海洋工程建設對連云港近海環境因子和浮游植物的影響

張晶晶,王以斌,王 英,王田田,呂其明,高彥潔,呂振波*

海洋工程建設對連云港近海環境因子和浮游植物的影響

張晶晶1,王以斌2*,王 英1,王田田3,呂其明1,高彥潔1,呂振波1*

(1.魯東大學濱海生態高等研究院,山東 煙臺 264025；2.自然資源部第一海洋研究所,山東 青島 266061；3.煙臺市海洋經濟研究院,山東 煙臺 264006)

為了明確海洋工程建設對連云港近海環境因子和浮游植物的影響,于2009年5月(海洋工程建設前)和2016年同期(海洋工程建成后)前后兩次對連云港近海葉綠素(Chl)含量、浮游植物群落結構和環境因子的空間分布特征進行了綜合調查.結果顯示,海洋工程建成后,調查海域水環境發生明顯變化,近岸海域出現一個明顯的高溫區,與離岸海域溫差達3°C;營養鹽濃度明顯降低,尤其是可溶性硅(DSi),平均濃度降低了70%. Chl濃度和浮游植物生物量顯著升高,群落結構變化明顯,由硅藻占優勢轉變為硅、甲藻共同占優勢.海洋工程建設前優勢度較高的星臍圓篩藻()和夜光藻()占比明顯降低,中肋骨條藻()優勢度明顯升高.冗余分析(RDA)分析顯示,海洋工程建設前化學需氧量(COD)、可溶性無機氮(DIN)和鹽度(負相關)是影響浮游植物群落結構的主要因素;海洋工程建設后溫度的影響明顯升高;溫度、BOD5和DO的增加可能是促使春季浮游植物增加的主要因素.

海洋工程建設；浮游植物；營養鹽；群落結構

連云港近海海域營養物質豐富,初級生產力高,生物種類繁多,是我國八大漁場之一[1].該區域同時也是我國海洋開發利用的重點區域,近半個世紀來,連云港沿海不斷進行圍填海及海洋工程建設,尤其是2009～2016年間進行了大規模的海洋工程建設,連云港旗臺作業區及防波堤、連云港主航道、跨海大橋、田灣核電站取水明渠和徐圩港區等諸多工程陸續建成[2].海岸線發生明顯變化,鄰近海域由海水交換通暢的開敞海灣變為被海洋工程環抱的半封閉人工海灣.高強度的海洋開發與利用顯著影響了連云港近海海域潮流場和水環境,從而對近海海域生態系統造成顯著影響[3-5].近年來,連云港附近海域富營養化加劇,赤潮頻發[6-7].

浮游植物是海洋生態系統中最重要的初級生產者,其群落結構和豐度的變化對上層食物鏈、生物多樣性和氣候變化具有重要的影響[8-10],因此浮游植物常常作為研究生態環境變化的重要指標.海洋工程建設和運行常常會顯著改變海域環境因子,直接或間接地影響浮游植物的群落結構[11-14],例如:天津沿海海洋工程建設使近海赤潮發生頻率和范圍明顯增加[15];象山灣濱海電廠的溫排水顯著影響鄰近海域浮游植物的生物量和群落結構[16],使赤潮的爆發季節由春季提前到了冬季[17].雖然針對連云港近海海域環境變化、浮游植物群落結構分布特征已經開展了一定研究[18-19],但海洋工程建設對連云港海域浮游植物群落結構影響及驅動其變化的關鍵環境因子尚不明確.

鑒于此,本研究在2009年5月和2016年5月前后二次對連云港近海環境因子、葉綠素(Chl)和浮游植物群落結構進行了系統調查,對比分析海洋工程建設前、后調查海域環境因子、Chl和浮游植物群落的空間分布特征及其相關關系,并與歷史數據進行比較,研究了驅動連云港近海海域浮游植物群落結構變化的關鍵環境因子,旨在揭示連云港海洋開發利用對近海環境和浮游植物群落的影響,為深入分析人類活動對海洋環境和生態系統的影響提供重要的基礎資料.

1 材料與方法

1.1 研究海域

表1 2009～2016年間連云港近海海域主要海洋工程建設情況

圖1 采樣站位

研究海域位于黃海海州灣南部,漲潮時潮流從東北方向涌入,自北向南分別進入連云港港區、核電站周邊區域,然后順岸向東南方向形成沿岸漲潮流態;落潮流態大致與漲潮流向相反.2009～2016年間,該海域進行了大規模海洋工程建設(詳見表1),顯著改變岸線形狀和潮流場.為了研究海洋工程建設對浮游植物群落結構的影響,我們選擇生物量豐富的春季進行研究,分別在2009年5月25～26日(建設前)和2016年5月14～16日(建成后),對連云港近岸水域開展了生態環境綜合調查.以田灣核電站取水口為中心,在連云港和徐圩港港區間,設置了14個站位,不同采樣年份站位設置略有不同(圖1).每個調查站位取表層水樣監測溫度、鹽度、營養鹽和Chl,同時對其中部分站位的浮游植物進行鑒定.

1.2 樣品采集與分析

樣品的采集嚴格按照《海洋調查規范》(GB/T 12763-2007)[20]進行,5L的卡蓋式采水器采集表層水樣分別用于營養鹽、Chl和浮游植物分析.取500mL海水裝入聚乙烯瓶,并立即加入甲醛溶液固定保存(終濃度為3%～5%),用于浮游植物計數;取1000mL水樣經GF/F濾膜(Whatman)過濾后,濾膜于-20°C下避光并冷凍保存,用于Chl濃度的測定,每個采樣點取3個平行樣;另取250mL水樣用0.45μm醋酸纖維濾膜過濾,濾液用于營養鹽濃度的測定.

浮游植物樣品計數采用Uterm?hl方法,固定好的浮游植物樣品搖勻,取25mL放入Uterm?hl計數框,靜置24h,在OLYMPUS CKX53倒置顯微鏡下(200或400倍)進行浮游植物的計數,換算成浮游植物密度即每升水樣中藻類的細胞個數,單位為cell/L.Chl的測定采用分光光度法進行分析.

環境要素分析按照《海洋監測規范》(GB/T 17378-2007)[21].溫度、鹽度、pH值與水深使用船載CTD(Seabird 911)現場測定,溶解氧(DO)采用碘量法、化學需氧量(COD)采用堿性高錳酸鉀法測定、懸浮物(TSM)采用重量法測定.可溶性無機氮(DIN,為NO3-N、NO2-N、NH4-N之和)、可溶性無機磷(DIP,即PO4-P)和可溶性無機硅(DSi,即SiO3-Si)使用營養鹽自動分析儀(QuAAtro AutoAnalyzer 39)進行測定.

1.3 優勢種分析

物種優勢度指數()指示某物種在種群中的優勢地位,當30.02時,即認為該種為優勢種[22].

式中:n為第種的總個體數;為采集到的生物個體總數;f為物種在所有站位上出現頻率.

1.4 統計分析

使用SPASS 22.0對環境因子數據和浮游植物生物量數據進行正態性檢驗;對不符合正態分布的浮游植物與環境因子數據進行lg(1)轉換,轉換后的數據進行除趨勢對應分析(DCA);結果顯示4個軸最大梯度長度小于3,因此選擇線性模型的冗余分析(RDA)分析環境因子和浮游植物群落優勢種的相關性[23],RDA分析的排序圖使用Canoco for Windows 4.5軟件繪制.

2 結果

2.1 調查海域環境因子的時空分布

2.1.1 溫度、鹽度 2009年5月,調查海域水溫變化范圍為16.59～18.93°C,均值為17.37°C,整體呈現由南向北逐漸升高的趨勢,高值區出現在調查海域東南(圖2A).2016年5月,調查水域水溫比2009年明顯升高,溫度變化范圍為18.25～21.03°C,平均水溫升至19.50°C,溫度空間分布與2009年明顯不同,整體呈現自近岸至離岸明顯降低的趨勢,高值區出現在田灣核電排水口附近,范圍大概在近岸8km以內(圖2B).鹽度的變化趨勢和空間分布與溫度明顯不同.2009年5月,鹽度呈現自河口向離岸逐漸升高的趨勢(圖2C),鹽度變化范圍為30.64～31.47,均值為31.17.2016年,鹽度整體低于2009年同期(圖2D),均值僅為30.74,高值區出現在田灣核電站附近海域,低值區出現在北部離岸海域.

2.1.2 COD、BOD5、DO 2009年5月,研究海域COD、BOD5和DO變化范圍分別為1.51～3.30、0.03～2.04和6.71～8.80mg/L,平均值分別為2.31、0.79和7.48mg/L.COD和BOD5整體呈現自近岸至離岸逐漸降低的趨勢,高值區出現在田灣核電站附近(圖3A、C);與COD和BOD5相反,DO整體呈現自河口至離岸逐漸升高的趨勢,在河口及其東北側有一個明顯的低值區(DO<7.5mg/L)(圖3E).2016年同期,調查海域COD明顯降低,變化范圍為1.02～2.09mg/L,平均值為1.46mg/L;BOD5和DO濃度升高,變化范圍分別為0.90～1.84和6.99～8.64mg/L,平均值分別是1.30和8.09mg/L.COD、BOD5和DO的空間分布與2009年明顯不同,COD整體呈現自西南到東北遞減的趨勢,高值區出現在田灣核電站南部近岸海域(圖3B);BOD5和DO的空間分布大致與COD相反,低值區出現在河口附近(圖3D、F);DO的河口東北側低值區消失(圖3F).

圖2 2009年和2016年5月調查海域溫度、鹽度的空間分布特征

圖3 2009年和2016年5月調查海域COD、BOD5、DO的空間分布特征

2.1.3 營養鹽 2009年5月,調查海域DIN和DIP總體呈現自西北近岸至離岸濃度逐漸降低的趨勢(圖4A、C),均值分別是15.00和0.66μmol/L,高值區出現在田灣核電西北近岸,最高值分別是25.34和1.20μmol/L.與DIN和DIP不同,DSi整體呈現北高南低的趨勢,變化范圍為0.79～15.58μmol/L,均值是11.04μmol/L,最高值也出現在田灣核電附近(圖4E). 2016年同期,調查海域營養鹽濃度,尤其是硅酸鹽明顯下降,DIN、DIP和DSi平均濃度分別為11.45、0.55和3.11μmol/L(圖4B、D、F).營養鹽空間分布與2009年明顯不同,高值區均出現在調查海域南部.DIN和DSi在南部近岸和在離岸各有一個高值區;與DIN和DSi不同,DIP高值區主要出現在河口近岸海域.

圖4 2009年和2016年5月調查海域營養鹽的空間分布特征

2.2 調查海域Chl a的時空分布

2009年5月調查水域Chl a的平均濃度為4.35μg/L,高值區出現在調查海域中部,高值中心有兩個分別位于DIN和DSi高值區,Chl a濃度最高值為6.57μg/L(圖5A).2016年同期,調查水域Chl a的濃度整體高于2009年,平均濃度為5.75μg/L,Chl a分布整體呈現自西北至東南逐漸降低的趨勢,空間差異明顯,高值區出現在調查區域東北側近岸海域,最高值為9.16μg/L,低值區出現在調查海域南部,最低值為1.32μg/L.

2.3 調查海域浮游植物群落結構及豐度分布特征

2009年5月,調查海域共采集到浮游植物3門41種,其中硅藻36種,是主要浮游植物種類,占總物種數的87.8%,其次為甲藻門4種(9.8%),金藻門1種(2.4%).調查海域優勢種類(30.02)共7種,優勢種為星臍圓篩藻()、夜光藻()、中肋骨條藻()、中心圓篩藻()、派格棍形藻()、虹彩圓篩藻()、有棘圓篩藻()和威氏圓篩藻().高值區出現在田灣核電附近的A1站位和南部近岸的A6站位(圖6A),以中肋骨條藻、星臍圓篩藻和夜光藻為主(圖6C).

圖5 2009年和2016年5月調查海域Chl a的空間分布特征

圖6 2009年和2016年5月調查海域浮游植物數量和群落結構的空間分布特征

2016年5月調查海域共采集到浮游植物4門29種,其中硅藻19種,甲藻8種,金藻1種,裸藻1種,浮游植物種類低于2009年.硅藻依然是最主要的浮游植物種類,但占比明顯降低(65.5%),甲藻占比明顯升高(27.6%).調查海域優勢種群也發生明顯變化,中肋骨條藻優勢度明顯升高,其他優勢種則更替為柔弱幾內亞藻()、微小原甲藻()、海鏈藻(sp.)、裸甲藻(sp.)、舟形藻(spp.)和隱藻(spp.).浮游植物生物量顯著高于2009年(圖6B),空間分布與2009年明顯不同,最高值區出現在田灣核電取水渠附近,以柔弱幾內亞藻和中肋骨條藻為主(圖6D).

2.4 浮游植物與環境因子的相關性

為了進一步研究調查環境因子變化對浮游植物群落結構的影響,分別對2009年5月、2016年5月以及兩個年份數據合并后優勢種與環境因子進行了RDA分析,結果如圖7所示.

圖7 調查海域浮游植物優勢種與環境因子RDA排序

2009年,排序圖第1軸和第2軸分別解釋了47.4%和28.2%的物種變化,選取的環境因子與主要浮游植物優勢種類相關性較好(圖7A).影響排序軸1的主要環境變量是COD、DIN和鹽度(負相關);影響排序軸2的主要是溫度和DSi(負相關).中肋骨條藻和夜光藻與溫度呈現明顯的正相關.星臍圓篩藻、中心圓篩藻和派格棍形藻等大部分優勢種群與營養鹽和COD呈現明顯的正相關關系.

2016年同期,RDA排序圖的第1軸與第2軸分別解釋了53.0%和41.1%的物種組成變化,選取的環境因子可以較好的解釋浮游植物群落變化(圖7B).影響排序軸1的主要環境變量是T和COD(負相關),BOD5和鹽度(負相關)則是影響排序軸2主要環境變量.優勢度較高的中肋骨條藻與營養鹽呈明顯的負相關關系.與2009年不同,中肋骨條藻與溫度相關性較低;柔弱幾內亞藻、微小原甲藻和隱藻與溫度呈現明顯的正相關關系;舟形藻和海鏈藻則與溫度呈現明顯的負相關關系.

為了避免同年樣品因環境條件相似削弱環境與優勢物種的相關性,將兩個年份的數據進行合并,重新分析優勢種及其與環境要素的相關關系.結果顯示,RDA排序圖的第1軸與第2軸分別解釋了65.2%和5.2%的物種組成變化,環境因子可以較好的解釋浮游植物群落變化(圖7C).影響排序軸1的主要環境變量是T、DSi(負相關)和COD(負相關),影響排序軸2的主要是DIN.優勢種與溫度、DO、BOD5呈現明顯的正相關,與其他環境因子呈顯著的負相關關系.

3 討論

3.1 海洋工程建設、運營對環境因子影響

連云港近海主要受蘇北沿岸流、徑流輸入以及沿岸漲、落潮流的影響[24-25],海洋工程的建設使沿岸流和漲、落潮受到阻隔,近海海水交換受到影響.通過對海洋工程建設前(2009年)、后(2016年)春季環境因子變化趨勢的對比研究發現,連云港鄰近海域海水溫度、鹽度、營養鹽等環境因子及其空間分布均發生明顯變化.

2016年5月,調查海域海水平均溫度明顯高于2009年同期,這可能是由于2016年整體氣溫比2009年偏高[26-27].海洋工程建設前、后溫度空間分布差異明顯,海洋工程建成后田灣核電站取水明渠南側和徐圩港西防波堤間形成高溫區,與離岸海域溫差達3℃,明顯高于海洋工程建設前.這可能是由于大規模的海洋工程建設改變了岸線,使鄰近海域由海水交換通暢的開敞海灣變成了被海洋工程環抱的半封閉人工海灣,影響了田灣核電站溫排水的展布形態和規模,使高溫海水被限制在田灣核電取水明渠和徐圩港西防波堤間[28].2016年核電取、排水口溫差明顯高于2009年同期(圖8),也說明沿海海洋工程建設會影響核電站溫排水擴散,使排水口鄰近海域海水溫度升高.

圖8 田灣核電取排水口溫度變化

2016年5月鹽度整體低于2009年同期,這可能與2016年春季降水明顯增多有關[29].鹽度空間分布發生明顯變化,高值區出現在田灣核電排水口附近海域,這可能是由于田灣核電取水明渠建成,大量取自離岸的高鹽冷卻海水,集中在田灣核電南側河口附近的排水口排出,加之核電機組冷卻過程中海水溫度的升高起到一定的濃縮效應,使排水口附近鹽度略高于取水口.

2016年5月和2009年同期相比,BOD5和DO均值明顯升高,COD均值降低.田灣核電站取水明渠南側和徐圩港西防波堤間形成了一個明顯的高COD、低BOD5和DO的區域,這可能是由于海洋工程建設阻礙了河流輸入的陸源營養物質擴散,與營養物質密切相關的COD升高,而陸源營養物質氧化消耗使該區域BOD5和DO顯著降低[30-31].海洋工程建成后河口東北方向DO低值區向東南移,這可能是由于田灣核電取水明渠的防波堤阻礙了陸源物質向東北擴散,因此河口東北處消耗的DO降低.

與2009年同期相比,2016年5月營養鹽整體呈現下降趨勢,尤其是硅酸鹽濃度明顯降低,這可能是由于2016年水溫偏高,促使浮游植物快速增殖,消耗了大量營養物質.Chl濃度明顯升高,且高值區與營養鹽低值區基本重合,也說明浮游植物快速繁殖對營養物質的消耗可能是營養鹽濃度降低的重要原因.營養鹽空間分布也發生明顯變化,2016年5月田灣核電排水口附近存在明顯的營養鹽高值區,海洋工程的建設阻礙了陸源營養物質的擴散可能是該現象發生的原因.此外,核電排放余氯在一定程度上能夠抑制浮游植物生長[32],因此排水口附近浮游生物量相對較低,營養物質的消耗也較低,可能也是此處營養鹽濃度較高的原因.

3.2 海洋工程建設對浮游植物群落的影響

浮游植物與環境因子有著密切聯系[33-34].連云港海洋工程建設主要圍繞在田灣核電站附近,海洋工程建設疊加核電運行共同影響連云港近海環境因子及其空間分布的變化,進而顯著影響浮游植物豐度、群落結構及其空間分布.

2016年5月,調查海域溫度、浮游植物生物量和Chl明顯高于2009年同期.2016年和兩年數據合并后的RDA分析均顯示,溫度是影響排序軸1的主要環境變量,說明調查海域溫度升高是促使浮游植物生物量明顯增加的原因,這與適度增溫能夠促進浮游植物生長的研究結果一致[35-37].同時也說明,春季海洋工程建設和核電運行引起的升溫并未達到抑制浮游植物代謝活動的程度[38].

海洋工程建設前后,調查海域春季浮游植物群落結構也發生了明顯變化,由2009年5月硅藻占絕對優勢轉變為2016年同期硅、甲藻共同占優勢.這可能是由于海洋工程持續建設使核電溫排水擴散受到影響,引起近岸海域溫度升高,使浮游植物群落結構逐漸由喜低溫的硅藻向喜高溫的甲藻轉變[39-40].近年來,連云港近海海域的研究也證實,甲藻種群占比呈現逐漸升高的趨勢(表2),特別是2016年田灣核電取水明渠和徐圩港西防波堤建成后,甲藻占比明顯增加,且主要分布在被海洋工程包圍的半封閉人工海灣內,這說明在核電站周圍進行海洋工程建設能夠進一步促進近岸海域浮游植物群落的演替.

RDA分析顯示,2009年5月浮游植物群落主要受COD和DIN影響,主要優勢種屬與他們呈現明顯的正相關關系(圖7A),說明陸源營養物質是影響海洋工程建設前調查海域春季浮游植物生長的主要因素.2016年同期,調查海域浮游植物優勢種群演替明顯,僅中肋骨條藻仍然是調查海域的優勢種,且優勢度明顯升高.RDA分析顯示,中肋骨條藻與營養鹽呈明顯的負相關關系(圖7B),說明其快速繁殖可能是營養物質大量消耗的重要原因.通過與連云港鄰近海域的研究對比發現,核電運營后,中肋骨條藻整體呈現上升的趨勢[18-19](表2),說明核電運營可能會促進中肋骨條藻生長[41-44],而在核電站附近的進行環抱式海洋工程建設可能會加速中肋骨條藻快速增殖,增加中肋骨條藻赤潮爆發的機率.

表2 連云港近岸海域浮游植物豐度和優勢種/屬的變化

4 結論

4.1 海洋工程建成后,海水交換受到影響,調查海域春季環境因子及其空間分布發生明顯變化,田灣核電排水口附近出現一個明顯的高溫、高鹽、高營養鹽和低溶氧的區域.

4.2 海洋工程建成后,調查海域春季浮游植物的生物量明顯升高;浮游植物由硅藻占絕對優勢轉變為硅、甲藻共同占優勢;中肋骨條藻優勢度明顯升高.

4.3 RDA分析發現:海洋工程建設前,影響浮游植物優勢種變化的主要因素是COD和DIN;海洋工程建設后溫度的影響明顯升高;溫度、BOD5和DO的增加可能是促使春季浮游植物增加的主要因素.但海洋工程影響浮游植物群落變化的機制仍需要進一步研究.

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Effects of marine engineering construction on environmental factors and phytoplankton in the coastal area of Lianyungang.

ZHANG Jing-jing1, Wang Yi-bin2*, WANG Ying1, WANG Tian-tian3, Lü Qi-ming1, GAO Yan-jie1, Lü Zhen-bo1*

(1.Institute for Advanced Study of Coastal Ecology, Ludong University, Yantai 264025, China；2.First Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China；3.Yantai Marine Economic Research Institute, Yantai 264006, China)., 2021,41(9)：4253～4262

Comprehensive investigations were conducted on the spatial distribution characteristics of chlorophyll(Chl), phytoplankton community structure and the environmental factors in the coastal area of Lianyungang in May 2009 (before marine engineering construction) and 2016 (after marine engineering construction), with thepurpose of understanding the effects of marine engineering construction on environmental factors and phytoplankton community in this area. The results show that the environmental factors of the studying area changed significantly after engineering construction. An obvious high temperature zone was formed near the inshore area after engineering construction, with 3°C higher than the offshore area. The nutrient concentrations were significantly decreased, and especially the dissolved silicon (DSi) which reduced by 70%. The concentration of Chland the biomass of phytoplankton increased obviously, with the dominant community shifting from diatoms alone to the co-dominant of diatoms and dinoflagellates. The main dominant species before engineering construction(e.g.,and) were significantly decreased in 2016, while dominance ofwas significantly increased. Redundancy analysis (RDA) showed that chemical oxygen demand (COD), dissolved inorganic nitrogen (DIN) and salinity (negative correlation) were the main factors affecting phytoplankton community before marine engineering construction, while the influence of temperature () was significantly increased after marine engineering construction. The increase of, BOD5and DO may be the main factors that promoted the increase of phytoplankton in spring.

marine engineeringconstruction；phytoplankton；nutrient；community structure

X834

A

1000-6923(2021)09-4253-10

張晶晶(1983-),女,山東濟南人,講師,博士,主要從事海洋生態學研究.發表論文20余篇.

2021-01-29

國家自然科學基金項目(41776126);山東省重點研發計劃(2018GHY115039)

* 責任作者, 王以斌, 助理研究員, wangyibin@fio.org.cn; 呂振波, 教授, ytlvzhenbo@163.com