2005年夏季东太平洋中国多金属结核区小型底栖生物研究

2013-09-11 08:38王小谷周亚东张东声洪丽莎王春生
生态学报 2013年2期
关键词:桡足类深海线虫

王小谷 ,周亚东,张东声,洪丽莎,王春生

(1.国家海洋局第二海洋研究所,杭州 310012;2.国家海洋局海洋生态系统与生物地球化学重点实验室,杭州 310012)

东北太平洋海底蕴藏大量多金属结核,其主要存在于热带东北太平洋克拉里昂一克里帕顿断裂带(Clarion-Clipperton Fracture Zones,CCFZ)的表层沉积物中间,结核覆盖面积超过50%[1-2]。20世纪70年代开始,多国为了获取结核区巨大的矿产资源,开始在该区进行大面积的勘探[3-4],我国从20世纪80年代末期开始,对位于CCFZ的多金属结核以及沉积物进行了多年调查,现已在CCFZ区获得7.5万km2的专属开辟区—中国多金属结核区合同区(The COMRA's Contract Area)。

小型底栖生物作为底栖生态系统的重要组成部分,是构成底栖食物网的基本环节,对整个底栖群落(种类,密度,新陈代谢)作出巨大贡献[5-7]。多年来,人们对近岸、陆架以及深海边缘的小型底栖生物已经进行了广泛的研究[8-15]。从20世纪70年代开始,基于采矿势必给深海生物及环境带来破坏的共同认识[16-20],国际上为了控制和减轻采矿所带来的影响,保护矿区生物多样性,开始在CCFZ进行深海环境及生物基线的调查,并取得了一定成果[21-28]。目前我国仅高爱根,杨俊毅等[29-30]对我国多金属结核合同区的小型底栖生物进行过研究。本项研究的主要目的是加深对结核区小型底栖生物的认识,评估小型底栖生物的群落组成,密度,生物量以及分布特征,以便将来采矿后对海洋环境的持续管理。

1 材料和方法

1.1 调查区域和站位

研究样品由“大洋一号”调查船于2005年夏季采自东太平洋中国多金属结核开辟区东、西两小区 (以下简称东、西小区)内(图1),东、西两小区各设6个采样站位,具体站位经纬度及深度见表1。

图1 研究海域图Fig.1 Map of the study area

表1 中国多金属结核区小型底栖生物采样站位及深度Table 1 Locations and depth of sampling stations

1.2 采样及样品处理

小型底栖生物样品使用MCS-1型沉积物多管取样器采集,每根取样管长61 cm,内径9.5 cm,每站取2根取样管样品进行小型底栖生物分样。每根样现场处理如下:(1)将上覆水虹吸入32 μm孔径的网筛,滤取其中的小型底栖动物,(2)用分样器把每根样按0—1 cm、1—2 cm、2—4 cm和4—6 cm分层装瓶,上覆水滤样与0—1 cm层合装一瓶,用7%的中性福尔马林溶液固定。回实验室后样品经250μm,125μm,63μm,38μm孔径的网筛过滤后,采用改进后的ludox离心法进行离心分选[31],虎红染色后在显微镜下鉴定并计数。

小型底栖生物生物量的测定步骤:

(1)在显微镜下利用Leica QWin软件测量生物体最大体宽和体长(线虫包括细尾),并由公式计算体积:

V=L×W2×C

式中,L为体长(mm),W为直径(mm),系数C。

(2)体积V到湿重生物量(g)的换算系数为1.13,湿重生物量到干重乘以系数0.25[32]。另取一根芯样按0—1 cm、1—2 cm、2—4 cm和4—6 cm分层,分取现场参数测定子样,叶绿素和脱镁叶绿素现场采用唐纳荧光法进行测定[33]。沉积物中微型生物的生物量用ATP法(三磷酸腺苷)测定计算[34-35]。

1.3 数据处理

小型底栖生物密度和生物量分布图采用Surfer8.0软件绘制。小型底栖生物密度和生物量与环境因子相关性分析使用primer 6.0软件。

2 结果

2.1 沉积物叶绿素a和脱镁叶绿素的水平分布

中国开辟区东小区和西小区沉积物(0—6cm)叶绿素a含量极低,变化范围为0.001—0.007 μg/cm2,平均值为 0.003 μg/cm2,其中东小区沉积物叶绿素 a 平均值为 0.004 μg/cm2,西小区为 0.002 μg/cm2;东、西小区沉积物(0—6cm)脱镁叶绿素变化范围为 0.074—0.199 μg/cm2,平均值为 0.125 μg/cm2,其中东小区沉积物脱镁叶绿素平均值为 0.169 μg/cm2,西小区为 0.082 μg/cm2。

中国开辟区东区和西区之间的沉积物叶绿素含量显然有所差异,东小区沉积物叶绿素a含量、脱镁叶绿素含量均高于西小区(图2),表明上层水体有机碎屑沉降于两个区域的通量是不同的。

图2 各站位沉积物(0—6cm)叶绿素和脱镁叶绿素Fig.2 Top 6cm sediment Chl-a and Phl-a of the survey stations

2.2 沉积物微型生物生物量水平分布

中国开辟区东小区和西小区沉积物(0—6 cm)微型生物生物量变化范围为 0.043—0.477 μg/cm2,平均值为0.163 μg/cm2,其中东小区沉积物叶绿素a平均值为 0.252 μg/cm2,西小区为0.074 μg/cm2。中国开辟区东小区沉积物微型生物生物量明显高于西小区(图3)。

图3 各站位沉积物(0—6 cm)微型生物生物量Fig.3 Top 6cm sediment microbial biomass of the survey stations

2.3 小型底栖生物类群组成

调查海域共有13个类群的小型底栖生物,其中东小区11类,西小区12类。包括线虫(Nematoda)、腹毛类(Gastrotricha)、动 吻 类 (Kinorhyncha)、多 毛 类(Polychaeta)、寡毛类(Oligochaeta)、介形类(Ostracoda)、桡足类(绝大部分为猛水蚤 Harpacticoida)、等足类(Isopoda)、缓步类(Tardigrada)、蜱螨类(Acari)、双壳类(Bivalvia)、铠甲类(Loricifera)、其他未鉴定种类(Other)。其中海洋线虫为绝对优势类群,其他较为重要的类群有底栖桡足类,多毛类,介形类等。东、西两小区小型底栖生物主要类群的密度见表2。

2.4 小型底栖生物密度和生物量水平分布

调查海域东、西两小区小型底栖生物平均密度分别为(104.4±20.48)个/10 cm2,(40.26±25.84)个/10 cm2,密度占前五位的的类群依次为线虫、桡足类、多毛类、介型类和缓步类。东小区最高密度值出现在ES0506站,为137.55个/10 cm2,最低密度出现在ES0504站,为84.65个/10 cm2;西小区最高密度值出现在WS0502站,为90.15个/10 cm2,最低密度出现在WS0504,为17.35个/10 cm2。线虫是小型底栖生物中的绝对优势种,东、西两小区平均密度分别为(97.23±19.51)个/10 cm2和(36.78±25.08)个/10 cm2;桡足类东、西两小区平均密度分别为(4.21±1.05)个/10 cm2和(2.08±0.82)个/10 cm2,东小区最高值出现在 ES0503站,为5.50个/10 cm2,最低值出现在ES0502站,为2.82个/10 cm2;西小区最高值出现在WS0502,为3.1个/10 cm2,最低值出现在WS0504,为0.85个/10 cm2。多毛类在东小区平均密度较高,有(1.03±0.39)个/10 cm2,而在西小区平均密度仅有0.14个/10 cm2(图4)。

表2 东、西小区小型底栖生物各类群平均密度Table 2 Abundanc of meiofaunal groups and nematode biomass

图4 小型底栖生物密度水平分布Fig.4 horizontal distribution of the abundance of meiofauna

调查海域东、西两小区线虫平均生物量分别为(5.25±0.99)μg干重/10 cm2和(1.68±0.77)μg干重 /10cm2。东小区线虫最高生物量出现在ES0506站,为6.57μg干重/10cm2,最低生物量出现在ES0504站,仅为3.86 μg干重/10cm2;西小区线虫最高生物量出现在 WS0502,为 3.15 μg干重/10cm2;最低出现在WS0504,为0.96 μg干重/10cm2。深海线虫生物量较近岸低,与其个体小有一定关系。

2.5 小型底栖生物密度垂直分布

中国开辟区小型底栖生物密度的垂直分布趋势为:至表层向底层递减的趋势,小型底栖生物分布集中在沉积物表面0—2 cm层中,占总数的75%以上(图5)。

图5 小型底栖生物垂直分布Fig.5 Vertical distribution of meiofauna abundance

2.6 小型底栖生物密度与环境变量的相关性

对2005年调查中同步测定的小型底栖生物密度,线虫密度,线虫生物量,桡足类密度,多毛类密度分别对各站位的经、纬度(n=12),沉积物叶绿体含量(n=10),沉积物微型生物生物量(n=10)进行相关分析,分析结果见表3。

表3 小型底栖生物密度、生物量与环境因子的相关分析结果Table 3 Correlationanalysis between miofuana abundance,biomass and environmental variables

结果显示:调查区域的小型底栖生物密度,线虫密度,线虫生物量,桡足类密度,多毛类密度与经、纬度呈显著负相关,与脱镁叶绿素呈显著正相关,与沉积物微型生物生物量相关性不显著。小型底栖生物密度,线虫密度,线虫生物量,多毛类密度与叶绿素a呈显著正相关,桡足类与叶绿素a相关性不显著。脱镁叶绿素与沉积物微型生物生物量呈显著正相关。

3 讨论

3.1 深海小型底栖生物密度的影响因子

深海海盆通常食物贫瘠,食物来源主要依靠表层水体中有机碎屑的沉降,有机碎屑沉降通量对深海沉积物中底栖生物密度,生物量高低起着决定性影响。调查结果显示,中国开辟区小型底栖生物密度及线虫生物量与沉积物中叶绿素a和脱镁叶绿素含量均呈显著正相关(表2),这与以往相关研究结果相同[26,36-38]。此外,沉积物特性也对小型底栖生物密度、垂直分布有一定影响,中国开辟区内的沉积物以硅质粘土、硅质软泥和含硅质粘土为主。其中东小区表层沉积物以硅质粘土为主,硅质软泥和含硅质粘土次之,它们分别约占东区面积为70%、26%、4%,沉积物松软[40];西小区表层沉积物硅质软泥含量偏低,占西区的16%,硅质粘土占79%,含硅质粘土占4%,表明东区的沉积物组分更细,更松软,西区沉积物则较东区粗而硬,两区在沉积环境上存在着差异[39]。由于底质颗粒越细越有利于有机物的富集[40-41],底质越松软则越有利于小型底栖生物上下活动,向深层分布,从大面分布来看东区小型底栖生物的密度要高于西区,从垂直分布来看,东区小型底栖生物在深层的分布的比例要比西区的比例大一些。

3.2 与历史资料的比较

由于受到采样技术的限制,历史上对深海的小型底栖生物研究相对近海而言较少,特别是在太平洋CCZ,加之不同的研究运用采样和室内分选的方法有所差异,因此要进行精确比较是相对困难的。从群落结构上来说,各项研究差异性不大,线虫,底栖桡足类,多毛类是小型底栖生物的优势类群,尤其是线虫,为深海小型底栖生物的绝对优势类群[23,42]。

表4记录了国际上关于太平洋CCFZ以及周边深海小型底栖生物的数据,由于沉积物样品的厚度以及研究的重点有所不同(Bown[26]等调查沉积物最表层线虫密度,Renaud-Mornant等对沉积物2.5 cm厚度的线虫进行研究,Snider等[27],A.Miljutina等[25],Kaneko等[28]对沉积物5 cm 厚度的小型底栖生物进行研究),因此只能进行粗略的对比。A.Miljutina等数据显示,CCFZ沉积物表层5 cm线虫平均密度为80个/10 cm2,与本次研究的中国合同区东小区线虫密度((97.23±19.51)个/10 cm2)相仿,但远高于中国合同区西小区的线虫密度((36.78±25.08)个/10 cm2)。总体而言,CCFZ线虫密度要远低于 Mokievskij等[43]2007年所得到的全球深海线虫密度值((196±15)个/10 cm2)。这与CCFZ位于透光层初级生产力很低的中北太平洋寡营养区有直接关系[25]。

表4 本研究与历史资料比较Table 4 Comparison between present study and history data

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