體營(yíng)養(yǎng)都處于較低水平，未有富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)。在營(yíng)養(yǎng)水平較低的水體中浮游植物常以硅藻為主[16]，這與本研究硅藻門種類數(shù)和細(xì)胞豐度在2020 年和2021 年均占最大比例的調(diào)查結(jié)果相互印證，楊志浩等[17]和Yanying 等[18]對(duì)三亞灣浮游植物的調(diào)查結(jié)果也與此一致。隱藻門植物更偏向于生活在溫度較低的水體中[19]，而4 月份三亞灣的水體溫度較高，因此2021 年的調(diào)查結(jié)果中未發(fā)現(xiàn)任何隱藻門植物，且2020 年也僅鑒別到一種隱藻門植物，也可能是因?yàn)槠潴w積較小，游泳速率快[20]，網(wǎng)采取樣難以捕捉到。在2020 年的藍(lán)藻門中鑒定到三種束毛藻屬（其中包括紅海束毛藻）和一種魚腥藻屬（多變魚腥藻），束毛藻是藍(lán)藻中赤潮的主要種類，尤其是紅海束毛藻已在中國(guó)近海引發(fā)多次赤潮[21],而三亞灣在調(diào)查時(shí)并未出現(xiàn)赤潮，可能是因?yàn)樗w營(yíng)養(yǎng)水平較低，未能達(dá)到形成赤潮時(shí)所需的細(xì)胞豐度，隨著2021 年水體營(yíng)養(yǎng)水平的進(jìn)一步降低，該藻種消失，只鑒定到1 種束毛藻屬，這與前面的研究結(jié)果一致；魚腥藻屬可產(chǎn)生對(duì)肝有毒性的微囊藻毒素，魚腥藻種類還可以產(chǎn)生生物堿毒素[22]，這可能會(huì)通過(guò)食物鏈的積累傳遞對(duì)動(dòng)物和人類構(gòu)成潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)，但在2021 年未發(fā)現(xiàn)該藻種，降低了該風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性。

優(yōu)勢(shì)種在群落結(jié)構(gòu)的演替方向中起著支配作用[23]，2020 年優(yōu)勢(shì)種中多為角毛藻屬，角毛藻類最佳生長(zhǎng)繁殖的溫度為30 ℃[24]，而2020 年的水溫正好在30 ℃左右。2021 年優(yōu)勢(shì)種種類發(fā)生變化，其中角毛藻屬數(shù)減少，浮游植物的分布與水體環(huán)境密切相關(guān)，優(yōu)勢(shì)種的變化說(shuō)明2020—2021 年三亞灣水體環(huán)境發(fā)生了較大改變。2020 年三亞灣浮游植物的多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)大于3，均勻度指數(shù)大于0.3，表明此時(shí)三亞灣生態(tài)環(huán)境優(yōu)良，浮游植物種類豐富，分布均勻且群落結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定[25]，水質(zhì)無(wú)污染；2021 年多樣性指數(shù)大于3，均勻度指數(shù)大于0.3，而豐富度指數(shù)大于1 小于3，表明三亞灣生態(tài)環(huán)境雖仍保持在優(yōu)良內(nèi)，但水質(zhì)已受到中度污染，三亞灣臨近市區(qū)，其污染程度主要受人為活動(dòng)和城市廢水排放的影響，說(shuō)明可能是2021 年三亞灣的人為活動(dòng)強(qiáng)度增大和城市廢水排放量增加導(dǎo)致的。

RDA 結(jié)果表明，氨氮、電導(dǎo)率、總磷是影響三亞灣2020 年和2021 年浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子。2020 年總磷和總氮與浮游植物優(yōu)勢(shì)度排名前10 中的9 種浮游植物密度呈顯著正相關(guān)，N、P 元素是浮游植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，適量的N、P 濃度能夠促進(jìn)浮游植物的生長(zhǎng)[26]，這與Bi 等[27]的研究結(jié)果一致。電導(dǎo)率可間接反映水中無(wú)機(jī)鹽濃度，密切關(guān)聯(lián)著水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)[28]，較高的營(yíng)養(yǎng)鹽含量有利于浮游植物生長(zhǎng)，這使得2020 年和2021 年優(yōu)勢(shì)度排名前10 的浮游植物密度均與電導(dǎo)率呈正相關(guān)。除此以外，電導(dǎo)率的大小對(duì)浮游植物群落的構(gòu)建有一定程度的影響[29]，電導(dǎo)率的改變也會(huì)導(dǎo)致浮游植物α多樣性發(fā)生顯著變化[30]，本研究中2021 年電導(dǎo)率顯著高于2020 年，這可能是導(dǎo)致聚類分析和Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)結(jié)果中2020年的浮游植物群落結(jié)構(gòu)與2021 年的存在明顯差異的原因之一，而群落結(jié)構(gòu)差異主要是由上述的水體環(huán)境及營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)發(fā)生改變?cè)斐傻摹?/p>

綜上所述，三亞灣2020 年和2021 年浮游植物群落結(jié)構(gòu)主要以硅藻門為主，總體較為穩(wěn)定，由于水體處于貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，盡管出現(xiàn)赤潮藻種，但也達(dá)不到形成赤潮時(shí)所需的細(xì)胞豐度，所以沒(méi)有形成赤潮和出現(xiàn)水體富營(yíng)養(yǎng)化的可能，且2020 年和2021 年三亞灣生態(tài)環(huán)境總體較為優(yōu)良。但值得注意的是，2021 年三亞灣的水質(zhì)已受到污染，當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門應(yīng)提高警惕，及早采取應(yīng)對(duì)措施，減少?gòu)U水、污水的排放，降低人為活動(dòng)的影響，防止三亞灣水體進(jìn)一步惡化，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境。