海洋工程建设对连云港近海环境因子和浮游植物的影响

张晶晶,王以斌,王 英,王田田,吕其明,高彦洁,吕振波*

海洋工程建设对连云港近海环境因子和浮游植物的影响

张晶晶1,王以斌2*,王 英1,王田田3,吕其明1,高彦洁1,吕振波1*

(1.鲁东大学滨海生态高等研究院,山东 烟台 264025；2.自然资源部第一海洋研究所,山东 青岛 266061；3.烟台市海洋经济研究院,山东 烟台 264006)

为了明确海洋工程建设对连云港近海环境因子和浮游植物的影响,于2009年5月(海洋工程建设前)和2016年同期(海洋工程建成后)前后两次对连云港近海叶绿素(Chl)含量、浮游植物群落结构和环境因子的空间分布特征进行了综合调查.结果显示,海洋工程建成后,调查海域水环境发生明显变化,近岸海域出现一个明显的高温区,与离岸海域温差达3°C;营养盐浓度明显降低,尤其是可溶性硅(DSi),平均浓度降低了70%. Chl浓度和浮游植物生物量显著升高,群落结构变化明显,由硅藻占优势转变为硅、甲藻共同占优势.海洋工程建设前优势度较高的星脐圆筛藻()和夜光藻()占比明显降低,中肋骨条藻()优势度明显升高.冗余分析(RDA)分析显示,海洋工程建设前化学需氧量(COD)、可溶性无机氮(DIN)和盐度(负相关)是影响浮游植物群落结构的主要因素;海洋工程建设后温度的影响明显升高;温度、BOD5和DO的增加可能是促使春季浮游植物增加的主要因素.

海洋工程建设；浮游植物；营养盐；群落结构

连云港近海海域营养物质丰富,初级生产力高,生物种类繁多,是我国八大渔场之一[1].该区域同时也是我国海洋开发利用的重点区域,近半个世纪来,连云港沿海不断进行围填海及海洋工程建设,尤其是2009～2016年间进行了大规模的海洋工程建设,连云港旗台作业区及防波堤、连云港主航道、跨海大桥、田湾核电站取水明渠和徐圩港区等诸多工程陆续建成[2].海岸线发生明显变化,邻近海域由海水交换通畅的开敞海湾变为被海洋工程环抱的半封闭人工海湾.高强度的海洋开发与利用显著影响了连云港近海海域潮流场和水环境,从而对近海海域生态系统造成显著影响[3-5].近年来,连云港附近海域富营养化加剧,赤潮频发[6-7].

浮游植物是海洋生态系统中最重要的初级生产者,其群落结构和丰度的变化对上层食物链、生物多样性和气候变化具有重要的影响[8-10],因此浮游植物常常作为研究生态环境变化的重要指标.海洋工程建设和运行常常会显著改变海域环境因子,直接或间接地影响浮游植物的群落结构[11-14],例如:天津沿海海洋工程建设使近海赤潮发生频率和范围明显增加[15];象山湾滨海电厂的温排水显著影响邻近海域浮游植物的生物量和群落结构[16],使赤潮的爆发季节由春季提前到了冬季[17].虽然针对连云港近海海域环境变化、浮游植物群落结构分布特征已经开展了一定研究[18-19],但海洋工程建设对连云港海域浮游植物群落结构影响及驱动其变化的关键环境因子尚不明确.

鉴于此,本研究在2009年5月和2016年5月前后二次对连云港近海环境因子、叶绿素(Chl)和浮游植物群落结构进行了系统调查,对比分析海洋工程建设前、后调查海域环境因子、Chl和浮游植物群落的空间分布特征及其相关关系,并与历史数据进行比较,研究了驱动连云港近海海域浮游植物群落结构变化的关键环境因子,旨在揭示连云港海洋开发利用对近海环境和浮游植物群落的影响,为深入分析人类活动对海洋环境和生态系统的影响提供重要的基础资料.

1 材料与方法

1.1 研究海域

表1 2009～2016年间连云港近海海域主要海洋工程建设情况

图1 采样站位

研究海域位于黄海海州湾南部,涨潮时潮流从东北方向涌入,自北向南分别进入连云港港区、核电站周边区域,然后顺岸向东南方向形成沿岸涨潮流态;落潮流态大致与涨潮流向相反.2009～2016年间,该海域进行了大规模海洋工程建设(详见表1),显著改变岸线形状和潮流场.为了研究海洋工程建设对浮游植物群落结构的影响,我们选择生物量丰富的春季进行研究,分别在2009年5月25～26日(建设前)和2016年5月14～16日(建成后),对连云港近岸水域开展了生态环境综合调查.以田湾核电站取水口为中心,在连云港和徐圩港港区间,设置了14个站位,不同采样年份站位设置略有不同(图1).每个调查站位取表层水样监测温度、盐度、营养盐和Chl,同时对其中部分站位的浮游植物进行鉴定.

1.2 样品采集与分析

样品的采集严格按照《海洋调查规范》(GB/T 12763-2007)[20]进行,5L的卡盖式采水器采集表层水样分别用于营养盐、Chl和浮游植物分析.取500mL海水装入聚乙烯瓶,并立即加入甲醛溶液固定保存(终浓度为3%～5%),用于浮游植物计数;取1000mL水样经GF/F滤膜(Whatman)过滤后,滤膜于-20°C下避光并冷冻保存,用于Chl浓度的测定,每个采样点取3个平行样;另取250mL水样用0.45μm醋酸纤维滤膜过滤,滤液用于营养盐浓度的测定.

浮游植物样品计数采用Utermöhl方法,固定好的浮游植物样品摇匀,取25mL放入Utermöhl计数框,静置24h,在OLYMPUS CKX53倒置显微镜下(200或400倍)进行浮游植物的计数,换算成浮游植物密度即每升水样中藻类的细胞个数,单位为cell/L.Chl的测定采用分光光度法进行分析.

环境要素分析按照《海洋监测规范》(GB/T 17378-2007)[21].温度、盐度、pH值与水深使用船载CTD(Seabird 911)现场测定,溶解氧(DO)采用碘量法、化学需氧量(COD)采用碱性高锰酸钾法测定、悬浮物(TSM)采用重量法测定.可溶性无机氮(DIN,为NO3-N、NO2-N、NH4-N之和)、可溶性无机磷(DIP,即PO4-P)和可溶性无机硅(DSi,即SiO3-Si)使用营养盐自动分析仪(QuAAtro AutoAnalyzer 39)进行测定.

1.3 优势种分析

物种优势度指数()指示某物种在种群中的优势地位,当³0.02时,即认为该种为优势种[22].

式中:n为第种的总个体数;为采集到的生物个体总数;f为物种在所有站位上出现频率.

1.4 统计分析

使用SPASS 22.0对环境因子数据和浮游植物生物量数据进行正态性检验;对不符合正态分布的浮游植物与环境因子数据进行lg(1)转换,转换后的数据进行除趋势对应分析(DCA);结果显示4个轴最大梯度长度小于3,因此选择线性模型的冗余分析(RDA)分析环境因子和浮游植物群落优势种的相关性[23],RDA分析的排序图使用Canoco for Windows 4.5软件绘制.

2 结果

2.1 调查海域环境因子的时空分布

2.1.1 温度、盐度 2009年5月,调查海域水温变化范围为16.59～18.93°C,均值为17.37°C,整体呈现由南向北逐渐升高的趋势,高值区出现在调查海域东南(图2A).2016年5月,调查水域水温比2009年明显升高,温度变化范围为18.25～21.03°C,平均水温升至19.50°C,温度空间分布与2009年明显不同,整体呈现自近岸至离岸明显降低的趋势,高值区出现在田湾核电排水口附近,范围大概在近岸8km以内(图2B).盐度的变化趋势和空间分布与温度明显不同.2009年5月,盐度呈现自河口向离岸逐渐升高的趋势(图2C),盐度变化范围为30.64～31.47,均值为31.17.2016年,盐度整体低于2009年同期(图2D),均值仅为30.74,高值区出现在田湾核电站附近海域,低值区出现在北部离岸海域.

2.1.2 COD、BOD5、DO 2009年5月,研究海域COD、BOD5和DO变化范围分别为1.51～3.30、0.03～2.04和6.71～8.80mg/L,平均值分别为2.31、0.79和7.48mg/L.COD和BOD5整体呈现自近岸至离岸逐渐降低的趋势,高值区出现在田湾核电站附近(图3A、C);与COD和BOD5相反,DO整体呈现自河口至离岸逐渐升高的趋势,在河口及其东北侧有一个明显的低值区(DO<7.5mg/L)(图3E).2016年同期,调查海域COD明显降低,变化范围为1.02～2.09mg/L,平均值为1.46mg/L;BOD5和DO浓度升高,变化范围分别为0.90～1.84和6.99～8.64mg/L,平均值分别是1.30和8.09mg/L.COD、BOD5和DO的空间分布与2009年明显不同,COD整体呈现自西南到东北递减的趋势,高值区出现在田湾核电站南部近岸海域(图3B);BOD5和DO的空间分布大致与COD相反,低值区出现在河口附近(图3D、F);DO的河口东北侧低值区消失(图3F).

图2 2009年和2016年5月调查海域温度、盐度的空间分布特征

图3 2009年和2016年5月调查海域COD、BOD5、DO的空间分布特征

2.1.3 营养盐 2009年5月,调查海域DIN和DIP总体呈现自西北近岸至离岸浓度逐渐降低的趋势(图4A、C),均值分别是15.00和0.66µmol/L,高值区出现在田湾核电西北近岸,最高值分别是25.34和1.20µmol/L.与DIN和DIP不同,DSi整体呈现北高南低的趋势,变化范围为0.79～15.58µmol/L,均值是11.04µmol/L,最高值也出现在田湾核电附近(图4E). 2016年同期,调查海域营养盐浓度,尤其是硅酸盐明显下降,DIN、DIP和DSi平均浓度分别为11.45、0.55和3.11μmol/L(图4B、D、F).营养盐空间分布与2009年明显不同,高值区均出现在调查海域南部.DIN和DSi在南部近岸和在离岸各有一个高值区;与DIN和DSi不同,DIP高值区主要出现在河口近岸海域.

图4 2009年和2016年5月调查海域营养盐的空间分布特征

2.2 调查海域Chl a的时空分布

2009年5月调查水域Chl a的平均浓度为4.35μg/L,高值区出现在调查海域中部,高值中心有两个分别位于DIN和DSi高值区,Chl a浓度最高值为6.57μg/L(图5A).2016年同期,调查水域Chl a的浓度整体高于2009年,平均浓度为5.75μg/L,Chl a分布整体呈现自西北至东南逐渐降低的趋势,空间差异明显,高值区出现在调查区域东北侧近岸海域,最高值为9.16μg/L,低值区出现在调查海域南部,最低值为1.32μg/L.

2.3 调查海域浮游植物群落结构及丰度分布特征

2009年5月,调查海域共采集到浮游植物3门41种,其中硅藻36种,是主要浮游植物种类,占总物种数的87.8%,其次为甲藻门4种(9.8%),金藻门1种(2.4%).调查海域优势种类(³0.02)共7种,优势种为星脐圆筛藻()、夜光藻()、中肋骨条藻()、中心圆筛藻()、派格棍形藻()、虹彩圆筛藻()、有棘圆筛藻()和威氏圆筛藻().高值区出现在田湾核电附近的A1站位和南部近岸的A6站位(图6A),以中肋骨条藻、星脐圆筛藻和夜光藻为主(图6C).

图5 2009年和2016年5月调查海域Chl a的空间分布特征

图6 2009年和2016年5月调查海域浮游植物数量和群落结构的空间分布特征

2016年5月调查海域共采集到浮游植物4门29种,其中硅藻19种,甲藻8种,金藻1种,裸藻1种,浮游植物种类低于2009年.硅藻依然是最主要的浮游植物种类,但占比明显降低(65.5%),甲藻占比明显升高(27.6%).调查海域优势种群也发生明显变化,中肋骨条藻优势度明显升高,其他优势种则更替为柔弱几内亚藻()、微小原甲藻()、海链藻(sp.)、裸甲藻(sp.)、舟形藻(spp.)和隐藻(spp.).浮游植物生物量显著高于2009年(图6B),空间分布与2009年明显不同,最高值区出现在田湾核电取水渠附近,以柔弱几内亚藻和中肋骨条藻为主(图6D).

2.4 浮游植物与环境因子的相关性

为了进一步研究调查环境因子变化对浮游植物群落结构的影响,分别对2009年5月、2016年5月以及两个年份数据合并后优势种与环境因子进行了RDA分析,结果如图7所示.

图7 调查海域浮游植物优势种与环境因子RDA排序

2009年,排序图第1轴和第2轴分别解释了47.4%和28.2%的物种变化,选取的环境因子与主要浮游植物优势种类相关性较好(图7A).影响排序轴1的主要环境变量是COD、DIN和盐度(负相关);影响排序轴2的主要是温度和DSi(负相关).中肋骨条藻和夜光藻与温度呈现明显的正相关.星脐圆筛藻、中心圆筛藻和派格棍形藻等大部分优势种群与营养盐和COD呈现明显的正相关关系.

2016年同期,RDA排序图的第1轴与第2轴分别解释了53.0%和41.1%的物种组成变化,选取的环境因子可以较好的解释浮游植物群落变化(图7B).影响排序轴1的主要环境变量是T和COD(负相关),BOD5和盐度(负相关)则是影响排序轴2主要环境变量.优势度较高的中肋骨条藻与营养盐呈明显的负相关关系.与2009年不同,中肋骨条藻与温度相关性较低;柔弱几内亚藻、微小原甲藻和隐藻与温度呈现明显的正相关关系;舟形藻和海链藻则与温度呈现明显的负相关关系.

为了避免同年样品因环境条件相似削弱环境与优势物种的相关性,将两个年份的数据进行合并,重新分析优势种及其与环境要素的相关关系.结果显示,RDA排序图的第1轴与第2轴分别解释了65.2%和5.2%的物种组成变化,环境因子可以较好的解释浮游植物群落变化(图7C).影响排序轴1的主要环境变量是T、DSi(负相关)和COD(负相关),影响排序轴2的主要是DIN.优势种与温度、DO、BOD5呈现明显的正相关,与其他环境因子呈显著的负相关关系.

3 讨论

3.1 海洋工程建设、运营对环境因子影响

连云港近海主要受苏北沿岸流、径流输入以及沿岸涨、落潮流的影响[24-25],海洋工程的建设使沿岸流和涨、落潮受到阻隔,近海海水交换受到影响.通过对海洋工程建设前(2009年)、后(2016年)春季环境因子变化趋势的对比研究发现,连云港邻近海域海水温度、盐度、营养盐等环境因子及其空间分布均发生明显变化.

2016年5月,调查海域海水平均温度明显高于2009年同期,这可能是由于2016年整体气温比2009年偏高[26-27].海洋工程建设前、后温度空间分布差异明显,海洋工程建成后田湾核电站取水明渠南侧和徐圩港西防波堤间形成高温区,与离岸海域温差达3℃,明显高于海洋工程建设前.这可能是由于大规模的海洋工程建设改变了岸线,使邻近海域由海水交换通畅的开敞海湾变成了被海洋工程环抱的半封闭人工海湾,影响了田湾核电站温排水的展布形态和规模,使高温海水被限制在田湾核电取水明渠和徐圩港西防波堤间[28].2016年核电取、排水口温差明显高于2009年同期(图8),也说明沿海海洋工程建设会影响核电站温排水扩散,使排水口邻近海域海水温度升高.

图8 田湾核电取排水口温度变化

2016年5月盐度整体低于2009年同期,这可能与2016年春季降水明显增多有关[29].盐度空间分布发生明显变化,高值区出现在田湾核电排水口附近海域,这可能是由于田湾核电取水明渠建成,大量取自离岸的高盐冷却海水,集中在田湾核电南侧河口附近的排水口排出,加之核电机组冷却过程中海水温度的升高起到一定的浓缩效应,使排水口附近盐度略高于取水口.

2016年5月和2009年同期相比,BOD5和DO均值明显升高,COD均值降低.田湾核电站取水明渠南侧和徐圩港西防波堤间形成了一个明显的高COD、低BOD5和DO的区域,这可能是由于海洋工程建设阻碍了河流输入的陆源营养物质扩散,与营养物质密切相关的COD升高,而陆源营养物质氧化消耗使该区域BOD5和DO显著降低[30-31].海洋工程建成后河口东北方向DO低值区向东南移,这可能是由于田湾核电取水明渠的防波堤阻碍了陆源物质向东北扩散,因此河口东北处消耗的DO降低.

与2009年同期相比,2016年5月营养盐整体呈现下降趋势,尤其是硅酸盐浓度明显降低,这可能是由于2016年水温偏高,促使浮游植物快速增殖,消耗了大量营养物质.Chl浓度明显升高,且高值区与营养盐低值区基本重合,也说明浮游植物快速繁殖对营养物质的消耗可能是营养盐浓度降低的重要原因.营养盐空间分布也发生明显变化,2016年5月田湾核电排水口附近存在明显的营养盐高值区,海洋工程的建设阻碍了陆源营养物质的扩散可能是该现象发生的原因.此外,核电排放余氯在一定程度上能够抑制浮游植物生长[32],因此排水口附近浮游生物量相对较低,营养物质的消耗也较低,可能也是此处营养盐浓度较高的原因.

3.2 海洋工程建设对浮游植物群落的影响

浮游植物与环境因子有着密切联系[33-34].连云港海洋工程建设主要围绕在田湾核电站附近,海洋工程建设叠加核电运行共同影响连云港近海环境因子及其空间分布的变化,进而显著影响浮游植物丰度、群落结构及其空间分布.

2016年5月,调查海域温度、浮游植物生物量和Chl明显高于2009年同期.2016年和两年数据合并后的RDA分析均显示,温度是影响排序轴1的主要环境变量,说明调查海域温度升高是促使浮游植物生物量明显增加的原因,这与适度增温能够促进浮游植物生长的研究结果一致[35-37].同时也说明,春季海洋工程建设和核电运行引起的升温并未达到抑制浮游植物代谢活动的程度[38].

海洋工程建设前后,调查海域春季浮游植物群落结构也发生了明显变化,由2009年5月硅藻占绝对优势转变为2016年同期硅、甲藻共同占优势.这可能是由于海洋工程持续建设使核电温排水扩散受到影响,引起近岸海域温度升高,使浮游植物群落结构逐渐由喜低温的硅藻向喜高温的甲藻转变[39-40].近年来,连云港近海海域的研究也证实,甲藻种群占比呈现逐渐升高的趋势(表2),特别是2016年田湾核电取水明渠和徐圩港西防波堤建成后,甲藻占比明显增加,且主要分布在被海洋工程包围的半封闭人工海湾内,这说明在核电站周围进行海洋工程建设能够进一步促进近岸海域浮游植物群落的演替.

RDA分析显示,2009年5月浮游植物群落主要受COD和DIN影响,主要优势种属与他们呈现明显的正相关关系(图7A),说明陆源营养物质是影响海洋工程建设前调查海域春季浮游植物生长的主要因素.2016年同期,调查海域浮游植物优势种群演替明显,仅中肋骨条藻仍然是调查海域的优势种,且优势度明显升高.RDA分析显示,中肋骨条藻与营养盐呈明显的负相关关系(图7B),说明其快速繁殖可能是营养物质大量消耗的重要原因.通过与连云港邻近海域的研究对比发现,核电运营后,中肋骨条藻整体呈现上升的趋势[18-19](表2),说明核电运营可能会促进中肋骨条藻生长[41-44],而在核电站附近的进行环抱式海洋工程建设可能会加速中肋骨条藻快速增殖,增加中肋骨条藻赤潮爆发的机率.

表2 连云港近岸海域浮游植物丰度和优势种/属的变化

4 结论

4.1 海洋工程建成后,海水交换受到影响,调查海域春季环境因子及其空间分布发生明显变化,田湾核电排水口附近出现一个明显的高温、高盐、高营养盐和低溶氧的区域.

4.2 海洋工程建成后,调查海域春季浮游植物的生物量明显升高;浮游植物由硅藻占绝对优势转变为硅、甲藻共同占优势;中肋骨条藻优势度明显升高.

4.3 RDA分析发现:海洋工程建设前,影响浮游植物优势种变化的主要因素是COD和DIN;海洋工程建设后温度的影响明显升高;温度、BOD5和DO的增加可能是促使春季浮游植物增加的主要因素.但海洋工程影响浮游植物群落变化的机制仍需要进一步研究.

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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

张晶晶(1983-),女,山东济南人,讲师,博士,主要从事海洋生态学研究.发表论文20余篇.

2021-01-29

国家自然科学基金项目(41776126);山东省重点研发计划(2018GHY115039)

* 责任作者, 王以斌, 助理研究员, wangyibin@fio.org.cn; 吕振波, 教授, ytlvzhenbo@163.com