中国温带海域新发现较大面积（大于50 ha）海草床: Ⅳ烟台沿海海草分布现状及生态特征

岳世栋, 徐少春, 张 玉, 乔永亮, 刘明杰, 张晓梅, 王 清, 周 毅

中国温带海域新发现较大面积（大于50 ha）海草床: Ⅳ烟台沿海海草分布现状及生态特征

岳世栋1, 2, 3, 4, 5, 6, 徐少春1, 2, 3, 4, 5, 6, 张 玉1, 2, 3, 4, 5, 6, 乔永亮7, 刘明杰1, 2, 3, 4, 5, 6, 张晓梅1, 2, 3, 4, 5, 6, 王 清8, 周 毅1, 2, 3, 4, 5, 6

(1.中国科学院海洋研究所 中国科学院海洋生态与环境科学重点实验室, 山东 青岛 266071; 2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋生态与环境科学功能实验室, 山东 青岛 266237; 3.中国科学院海洋大科学研究中心, 山东 青岛 266071; 4.中国科学院海洋牧场工程实验室, 山东 青岛 266071; 5.中国科学院大学, 北京 100049; 6.山东省实验海洋生物学重点实验室, 山东 青岛 266071; 7.青岛科技大学环境与安全工程学院, 山东 青岛 266042; 8.中国科学院烟台海岸带研究所, 山东 烟台 264003)

海草床是珍贵的“海底草原”, 具有十分重要的生态服务功能。20世纪90年代, 烟台曾分布有4种海草, 尚不明确海草的分布现状。本研究结合了现场调查、声呐探测等手段, 查清了烟台市莱州市至莱山区沿海海草的分布现状, 发现了一处位于烟台市套子湾的面积为51.90 ha的鳗草-日本鳗草混合草床, 并对鳗草、日本鳗草的生态特征进行了调查。调查发现烟台现存海草仅有2种, 部分草床严重退化, 亟需对现存海草进行保护与监测, 以遏制海草的退化速度。

鳗草; 日本鳗草; 套子湾; 声呐; 海草床

海草, 是地球上唯一一类可生活在海洋环境中的被子植物, 是大约1亿年前由陆地植物演化到适应海洋环境的高等植物, 在植物进化上拥有重要的地位。大面积的连片海草被称为海草床, 海草床具有极高的生产力, 能够为众多生物提供栖息地、产卵和庇护场所, 也是许多动物(如儒艮、海胆等)的食物来源; 能够净化水体、减缓水流、防风固堤; 能够有效地封存有机碳, 是重要的蓝碳生态系统[1-4]。然而, 由于全球气候变化和人类活动干扰, 海草资源严重退化, 已有近三分之一的海草床消失[5], 我国是全球海草种类下降最集中的区域之一, 海草保护与修复是当前海草研究最迫切的任务和目标。

20世纪90年代, den Hartog和杨宗岱[6]报道了中国海草的分布信息, 在山东省烟台市曾分布有鳗草()、丛生鳗草()、日本鳗草()和红纤维虾形草(), 尚不明确烟台海草的分布现状。查明当今烟台沿海海草空间分布和生态特征, 绘制海草分布图谱, 能够促进海草资源的保护与管理。随着科技发展, 海草调查方法从简单的现场采样逐渐发展为卫星遥感、声呐探测、水下录像等多技术手段。其中, 声呐探测技术所需的时间、人力成本较低, 受外界环境条件的影响较小, 且能够系统描绘海底特征, 是表征水下植被的有效工具[7-13]。

本研究基于2015—2020年的实地调查, 查清了烟台市莱州市至莱山区沿海海草的分布现状, 并且结合声呐探测与现场采样, 描述了一处位于烟台市套子湾内的大面积鳗草-日本鳗草混合草床的分布情况。本文系中国温带海域新发现较大面积(大于50 ha)海草床系列报道之一[14-16]。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

烟台市(36°16′N～38°23′N、119°34′E～121°57′E)位于山东半岛东部, 南邻黄海, 北濒渤海, 海岸线长909 km, 拥有230个海岛和7个天然海湾[17]。研究岸线西起莱州市朱由镇叶家村, 东至莱山区海昌渔人码头, 岸线总长约230 km(图1)。其中, 套子湾(37°34′45′′N, 121°12′14′′E), 湾口向北敞开呈“弧形”, 总面积184 km2, 最大水深20 m, 平均水深12 m[18]。潮汐属正规半日潮, 最高高潮位3.67 m, 最低低潮位−0.77 m[19]。

图1 烟台市莱州市至莱山区沿海海草分布现状及套子湾声呐探测路线

注: a图中饼状图中绿色表示鳗草, 黄色表示日本鳗草。

1.2 海草分布现状调查

根据前期资料, 在2015年12月—2019年12月期间, 对研究岸线内已记录的海草分布站点进行重访调查, 了解历史草床的分布现状。同时, 对研究岸线内可能适宜海草生长的生境进行调查, 寻找新的海草分布点。在调查中, 将海草的丰富度分为五个等级: 没有发现鲜活海草或碎屑; 零星海草碎屑; 大量海草碎屑; 少量鲜活海草; 大量鲜活海草。

在分布有大量鲜活海草的地点, 于海草床核心区域通过随机取样法借助圆柱形样方(若海草为日本鳗草等小型海草, 则使用直径10.5 cm, 深度12 cm样方; 若海草为鳗草等大型海草, 则使用直径19 cm, 深度12 cm样方)采集7个样方, 将海草筛洗干净并带回实验室进行茎枝密度(shoots∙m−2)、茎枝高度(cm)测定, 并在60 ℃下烘干后测定生物量(g DW∙ m−2)。

1.3 环境因子调查

在分布有大量鲜活海草的地点, 现场使用YSI-EXO多参数水质分析仪(美国YSI公司)测定采样地点表层水的水温、盐度、溶解氧含量、浊度和pH, 同时借助圆柱形样方(直径10.5 cm, 深度12 cm)随机采集4个沉积物样品, 并在实验室内使用筛析法(将预处理的沉积物颗粒样品通过多个孔径不同的标准筛, 对不同粒径范围的颗粒进行称重和计算, 获得沉积物的粒径分布)进行粒径分析。

1.4 重点草床声呐探测

根据普查结果, 借助声呐探测方法对套子湾海草分布情况进行详细调查。所用设备包括MX－单波束声呐(美国BioSonics公司)、笔记本电脑(松下 Toughbook CF-311)等, 使用铁架将声呐设备固定在船沿上, 确保将声呐换能器垂直于海面放置。探测过程中船速控制在4 kt以内, 确保数据准确性。声呐数据获得后, 首先借助BioSonics Visual Habitat软件平台进行信息提取, 人工描底、描顶等操作, 后将导出的数据文件导入ArcGIS 10.2.2(Esri Inc., Redlands, CA, 美国), 通过“地形转栅格”工具进行插值分析, 完成水深、海草冠层高度和盖度分布图像的绘制。

1.5 海草生态特征调查

2020年9月18日, 在套子湾海草床内平行设置3条采样断面, 每个断面设置2个采样站位, 1个位于浅水区(水深<2 m, 站位A), 另1个位于深水区(水深>2 m, 站位C)。在每个点借助圆柱形样方(直径19 cm, 深度12 cm)采集1个样方, 每个站位共采集3个样方, 将海草筛洗干净并带回实验室进行生物学参数测定。所测定的生物学参数包括: 生殖枝密度(shoots∙m−2)、茎枝密度(shoots∙m−2)、生殖枝生物量(g DW∙m−2)、地上生物量(g DW∙m−2)、地下生物量(g DW∙m−2)、总生物量(g DW∙m−2)、营养枝高度(cm)、叶鞘高度(cm)和叶宽(cm), 并计算地上生物量与地下生物量的比值。

在现场采样过程中, 发现在鳗草床中分布有多个日本鳗草斑块, 于是随机选择3个斑块(站位B), 借助圆柱形样方(直径10.5 cm, 深度12 cm)各采集1个样方, 将海草筛洗干净并进行上述除叶鞘高度和叶宽以外的生物学参数测定。

另外, 为探究海草繁殖特征, 测定每个生殖枝的高度、每生殖枝佛焰苞数、每生殖枝种苞数、每佛焰苞雌花数和每种苞种子数。

1.6 数据分析

数据以平均值±标准差形式表示。使用独立样本检验比较浅水区和深水区鳗草的生物学参数差异, 使用广义相加模型(GAM)对套子湾海草冠层高度、盖度与深度之间的关系进行拟合分析, 以<0.05作为差异显著性水平。采用Excel进行数据整理和绘图, 使用ArcGIS进行声呐探测数据分析和绘图, 利用R3.5.0(https://www.R-project.org/)进行数据分析和绘图, 其中GAM模型使用R语言中mgcv程序包[20]进行构建。

2 结果

2.1 海草分布现状

2015年12月—2019年12月对14个地点进行实地调查, 仅套子湾、海昌渔人码头两个地点分布有大量鲜活海草(图1, 图2)。2019年12月采样调查发现, 套子湾分布有大量鳗草, 分布面积大于50 ha, 其茎枝高度、密度、生物量分别为30.51±5.51 cm、468.82±114.73 shoots∙m−2、143.37±42.17 g DW∙m−2; 渔人码头分布有鳗草、日本鳗草, 总分布面积小于10 ha, 鳗草茎枝高度、密度、生物量分别为22.40±3.99 cm、362.96±195.11 shoots∙m−2、111.11± 53.57g DW∙m−2, 日本鳗草茎枝高度、密度、生物量分别为10.76±2.69 cm、1 762.06±519.95 shoots∙m−2、47.66± 23.74 g DW∙m−2。

图2 套子湾与海昌渔人码头海草床现场照片

2.2 环境因子

套子湾、渔人码头关键环境因子如表1所示, 两地表层沉积物均以砂(0.063<<2.0 mm)为主(图3)。

表1 套子湾、渔人码头环境因子(n= 55)

图3 套子湾、海昌渔人码头沉积物粒径分布

2.3 重点草床海草分布情况

2020年7月17日按照如图1所示的航线对套子湾的鳗草草床开展声呐探测, 航线间距离为100 m。数据显示, 套子湾海草床面积为51.90 ha, 主要分布在水深4 m以内, 近岸浅水区(<2 m)冠层高度小于60 cm, 而2 m以深草床冠层高度多大于60 cm(图4, 图5)。拟合分析后发现, 海草冠层高度、盖度, 在2.6 m以浅区域随水深增加而显著增加, 而在2.6 m以深区域随水深增加而显著减少(图6;2=0.353,<0.05;2=0.391,<0.05)。

2.4 套子湾海草生态特征

套子湾海草生物学参数如表2所示, 采样位置信息如图7所示, 各站位海草冠层高度均与声呐探测结果相符。其中, 浅水区鳗草的营养枝高度[(4)= −4.845,<0.05]、叶鞘高度[(4)=−7.736,<0.05]均小于深水区。日本鳗草分布于套子湾浅水区, 其生殖枝比例为11.06%±11.51%(表3)。

3 讨论

本研究对我国烟台市莱州市至莱山区沿海海草的分布现状进行了首次报道, 并通过声呐探测和现场采样等手段对其中一处面积大于50 ha的海草床的分布情况和生态特征进行了详细阐述。研究发现烟台现存海草种类相较20世纪90年代明显减少, 亟需对现存海草进行保护、修复与监测, 以遏制海草的退化速度。

在套子湾海草床内, 深水区鳗草高度显著大于浅水区。这是因为当水深增加时, 光的可利用率逐渐减少, 海草会将更多的能量分配到叶的生长中,从而增加光的吸收[21-23]。GAM拟合分析表明, 当水深超过2.6 m后, 鳗草的冠层高度、盖度均会下降, 这可能是由于有限的光照限制了鳗草的生长。

在本研究调查中, 未能发现曾记载的丛生鳗草()和红纤维虾形草(), 现存的海草资源也较为有限。《中国海湾志》[24]中记载, 1982年莱州市芙蓉岛沿海曾分布有1 300 ha的鳗草, 2015年12月实地调查时, 此处仅存留少量鲜活海草(图1左数第一个调查点), 斑块状分布, 面积小于1 ha。改革开放以来, 各地市沿海的海岸建设活动越来越频繁, 围填海以及码头、防波堤等工程建设或相关作业极为普遍, 这些活动不仅可能直接侵占海草床生境, 也可能影响周边适宜的海草生存条件。如图8所示, 与1984年相比, 现在烟台套子湾海草分区区域潮间带面积明显减少, 这可能使得海草床面积迅速减少。另外, 潮间带渔业采挖, 如利用铲子或耙子采挖菲律宾蛤仔活动, 会直接折断海草的根茎或将海草连根翻起; 海水富营养化、陆源污染物增加等, 也严重威胁着海草床的健康。

为了实现海草的有效保护和科学管理, 提出如下建议: 加强海草床生态服务功能价值研究, 提高公众认识, 建立政府、民众及各组织团体联动海草保护机制; 控制沿岸陆源污染输入; 鼓励当地居民开辟新的致富途径, 试行“滩长制”, 专人保护海草床; 开展海草床人工修复, 弥补自然或人为原因导致的海草床损失。

图4 套子湾海草床内海草冠层高度、盖度和水深分布图(2020年7月17日)

图5 套子湾内海草冠层高度、盖度随水深的分布箱形图

图6 套子塆内海草冠层高度、盖度与水深之间关系的拟合曲线

注: 实线表示拟合到每个关系的GAM回归, 虚线表示平均趋势线的置信区间)

图7 套子湾海草生态特征调查采样点

表3 套子湾日本鳗草繁殖特征(2020年9月18日)

图8 套子湾沿海区域历史变化

Fig.8 Changes in the areas of seagrass beds in the coastal waters of Taozi Bay

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New discovery of larger seagrass beds with area >50 ha in the temperate waters of China: Ⅳ Distribution status and ecological characteristics of seagrass in the coastal waters of Yantai

YUE Shi-dong1, 2, 3, 4, 5, 6, XU Shao-chun1, 2, 3, 4, 5, 6, ZHANG Yu1, 2, 3, 4, 5, 6, QIAO Yong-liang7, LIU Ming-jie1, 2, 3, 4, 5, 6, ZHANG Xiao-mei1, 2, 3, 4, 5, 6, WANG Qing8, ZHOU Yi1, 2, 3, 4, 5, 6

(1.CAS Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2.Laboratory for Marine Ecology and Environmental Science, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266237, China; 3.Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 4.CAS Engineering Laboratory for Marine Ranching, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 5.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 6.Shandong Province Key Laboratory of Experimental Marine Biology, Qingdao 266071, China; 7.College of Environment and Safety Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, China; 8.Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China)

;; Taozi Bay; sonar; seagrass bed

Seagrass beds are regarded as precious submarine grasslands with important ecological service functions.In the 1990s, four species of seagrass were discovered in the coastal waters of Yantai.However, the current distribution of seagrass is unclear.In this study, we investigated the distribution of seagrass along the coastal waters from Laizhou to Laishan in Yantai through field surveys and sonar detection.A mixed seagrass bed (i.e.,and), with a seagrass area of 51.90 ha, was discovered in Taozi Bay, and the ecological characteristics of seagrass were investigated.Results showed that seagrass beds were seriously degraded, and only two species of seagrass were distributed in the current coastal waters of Yantai.Thus, the existing seagrass needs to be protected and monitored to curb its degradation rate.

Nov.18, 2020

[National Key R&D Program of China, No.2019YFD0901301; National Science & Technology Basic Work Program, No.2015FY110600; Key Research Project of Frontier Sciences of CAS, No.QYZDB-SSW- DQC041-1]

Q178.53

A

1000-3096(2021)10-0061-10

10.11759/hykx20201118003

2020-11-18;

2021-02-05

国家重点研发计划“蓝色粮仓科技创新”重点专项(2019YFD0901301); 国家科技基础性工作专项(2015FY110600); 中国科学院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-DQC041-1)

岳世栋(1995—), 男, 山东潍坊人, 博士研究生, 主要从事海草生态学研究, E-mail: yueshidong17@mails.ucas.ac.cn; 周毅(1968—), 通信作者, 博士生导师, 研究员, E-mail: yizhou@qdio.ac.cn

(本文编辑: 赵卫红)