2019—2020年海南海尾湾浮游植物与环境因子的调查分析

贺长皓，李亚军，张秀霞，曾茹，黄晓晴，费小雯*，邓晓东*

（1海南医学院基础医学与生命科学学院，海南海口 571199；2中国热带农业科学院热带生物技术研究所/海南省海洋生物资源功能性成分研究与利用重点实验室，海南海口 571101）

0 引言

【研究意义】海洋大约占地球表面积的四分之三，是生物圈中最大的栖息场所（Estrada et al.，2016）。浮游植物是海洋中的主要生产者，提供了全球50%的总初级生产力（王符菁等，2015），影响着从桡足类食草动物到浮游食肉动物、远洋鱼类、海鸟及海洋哺乳动物等的生存与繁衍（Meyers et al.，2019）。浮游植物是支撑陆架海洋渔业和水产养殖业的海洋食物网基础，也是自然界中化学循环运作的关键组成部分（Siemering et al.，2016），不仅影响海洋表面的光学和热特性，还在全球碳循环中发挥核心作用（Kim et al.，2018）。浮游植物生活在海面附近，对环境变化非常敏感，其生长和组成常因富营养化或温度的变化而改变，也可能由于高级营养水平的变化产生自上而下的影响（高东阳等，2001）。因此，明确环境因子与浮游植物群落结构间的关联，可提前获知水体环境状态进而避免发生严重污染。【前人研究进展】南海是太平洋的边缘海，位于赤道与北纬23°03′之间，属于热带和亚热带气候，具有较深的半封闭盆地及宽阔的大陆架，我国从20世纪50年代就开始对南海浮游植物物种分布与环境因素的关系展开调查（孙军和田伟，2011；梁淼等，2019），调查范围集中于南海北部和南沙群岛海域，共发现三类群浮游植物：（1）广温广布种。该类浮游植物在空间上分布较广，对温度的适应范围较大，其代表性优势种有柔弱拟菱形藻（Pseudo-nitzschia delicatissima）（陈菊芳等，2002；林昕，2008）。（2）暖水种。该类浮游植物适应在温度较高的水域生存，具有明显的季节性，代表性优势种有劳氏角毛藻（Chaetoceros lorenzianus）（李婷等，2014；庞勇等，2015）。（3）温带种。该类浮游植物在四季均有出现，但种类少，代表性优势种是柔弱几内亚藻（Guinardia delicatula）（孙军等，2011；郝雅宾等，2020）。已有研究表明，不同浮游植物对营养盐的适应性存在明显差异，如硅藻在营养盐丰富的区域生长活跃，而甲藻喜好生活在营养盐缺乏的区域（李冬融等，2014）；在南海的周边海岸和港口由于人类活动频繁，造成海水营养盐含量居高，因此赤潮时有发生（赵春宇等，2016）；季风和黑潮也是重要的环境因子，其中黑潮会造成海面出现旋涡结构，直接影响浮游植物的生长分布（王正等，2017）；此外，海上季风通过上升流将下层海水中的营养物质带到上层，继而诱发赤潮产生（Wei et al.，2018）。【本研究切入点】海尾湾是海南的水产业发展窗口，也是海南保留唯一具有天然自然景观的旅游度假区，位于海南省昌江县西北部，属于热带季风气候，近海养殖业和海洋捕捞业极为发达，其中海尾港是国家的一级海港（李亚军等，2020）。浮游植物作为海域生物链中最主要的生产力，其群落结构变化直接反映生态系统的水质情况，但至今鲜见有关海尾湾海域浮游植物的研究报道。【拟解决的关键问题】密集的人类活动痕迹会对周边浮游植物的生长造成影响，进而导致有害浮游植物物种大量繁殖（吕颂辉等，1993），对渔业、水产养殖业、旅游业及人类健康构成威胁。为此，本课题组于2019年夏季—2020年夏季在海尾湾海域设置12个固定站点进行采样调查，分析该海域浮游植物群落组成及其与环境因子的相关性，以期为保护海尾湾海域浮游植物多样性和水体环境提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 调查范围及站位设置

分别于2019年7月（夏季）和9月（秋季）及2020年7月（夏季）根据《海洋调查规范》在海尾湾海域设置12个固定采样点（站点），进行3个航次的样品采集，各站点详细信息见表1和图1。

图1 海尾湾浮游植物采样点（站点）分布情况Fig.1 Distribution of phytoplankton sampling points（sites）in Haiwei Bay

表1 海南岛海尾湾附近海域浮游植物采样点信息Table 1 Sampling sites of phytoplankton in waters near the Haiwei Bay，Hainan Island

1.2 海尾湾各站点的环境参数测定

采集海水样品的同时测定各项环境参数，结果（表2）显示：夏季调查期间水温26.6~30.3℃、pH 8.0~8.7、盐度28.4‰~32.0‰、溶解氧含量4.1~6.5 mg/L、电导率19.1~23.3 ms/m；秋季调查期间水温27.2~29.0℃、pH 8.0~8.3、盐度32.0‰~36.0‰、溶解氧含量4.2~5.7 mg/L、电导率均为25.0 ms/m。

表2 2019—2020年海南海尾湾各站点的环境参数Table 2 Environmental parameters in each site in Haiwei Bay，Hainan from 2019 to 2020

使用美国HACH DR3900水质分析仪对采集的海水样品进行总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH4-N）、亚硝酸盐氮（NO2-N）、硝酸盐氮（NO3-N）和化学需氧量（COD）测定。2019—2020年期间各项水质指标检测结果显示：海南海尾湾夏季TN含量平均值为5.054 mg/L，秋季增长到7.455 mg/L，最高TN含量出现在2020年夏季的HWW3-3站位、最低出现在2019年夏季的HWW2-1站点（图2）；海南海尾湾夏季NO3-N含量平均值为0.740 mg/L，秋季的平均值为1.015 mg/L，最高NO3-N含量出现在2020年秋季的HWW1-2站点、最低出现在2019年秋季的HWW1-1站点（图3）；海南海尾湾夏季NO2-N含量平均值为0.007 mg/L，秋季的平均值为0.009 mg/L，最高NO2-N含量出现在2019年秋季的HWW1-2站点、最低出现在2019年秋季的HWW3-2站点（图4）；海南海尾湾夏季NH4-N含量平均值为1.065 mg/L，秋季的平均值为1.884 mg/L，最高NH4-N含量出现在2019年秋季的HWW3-2站点、最低出现在2019年夏季的HWW2-2站点（图5）；海南海尾湾夏季TP含量平均值为0.230 mg/L，秋季的平均值为0.527 mg/L，秋季含量约是夏季含量的3倍（图6）；海南海尾湾夏季COD含量平均值为121.532 mg/L，秋季的平均值为141.226 mg/L，除了2019年秋季检测的COD含量偏高外，其他季节的COD含量较平稳，最高COD含量出现在2019年秋季的HWW3-3站点、最低出现在2020年夏季的HWW4-2站点（图7）。从图2~图7可看出，COD、NH4-N、NO3-N、NO2-N、TN、TP等指标均因样本采集时间不同而存在明显的浮动规律。

图2 2019—2020年海尾湾各站点的TN含量变化情况Fig.2 TN content change in each site in Haiwei Bay from 2019 to 2020

图3 2019—2020年海尾湾各站点的NO3-N含量变化情况Fig.3 NO3-N content change in each site in Haiwei Bay from 2019 to 2020

图4 2019—2020年海尾湾各站点的NO2-N含量变化情况Fig.4 NO2-N content change in each site in Haiwei Bay from 2019 to 2020

图5 2019—2020年海尾湾各站点的NH4-N含量变化情况Fig.5 NH4-N content change in each site in Haiwei Bay from 2019 to 2020

图6 2019—2020年海尾湾各站点的TP含量变化情况Fig.6 TP content change in each site in Haiwei Bay from 2019 to 2020

图7 2019—2020年海尾湾各站点的COD含量变化情况Fig.7 COD content change in each site in Haiwei Bay from 2019 to 2020

1.3 浮游植物样品采集及分析

按照《海洋调查规范》，利用浅水Ⅲ型浮游植物网（网长140 cm，网口内径37 cm，网口面积0.1 m2）垂直取样，每次收集1 L水样，并以甲醛溶液固定，终浓度为5%。水样在实验室静置、浓缩后取0.1 mL浓缩物置于光学显微镜下进行计数，然后参照《中国南海赤潮研究》《西太平洋浮游植物物种多样性》进行鉴定。

1.4 浮游植物群落评价方法

通过Shannon-Wiener多样性指数（H＇）、Pielou均匀度指数（J＇）、优势度（Y）和丰富度指数（D）对浮游植物群落结构特征进行分析（Fontana et al.，2018；Chen et al.，2019）。

式中，Pi=ni/N；ni为第i种的个体数量；N为全部物种的个体数；fi为第i种的出现频率；S表示样品中的总种类数。Y大于0.02的种类为优势种；H＇大于3表示生境优良，H＇在2~3表示生境一般，H＇在1~2表示生境差，H＇小于1表示生境极差。

1.5 水质检测及分析

采用Canoco 5.0对优势度排名前20的物种和环境数据进行对应分析，结果显示各年份夏、秋两季4个排序轴中的梯度长度数值分别在0.21~0.63和0.53~0.92，最大值均小于2.00，故浮游植物群落特征与环境因子的关系研究选择冗余分析（RDA）。

2 结果与分析

2.1 浮游植物种类组成

2019—2020年夏季航次采集水样共鉴定出浮游植物4门147种。其中，硅藻门（Bacillariophyta）121种，占浮游植物种类总数的82.3%；甲藻门（Pyrrophyta）18种，占12.2%；蓝藻门（Cyanophyta）5种，占3.4%；金藻门（Chrysophyta）2种，占1.4%。2019年秋季航次采集水样共鉴定出浮游植物3门86种，其中，硅藻门72种（占81.4%）、甲藻门13种（占15.1%）、蓝藻门1种（占0.12%）。由图8可知，秋季的浮游植物种类较夏季明显减少，夏秋两季浮游植物种类均以硅藻门为主，其次为甲藻门。

图8 2019—2020年海尾湾各站点的浮游植物物种数Fig.8 Number of phytoplankton species in each site in Haiwei Bay from 2019 to 2020

2.2 浮游植物密度分布情况

在2019—2020年的夏季期间，12个站点的浮游植物平均细胞密度为17.50×104cells/m3；在2019年秋季期间，12个站点的浮游植物平均细胞密度为53.80×104cells/m3。在夏、秋两季的调查中发现，硅藻门种类的细胞密度始终占总浮游植物细胞密度的98%以上，且2019—2020年夏季浮游植物的平均细胞密度低于期间秋季浮游植物的平均细胞密度。2019—2020年海尾湾各站点不同浮游植物所占比例和密度分布情况见图9。

图9 2019—2020年HWW1-1至HWW2-3站点浮游植物空间分布情况Fig.9 Spatial distribution of phytoplankton at HWW1-1 to HWW2-3 sites from 2019 to 2020

2.3 浮游植物优势种

根据Y≥0.02的种类为调查期间海域优势种进行统计，结果（表3）显示，2019—2020年夏季海尾湾排名靠前的浮游植物优势种分别为旋链角毛藻（Chaetoceros curvisetus）、菱形海线藻（Thalassionema nitzschioides）、佛氏海毛藻（Thalassiothrix frauenfeldii）、角毛藻属（Chaetoceros）、并基角毛藻（C.decipiens）、奇异棍形藻（Bacillaria paradoxaGmelin.）、冰河星杆藻（Alexandrum catenclla）、拟旋链角毛藻（C.pseudocurvisetus）、辐杆藻属（Bacteriastrum）、海链藻属（Thalassiosira）和扭链角毛藻（C.tortissimus），其中，2019年夏季的第一优势种是旋转角毛藻，其平均密度为2.75×104cells/m3，Y为0.14；2020年夏季的第一优势种是拟旋链角毛藻，其平均密度为7.20×104cells/m3，Y为0.35。2019年秋季海尾湾的浮游植物优势种分别是旋链角毛藻、拟旋链角毛藻、覆瓦根管藻（Rhizosolenia imbricatavar.Schrubsolei）、细弱海链藻（Thalassiosira subtilis）、中华根管藻（R.sinensis）和菱形海线藻，以旋链角毛藻为第一优势种，其平均密度为31.10×104cells/m3，Y为0.58。在2019年夏、秋季海尾湾海域，以旋链角毛藻在浮游植物空间分布中所占比例最高；而2020年夏季海尾湾海域以拟旋链角毛藻在浮游植物空间分布中所占比例最高。

表3 2019—2020年夏季和秋季海尾湾海域的浮游植物优势种Table 3 Dominant phytoplankton species in waters of Haiwei Bay in summer and autumn from 2019 to 2020

2.4 浮游植物群落结构特征

2019—2020年夏季海尾湾海域浮游植物的H＇、J＇、D平均值分别为3.77、0.73和3.26，2019年秋季海尾湾海域浮游植物的H＇、J＇、D分别为2.44、0.47和2.72。在调查期间，最低的H＇和J＇均出现在2019年秋季的HWW1-2站点，最低的D则出现在2019年夏季的HWW4-1站点（表4）。

表4 2019—2020年夏季和秋季海尾湾海域浮游植物群落结构特征Table 4 Characteristics of phytoplankton community structure in Haiwei Bay in summer and autumn from 2019 to 2020

2.5 浮游植物群落结构与环境因子的关系

RDA分析结果（表5）表明，2019和2020年2个夏季航次的第一和第二特征轴数值分别为0.484和0.263、0.412和0.271，分别解释81.21%和77.56%的物种信息；2019年秋季航次的第一和第二特征轴数值分别为0.556和0.442，分别解释67.41%的物种信息。3个航次的物种排序轴与环境因子轴间的相关系数均大于0.95。选取物种丰度排名前10的浮游植物物种，并通过向前引入法筛选出达显著水平的环境因子，结果显示：2019年夏季航次中的环境因子为水温（F=2.0，P=0.044）；2019年秋季航次中的环境因子为SiO4（F=2.8，P=0.024）和水温（F=2.0，P=0.018）；2020年夏季航次中的环境因子为水温（F=2.7，P=0.041）和NH4-N（F=3.0，P=0.039）。

表5 浮游植物群落结构与环境因子的RDA分析结果Table 5 RDA analysis results of phytoplankton community structure and environmental factors

由图10可看出，2019年夏季海尾湾海域浮游植物优势种菱形海线藻矮小变种、角毛藻属、劳氏角毛藻、佛氏角毛藻等分别与pH和水温呈正相关，与其他环境因子呈负相关；旋链角毛藻、冰河星杆藻、菱形海线藻等分别与pH和COD呈正相关，与溶解氧、TP、NO3-N、TN和盐度呈负相关；梭状新角藻与NO3-N、TN、TP和溶解氧分别呈正相关。由图11可看出，2019年秋季海尾湾海域浮游植物优势种旋链角毛藻、劳氏角毛藻、斯氏根管藻、菱形海线藻矮小变种等分别与COD、pH和水温呈正相关，与TN、盐度、溶解氧、NO3-N和NO2-N呈负相关；奇异棍形藻与盐度、TN、溶解氧、TP和COD呈正相关，与NO3-N、NO2-N、pH和水温呈负相关。由图12可看出，2020年夏季海尾湾海域浮游植物优势种膜状舟形藻、拟旋链角毛藻、梭状新角藻、角毛藻属等分别与水温、COD和pH呈正相关，与其他环境因子呈负相关；菱形海线藻、奇异棍形藻分别与pH和COD呈正相关，与NO3-N、TN、SiO4、溶解氧和NO2-N呈负相关；平滑角毛藻、斯氏根管藻分别与TP、NO3-N、TN、SiO4、溶解氧和NO2-N呈正相关，与其他环境因子呈负相关；环纹娄氏藻与DO和NO2-N呈正相关，与pH、COD和水温呈负相关。

图10 2019年夏季海尾湾海域浮游植物群落结构与环境因子的RDA排序图Fig.10 RAD ranking chart of phytoplankton community structure and environmental factors in Haiwei Bay in summer of 2019

图11 2019年秋季海尾湾海域浮游植物群落结构与环境因子的RDA排序图Fig.11 RDA ranking chart of phytoplankton community structure and environmental factors in Haiwei Bay in autumn of 2019

图12 2020年夏季海尾湾海域浮游植物群落结构与环境因子的RDA排序图Fig.12 RDA ranking chart of phytoplankton community structure and environmental factors in Haiwei Bay in summer of 2020

综合3个RAD排序图可知：旋链角毛藻群落结构与SiO4和COD呈正相关；拟旋链角毛藻群落结构与水温、COD和pH呈正相关，与盐度、TN和NO3-N呈负相关；菱形海线藻群落结构与COD呈正相关，与NO2-N呈负相关；奇异棍形藻群落结构与pH和COD呈正相关，与NO3-N和TN呈负相关。

3 讨论

从2019—2020年夏季和秋季航次采集的水样中共鉴定出浮游植物147种，其中占比最高的是硅藻门，其次是甲藻门，符合南海浮游植物种类的调查资料。本次调查还发现，硅藻门种类的细胞密度始终占总浮游植物细胞密度的98%以上，秋季的硅藻门种类数量有所下降，而甲藻门种类的占比在秋季呈上升趋势。海南海尾湾海域的硅藻种类主要为旋链角毛藻，在2019年夏、秋季海尾湾海域均以旋链角毛藻在浮游植物空间分布中所占比例最高。旋链角毛藻主要分布在我国渤海和东海（茅华等，2007，2008），是由于这些海域的盐度（30‰~32‰）、水温（21~26℃）和pH（7.8~8.1）范围最适宜旋链角毛藻生长。调查期间，由于秋季海尾湾海域的水温和pH均低于夏季，因此造成秋季海尾湾海域的旋链角毛藻及浮游植物的细胞密度高于夏季。2019—2020年夏季和秋季海尾湾海域浮游植物的H＇、J＇、D平均值分别高于3.32、0.58和3.07，说明海尾湾夏、秋两季海域内浮游植物多样性高，水质整体趋向于轻度污染。通过对比分析调查期间南海海尾湾12个站点浮游植物的H＇和J＇，发现除了2019年秋季HWW1-2站点的水体为重度污染和2019年秋季HWW1-1~HWW4-3站点的水体为中度污染外，其余时间各站点的水体均为轻度污染，其浮游植物种群结构稳定，且2020年夏季海尾湾海域12个站点的Margalef Dversity指数平均值大于3，表明海尾湾海域内的浮游植物多样性较高。

本研究结果表明，对2019年夏季海尾湾海域浮游植物有显著影响的环境因子是水温，浮游植物的第一优势种为旋链角毛藻，第二优势种为菱形海线藻，菱形海线藻与pH和COD呈正相关，与丁昌玲等（2016）、徐婷婷（2017）的研究结论基本一致。菱形海线藻在浮游植物群落中一般占据重要地位，其属于硅藻广布种，在全球的大部分海域均有繁殖，温度对其光合作用的效率有显著影响（栾青杉等，2007；刘腾飞，2008）；COD会随着周边环境pH、溶解氧和盐度的变化而改变（曲良，2020）；NO2-N在浮游植物发育过程中可作为氮源，但在水体溶解氧过低的情况下NH4-N会被转化成NO2-N，与此同时溶解氧过低会导致大部分浮游植物的丰富度和多样性下降，即NO2-N与多种浮游植物的种群结构呈负相关（杨娜等，2020）；溶解氧是参与浮游植物和动物呼吸过程的重要组成部分，在水质测定过程中发现秋季水样的溶解氧含量高于夏季，究其原因是夏季温度的升高导致海水出现分层现象，且营养盐结构紊乱会造成浮游植物大量繁殖，致使底层的CO2大量堆积（盛廷权和徐勇智，1993），进而造成水域的酸化和低氧，溶解氧含量继续降低将会对海洋生物群落的多样性和丰度产生严重影响（熊代群等，2005）。

本研究还发现，对2019年秋季海尾湾海域浮游植物有显著影响的环境因子有SiO4和水温，采样期间的第一优势种为旋链角毛藻，其与COD、pH和水温呈正相关，与TN、盐度、溶解氧、NO3-N和NO2-N呈负相关；对2020年夏季海尾湾海域浮游植物有显著影响的环境因子是水温和NH4-N，采样期间的第一优势种为拟旋链角毛藻，其与水温、COD和pH呈正相关，与其他环境因子呈负相关。浮游植物通过光合作用将NH4-N合成为体内必需的氨基酸和蛋白（吴雪峰等，2010），同时在海水受污染时NH4-N能起到对海水pH的缓冲作用（郝雅宾等，2020）。可见，影响海尾湾海域浮游植物的重要环境影响因子是水温、SiO4和NH4-N；调查期间除了2019年秋季海尾湾海域各站点的水体污染在中度以上，其余时间的均为轻度污染，可能是2019年海南海尾湾近海岸的渔业养殖和生活排污不规范造成采样海域内TP、NH4-N和COD升高，进而导致水体污染。

4 结论

2019年夏季—2020年夏季海南海尾湾海域的水生环境良好，浮游植物物种丰富度高，影响海尾湾海域浮游植物的重要环境影响因子是水温、SiO4和NH4-N。因此，在掌握海尾湾海域内环境因子与浮游植物种群结构间的相互关系后，应定期重点监测海尾湾海的SiO4和NH4-N变化，避免赤潮发生，同时更需要有针对性地对海水养殖业废水及生活污水进行检测和治理。