河北昌黎海域大型底栖动物群落特征及青岛文昌鱼资源现状

郭兴然,刘宪斌①,张青田,赵兴贵

(1.天津科技大学海洋与环境学院,天津 300457;2.天津市海洋环境保护与修复技术工程中心,天津 300457)

河北昌黎黄金海岸国家级自然保护区位于河北省东北部秦皇岛市昌黎县沿海,面积300 km2,分陆域和海域2个部分,为海滩生态系统自然保护区,是国家二级保护动物文昌鱼的重要栖息地之一[1]。大型底栖动物一般指在分选时能被0.5 mm孔径筛网截留、生活在水体底部沉积物中(底内或底上)的动物,多为无脊椎动物[2]。大型底栖动物常作为生态指示种,是表征海洋生态系统健康程度的有效指标[3]。文昌鱼作为一种特殊的底栖动物,是无脊椎动物向脊椎动物进化的过渡类型,属于脊索动物门头索动物亚门头索纲,具有重要的经济价值和科学价值[4-5]。大型底栖动物群落结构及其生境质量的好坏会影响到互为“邻居”的文昌鱼资源量变化。

青岛文昌鱼(Branchiostomabelcheritsingtauense)属于白氏文昌鱼青岛亚种,是黄、渤海唯一一种文昌鱼。昌黎海域为国内青岛文昌鱼栖息密度最高的海域之一[6-7]，随着近年人类涉海活动增加,其底栖生境受到了一定影响。尽管国内有学者对昌黎海域的文昌鱼做过相关研究,如吴凯等[8]研究了2006—2011年该海域文昌鱼种群栖息环境的时空演变,探讨了底质环境时空变化对文昌鱼种群的影响。但近年关于昌黎海域青岛文昌鱼资源量的研究报道较少。鉴于此,以2017年春季(5月)和夏季(8月)在昌黎保护区海域获得的青岛文昌鱼及其他大型底栖动物数据为依据,分析该海域大型底栖动物的种类组成和数量分布,研究其群落特征及青岛文昌鱼资源量变化,以期为保护区近岸海域生态环境保护提供基础资料和科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集及处理

结合研究区域地形及周边环境,在河北昌黎黄金海岸保护区海域核心区和缓冲区选择14个站位(图1)进行采样。其中,1～7号站位位于保护区海域缓冲区,8～14号站位位于海域核心区。以2017年春季(5月)和夏季(8月)为外业采样时间,用取样面积为0.09 m2的抓斗式采泥器重复进行4次大型底栖生物采集。用0.5 mm孔径的网筛冲洗去泥分选,存留在筛网上的文昌鱼及其他大型底栖动物用φ=5%的甲醛溶液现场固定,带回实验室进行大型底栖动物的种类鉴定、称重及计数,底栖动物的鉴定尽量到种,其次到属,经滤纸吸干后用感量为0.000 1 g的电子分析天平称湿重,其中软体动物带壳称重,管栖底栖动物去管称重。具体操作按GB 17378.7—2007《海洋监测规范》中“第7部分:近海污染生态调查和生物监测”处理[9]。

图1 昌黎黄金海岸自然保护区海域底栖动物调查站位示意Fig.1 Investigation stations of macrobenthos in Changli Gold Coast Nature Reserve

1.2 数据处理分析方法

大型底栖动物群落多样性采用Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Pielou均匀度指数(J′)和Margalef丰富度指数(D)分析,计算公式为

(1)

J′=H′/log2S,

(2)

D=(S-1)/log2N。

(3)

式(1)～(3)中,pi为监测站位物种i的丰度与样品丰度的比值;S为所有监测站位总种数;N为总丰度。

物种优势度(Y)计算公式为

(4)

式(4)中,ni为群落中物种i的丰度;fi为物种i的出现频率;N为总丰度。Y>0.02,说明该物种为优势种[10]。

大型底栖动物多样性指数对于底栖生境质量的指示参考HJ 442—2008《近岸海域环境监测技术规范》[11]中的底栖生境分级标准,H′≥3.0表示生境质量优良,2.0≤H′<3.0表示生境质量一般,1.0≤H′<2.0表示生境质量差,H′<1.0表示生境质量极差。

每个采样站位用钢尺测量所有文昌鱼样品的体长。根据《海洋生物生态调查技术规程》[12],文昌鱼各年龄组的体长范围如下:0 龄,≤7.0 mm;Ⅰ龄,>7.0～15.0 mm;Ⅱ龄,>15.0～29.0 mm;Ⅲ龄,>29.0～37.0 mm;Ⅳ龄,>37.0～43.0 mm;Ⅴ龄以上,>43.0 mm。将同一季节所有站位文昌鱼体长数据作为一个样本群体,绘制年龄结构图。标本经滤纸吸去体表水分后,在感量为0.000 1 g的电子分析天平上称得湿重。

利用多元统计软件Primmer 6.0[13]对保护区海域大型底栖动物的群落结构进行分析。为了避免个别数值过高或过低引起偶然性误差,将大型底栖动物栖息密度数据经平方根转化并标准化后,以Bray-Curtis相似性系数为基础,结合等级聚类法和多维排序尺度法(MDS)对群落结构进行相似性分析。利用SPSS 17.0软件进行统计学检验。

2 结果与分析

2.1 种类组成和优势种

河北昌黎黄金海岸自然保护区海域春、夏两季调查共鉴定出底栖动物79种,包括环节动物43种、节肢动物18种、软体动物10种、棘皮动物4种以及纽形动物、脊索动物、刺胞动物、腕足动物各1种(表1)。

表1 春夏季昌黎黄金海岸自然保护区海域大型底栖动物种数Table 1 Species numbers of macrobenthos from Changli Gold Coast Nature Reserve in spring and summer

由图2和表1～2可知，春季(5月)监测区域共采集到大型底栖动物56种,包括环节动物31种、节肢动物13种、软体动物5种、棘皮动物3种以及纽形动物、脊索动物、刺胞动物和腕足动物各1种,优势种分别为青岛文昌鱼、纽虫(Nemertea)和长吻沙蚕(Glycerachirori),优势度分别为0.147、0.053和0.022;夏季(8月)监测区域共采集到大型底栖动物50种,包括环节动物26种、节肢动物12种、软体动物7种、棘皮动物2种以及纽形动物、脊索动物、腕足动物各1种,优势种分别为青岛文昌鱼、日本长手沙蚕(Magelonajaponica)、大蝼蛄虾(Upogebiamajor)、豆形短眼蟹(Xenophthalmuspinnotheroides)和中国毛虾(Aceteschinensis),优势度分别为0.218、0.043、0.037、0.024和0.023。

2.2 栖息密度和生物量

由表3可知，大型底栖动物平均栖息密度为87.11 m-2。春季大型底栖动物的平均栖息密度为86.92 m-2,变化范围为16.68～205.59 m-2,1号站位栖息密度最低,14号站位栖息密度最高,其中,背蚓虫栖息密度最高,为33.33 m-2,占该站总栖息密度的16.21%;夏季底栖动物的平均栖息密度为87.30 m-2,变化范围为41.67～183.33 m-2,10号站位栖息密度最低,4号站位栖息密度最高,其中青岛文昌鱼的栖息密度最高,为91.67 m-2,占该站总栖息密度的50%。春季航次青岛文昌鱼平均栖息密度为27.16 m-2,变化范围为2.78～88.89 m-2，4号站位栖息密度最高。夏季航次青岛文昌鱼平均栖息密度为35.56 m-2,变化范围为2.78～91.67 m-2,4号站位栖息密度最高。

图2 昌黎黄金海岸自然保护区海域大型底栖动物种类组成Fig.2 Species composition of macrobenthos in Changli Gold Coast Nature Reserve

由表3可知，大型底栖动物平均生物量为11.13 g·m-2。春季大型底栖动物的平均生物量为8.49 g·m-2,变化范围为1.35～36.23 g·m-2,3号站位底栖动物栖息密度小,但生物量却最高,原因是该站位出现了个体较大的菲律宾蛤仔,其生物量为33.84 g·m-2,占该站总生物量的93.4%。夏季平均生物量为13.77 g·m-2,变化范围为2.06～114.26 g·m-2,1号站位生物量最高,主要原因是该站位出现了个体大的扁玉螺,其生物量为90.53 g·m-2,占该站总生物量的79.2%。春季航次青岛文昌鱼平均生物量为1.69 g·m-2,范围为0.07～9.89 g·m-2,位于核心区的14号站位生物量最高;夏季航次青岛文昌鱼平均生物量为1.19 g·m-2,范围为0.15～3.06 g·m-2,位于缓冲区的4号站位生物量最高。各航次、站位青岛文昌鱼栖息密度越大,其生物量便越大。

2.3 青岛文昌鱼年龄结构和体重优势组

2017年春季航次调查结果表明,青岛文昌鱼种群Ⅰ龄个体数占总数的5.09%,Ⅱ龄个体占74.58%,Ⅲ龄个体占11.86%,Ⅳ龄个体占6.78%,Ⅴ龄个体占1.69%,Ⅱ龄青岛文昌鱼个体数占优势;夏季航次调查结果表明,青岛文昌鱼种群Ⅰ龄个体占总数的6.61%,Ⅱ龄个体占36.36%,Ⅲ龄个体占42.98%,Ⅳ龄个体占13.22%,Ⅴ龄个体占0.83%,Ⅲ龄青岛文昌鱼个体数占优势。春夏两季青岛文昌鱼年龄结构分布差异主要集中在Ⅱ、Ⅲ龄个体数量上,其原因为5—8月是青岛文昌鱼繁殖生长发育的黄金时期,大量的春季Ⅱ龄个体经生长发育,在夏季成为Ⅲ龄个体。

表2 昌黎黄金海岸自然保护区海域大型底栖动物名录Table 2 Species check-list of macrobenthos in Changli Gold Coast Nature Reserve in spring and summer

+表示存在该物种;++表示该物种为优势种。

表3 昌黎黄金海岸自然保护区海域大型底栖动物及青岛文昌鱼栖息密度与生物量Table 3 Abundance and biomass of macrobenthos and Branchiostoma belcheri tsingtauense in the waters of Changli Gold Coast Nature Reserve

“—”表示该站位未采集到青岛文昌鱼样本。

由图3可见,保护区海域采集到的青岛文昌鱼体重范围为0.3～109.4 mg,以20 mg为间隔将其划分成6个体重组,统计各体重组青岛文昌鱼数量。春季青岛文昌鱼平均体重为21.6 mg,优势体重组为0～20 mg;夏季青岛文昌鱼平均体重为32.5 mg,优势体重组为>20～40及0～20 mg。

图3 春夏季青岛文昌鱼体重组分布Fig.3 Weight group of Branchiostoma belcheri tsingtauense in spring and summer

2.4 生物多样性指数时空变化

由表4可知,春季大型底栖动物丰富度指数范围为0.46～4.98,平均值为2.79,最高值为14号站位,最低值为4号站位;夏季丰富度指数范围为1.24～4.01,平均值为2.76,最高值为6号站位,最低值为2号站位。春季均匀度指数范围为0.50～1.00,平均值为0.85,最高值为2号站位;夏季均匀度指数范围为0.41～0.94,平均值为0.79,最高值为10号站位。春季多样性指数范围为0.50～3.99,平均值为2.60,最高值为14号站位,最低值为4号站位;夏季多样性指数范围为0.95～3.35,平均值为2.63,最高值为6号站位,最低值为2号站位。

表4 春夏季大型底栖动物丰富度指数(d)、均匀度指数(J′)和Shannon-Wiener多样性指数(H′)Table 4 Margalef richness index,Pielou evenness index,and Shannon-Wiener index of macrofauna in spring and summer

春夏两季比较而言,丰富度指数、均匀度指数和多样性指数均无显著季节差异;各站位比较而言,不同站位丰富度指数、均匀度指数具有显著差异(P<0.05),多样性指数无显著差异。

2.5 青岛文昌鱼和大型底栖动物群落相关性分析

由表5可知,春季调查结果中,青岛文昌鱼密度与大型底栖动物丰富度指数、均匀度指数和多样性指数呈极显著相关(P<0.01),而与大型底栖动物密度无显著相关性;青岛文昌鱼生物量与大型底栖生物量、丰富度指数、均匀度指数和多样性指数均无显著相关性。夏季调查结果中,青岛文昌鱼密度与大型底栖密度、丰富度指数、均匀度指数和多样性指数无显著相关性,仅青岛文昌鱼生物量与均匀度指数呈显著相关(P<0.05)。

2.6 群落结构组成

对2017年春夏季保护区海域大型底栖动物数据进行等级聚类和多维尺度排序分析(图4～5),发现各群组站位较分散,无规律性分布。参照CLARKE等[14]通过胁强系数(stress)对MDS排序结果的评价标准,春季胁强系数为0.12,夏季胁强系数为0.18,均小于0.2,说明排序具有一定的解释意义,且与等级聚类分析结果一致,验证了聚类分析结果的准确性。

表5 青岛文昌鱼参数和大型底栖动物群落参数的相关系数Table 5 Correlation analysis between Branchiostoma belcheri tsingtauense parameters and macrobenthic community parameters

*表示在0.05水平显著相关;**表示在0.01水平极显著相关;“—”表示未作相关性分析。

图4 春夏两季大型底栖动物群落的聚类分析结果Fig.4 Cluster analysis of macrobenthic communities in spring and summer

图5 春夏两季大型底栖动物群落的多维尺度分析结果Fig.5 Multidimensional scaling analysis of macrobenthic communities in spring and summer

春季大型底栖动物在23%相似性水平上可分为5个群组,群组Ⅰ只包括3号站位,优势底栖生物为齿吻沙蚕;群组Ⅱ只包括1号站位,无突出优势生物;群组Ⅲ包括2、4、6和7号站位,平均相似性为43%,优势底栖生物为青岛文昌鱼和日本长手沙蚕;群组Ⅳ包括10号站位,优势底栖生物为青岛文昌鱼和背蚓虫;群组Ⅴ包括5、8、9、11、12、13和14号站位,平均相似性为29%,优势底栖生物为青岛文昌鱼、长吻沙蚕和纽虫。

夏季大型底栖动物在19%相似性水平上可划分为2个群组,群组Ⅰ只包括1号站位,优势底栖生物为拟钩虾;群组Ⅱ包括2～14号站位,平均相似性33%,优势底栖生物为青岛文昌鱼、日本长手沙蚕、大蝼蛄虾、豆形短眼蟹和中国毛虾。

3 讨论

3.1 群落结构组成

笔者调查显示,研究区域内物种组成差异较大,2个航次共鉴定出底栖动物79种,种类组成以环节动物和节肢动物为主。李莉等[15]和赵志楠等[16]对该海域的底栖动物调查认为环节动物为主,笔者的研究结果与其相符。李莉等[15]在2009年夏季的调查共鉴定出底栖动物34种,赵志楠等[16]在2011和2012年夏季分别鉴定出46和45种,笔者夏季鉴定出50种,调查结果基本相符。KOU等[17]在2016年春夏两季开展了与笔者航次相似的调查,共鉴定出94种底栖动物,略高于笔者鉴定种数,主要物种类别组成无变化,皆以环节动物和节肢动物为主,造成底栖动物种数差异的原因可能与调查海域站位设定及数量不同、调查区域不完全一致有关。

调查结果显示,在种类组成上,春夏两季皆以环节动物为主,节肢和软体动物次之,且两季各类动物所占比例相近,表明保护区海域大型底栖动物种类组成较稳定。保护区海域春夏两季共有优势种为青岛文昌鱼,其他优势种两季皆不相同,春夏均出现的物种只占总种数的34%,说明调查海域随机种数量多,群落演替较快。根据等级聚类和多维尺度排序分析结果,除夏季的11和12号站位相似水平达70%外,其余调查站位间底栖动物群落结构相似程度较低,可能是由于保护区缓冲区和核心区之前存在过渡区,加上近岸环境复杂,导致不同小生境群落组成存在差异。

3.2 大型底栖动物栖息密度和生物量

大型底栖动物群落发生较大变化时,栖息密度和生物量也会随之产生变化[18]。春夏两季大型底栖动物平均栖息密度和平均生物量分别为87.11 m-2和11.13 g·m-2,无明显季节差异,表明短时间内在不受外界剧烈干扰的情况下,研究区生物密度和生物量会维持在一定水平。对比李莉等[15]对研究区底栖动物栖息密度和平均生物量的调查结果,2009年夏季为186 m-2和60.26 g·m-2,2011年为116 m-2和11.33 g·m-2,而赵志楠等[16]于2013年8月的调查结果为28.74 m-2和7.72 g·m-2,可见昌黎自然保护区海域大型底栖动物栖息密度和生物量有下降的趋势。李莉等[15]的调查结果中2009年夏季生物量较高,主要是因为个体较大的软体动物和节肢动物数量多,导致生物量变高。

3.3 生物多样性

春夏两季丰富度指数变化趋势相似,低值区集中在缓冲区靠海岸侧,核心区指数值较高。缓冲区离海岸较近的1～5号站位均匀度指数波动明显,6～14号站位波动幅度小,均匀度指数表现为春季>夏季。多样性指数分布不均,且站位间差异较大,由近岸向远海有升高趋势,位于保护区核心区或者附近站位生物多样性指数相对较高,表明底栖生境质量较好,受扰动情况较小。

但单一的生物评价指数不能完全反映某个区域环境受污染情况,对一个海域运用多种评价方法会得到更准确的结果,例如AMBI指数及ABC曲线法等[19-20]。近岸站位多样性指数相对较低,可能是因为随着保护区周围人类开发活动增加,近海岸附近海域环境压力变大,尤其是近年来昌黎地区大力发展浅海养殖业,养殖废水排放等导致水体富营养化,使得底栖生物物种多样性降低[21]。

3.4 青岛文昌鱼资源现状

保护青岛文昌鱼是昌黎自然保护区建立的目的[22]。2017年春夏2个航次的调查中青岛文昌鱼皆为优势种且优势度值最大。2017年青岛文昌鱼平均栖息密度为31.36 m-2,平均生物量为1.44 g·m-2,对比历史数据[23],2001年青岛文昌鱼平均栖息密度(515 m-2)和生物量(17.7 g·m-2)达到峰值,2002年以后青岛文昌鱼栖息密度和生物量逐年下降,在2010年达最低值(29 m-2和2.64 g·m-2),其后稍有上升,处于波动状态。总体而言,2017年青岛文昌鱼资源量呈衰减趋势,栖息密度相比2001年的峰值减少93%。

黄良敏等[24]在2009—2010年调查了厦门海域文昌鱼资源现状,黄厝—前埔核心区平均文昌鱼栖息密度为39 m-2,生物量为1.64 g·m-2,小嶝—角屿核心区平均文昌鱼栖息密度为31.3 m-2,生物量为1.83 g·m-2;饶义勇等[25]于2014年在相同区域进行调查,厦门黄厝潮下带文昌鱼密度为51.1 m-2,生物量为4.63 g·m-2,表明厦门海域和昌黎海域文昌鱼资源量水平相近。造成调查结果差异的原因可能和采样设备与资源估算方法有关,有研究发现采用开口面积为0.05 m2的HNM型采泥器和采用面积为32 cm×34 cm的特制采样铲的调查结果相近,而采用0.1 m2抓斗式采泥器的方法可能导致文昌鱼栖息密度和生物量偏低[25];采用常用大型底栖动物密度估算方法和采用鱼类资源估算方法得到的文昌鱼栖息密度结果也存在差异[26]。笔者调查表明,2017年Ⅱ、Ⅲ龄青岛文昌鱼占优势地位,优势体重组为>20～40和0～20 mg,对比其他海域较新的文昌鱼调查结果[25-26],发现昌黎海域青岛文昌鱼个体偏小,这也是其生物量较小的原因。对比春夏两季调查结果发现,青岛文昌鱼集中分布栖息地有向陆地一侧迁移的趋势,尚需通过后续连续监测验证这一结论的准确性。

3.5 保护区文昌鱼资源变化原因分析

昌黎自然保护区海域青岛文昌鱼资源变化主要是因为其栖息底质环境改变所致[27]。青岛文昌鱼栖息底质环境偏砂质,沉积物中0.5～0.063 mm粒径砂含量占比超过80%,则属于青岛文昌鱼最佳栖息环境[28]。周卫彪等[29]研究发现适宜青岛文昌鱼生存的底质环境分布变化与青岛文昌鱼的分布变化具有一致性,即青岛文昌鱼对最适宜生存的底质环境具有趋向性。保护区海域青岛文昌鱼栖息地的形成得益于滦河输沙沉积,近岸形成了以细砂、中细砂为主的平缓地带[23]。近年来,滦河水利工程调蓄了滦河下游63.6%的径流量,使其泥沙量减少99.3%[30],造成青岛文昌鱼栖息底质砂源补充量不足,影响了青岛文昌鱼资源量;海上挖砂作业以及渔民采集“海肠子”活动导致底质砂量减少和底栖生境扰动,也对青岛文昌鱼造成威胁;昌黎海域近年来加速发展海上养殖,养殖病害及养殖贝类粪沉降也加剧了青岛文昌鱼栖息环境的改变[7]。上述人类活动影响了青岛文昌鱼栖息环境,间接造成青岛文昌鱼资源量衰减。另外,笔者从数理统计学角度对青岛文昌鱼种群参数和大型底栖动物种群参数进行了相关性分析,发现两者并无明显规律性相关关系,后续学者可以从其他角度对两者关系进行探究(如营养学角度)。近几年青岛文昌鱼资源量有回升趋势,但生态恢复是一个缓慢的过程,需要重点关注青岛文昌鱼底质环境的保护。

4 结论

(1)昌黎黄金海岸自然保护区春夏两季分别鉴定出大型底栖动物56和50种,种类组成均以环节动物为主。春季大型底栖动物平均栖息密度为86.92 m-2,平均生物量为8.49 g·m-2;夏季大型底栖动物平均栖息密度87.30 m-2,平均生物量为13.77 g·m-2。大型底栖动物栖息密度和生物量季节变化差异不大。

(2)青岛文昌鱼平均栖息密度为31.36 m-2,平均生物量为1.44 g·m-2。Ⅱ、Ⅲ龄青岛文昌鱼占优势地位,优势体重组为>20～40和0～20 mg。昌黎海域青岛文昌鱼个体偏小,且资源量呈减少趋势,栖息密度相比2001年峰值减少93%,主要原因是栖息底质的改变。

(3)保护区海域大型底栖动物春季可分为5个群组,夏季可分为2个群组,群组间相似性系数低。青岛文昌鱼种群参数与大型底栖动物群落参数无明显规律性相关关系。

(4)针对青岛文昌鱼资源量呈衰减趋势提出以下建议:加强查处和制止保护区海域“偷沙”行为和“挖海肠子”等活动;禁止保护区周围海洋工程的建设;加强污染源的控制;加强昌黎海域青岛文昌鱼人工繁育、人工养殖技术和自然保护的技术和理论研究。

致谢:感谢昌黎黄金海岸国家级自然保护区管理处对野外样品采集提供帮助!