小石島刺參國家級水產種質資源保護區綜合評價*

劉麗娟 姜向陽 高繼慶 宋秀凱 張學超 付 萍 姜會超 劉愛英 邢紅艷①

(1. 山東省海洋資源與環境研究院 山東省海洋生態修復重點實驗室 山東 煙臺 264006；2. 威海市海洋與漁業監測減災中心 山東 威海 264200)

近幾十年來，受全球自然環境變化和人類活動的影響，我國水生生物資源嚴重衰退(郭子良等, 2019)。為保障漁業可持續發展，2007 年，農業部批準在具有較高經濟價值和遺傳育種價值的水產種質資源的主要生長繁育區域建立國家級水產種質資源保護區，于2011 年發布實施《水產種質資源保護區管理暫行辦法》。至2018 年底，全國分11 批建立國家級水產種質資源保護區535 處，保護面積共1560.79 萬hm2。2007 年以來，我國國家級水產種質資源保護區的數量和保護面積快速增長，但保護區重建設、輕管理的現象比較突出(楊璐等, 2014)，相關研究較少，其中，淡水保護區主要集中于生物資源調查(禹真等, 2013;索維國等, 2018; 郝雅賓等, 2109)，涉海保護區更關注水質 (崔毅等, 2013; 夏斌等, 2014; 滕瑤等, 2018;王珍珍等, 2019)和生物生態(于雯雯等, 2013; 袁健美等, 2013; 寧璇璇等, 2014)。

刺參(Apostichopus japonicus)是我國傳統海珍品，主要分布于西北太平洋沿岸，國內自然分布于山東、遼寧、河北、江蘇北部沿海(廖玉麟, 1997)。隨著刺參的開發利用日益廣泛，市場需求迅速增加，對野生刺參的過度捕撈導致其自然資源急劇下降，刺參增養殖業也迅猛發展。2017 年，我國刺參增養殖面積為21.916 3 萬hm2，年產量為21.9907 萬t (農業農村部漁業漁政管理局等, 2018)，產值達數百億元，刺參已成為我國海水增養殖產值最高的品種之一。為保護刺參種質資源，山東省先后獲批建立了3 個刺參國家級水產種質資源保護區，小石島刺參國家級水產種質資源保護區為其中之一。該保護區建立于2009 年，總面積為471 hm2，其中，核心區面積為165 hm2，實驗區面積為306 hm2，特別保護期為全年。保護區位于山東省威海市東北海域，海岸線東起威海國際海水浴場煙墩山，西至小石島漁碼頭，往西南至 -12 m等深線。主要保護對象為刺參，其他保護對象包括海膽、鮑魚、大葉藻等(中華人民共和國農業部, 2010)。

為全面掌握保護區生態環境和資源狀況，2012―2018 年，連續7 年對小石島刺參國家級水產種質資源保護區保護生物狀況進行調查，對水環境、沉積物環境、海洋生物生態開展全面監測與評價，并利用刺參線粒體DNA(mtDNA)控制區(D-loop)變異較快、適合于種內遺傳分析的特點(李云峰等, 2013)，采用PCR特異性擴增結合DNA 測序技術獲得D-loop 全序列，對該保護區野生刺參種群遺傳多樣性進行研究。客觀評價該保護區海洋生態環境、刺參遺傳多樣性和主要保護物種概況，分析保護區管理的經驗和存在的問題，為更好地開展水產種質資源保護區評價和管理工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣時間和方法

2012―2014 年，在保護區設置4 個站位，每年8月左右采樣檢測一次；2015―2018 年，在保護區設置5 個站位，每年5 月、8 月各采樣檢測一次。樣品采集、 處理方法按照《 海洋監測規范》(GB17378.3-2007)相關規定執行。采樣站位見圖1。

圖1 小石島刺參國家級水產種質資源保護區采樣站位Fig.1 The sampling stations of Xiaoshi Island A. japonicus national aquatic germplasm reserve

2012 年和2018 年，分別在保護區海底隨機采集規格≥150 g 的刺參20 只以上，活體冷藏送至實驗室。每只刺參解剖取縱肌約0.5 g 放于獨立的1.5 ml 凍存管，-80℃冷凍保存。

1.2 監測參數與分析

水環境、沉積物環境、海洋生物監測與分析方法分別按照《海洋監測規范》(GB 17378.4-2007、GB 17378.5-2007 和GB 17378.7-2007)規定的方法執行。其中，重金屬參數僅在2014―2018 年監測；沉積物和底棲生物每年8 月左右監測一次。

水環境pH、無機氮(DIN)、活性磷酸鹽(PO4-P)、化學需氧量(COD)、溶解氧(DO)按《海水水質標準》(GB 3097-1997)Ⅰ類標準進行評價；重金屬(Cu、Zn、Hg、Cd、Pb 和As)、石油類按《漁業水質標準》(GB 11607-1989)進行評價；海洋沉積物硫化物、有機碳、石油類、重金屬(Cu、Zn、Hg、Cd、Pb 和As)均按《海洋沉積物質量》(GB 18668-2002)Ⅰ類標準進行評價。

刺參遺傳多樣性分析按以下方法進行。在NCBI GenBank 中查找并下載編號AB525437.1 的刺參mtDNA全序列，用Primer Premier 6.0 軟件設計特異性引物并合成。引物序列為CS-F：TCGTAACATAGTAGGTGTA CC；CS-R：CAACCCATACTGCTGTAAAC。每只刺參取縱肌約100 mg，SDS 法提取刺參總DNA，無菌雙蒸水溶解后作為模板進行 PCR 擴增(費來華等,2008)。PCR 產物雙向測序、拼接，獲得的mtDNA 序列與GenBank 編號AB 525437.1 中的D-loop 全序列經MEGA 4.0 比對，剪切得到刺參D-loop 全序列。2012 年和2018 年樣品各作為一個群體，使用MEGA 4.0 和DnaSP 5.0 軟件進行分析。

1.3 評價方法

1.3.1 單因子污染指數法評價水環境和沉積物環境理化參數 單個污染物的污染指數(iP)計算公式為：

式中，Pi為污染物的污染指數；Ci為污染物的實測濃度；Si為評價污染物的標準濃度。

1.3.2 有機污染指數法綜合評價海水的有機物污染狀況 有機污染指數(A)計算公式為(蔣國昌等, 1987)：

式中，A為有機污染指數，CODi、DINi、DIPi和DOi為實際測試值，CODs、DINs、DIPs和DOs為上述各項評價指標所采用的標準濃度。

1.3.3 多樣性指數法進行海洋生物多樣性評價

Shannon-Weaver 多樣性指數(H′) (Shannonet al,1963)計算公式為：

式中，H′為生物多樣性指數；S為樣品中的種類數量；Pi為第i種的個體數與總個體數的比值。

1.3.4 單倍型多樣度、核苷酸多樣度指數法進行遺傳多樣性評價 刺參D-loop 序列采用MEGA 4.0 和DnaSP 5.0 軟件進行分析，分別計算2 個刺參群體的個體間遺傳距離、平均遺傳距離、單倍型多樣度、核苷酸多樣度、群體內序列間核苷酸差異的平均數和中性檢驗Tajima′sD值等遺傳多樣性指標。

2 結果與分析

2.1 水環境質量

2012―2018 年共計11 個航次的海水監測結果顯示，保護區所有站位的pH 變化范圍為7.99～8.38，DO 變化范圍為6.11～10.2 mg/L，均達Ⅰ類水質標準；鹽度變化范圍為29.552～33.474；COD、DIP、DIN 和石油類的評價結果見圖2。

圖2 海水COD、DIP、DIN 和石油類單因子評價結果Fig.2 Single factor evaluation results of COD,DIP, DIN and petroleum in sea water

所有航次的COD、DIP、石油類的污染指數Pi＜1，均不存在污染。2016 年5 月和2017 年8 月監測中，DINPi＞1，顯示存在DIN 污染。分析發現，2016 年5 月監測5 個站位中，3 個站位DIN 達Ⅱ類海水水質標準，Pi分別為1.30、1.40 和1.42，1 個站位達Ⅲ類海水水質標準，Pi=1.56，平均Pi=1.08，80%站位超標；2017 年8 月監測5 個站位中，3 個站位達Ⅱ類海水水質標準，Pi分別為1.17、1.18 和1.23，1 個站位達Ⅳ類海水水質標準，Pi=2.05，平均Pi=1.13，80%站位超標；其他監測站位無DIN 超標現象。

2014―2018 年海水重金屬的評價結果詳見圖3。所測Cu、Zn、Hg、Cd、Pb 和As 的污染指數Pi＜1，顯示該海區不存在6 種重金屬污染。

圖3 海水Cu、Zn、Hg、Cd、Pb 和As 單因子評價結果Fig.3 Single factor evaluation results of Cu,Zn, Hg, Cd, Pb and As in sea water

2012―2018 年海水有機污染的評價結果詳見圖4。

圖4 海水有機污染指數評價結果Fig.4 Organic pollution index in sea water

按有機污染指數法(蔣國昌等, 1987)評價標準，2017 年8 月監測的5 個站位中，3 個站位有機污染指數A分別為1.34、1.75 和1.13，平均A=1.001，顯示水質開始受到有機物污染；其他監測時間和站位水質良好(A≤0)或較好(0＜A≤1)。該分析結果顯示，小石島刺參國家級水產種質資源保護區水環境質量總體較好，偶爾出現DIN 超標現象，證明該保護區主要潛在污染物為DIN。

2.2 沉積物環境質量

2012―2018 年，保護區沉積物所有9 個評價參數：硫化物、有機碳、石油類、重金屬(Cu、Zn、Hg、Cd、Pb 和As)的污染指數Pi＜1，滿足保護區要求的海洋沉積物質量標準，顯示保護區沉積物環境良好。

2.3 海洋生物群落特征

2012―2018 年，保護區所有監測站位的葉綠素含量為0.22～6.12 μg/L。2012 年7 月的平均值最低，為0.35 μg/L；2016 年5 月和2017 年5 月為最高，均為4.26 μg/L，葉綠素含量變化較大。浮游植物和浮游動物每航次采樣，底棲生物每年8 月前后采樣1 次。生物多樣性指數見表1，生物多樣性評價結果見圖5。

圖5 海洋生物多樣性評價Fig.5 Evaluation of marine biodiversity

表1 生物多樣性指數統計Tab.1 The statistics of biodiversity indices

保護區每航次檢出浮游植物9～24 種不等，以硅藻(Diatom)為主，其中，角毛藻(Chaetocerossp.)、圓篩藻(Coscinodiscussp.)最常見，甲藻(Dinoflagellates)中最常見三角角藻(Ceratium tripos)，未檢出已知產毒藻。每航次監測的浮游植物密度差距很大，從2018 年5月的3.0×103cell/m3至2017 年8 月的3.3×107cell/m3不等。按生物多樣性指數評價，2016 年5 月H′=0.45，2017 年8 月H′=0.28，多樣性偏低。經分析發現，2016年5 月該海區柔弱幾內亞藻(Guinardia delicatula)的優勢度達91.8%，2017 年8 月該海區旋鏈角毛藻(Chaetoceros curvisetus)優勢度高達96.8%，單一藻種的大量繁殖導致浮游植物生物多樣性偏低，生態結構不穩定；2016 年8 月H′=1.99，浮游植物生物多樣性一般，其他航次均≥2，顯示該保護區浮游植物多樣性較高，生態結構穩定。

每航次采集到6～15 種大型浮游動物，變化不大。最低密度出現在2012 年7 月，為11 ind./m3；最高密度出現于2015 年8 月，為188 ind./m3。除2015 年8月和2016 年5 月H′分別為1.76 和1.18 外，其他航次均≥2。每航次采集到的小型浮游動物種類數為8～25 種，最低密度出現于2014 年8 月，為141 ind./m3，最高密度出現于2016 年8 月，為14,258 ind./m3；2018年5 月H′=0.077，顯示小型浮游動物多樣性偏低，經分析發現，本航次該海域夜光蟲(Noctiluca scintillans)大量繁殖，優勢度達87.2%；2016 年5 月和2017 年8 月，多樣性指數H′分別為1.71 和1.28；其他航次均≥2。顯示通常該保護區浮游動物多樣性較高，生態結構穩定。該海區最常見浮游動物為強壯箭蟲(Sagitta crassa)、小擬哲水蚤(Paracalanus parvus)、中華哲水蚤(Calanus sinicus)、多毛類幼體(Polychaeta larva)、橈足類無節幼體(Copepoda nauplius)，還發現刺參、海膽、海星、蝦類、腹足類、雙殼類等經濟生物幼體，及魚卵、仔稚魚等，可見該海區生物多樣性豐富，是多種經濟生物的自然繁殖場所。

每年采集到的底棲生物種類數為6～10 種，密度為200～800 ind./m2，均比較穩定。最常見底棲生物為索 沙 蠶(Lumbrinerissp.) 和 不 倒 翁 蟲(Sternaspisscutata)。2012、2015 和2017 年生物多樣性指數H′分別為1.82、1.91 和1.29，多樣性一般，其他年份均≥2，顯示通常該保護區底棲生物多樣性較高，生態結構穩定。

總之，小石島刺參國家級水產種質資源保護區的海洋生物種類豐富，多樣性指數以較高水平為主，偶爾出現單種浮游植物或浮游動物大量增殖導致多樣性指數偏低現象。

2.4 刺參遺傳多樣性

2012 和2018 年分別在保護區采集野生刺參21和24 個，對每個刺參DNA 進行PCR 擴增，測序獲得的mtDNA 序列經MEGA 4.0 比對、剪切后，獲得453～459 bp 的mtDNA D-loop 全序列。MEGA 4.0、DnaSP 5.0 軟件分析各遺傳多樣性數據，結果見表2。從表2 可以看出，2012 和2018 年采集的刺參單倍型多樣度均達到0.99 以上，處于較高水平。核苷酸多樣度分別為0.039 和0.037，與中國、韓國和俄羅斯沿海8 個刺參群體的D-loop 序列分析結果比較，僅次于取自韓國浦項的黃參(0.044 1)，高于青島太平角(0.034 5)和煙臺長島(0.010 9)的刺參，且遠高于8 個刺參總體(0.015 9)(王錦錦等, 2020)，也分別高于與大連、朝鮮羅津、俄羅斯海參崴刺參的D-loop 序列分析結果(姬南京等, 2014)，表明小石島刺參遺傳多樣性較高，與2007 年該海域野生刺參的遺傳多樣性研究結果一致(陶翠花, 2009)。中性檢驗結果Tajima'sD值2012 年為-1.31，2018 年為-1.65，均為負值，表明群體偏離了中性模式，可能受到群體擴張和自然選擇的作用，但統計學上差異不顯著(P＞0.05)。2 個群體間遺傳分化系數Fst= -0.000 97＜0.05，認為2012 年和2018 年刺參群體間遺傳差異很小，不存在分化(Wright, 1931)。

表2 刺參遺傳多樣性指數Tab.2 The genetic diversity indices of A. japonicus

2.5 保護生物資源概況

小石島刺參國家級水產種質資源保護區出產的刺參具有個體大、出皮率高、品質優良等特點，是非常珍貴的種質資源。對當地海洋漁業主管部門及周邊養殖企業、漁民的調查結果顯示，保護區自然刺參資源量從2012 年約2 ind./m2逐漸增加至2018 年約3～5ind./m2，在秋季水溫適合時，岸邊刺參隨處可見。該海域海膽資源較豐富，主要集中在保護區及鄰近海區的威海影視城海域、小石島海域、麻子港海域，包括光棘球海膽(Strongylocentrotus nudus)、馬糞海膽(Hemicentrotus pulcherrimus)。保護區內同時有大量的皺 紋 盤 鮑(Haliotis discus hannai) 、 紫 石 房 蛤(Saxidomus purpuratus)等貝類資源，有些地方密度約為200 ind./m2。保護區還有豐富的藻類資源：鼠尾藻(Sargassum thunbergii)、大葉藻(Zostera marina)、海帶(Thallus laminariae)、裙帶菜(Undaria pinnatifida)、石花菜(Gelidium amansii)、條斑紫菜(Porphyra yezoensis)等，其中，鼠尾藻、大葉藻營養豐富，是刺參的優質天然餌料。

3 討論

連續7 年的監測結果顯示，小石島刺參國家級水產種質資源保護區2012―2015 年水質一直保持良好；2016 年5 月和2017 年8 月水質下降，各有80%站位海水DIN 超標，個別站位DIN 達Ⅳ類海水水質標準，伴隨著單一藻種大量繁殖和浮游植物生物多樣性指數偏低；2018 年恢復至良好狀態。調查發現，2016 年5 月和2017 年8 月監測采樣前威海地區均經歷降雨，推斷由于雨水攜帶周邊陸源污染物入海，導致保護區營養鹽濃度增高，恰逢氣象條件適宜，一種微藻大量繁殖，使浮游植物多樣性偏低。與其他涉海水產種質資源保護區相比，小石島保護區海水水質通常良好，與海州灣大竹蟶種質資源保護區(夏斌等,2014; 尚聰聰等, 2021)和前三島海域國家級水產種質資源保護區(王珍珍等, 2019)一致，明顯優于靖海灣松江鱸魚種質資源保護區(崔毅等, 2013; 滕瑤等,2018)。分析認為，主要是由于地理位置影響，小石島和海州灣、前三島保護區均遠離人類生活區，所在海域開闊，海水交換快，自凈能力強，通常水質清潔，即使偶發污染現象也會很快恢復；而靖海灣灣形封閉，灣內海水與外界交換慢，自凈能力較差，且灣內有淡水河流注入，水質受人類生產生活影響較大，水質富營養化程度高。

小石島保護區海洋生態環境總體較好，生物多樣性豐富，保護區內有多種經濟生物自然繁殖，主要保護對象刺參資源量逐年增加，2012 和2018 年的刺參遺傳多樣性豐富且無明顯分化，顯示該保護區的保護效果良好，基本達到了保護水產種質資源及生存環境的目的。究其原因，一方面，保護區位于威海市西部海域，周邊無大型工業，受人類活動影響較小，自然生態環境條件優越，對保護對象的生長和繁殖十分有利；另一方面，保護區建立了國家級威海刺參原種場，威海西港水產有限公司派專職人員保護、管理淺海的刺參資源，解決了多數保護區沒有專人管理和缺乏管理經費的問題，使刺參資源得到有效的保護。該保護區管理也存在一些問題：一是近幾年周邊海水養殖設施增加，可能影響保護區海洋生態環境，養殖生物的逃逸也可能對保護區內海洋生物資源和保護對象的遺傳多樣性產生影響，需要引起重視；二是以企業為主進行管理，雖然暫時解決了保護區管理人員和經費的問題，但從長遠來看，如何平衡水產種質資源的保護和利用的關系，充分發揮保護區天然種質資源庫的作用，促進漁業可持續發展的問題還值得深入探討。