遼東灣中部海域春季大型底棲生物的群落結構及影響因子

張曉舉, 丁 龍, 馮春暉

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遼東灣中部海域春季大型底棲生物的群落結構及影響因子

張曉舉, 丁 龍, 馮春暉

(國家海洋局北海海洋工程勘察研究院, 山東青島266061)

2013年5月對遼東灣中部的大型底棲生物進行了調查, 分析了該海域底棲生物的種類組成、豐度、生物量、群落結構及其與環境因子的關系。調查海域共發現大型底棲生物70種, 包括多毛類24種, 甲殼類18種, 軟體動物20種, 棘皮動物7種, 紐蟲1種。相對重要性指數大于100的種類有14種, 排名前3位的分別是日本游泳水虱、毛蚶、日本長尾蟲。底棲動物豐度平均值為244.2 個/m2, 生物量為52.52 g/m2, 棘皮動物是生物量的重要貢獻者。多樣性指數平均值為3.24, 豐度生物量比較曲線分析結果認為調查海域大型底棲動物群落未受到干擾, 底棲生物群落的結構相似性較低, 在20%的相似程度上可分為5個組。底層水中溶解氧含量是影響底棲生物的主要因素, 不同底質條件是影響底棲生物生物量和群落結構的重要因素。

遼東灣; 大型底棲生物; 群落結構; 多樣性; 環境因子

大型底棲生物遷移能力弱, 區域性強, 多數種類的成體終生棲息在固定場所或只能在底質表面進行有限范圍的活動, 對污染或環境的變化沒有或很小的回避性, 對海底環境的變化十分敏感[1], 其污染效應具有指示性和持續性[2-3], 其群落結構能夠反映生態環境因子的空間異質性[4], 對于評價海洋生態系統的健康具有天然的意義。

遼東灣是中國緯度最高的半封閉內海, 作為渤海面積最大的內灣, 其生態系統的穩定性在很大程度上影響著渤海海洋生態系統的能量和物質循環。近年來遼東灣內的港口、管線及采砂等人為活動日益頻繁, 給遼東灣的海洋底棲生態環境造成的影響難以估量。目前遼東灣大型底棲生物群落結構的研究報道集中于遼東灣北部及西海岸六股河口附近[5-10], 關于遼東灣中部大型底棲生物群落的研究尚未見報道。作者以2013年春季的生態調查結果為依據, 分析了底棲生物的種類組成、數量分布的空間特征及擾動程度, 為系統了解遼東灣中部大型底棲生物的生存狀況, 探討人類活動對大型底棲生物的影響程度提供參考, 并為相關管理部門的決策提供依據。

1 材料與方法

1.1 調查時段與站位分布

2013年5月(春季)對遼東灣中部海域進行了12個站位的大型底棲生物調查(圖1)。采樣用 0.05m2曙光型(HNM-1-2型)采泥器, 每站2個重復樣, 合并為1個樣品, 泥樣經0.5mm套篩現場沖洗, 生物樣品用5%福爾馬林溶液現場固定, 在實驗室經分析鑒定后稱重。采樣和室內分析方法按《海洋調查規范》(GB/T12763.9-2007)進行。

1.2 數據處理和分析

1.2.1 多樣性指數的計算

采用Margalef豐富度指數、Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數分析底棲動物的群落結構。

Pielou均勻度:＝/log2

Margalef豐富度:=(-1)/log2

式中,n為第種的個體數量;P=n/,為采集樣品種的所有種類總個體數;為采集樣品的種類總數。

1.2.2 優勢度的計算

優勢種采用相對重要性指數RI(Index of Relative Importance)確定, 計算公式如下:

RI=()

式中,為每種的生物量占總生物量的百分比,為每種的豐度占總豐度的百分比,為該種出現的頻率。采用豐度/生物量比較曲線 (ABC曲線)分析大型底棲動物群落受污染或其他因素擾動的狀況。

1.2.3 群落結構的分析

群落結構分析使用PRIMER5.0 軟件完成。去除總體中豐度小于1%的種, 保留任一站位相對豐度大于 3%的種以減少機會種的干擾, 構建Bray-Curtis 相似性矩陣進行聚類(Cluster)分析。

2 結果

2.1 種類組成

春季調查海域共鑒定底棲生物70種, 其中多毛類24種, 占總種數的34.3%; 甲殼類18種, 占總種數的25.7%; 軟體動物20種, 占總種數的28.6%; 棘皮動物7種, 紐蟲1種, 共占總種數的11.4%。調查海域大型底棲生物的優勢并不明顯, 未發現相對重要性指數>500的種類, 相對占優的種類包括多毛類5種, 軟體動物3種, 甲殼類3種, 棘皮動物3種(表1), 這些種類RI指數均大于100, 其余為常見種和一般種。調查中發現棘皮動物中棘刺錨參()的出現頻率較低, 僅在6號站出現一次, 但該物種較高的生物量導致了其較高的RI指數值。

表1 調查海域優勢種

2.2 大型底棲生物豐度及生物量

春季調查海域大型底棲生物平均豐度為244.2 個/m2, 變化范圍在120.0~630.0 個/m2之間。豐度最高值位于12號站, 該站多毛類數量眾多, 其中日本長尾蟲豐度高達380個/m2, 占該站總豐度的60.3%。10號站次之, 該站發現大量的單眼鉤蝦(sp.),數量高達160 個/m2。豐度的最低值位于3號站, 僅發現少量蛇尾、日本游泳水虱和寡鰓齒吻沙蠶, 該站未發現軟體動物。站位之間的種類組成差異十分明顯。底棲生物豐度的密集區位于調查海域中部, 低值區位于調查海域東北。

調查海域平均生物量為52.52 g/m2, 變化范圍在7.63~182.94 g/m2之間。底棲生物量的最高值位于6號站, 該站發現棘刺錨參個體很大, 生物量高達154.80 g/m2, 貢獻了該站生物量的93.1%。2號站發現哈氏刻肋海膽, 生物量達31.5 g/m2, 占該站生物量的79.9%。個體較大的棘皮動物是調查海區生物量的主要貢獻者。

2.3 大型底棲生物群落的穩定性

評價結果表明, 多樣性指數為2.48~3.75, 調查海域多樣性指數的平均值為3.24, 僅3、4、8、9、12號站多樣性指數均在3.00以下, 多樣性指數的高值站位多分布于調查區外側, 低值區位于調查區中部。調查海域均勻度指數和豐富度指數較高, 平均值分別為0.91和2.10。從ABC曲線的分布看, 生物量的曲線一直位于豐度曲線之上, 表明調查海域底棲生物群落尚未受到人為活動的顯著干擾, 處于比較穩定的狀態。

2.4 大型底棲生物群落劃分

對底棲生物豐度進行聚類(Cluster)分析, 結果表明調查海域底棲生物群落異質化程度較高。在20%的相似度上, 可將調查海域底棲生物群落分為五個組, 組Ⅰ包括12號站, 位于調查區的東南側, 通過SIMPER分析表明, 以多毛類和甲殼類居多, 軟體及棘皮動物數量較少, 特征種為樹蟄蟲; 組Ⅱ包括9號站, 單眼鉤蝦和深溝毛蟲為該組的特征種類; Ⅰ、Ⅱ組也是底棲生物多樣性分布的低值區。組Ⅲ包括1、2、3、6、8、11號站, 主體位于調查區的北側和南側局部, 該組群落的相似程度為27.80%, 以日本游泳水虱、蛇尾和日本鏡蛤為特征種, 這一組也是多樣性分布的高值區; 組Ⅳ包括7、10號站, 該組位于調查海域西南, 該組群落相似性為40%, 種類組成以多毛類為主, 甲殼類最少, 軟體動物次之, 以寬甲古漣蟲、吻沙蠶(sp.)、不倒翁蟲()為特征種, 該組多樣性性指數均在3.50以上, 群落組成的多樣化程度較高。組Ⅴ包括4、5號站, 該組群落相似性為40%, 深溝毛蟲、日本長尾蟲和長偏頂蛤是該類群的特征種。

3 討論

3.1 與歷史資料的比較

為了解遼東灣中部海域的底棲生態狀況, 本文把此次的調查結果同周邊海域的歷史調查資料進行了比較(表2), 結果表明本次調查底棲生物豐度和生物量與遼東灣北部的數值最為接近, 且日本游泳水虱等重要種類的組成也未發生大的變化, 能夠反映調查區域底棲生物群落的基本情況。各調查結果之間差異較大, 造成這種結果的原因主要有二: (1)調查方法不同。除遼東灣西部的調查方法與本次調查相同外, 其他研究方法均與本次調查有所差異。主要體現在采泥器型號及網篩孔徑上。調查方法的差異使得底棲生物豐度與生物量之間的比較十分困難。就生物量而言, 本次調查生物量明顯高于遼東灣北部和西部, 豐度則與其他幾次的調查結果有較大的差異。(2)環境的差異。渤海在地理環境上與遼東灣有較大差距, 其結果僅可作為參考。調查海域遼東灣中部受陸域環境影響相對較小, 而2007年7月的調查和2009年10月的調查表明底棲生物的分布分別受遼河、大凌河和六股河等入海河流影響[5-6, 10], 自然條件的差異是導致調查結果不同的主要原因, 另外季節的差異也是導致調查結果迥異的原因之一。

表2 本次調查與周邊海區的比較

3.2 影響底棲生物群落分布的環境因素

調查海域底層海水和表層沉積物的環境質量見表3, 底棲生物豐度與底層水中溶解氧含量之間呈顯著正相關(=0.701,<0.05), 充足的氧含量對于底棲生物的增長具有促進作用[12], 溶解氧對底棲生物的分布有明顯影響[13]。豐度與底層水溫呈顯著負相關(= –0.581,<0.05), 而這一范圍內溫度并不會限制底棲生物的生長和發育, 這一結果其實是溫度與溶解氧的高度相關性(= –0.970,<0.01)所致。Pearson相關性分析表明生物量的分布與底層磷酸鹽含量呈顯著正相關(=0.690,<0.05)。調查水域底層溶解氧含量較高, 平均值達10.14mg/L, 這是因為調查海域沉積物顆粒較粗, 所含有機質較少[14], 而且底層水體懸浮物含量較低, 有機質降解所消耗的氧氣少。就本次調查而言, 底層水中溶解氧含量是影響豐度分布的主要因素。在本次調查中發現底棲生物的豐度、生物量與表層沉積物中的環境因子間無顯著相關關系, 這主要是由于沉積物監測以污染因子的監測為主, 而各污染因子均滿足一類沉積物質量標準, 污染物處于較低的水平, 尚未對底棲生物的生長發育產生制約。

表3 調查海域底層海水環境因子統計

調查中發現, 各組的底棲生物群落的構成有很大差別, 底質環境對生物分布的種類產生的影響十分明顯[15-16]。組I、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ的底棲生物以管棲類、底埋和穴居類生物居多, 這是因為沉積物中泥和粉砂含量較高而粗砂含量較低, 為多毛類和軟體動物等穴居、底埋和管棲生物提供了良好的棲息環境[17-19]。組Ⅲ多樣性水平和生物量較高, 物種組成的多少及每個物種個體的數量是衡量生物群落多樣性的基礎, 故多樣性指數并非單指物種數量的多寡, 各個物種間的均勻程度也是衡量多樣性的重要因素[20]。該組群中底表匍匐型、管棲類、爬行類和穴居類均有分布, 底棲生物數量的相對均勻分布是該組群多樣性水平較高的主要原因。該組沉積物是由砂、黏土和粉砂較均勻的混合, 中砂、黏土和粉砂含量均在20%以上, 相對于單一的沉積環境, 混合的沉積環境的空間異質化程度更高, 可以為底棲生物的生長發育提供更多的空間, 是該組生物多樣性較高的基礎, 這一結果與李新正等人的研究結果一致[21-22]。該組也是生物量的高值區, 大個體底棲生物如棘皮動物的分布是該組生物量較高的原因, 在該組中大型底棲生物更趨向于保守種占優勢。

底棲生物是一個復雜的生態系統, 底棲生物群落的形成實際上是由水動力條件[23]、水深等物理因素[24]和水質等理化因素[25]以及競爭與捕食[26]等生物因素共同作用所致, 很難直接得到單一因素對底棲生物群落影響的量化結果。環境因子對底棲生物群落的影響是一個復雜、動態的過程, 對大型底棲生物的影響機理尚有待進一步研究。

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Macrobenthos community and environmental factors in the middle waters of Liaodong Bay in spring

ZHANG Xiao-ju, DING Long, FENG Chun-hui

(SOA. North Sea Marine Engineering Prospecting Research Institute, Qingdao 266061, China)

Macrobenthos was investigated in the middle waters of Liaodong Bay in May 2013. The species composition, abundance, biomass, community structure, and relationship with environmental factors of macrobenthos were analyzed. In total, 70 species were identified in the research region, including 24 species of Polychaeta, 18 species of Crustacea, 20 species of Mollusca, 7 species of Echinoderms and 1 species of Nemerteans. The indexes of relative importance were greater than 100 of 14 species. The top of three were,, and. The average abundance of macrobenthos was 244.2 ind./m2, and the average biomass was 52.52 g/m2. Echinoderms were important contributors to biomass.The average biodiversity index of macrobenthos were 3.24. ABC (abundance/biomass comparison), revealing that macrobenthos communities were undisturbed in the research region. The structural similarity of the macrobenthos community was at a low level. The macrobenthos communities could be divided into five groups with 20% similarity. Dissolved oxygen content in bottom waters was an important factor affecting the abundance of macrobenthos. Different sediment conditions were important factors affecting macrobenthos biomass and community structure.

Liaodong Bay; macrobenthos; community structure; biodiversity; environmental factors

(本文編輯: 梁德海)

Dec. 12, 2015

[863 shipborne marine environment Monitoring System, No. 2007AA092101; Marine science and technology projects of North Sea Branch of the State Oceanic Administration, No. 2014B12]

Q958.8

A

1000-3096(2016)10-0043-06

10.11759/hykx20140311004

2015-12-12;

2016-04-29

國家863計劃項目(No.2007AA092101); 北海分局海洋科技項目(2014B12)

張曉舉(1982-), 男, 山東威海人, 工程師, 研究生, 從事海洋生態學研究, 電話: 13553074532, E-mail: zhangxj_space@163.com