胶州湾表层沉积物甲藻孢囊的分布与环境因素的相关分析

沈萍萍,汤亚楠,李 影,田雨杭,刘梦坛

(1.烟台大学海洋学院,山东 烟台 264005;2.西湖大学生物医学实验技术中心,浙江 杭州 310024;3. 深圳蓝晶微生物科技有限公司, 广东 深圳 518000;4. 中国科学院南海海洋研究所，中国科学院边缘海重点实验室,广东 广州 510301;5.中国科学院海洋研究所，胶州湾海洋生态系统国家野外研究站,山东 青岛 266071)

甲藻是海洋生态系统中重要的浮游植物类群,其种类和数量仅次于硅藻,也是近岸海域引发赤潮和贝毒素污染的重要微藻[1]。许多甲藻在遭遇不良环境条件时,以休眠体的形式保存在沉积物中,在适宜条件下,又能萌发成营养细胞释放到水体中,成为赤潮发生的“种源”,赤潮后期孢囊的形成也是赤潮消退的重要原因[2]。海洋中甲藻孢囊的形成和萌发受到海水温度、盐度和各种营养元素的影响[3],孢囊在沉积物中的分布还会受到水流、沉降速率以及沉积物粒度大小等的影响[4-5]。因此,沉积物中甲藻孢囊的分布特征能在一定程度上反映出水体中生产力、浮游植物、海水温度、盐度等历史信息,可以较好地反演海域水体环境状况的变化过程[6-7]。

胶州湾位于山东半岛南岸,与黄海相连并伸入内陆,是受人类活动影响剧烈的典型的半封闭海湾,具有丰富的海洋生物、港口和旅游等资源,沿海产业高度密集。近百年来,随着人类活动的不断加剧,尤其是不合理开发利用,使得胶州湾海域、滩涂面积及纳潮量等显著减小,海水水质恶化、富营养化加剧、赤潮灾害时有发生,海洋生态环境问题日趋严重[8]。尽管已有很多学者对胶州湾沉积物生物地球化学指标进行过较全面系统的调查与研究[9],但有关甲藻孢囊的工作却非常少。我们曾对胶州湾表层沉积物中甲藻孢囊的分布情况进行了初步报道[10],但对其分布特征与环境影响因素的关系尚未深入研究。通过沉积物中甲藻孢囊等指标来研究胶州湾水体和沉积环境的变化过程,对胶州湾的保护与发展具有重要指示意义。因此,本文在前期研究的基础上,进一步分析了胶州湾表层沉积物甲藻孢囊的分布及群落结构与海湾环境因素之间的关系,为评估人类活动对海湾环境的影响过程与机制提供数据参数。

1 材料和方法

1.1 采样区及采样方法

2015年7月11日—12日,在胶州湾设12个站位(S3—S14)(图1),使用抓斗式采泥器采集表层沉积物后置于冰盒中带回实验室,并于4 ℃冰箱中保存用于后续分析。

1.2 环境指标的测定与分析

1.2.1 海水温度、盐度和水深 2015年7月(夏季)在12个站位(S3—S14)用YSI(YSI 6600, Yellow Springs, OH, USA)现场测定水深、海水温度和盐度;2014年8月(夏季)和2015年2月(冬季)的海水温度和盐度数据由胶州湾海洋生态系统国家野外研究站提供。已有研究发现年际水文变化会对孢囊的分布产生很大影响,其影响因素分析可利用冬季以及夏季环境数据[6,11]。因此,本文即利用了胶州湾海域连续两年的夏季和冬季的温度和盐度进行相关分析。

1.2.2 沉积物粒度分析 取5 g沉积物样品,放置于烘箱中70 ℃烘干24 h以上,然后取出1 g干重样品用蒸馏水浸泡并滴加0.05 N六偏磷酸钠,在烧杯中静置24 h后用超声波振荡仪振荡15 min,然后上机测试。

粒度分级1Φ,每个样品测试3次,测试结果取平均值。测试仪器为英国马尔文公司Mastersizer 2000G型激光衍射粒度分析仪,测量范围0.02～2000 μm,相对误差小于2%。

1.3 甲藻孢囊的分离与鉴定

取适量沉积物样品分成两份,其中一份(约10 g)放在 60 ℃烘箱中烘干至恒重,用来测定样品含水率。另一份(约5g)进行网筛过滤,即超声波震荡之后,让其分别通过 15 μm 和125 μm的不锈钢网筛,收集两个网筛之间的部分并转移至表面皿中,旋转表面皿使液体涡旋[12],然后用吸管吸取上层浮液至 15 mL离心管中,用过滤海水定容至 10 mL,具体方法可参考文献[10]。

进行甲藻孢囊分析鉴定时,吸取 1 mL 已经处理好的样品至浮游生物计数框(Sedgewick-Rafter 1mm2)中,置于徕卡显微镜(DM2000)200倍下对孢囊依次进行种类的鉴定、计数和拍照。无法鉴定到种水平的甲藻孢囊,以其所在的属来表示[2,13]。孢囊密度以每克干重沉积物中的孢囊数表示(个/g)。

1.4 数据分析

甲藻孢囊丰度分布图用SURFER 11软件绘制。甲藻孢囊群落结构聚类分析(CLUSTER)和多维度排序(MDS)利用软件Primer 6.0进行,不同种类对分组的贡献情况利用相似百分比程序(SIMPER)完成。为了研究甲藻孢囊的丰度与环境因子之间的关系,分别利用SPSS 19.0完成t检验和回归分析、Primer 6.0完成主成分分析(principle component analysis,PCA分析)和Bio-Env (BEST)分析。

2 结 果

2.1 环境因子的分布特征

胶州湾的地形西北浅、东南深,海底地形自北向南倾斜,海水深度介于4.5～24.7 m 之间,平均深度为11.4 m,最浅处位于湾内S4站,为4.5 m,最深处位于湾口处S11站,为24.7 m,从湾内向湾外深度逐渐加深。

胶州湾水温分布和变化具有明显的季节特征,夏季水温为全年最高值,介于25.7～28.1 ℃之间,平均值为26.7 ℃,近岸的温度较高而湾口及外海温度较低;冬季水温最低,介于1.8～4.4 ℃之间,平均值为3.3 ℃,受到黄海水入侵的影响呈现为从湾口向湾内逐渐降低的趋势(图2(a)、(b))。

夏季海水盐度介于28.7～30.0之间,平均值为29.5;冬季盐度介于30.4～31.0之间,平均值为30.9。总体来说,胶州湾盐度的季节变化不显著,两个季节盐度均呈现由湾外向湾内逐渐降低的趋势,湾内受径流输入的影响,盐度较低,而湾口附近则受外海水的影响,盐度较高(图2(c)、(d))。

图2 胶州湾温度和盐度的分布图

粒度分析发现,海湾表层沉积物主要以砂、粉砂和黏土3种成分为主,其中粉砂的含量最高,介于41.3%～66.7%之间,平均值为56.1%,海底沉积物大部分为细颗粒的粉砂质淤泥所覆盖(图3)。砂百分含量介于3.3%～47.3%之间,平均值为27.0%,其中S3站砂百分含量最高,可能与大沽河的泥沙输入有关。黏土百分含量的变化范围为10.8%～22.9%之间,平均值为16.9%,变化范围小,相对比较稳定。

图3 胶州湾表层沉积物的粒度分布

2.2 甲藻孢囊的种类组成和丰度

胶州湾12个站位的表层沉积物共鉴定到37种甲藻孢囊和2个未定种,包括自养型20种和异养型17种,优势种主要为膝沟藻类孢囊(Gonyaulaxspp.)[10]。各站位孢囊总丰度介于96～969 个/g,平均值为401个/g。其中湾口外S13站的孢囊丰度最高,为969个/g;而湾内东部S5站的孢囊丰度最低,仅为96 个/g。孢囊的总体分布特征为湾内各站丰度低,而湾口及湾外站位丰度高(图4)。

图4 胶州湾甲藻孢囊总丰度分布(个/g)

Cluster聚类分析(图5)和nMDS排序(图6)结果表明在50%的相似度水平上甲藻孢囊群落可以分为4个组(ANOSIM,R=0.91,P<0.01),其中第 Ⅰ 组(湾口及湾外组)包含了大部分站位(S7—S14),主要分布在湾口及湾外,其主要贡献种类为自养型具刺膝沟藻(Gonyaulaxspinifera)和多边舌甲藻(Lingulodiniumpolyedra)孢囊;第 Ⅱ 组湾西部组包括两个站位S3和S6,其主要贡献种类也为具刺膝沟藻(G.spinifera)和多边舌甲藻(L.polyedra)孢囊,但丰度大幅降低[10];第 Ⅲ 组为湾北部组(S4站)和第Ⅳ组为湾东部组(S5站)(图5),这两组的主要贡献种类为异养型原多甲藻(Protoperidiniumsp.)和长形原多甲藻(P.oblongum)孢囊。SIMPER相似百分比分析表明造成分组差异的主要贡献种类分别是:具刺膝沟藻(G.spinifera)、多边舌甲藻(L.polyedra)、原多甲藻(Protoperidiniumsp.)(SIMPER,50%)。

图5 胶州湾甲藻孢囊的聚类分析

图6 胶州湾甲藻孢囊群落的nMDS排序

2.3 甲藻孢囊与环境因子的相关分析

主成分分析(PCA)结果表明,两个主成分累计贡献环境因子84.4%的信息,较好地反映了环境因子的分布特征,其中第一、第二主成分(PC1、PC2)分别解释了环境因子56.0%和28.3%的变异,大部分站位于第一、二轴的右侧,表现为冬季高温、高盐(夏季和冬季),砂质较多和水深较深等,而粉砂和黏土含量则较少(图7),且甲藻孢囊也呈与此相一致的分布趋势。相关分析结果表明甲藻孢囊总丰度与冬季温度、夏季盐度及海水深度呈显著正相关(P<0.01),与夏季温度呈负相关(P<0.05);而与沉积物粒度相关性不显著(表1)。 Bio-Env 相关分析表明相关性最高的因子组合为夏季和冬季的盐度(Spearman等级相关系数:ρ=0.759,P<0.01)。

ST:夏季温度;WT:冬季温度;SS:夏季盐度;WS:冬季盐度;Sand:砂;Silt:粉砂;Clay:黏土;Depth:深度。

表1 环境因素与孢囊丰度的相关分析

3 讨 论

3.1 甲藻孢囊的空间分布特征

胶州湾沉积物中甲藻孢囊的空间分布特征差异显著,湾内孢囊丰度非常低,而湾口及湾外的孢囊丰度较高。湾口及湾外多个站位的孢囊群落结构非常相似,而湾内可能受不同生产活动的影响,如径流输入、工农业排污及贝类养殖活动等,导致湾内甲藻孢囊群落结构差异较大且丰度较低,分别为湾西部组、湾北部组和湾东部组。这一聚类分析结果与范文峰[14]把胶州湾水体中浮游植物群落划分为湾南与湾外海区、湾中西部海区以及湾东海区三个区的结果基本一致,表明沉积物中甲藻孢囊能够较好反映水体中浮游植物群落结构特征。

湾口及湾外组站位以自养型甲藻孢囊占优势,优势种为膝沟藻属孢囊且丰度较高[10],说明这些海域水体富营养化程度相对较高,应该主要受到周边生活污水排放以及养殖污染的影响。此外,从聚类分析结果(图5)可以看出,湾西部组(S3、S6)与湾口及湾外组站位位于同一个较大的分支上,相似度较高,其孢囊种类组成非常相似,均以具刺膝沟藻和多边舌甲藻孢囊为主,但丰度却大幅降低[10];这可能与胶州湾西部的贝类养殖有关,高密度养殖的滤食性贝类对浮游植物的摄食压力很大,极有可能导致水体中浮游植物和沉积物中孢囊数量大幅降低。如CARLSON等[15]研究发现贝类养殖海域浮游植物生物量受滤食性贝类的控制;董婧等[16]发现小窑湾贝类养殖区水域,随着贝类摄食强度的增强,浮游植物数量、种类都大量减少。此外其他因素如沉积物扰动、底栖动物的摄食和粘附作用,也可能造成表层沉积物中孢囊分布不均或损失。贝类摄食不仅可以通过影响浮游植物的生物量来影响孢囊的分布情况,同时还可以通过摄食和粘附作用,借助其在沉积物中垂直方向上的运动,将原本在表层沉积物中的孢囊带入底部沉积物中。环胶州湾贝类养殖种类主要为菲律宾蛤仔和贻贝,其中菲律宾蛤仔属大型底栖滤食性贝类,其最大分布深度可达11 cm[8],因此推测湾内西北侧表层沉积物中孢囊丰度低的原因与贝类的摄食及生物扰动有较大关系。

湾北部和湾东部海区的孢囊丰度也很低,但与湾西部不同的是异养型孢囊所占比例升高,主要以原多甲藻(Protoperidiniumsp.)和长形原多甲藻(P.oblongum)孢囊为主。由于异养型甲藻如原多甲藻等可以摄食硅藻等其他浮游植物[17],因此较高比例的异养型甲藻意味着环境中具有丰富的食物来源,表明湾内海域的初级生产力较高,异养型甲藻孢囊也被认为是富营养化导致的高初级生产力的标志[18-19]。

此外,胶州湾内孢囊丰度低也可能与湾内不同的污染物来源和种类有关,研究发现孢囊丰度对不同污染来源的响应不同,工业污染会平衡富营养化导致的孢囊总丰度的升高,使孢囊总丰度保持稳定或减少[18,20-21]。如黄海四十里湾沉积物中孢囊丰度与重金属含量呈负相关[7],重金属Cd会抑制孢囊的形成[20]。胶州湾海域湾内东侧(S5)附近海底存在大量工业废渣,重金属和多环芳烃等含量高[8-9],推测该海域东部附近沉积物中极低的孢囊丰度可能与较高的工业污染物含量有较大关系。

3.2 甲藻孢囊的形成及分布与环境之间的关系

本次分析发现海水温度和盐度与胶州湾沉积物中孢囊丰度显著相关,表明甲藻孢囊的形成与萌发受温度和盐度的影响较大。如有研究发现微小亚历山大藻多分布在盐度较低的海域附近[21],我们的结果亦显示胶州湾海域微小亚历山大藻孢囊主要分布在湾内,与湾内较低的盐度一致。同时本研究发现胶州湾孢囊丰度与夏季温度呈负相关(P<0.05)、而与冬季温度呈正相关(P<0.01),此结果与日本海湾甲藻孢囊沉降通量从夏季到冬季逐渐增加的研究结果相一致[22],表明不同季节的温度变化是影响孢囊的形成与萌发的重要原因。孢囊的萌发多发生在温度上升的春季和夏季,孢囊萌发体进入水体,造成水体中甲藻营养细胞丰度升高,而沉积物中孢囊的丰度则降低[2]。晚秋和冬季水温急剧下降,这一变化导致孢囊大量形成。因此,一般在秋冬季节孢囊的形成率较高,孢囊丰度相应增加[23]。胶州湾水体浮游植物群落研究中也发现硅藻与甲藻的数量比例呈现出从冬季到夏季由高变低的变化特征,夏季甲藻数量的比例明显升高[24],说明沉积物中甲藻孢囊萌发进入水体,导致孢囊数量降低,也可以解释胶州湾沉积物孢囊丰度与夏季温度呈负相关的原因。

此外,孢囊的形成与分布还会受到诸如营养盐、海水深度、沉降速率、沉积物粒度大小以及海流等多种因素的影响[3,6,20, 25-26],如沉积物粒度大小和沉积速率能够影响甲藻孢囊的沉降从而影响孢囊的水平分布[27]。甲藻孢囊的大小介于25～65 μm,常在颗粒大小、沉降性质与之相近的黏土中积累,粘性沉积物中的孢囊总丰度一般高于砂质沉积物,而且孢囊丰度与黏土含量成正比,且常随水深增加。虽然本研究初步分析结果表明甲藻孢囊的丰度与沉积物粒度各组份的相关性不显著,但胶州湾内沉积物粒度较细,粉砂和黏土含量高,孢囊丰度不高反而较小,一是可能受到养殖贝类的生物扰动,二是可能与湾内河流输入和水深等其他影响因素有关。胶州湾内北侧河流较多,呈放射状辐聚汇流与海湾,带来大量悬浮物质及养殖区的残饵沉积,加快了沉积物的沉降,高抒等[28]发现胶州湾沉积速率由西北部到湾中部至湾口门外呈逐渐降低的趋势,湾内的沉积速率大于1 mm/a,而湾南部黄岛附近仅为0.25 mm/a。湾内海域较高的沉积速率使得在沉降过程中孢囊数量被稀释[20，25],因而也使得湾内孢囊密度远低于湾口附近海域。

另外,水深也可以影响孢囊在沉积物中的沉降,ANDERSON等[26]发现甲藻孢囊主要沉积在海底的低凹处,水位较深更有利于孢囊的休眠[12,29]。胶州湾湾口及湾外站水位较深,孢囊丰度较高,深水区受水体搅动的影响较小,有利于孢囊的沉降,因此水深与孢囊丰度呈显著正相关,可能是湾口附近孢囊丰度较高的原因之一。例外的是湾口附近的S10站位于黄岛区码头附近,来往青岛的轮渡导致该海域附近水体搅动较大,不利于孢囊的沉降,故此海域孢囊丰度较低。

孢囊还可以通过海流的运动从原本形成的地方转移另一个地方沉降,从而影响孢囊的水平分布。如赤潮发生的沿岸水域多数位于具有复杂环流模式的动力系统中,因此赤潮消亡时产生的孢囊并不总是沉积在赤潮发生地的沉积物中。胶州湾在潮汐、余环流和风成波浪等的影响下,水动力作用较为复杂,湾内形成了若干规模和强度不同的潮致余环流系统,对沉积物中再悬浮孢囊的迁移和扩散有重要影响[30]。此外,胶州湾湾口附近的孢囊丰度高还可能与黄海海流或船舶携带的外来孢囊有关,具体情况还需要进一步深入研究。

4 结 论

胶州湾表层沉积物中甲藻孢囊丰度呈现湾内低、湾口湾外高的显著空间分布特征,可分为四个不同组,湾口及湾外一组的孢囊丰度较高且群落结构最相似,以自养型甲藻孢囊占优势,优势种为膝沟藻属孢囊;而湾内受不同人类活动的影响,甲藻孢囊丰度较低且群落结构差异较大,分为湾北部组、湾西部组及湾东部组,异养型孢囊所占比例升高,主要以原多甲藻类孢囊为主。这种分布格局与海水的温度和盐度有显著的相关性,表明甲藻孢囊的萌发与形成受到温度和盐度的调控;同时,海水越深孢囊丰度越高,表明较深的海域更有利于孢囊的沉降。本研究初步分析结果发现甲藻孢囊分布与沉积物性质相关性不显著,推测极有可能与湾内养殖贝类的生物扰动、河流输入及较高含量的工业污染物有关,希望后期能继续有针对性的研究,对于深入理解海湾沉积物中甲藻孢囊的分布特征及其影响因素具有重要意义。

致谢:国家重点基础研究发展规划项目(2015CB452900)团队成员对我们样品的采集与处理给予了大力支持与帮助,胶州湾海洋生态系统国家野外研究站提供温度和盐度数据共享,在此一并表示感谢。