黃河口西南側小島河河口天然牡蠣礁的牡蠣種群結構

左 濤,張貝葉,王 俊,左 明,王安東

1 中國水產科學研究院黃海水產研究所,青島 266071 2 青島市海洋科學與技術試點國家實驗室,海洋生態與環境科學功能實驗室,青島 266237 3 上海海洋大學水產與生命學院,上海 201306 4 東營市海洋發展研究院,東營 257091 5 山東黃河三角洲國家級自然保護區管理委員會,東營 257091

牡蠣礁是生態系統服務價值最高、但又是全球退化最嚴重的海洋生境之一[1—2]。在中國大陸沿岸,牡蠣種類多、資源豐富,天然牡蠣礁曾廣泛分布于溫帶和亞熱帶海區的潮間帶和淺水潮下帶[3—4],目前也面臨著分布面積大幅縮小、斑塊化現象明顯及退化嚴重的局面[5—8]。

牡蠣礁修復是國際海洋生態修復的熱點[9—10],也是我國海岸帶生物棲息地保護和修復的重要內容之一[11],其旨在重建牡蠣自然種群、恢復和補充牡蠣資源,并獲得可自我擴繁(self-sustaining)的野生牡蠣礁。建立可用于評估效果的生態參照基準(Baseline)是實施牡蠣礁修復的首要關鍵環節[9,12]。而掌握當前和歷史的牡蠣種群數量、分布等生態學特征是確定該參照基準的基礎[9],也是推進牡蠣礁生境保護、制定修復策略的關鍵[9—10]。目前,除了江蘇海門[13—14]、河北曹妃甸-樂亭[15]、天津大神堂[5,16]、杭州灣北岸大金山島[17]等少數區域外,我國仍缺乏對沿岸現有天然活牡蠣礁的系統性生態調查,牡蠣自然種群狀況及動態變化記錄不足,未能掌握天然礁體的詳細分布、生存現狀[18],這極其不利于牡蠣礁保護及修復工作的深入推進。

黃河口是中國北方最大的河口,其近岸海域曾存在十余處天然牡蠣礁[4],但自20世紀90年代以來河口周邊的活體牡蠣礁明顯退化或消失,對殘存的牡蠣礁開展保護和修復迫在眉睫[8]。近年來,在黃河尾閭擺動區西南側、小島河河口的潮間帶發現面積約為0.24 km2的活體牡蠣礁[19](當地稱“牡蠣山”)。聲吶調查顯示該礁區邊緣有漁網拖痕、受人工開采等被破壞痕跡[19]。另外,經實地調研也確認,當地漁民曾在此海域大量采捕野生牡蠣。以上表明該牡蠣礁已經面臨人為破壞的威脅,亟需開展生境監測、保護和修復工作。目前,已有該牡蠣礁生境調查[20]和修復技術[19]等方面的研究報道,但牡蠣種群的相關研究工作有待進一步深入。

為此,本文開展了小島河河口天然牡蠣礁的牡蠣種群生態調查,基于分子和傳統形態分類技術鑒定了牡蠣的物種組成,測定其形態學表觀參數,并分析了牡蠣種群年齡結構和生長特征,研究結果可望為評估該天然牡蠣礁的健康狀況和生態服務潛力,以及研發相應的修復技術和制定保護策略等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域和樣品采集

本研究的牡蠣礁(37.59 °N,119 °E)位于黃河口西南側、小島河河口的潮間帶(圖1),該區域的水深受不規則半日潮影響,平均潮差1.5—1.7 m,最大潮差3 m;在遇大風、退大潮時牡蠣礁會偶爾出露;沉積物以粉砂和黏土質粉砂為主,為典型的淤泥質潮灘。

圖1 牡蠣礁分布地理位置示意和出露實景Fig.1 Geographic location and exposed view of the oyster reef

2021年初冬(11月19日),趕低潮、牡蠣礁部分出露時進行了樣品采集。采樣過程參考《海洋調查規范 第6 部分:海洋生物調查》(GB/T 12763.6—2007)有關潮間帶生物調查方法[21],沿垂直岸線方向設置了3個斷面,每個斷面采集了2個長50 cm×寬50 cm×深25 cm的樣方位點,相鄰樣方位點間距約10—20 m,采集的牡蠣和泥樣經封存后帶回實驗室處理、測定和分析。

1.2 樣品處理和分析

在實驗室分檢和分離牡蠣,清洗晾干,計數牡蠣的數量、測定生物量(鮮重,精確至0.1 g);從每個樣方采集的樣品中隨機選取不少于50個牡蠣,記錄編號,觀察外部形態,拍攝記錄是否活體、殼內、外表面和閉殼肌痕顏色、是否有放射肋、鱗片等特征。此季采集的牡蠣均處于空胃和性腺萎縮狀態,因而未進一步分析其肥滿度和性腺發育期。

測量活體牡蠣的殼寬(SI)(精確至1 mm)和殼質量(去除軟體部的殼體鮮重,精確至0.1 g)及左殼的殼高(SH)和殼長(SL)。SI為左右殼閉合時,垂直于兩殼鉸合面的最大殼體厚度;SH為單殼上從殼頂鉸合部末端、經閉殼肌痕到生長邊緣的最大長度;SL為單殼剖面上,與SH垂直的最大截面寬度。

牡蠣為連續生長的軟體動物,其外殼剖面的生長層年輪可用于判斷生長年齡[22—23],即選取無缺損且形狀規整的左殼,沿殼最大生長軸(通過殼頂、韌帶部、閉殼肌痕)徑向截面切割,打磨和拋光處理剖面,切片,在體視顯微鏡下辨認和計數殼體切片上的灰色半透明生長層,結合殼體韌帶槽表面生長層分布,確定牡蠣殼體的生長年齡(圖2)。不足1齡的記為0+ a,介于1齡和2齡的記為1+ a,依次類推。

圖2 3+齡的近江牡蠣韌帶部切片及年生長層的示意圖Fig.2 Photograph of a representative resilium radial cross section from a 3+ a Crassostrea ariakensis and the sketch showing the annual growth lines

參考文獻[24],根據牡蠣外觀特征進行初步分類,然后利用分子生物學方法,以COI為目標基因進行物種鑒定。參考文獻[25—26]的方法,利用表1所列特異性引物擴增牡蠣閉殼肌的線粒體COI基因序列。在https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/中借助基本局部比對搜索工具BLAST-N(Basic Local Alignment Search Tool)比對擴增的PCR產物序列結果,以進一步確定牡蠣的種類。

表1 牡蠣不同種特異性PCR引物和預期產物大小Table 1 Species-specific PCR primers and expected product size for oysters

1.3 數據處理

計算活體牡蠣的種群密度(個/m2)和生物量(kg/m2),以及SH/SL和SH/SI。SH、SL和SI是牡蠣殼體形狀和生長空間趨向性的指標,其中,SH反映了垂向上的生長和延展,SL和SI反映了水平方向的生長和擴展。SH/SL比值接近1時,殼體呈盤狀或圓形,>2則呈狹長形;SH/SI是殼體凹陷或深度的指數,該比值接近1表示殼體的深度或凹陷程度與其高度相同,為杯狀或球形,>1則說明牡蠣的高度大于深度[22]。

采用對數回歸直線方程分別擬合牡蠣的殼質量(y)與SH、SL和SI等形態參數(x)的關系式。計算公式為:

ln(y)=a+bln(x)

(1)

a為截距,b為斜率。牡蠣殼質量與SH關系式中b的取值范圍一般在3—4之間,小于3則屬于負異速增長[27]。

根據牡蠣的SH-年齡的分布擬合相應的von Bertalanffy生長方程[28],方程公式為:

SHt=SHmax[1-e-k(t-t0)]

(2)

SHt為t齡牡蠣的殼高,SHmax為漸近殼高,k為生長系數、t0為殼高近似為零時的初始年齡。將SHmax代入上面(1)式,計算得到漸近殼質量(asymptotic shell mass,Wmax)。利用(1)式中b和(2)式中k和t0計算殼質量增加的拐點年齡(ttp)和最大年齡tmax,公式為:

(3)

tmax=3/k

(4)

以上回歸和擬合分析采用SPSS R27(IBM Corp.)計算得到。

2 結果

2.1 種類組成

BLAST比對結果顯示,采集的牡蠣包括近江牡蠣(Crassostreaariakensis)與長牡蠣(C.gigas)兩種,它們分別與包括其他地域的近江牡蠣與長牡蠣樣本的相似度大于99.8%。

近江牡蠣殼體厚大,多呈卵圓形,少數呈長條形,殼色偏紫黑色或黃褐色,左殼有較平滑的同心鱗片、放射肋不明顯,右殼較扁平、稍小于左殼,閉殼肌痕有白色與紫色(圖3),以白色居多(占比95%);長牡蠣個體略小,呈圓形和長條形,殼色黃或金黃色,左右殼均有明顯凹凸狀,左殼具顯著的放射肋,邊緣鈣質波褶堅硬明顯,閉殼肌痕明顯,有白色、紫色、黃色與混色(圖3),紫色(占比49%)與黃色(占比39%)居多。

圖3 黃河口西南側小島河河口天然牡蠣礁中的近江牡蠣和長牡蠣 Fig.3 Shell morphology of oysters Crassostrea ariakensis and C.gigas near the mouth of Xiaodaohe River, southwest of the Yellow River Estuary

2.2 密度和生物量

采集的樣品中,活體牡蠣為主,死亡的牡蠣殼數僅占總殼體數的6.1%—6.7%?；铙w牡蠣密度介于1953—3976 個/m2,均值為(2811±778)個/m2;生物量介于2—82 kg/m2,均值為(21.97±1.37)kg/m2。其中,近江牡蠣密度介于847—2367 個/m2,均值為(1566±544)個/m2,占牡蠣總密度的55.7%,生物量介于1—70 kg/m2,均值為(16.78±26.69)kg/m2,占牡蠣總生物量的76.4%;長牡蠣密度介于801—2223 個/m2,均值為(1245±535)個/m2,生物量介于1.5—12 kg/m2,均值為(5.18±3.86)kg/m2。方差分析顯示,密度和生物量在采樣樣方間及兩種牡蠣間的差異均不顯著(P>0.05)。

2.3 年齡組成

近江牡蠣個體年齡主要介于0+ a—4+ a,平均年齡為(0.25±1.02)a;長牡蠣個體年齡介于0+ a—2+ a,平均年齡為(0.15±0.50)a。另外,對死亡的殼體年齡分析顯示,死亡殼體所處的年齡高于活體牡蠣平均年齡,其中死亡的近江牡蠣殼體平均年齡為(1.94±1.54)a、長牡蠣為(1.0±0.75)a。

圖4顯示,活體近江牡蠣密度隨齡級增加而減少,0+ a的密度最高,占比>89%,其他齡級的密度占比<4%;總生物量以3+ a和0+ a占比較高,約為31%,其次為4+ a,占比為25%。與近江牡蠣相似,活體長牡蠣的密度隨齡級增加而減少,亦以0+ a的個體最多,占比>84%,但總生物量仍以0+ a的較高,占比達51%。

2.4 形態參數—頻數分布

活體近江牡蠣SH均值為(47.8±21.2)mm、SI為(12.5±6.5)mm、SL為(29.6±14.9)mm、殼質量為(10.98±30.43)g;活體長牡蠣SH均值為(37.9±15.4)mm、SI為(11.2±3.8)mm、SL為(18.8±6.0)mm、殼質量為(7.8±15.5)g。圖5顯示,兩種牡蠣的形態參數的頻數分布表現為單峰型,且都以SH介于30—40 mm和殼質量<5 g的0+ a個體居多。方差分析顯示,除SI外,SH、SL和殼質量均值的種間差異都達顯著水平(P<0.05)。

圖5 各齡級的近江牡蠣和長牡蠣殼高SH、殼長SL和殼寬SI、殼質量-頻數百分比分布Fig.5 Shell height (SH), length (SL) and inflation (SI), mass-frequency percentage distribution along the age for Crassostrea ariakensis and C.gigas

各齡級牡蠣的形態參數均值列于表2。據此可計算出,近江牡蠣的SH年增量均值約為24 mm/a,0+ a至3+ a期間的SH年增量較高(均值為34.0 g/a);殼質量快速增長期為2+ a—4+ a,其中3+ a至4+ a期間殼質量增量最高(>50 g/a)。長牡蠣的殼高年增量較穩定,約為21 mm/a;殼質量在0+ —1+ a低齡期的增量較高。相較而言,近江牡蠣的殼體形態參數均值都高于同齡組的長牡蠣相應值;除殼寬外,各參數在兩種牡蠣間的差異達極顯著水平(t-test,P<0.01)。

表2 分年齡組實測牡蠣形態參數均值Table 2 Average values of morphological parameters of oyster shells in age classes

近江牡蠣的SH/SL均值為1.78—1.79,小于長牡蠣SH/SL的1.92—2.04,其SH/SI均值較高,為4.01—4.07,而長牡蠣SH/SI均值為3.39—3.74。圖6顯示,近江牡蠣在低齡期(0+ a —1+ a)的SH/SI比值相對穩定,SH/SL降低,顯示此期殼體偏好橫向生長、表現更為扁平,1+ a—2+ a時,SH的增幅明顯高于SI、SL,顯示殼體處于向上延展期,2+ a —4+ a時SH/SI的比值減少、SH/SL的比值增加,顯示殼體在垂向和水平向上都處于延展期,殼體偏向狹長厚杯狀。與之不同,長牡蠣的SH/SI和SH/SL的比值隨齡級增加而增加,表明長牡蠣殼體向上延展優勢明顯,其在1+ a—2+ a時的SH/SL比值較近江牡蠣高,顯示其殼體較近江牡蠣更為扁平狹長。

圖6 各齡級的近江牡蠣和長牡蠣的殼高/殼寬比均值(和標準差)與殼高/殼長比均值(和標準差)的分布Fig.6 Average shell height:shell inflation ratios (with standard error) in relation to average shell height:shell length ratios (with standard error) along the age for Crassostrea ariakensis and C.gigas

2.5 生長方程

表3所示,兩種牡蠣的殼質量與SH、SL及SI的回歸關系式的斜率均<3,表明其生長都屬于負異速增長。比較而言,近江牡蠣的回歸關系式中斜率和截距都高于長牡蠣的相應值。協方差分析顯示,兩種牡蠣的殼高-殼質量回歸關系式的斜率差異達極顯著水平(P<0.001),殼長-殼質量和殼寬-殼質量回歸關系式的截距差異達極顯著水平(P<0.001)。

表3 近江牡蠣和長牡蠣的殼質量與形態參數的關系式Table 3 Results of the linear model fitted between log-transformed shell mass and morphological parameters for Crassostrea ariakensis and C.gigas

基于各齡級的殼高-年齡分布(表2),擬合兩種牡蠣的von Bertalanffy生長方程曲線(圖7和表4)得到,近江牡蠣漸近殼高為286 mm,最大年齡為20 a;長牡蠣的漸近殼高為173 mm,最大年齡為15.5 a。近江牡蠣的生長系數k值小于長牡蠣的相應值。協方差分析顯示,兩種牡蠣的生長曲線存在極顯著差異(F=13.38,P<0.001)。

表4 近江牡蠣和長牡蠣生長特征參數Table 4 Growth parameters of oyster Crassostrea ariakensis and C.gigas

圖7 近江牡蠣和長牡蠣的殼高-年齡的Von Bertalanffy生長曲線分布Fig.7 Fitted von Bertalanffy growth curves of shell height-age for Crassostrea ariakensis and C.gigas

3 討論

3.1 種類組成

此前的調查認為該區域牡蠣礁的牡蠣構成種類只有近江牡蠣[19]。本研究結果顯示,該牡蠣礁的牡蠣種類組成中,不僅包括近江牡蠣,還有長牡蠣。這兩種牡蠣在黃河口鄰近海域分布較廣,是較為常見的造礁物種[3—4]。本研究還發現,采集的樣品中,低齡期、小個體的近江牡蠣和長牡蠣形態分類特征不明顯,可能無法依據波褶的有無、放射肋顯著與否[24]來進行區分,而采集樣中長牡蠣以低齡期為主,因此這可能是造成之前研究中未能識別出長牡蠣的原因。對低齡期的近江牡蠣和長牡蠣,閉肌痕顏色可能是一個較好的輔助判斷依據,如圖3所示,近江牡蠣的閉殼肌痕多為白色,而長牡蠣的閉殼肌痕顏色顯著且多變,紫色和黃色居多,這兩者之間的顏色差異與在渤海遼寧營口觀察到的結果[29]相似。

3.2 密度和生物量

活體牡蠣的種群密度是評價礁體生態狀況的基礎指標[12,30]。本研究的牡蠣礁區域內活體牡蠣密度2811 個/m2和生物量21 kg/m2,遠高于國內外大多數天然或人工修復牡蠣礁中的牡蠣平均密度值和生物量[13,17,31—33],與江蘇海門蠣岈山[14]、河北唐山曹妃甸-樂亭[15]、長江口[34]、南卡羅來納洲(South Carolina)沿海[35]等牡蠣礁的牡蠣高密值相當。此外,相較于海門蠣岈山的牡蠣死亡個體的高比值(23%)[13],本研究牡蠣礁上的死亡牡蠣殼體占比值僅約為6%?？傮w而言,本研究的牡蠣礁區域內牡蠣種群具有高密度、低死亡率的特點,表明該天然礁的牡蠣種群具有較好的活力和擴張潛力,這也為后續礁體的保護和修復提供了有利條件。

3.3 年齡結構和大小分布

近江牡蠣和長牡蠣作為常見的商業養殖和牡蠣礁生態修復的備選物種[10,34],掌握其在天然活牡蠣礁體上的自然種群年齡結構方面的資料有著重要的意義。有人認為,在無疾病、環境適宜、無人類干擾情況下,牡蠣的生長壽命可達10 a以上[36],近江牡蠣生長壽命最大可達20 a[37]。在天津大神堂的古老地層中發現的長重牡蠣(亦即長牡蠣),估測的年齡即高達20 a[38]。與之相近,本研究結果亦顯示,小島河河口天然牡蠣礁上的近江牡蠣和長牡蠣漸近最大年齡分別可達20 a、15.5 a(表4)。但在實際采集到的牡蠣中,占主體的卻主要是低齡個體,其中近江牡蠣多小于4+ a,長牡蠣多小于2+ a,不僅遠低于它們各自的最大年齡,甚至低于其各自的生長拐點年齡(5.47 a和2.56 a,表4)。與之形成對比的是,2004年在萊州灣小清河口采集的近江牡蠣和長牡蠣,其最大年齡分別可達到5 a和6 a[22]。此外,由圖5和表4可知,本研究采集的兩種牡蠣殼高和殼質量分布閾值明顯低于其相應的漸近殼高值(近江牡蠣為286 mm,長牡蠣為173 mm),而早前在小島河河口采集到的近江牡蠣的最大殼高可達293.2 mm[19]和325.82 mm[39],在渤海灣埋藏礁體中采集的長牡蠣(對種名尚有爭議,有認為近江牡蠣)的殼高平均值為25 cm,研究者還認為在沒有人類干擾的自然環境中牡蠣可從容地生長至數十厘米、甚至達50 cm[5]。以上分析都表明,相較其他區域和本區其他時期采集的同種牡蠣而言,本研究采集的牡蠣具有低齡、個體相對較小的特點,推測其原因可能與近年該天然牡蠣礁的生境特征及人為干擾有關,一方面,研究區域受河口陸地徑流泥沙掩埋以及潮汐影響較大,較高齡級的牡蠣分布于較深層,容易被底泥掩埋而導致窒息死亡[40],這也可能是結果2.3中死亡殼體所處的年齡均值遠高于活體牡蠣的相應值的原因;另一方面,根據實地走訪了解到,2017—2018年期間曾有漁民承包礁區,大規模開采牡蠣,這也可能導致較高齡級的牡蠣缺失。

3.4 生長特征

近江牡蠣和長牡蠣在正常生長的過程中,多保持直立原地生長[5]。從表2和圖7可以看出,兩牡蠣的SH隨齡級的增幅大、SH/SL與SH/SI的比值均>1,亦即表明兩種牡蠣趨于向上生長的特點,這也與其對河口生境的適應性有關。實地調研發現,礁區受黃河入海泥沙影響嚴重,生境屬于泥質潮間帶,底質是以較為松軟的粘土和粉砂為主。而泥質沉積物的快速堆積,會迫使牡蠣個體將并不充裕的造殼物質主要用于垂向上的SH生長,以免被泥沙堆積掩埋窒息而死[38,40]。此外,本研究還發現兩種牡蠣的形態表觀存在差異,這可能與生長過程中殼體參數的相對變化有關。如圖6所示,長牡蠣偏好垂向生長因而呈狹長形,近江牡蠣的殼體在低齡級偏好橫向生長、在較高齡級則呈多維(垂向和水平向)擴張態勢,因而更顯厚、圓。而且,兩種牡蠣的殼高生長曲線分布(圖7)差異顯著,近江牡蠣的SHmax和tmax都高于長牡蠣相應值(表4),且同齡級的近江牡蠣的SH和殼質量明顯高于長牡蠣(表3)。根據上述結果推測,小島河河口天然牡蠣礁上近江牡蠣的殼體擴張和生長潛力應優于長牡蠣,這亦是造成該牡蠣礁上兩種牡蠣雖然種群密度接近,但近江牡蠣生物量遠高于長牡蠣的原因,特別是2+以上的近江牡蠣?，F場調查還發現,近江牡蠣埋棲深(12—20 cm),而長牡蠣多分布于表層或附著在近江牡蠣外殼上生長。據上結果認為,在小島河河口外天然牡蠣礁體形成和發育中,近江牡蠣可能較長牡蠣更為重要。

4 結論與展望

本研究通過種群生態調查發現,黃河口西南側小島河河口的天然牡蠣礁上不僅有近江牡蠣,而且還有長牡蠣,礁體上牡蠣資源較為豐富;牡蠣種群具有高密度、低齡和低死亡率等特點;比較而言,2+齡以上的近江牡蠣對礁體形成可能更為重要。綜合該牡蠣礁曾被大規模的商業采捕的實地調研結果,推測該天然牡蠣礁可能處于開發后的恢復期。建議進一步開展有效的長期連續監測和更多基礎性研究工作,以查明礁體的形成、發育狀況以及牡蠣資源補充與生境要素間的關系等問題,更為深入推進該牡蠣礁的保護和修復。根據計算的牡蠣種群生長拐點年齡,建議監測和修復計劃周期應至少為3年及以上。