灌河口海域水生動物群落結構及分布特征*

王 鑫,李昌文,徐加濤,李士虎,宋可心,唐佳偉,馬曉娜,馮志華,b,c

(江蘇海洋大學 a.江蘇省海洋生物資源與環境重點實驗室; b.江蘇省海洋生物產業技術協同創新中心; c.自然資源部濱海鹽沼濕地生態與資源重點實驗室,江蘇 連云港 222005)

0 引言

灌河口位于江蘇連云港最東部,海州灣南部。灌河是蘇北平原最大的入海河流,作為江蘇省內唯一一條在干流上沒有建設水閘的潮汐入海河流,其擁有縱橫交錯的支流水系,是江蘇沿海最具代表性的入海河流之一,河口海域生態環境具有典型研究特征[1-2]。得天獨厚的水文條件給灌河口帶來了廣闊的灘涂面積和優秀的航運基礎,常年豐沛的入海水流,為附近海域水生動物生存繁殖提供了良好的物質基礎[3]。但是,隨著河口附近區域工業的發展,沿河工業廢水和生活污水中重金屬、有機污染物、營養鹽超標排放問題逐漸顯現,其所導致的河口海域環境污染引起諸多學者的關注。根據已有研究成果和文獻報道,目前灌河口海域水體當中主要的污染物包括無機氮、活性磷酸鹽和懸浮物,沉積物中的主要污染物為重金屬和多環芳烴有機物,其中重金屬Cr,Cu,As,Pb,Hg等元素的含量較高[4-8]。

環境污染引起了灌河口海域水生動物群落結構的變化,例如:河口潮間帶底質有機物的污染引起了底棲生物群落結構單一化[9];河口水體富集磷酸鹽限制了浮游植物的生長[10]。水生動物是海洋生態的重要組成部分。大部分水生動物在固定水域范圍內棲息活動,水生動物群落結構的多樣性和穩定性能夠較為直接地反映當前水體的污染狀況[11-13]。水生動物作為水體環境的指示生物各自具有不同的特點,比如,浮游動物個體微小、生存周期短、繁殖速度快等特點使其對環境變化很敏感,通過浮游動物群落結構的變化和生物多樣性指數可以對水質進行綜合評價[14-15]。底棲動物由于遷移能力較差,生存區域相對固定,能夠長期反映生存環境的生態變化,也是評價水域環境質量的重要指示物[16]。

本文根據2021年春秋兩季灌河口海域水生動物調查資料,研究該河口海域水生動物的種類組成、生物多樣性、豐度、生物量以及與周邊環境季節變化的相關性等,通過與歷史文獻數據進行比較,對浮游動物和底棲動物多樣性進行分析,并采用生物多樣性指數對水體環境質量情況進行評價,為水域環境綜合治理和生態環境修復提供理論和數據支撐,也為河口海域更深入的研究提供資料參考。

1 材料與方法

1.1 調查站位設置

本研究于2021年4月(春季)和10月(秋季)在江蘇省灌河口海域(35.19°～35.24°N,122.66°～122.72°E)進行調查采樣,從河口位置向離岸方向共設置8個站位S1～S8,形成3個采樣斷面(見圖1)。游泳動物于S1,S3,S4和S7共4個站位采樣,浮游動物和底棲動物8個站位全站位采樣。

圖1 調查站位圖Fig.1 Survey station map

1.2 調查方法

本次研究中的海洋調查嚴格按照國家相關標準規范,遵照《海洋調查規范 第6部分:海洋生物調查》(GB 12763.6—2007)及《近岸海域環境監測技術規范》(HJ 442—2008)等相關技術標準和要求執行[17-19]。

游泳動物使用單拖底拖網采樣,網目800目,網口寬0.02 km,每站拖曳時間1 h,船速保持在3 kn,實際掃海面積為0.11 km2/h。通過絞盤捕撈上船,在篩網中進行泥沙沖洗和過濾。采樣所得所有生物放入生物采樣袋,填寫標簽記錄編號后,放在裝有冰袋的冷藏箱中帶回實驗室。在實驗室內利用電子秤和游標卡尺對漁獲生物進行鑒定和生物學測量。記錄每一個站位所捕獲生物的種類數量,并測量體長、體質量,計算單位水體的生物豐度(ind/km2)和生物量(kg/km2)。

浮游動物采用網目大小505 μm、網口面積0.2 m2的Ⅰ型浮游生物網和網目大小160 μm、網口面積為0.08 m2的Ⅱ型浮游生物網進行采樣,將網具從海底垂直提升到海面,反復多次淋洗將濾網上的生物保存到生物采樣瓶中,加入樣品體積5%的甲醛進行生物固定,帶回實驗室在電子顯微鏡下進行觀察。

底棲動物的采樣工具為抓斗式靜力采泥器,單次取樣面積為0.062 5 m2,同一站點連續取樣2次。將所捕撈的泥樣用0.5 mm孔徑的圓形鋼篩沖洗過篩,挑選篩網上的生物樣品放入到提前準備好的生物采樣瓶中,加入樣品體積5%的甲醛進行固定保存。樣品帶回實驗室后在體視顯微鏡下進行鑒定、計數和稱質量。

調查所獲生物均參考《中國海洋生物名錄》《江蘇魚類志》和《海洋浮游生物學》等書籍以及相關文獻進行鑒定分類[20-23]。

1.3 數據處理和評價方法

1.3.1 生態優勢度分析 游泳動物采用相對重要性指數(index of relative importance,IRI)來對所捕獲生物單個種類的生態優勢度進行分析,以確定物種是否為優勢種[24]。IRI計算公式為

IRI=(Ni+Wi)×fi×104。

(1)

式中:Ni為第i種生物的個體數量占所捕獲生物總個體數的比例,%;Wi為第i種生物生物量占所有捕獲生物總生物量的比例,%;fi為第i種物種在所有站位中出現的頻率。

其中,IRI≥1 000為優勢種,100≤IRI<1 000為重要種,10≤IRI<100為常見種,1≤IRI<10為一般種,IRI<1為偶見種[25]。

浮游動物采用優勢度指數(Y)進行分析,根據物種出現在各站位的頻率和個體數量來計算浮游動物優勢度,計算公式為

(2)

式中:ni為第i種生物的個體數量,N為所有捕獲生物的總個體數,fi為第i種物種在所有站位中出現的頻率。其中,Y>0.02的物種為優勢種[26]。

1.3.2 生物多樣性分析 灌河口海域生物群落的生態多樣性采用Shannon-Wiener多樣性指數(H′)[27]、Pielou均勻度指數(J)[28]和Margalef豐富度指數(D)[29]來進行分析。三種指數的計算公式如下:

(3)

J=H′/lnS,

(4)

D=(S-1)/lnN。

(5)

式中:Ni為第i種生物的個體數量和所有捕獲生物的總個體數的比值(ni/N);N為所有捕獲生物的總個體數;S為所有捕獲生物的總物種數。

1.3.3 數據分析和圖像可視化 本文采用軟件SPSS 26.0對不同站位和不同季節所捕獲的生物樣本的生物量、物種數等數據信息的差異進行單因素ANOVA顯著性差異分析,指定顯著性水平α=0.05;采用Origin 2018繪制生物多樣性分析圖、物種種類組成圖以及物種數量分布圖;采用Surfer 16繪制采樣調查站位圖及底棲生物豐度和生物量空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 游泳動物

2.1.1 物種組成 本次調查游泳動物一共捕獲和鑒定42種,隸屬于6門,10綱,17目,根據其食性和棲息水層進行了生態類型分類(見表1)。其中游泳動物魚類22種,游泳動物甲殼類11種,其他游泳動物9種,魚類捕獲個體數占全部游泳動物個體數的54.76%,為主要優勢類群。從生態類型上來看,本次樣品主要以雜食性和肉食性生物為主,棲息水層主要集中在底層。

2.1.2 優勢種 根據相對重要性指數(IRI)對物種的生態優勢度進行分析,將IRI≥1 000的物種認定為優勢種。本次調查發現春季優勢種有5種,分別為短吻紅舌鰨、鳳鱭、拉氏狼牙鰕虎魚、萊氏舌鰨和三疣梭子蟹,其中拉氏狼牙鰕虎魚IRI指數最高,為2 624.14;秋季優勢種有6種,分別為刀鱭、鳳鱭、棘頭梅童魚、脊尾白蝦、鮸魚、三疣梭子蟹,其中棘頭梅童魚IRI指數最高,為5 287.61。

2.1.3 生物多樣性 灌河口海域春季的多樣性指數(H′)、均勻度指數(J)、豐富度指數(D)均值分別為2.02,0.74,2.32,秋季的均值分別為1.86,0.72,1.68,春季水生動物的生物多樣性高于秋季(見圖2)。春季三種指數最高值均出現在S4站位。分別對兩個季節三種指數進行單因素ANOVA顯著性差異分析,分別得出顯著性0.525,0.688,0.158,均大于0.05,不具有顯著性差異。生物多樣性主要與生物種類和數量有關。導致秋季生物種類下降的因素主要有兩方面:一是一些越冬洄游的魚類和生物可能遷移出了這片海域,前往更深的海域越冬[30];另一方面是春季屬于繁殖季節,食物以及天然餌料比較豐富,導致個體數量以及種類較多[31-32]。

a 三種指數分析

b 多樣性指數分布

c 均勻度指數分布

d 豐富度指數分布圖2 游泳動物生物多樣性Fig.2 Biodiversity of swimming animals

從空間分布來看(見圖2),春季S3站位的生物多樣性比S1更高,并且呈現逐漸上升的趨勢,但是在秋季,S3站位生物多樣性低于S1,呈現先下降后上升的趨勢。春秋兩季河口區域生物多樣性均處于低位水平,然后逐漸上升,到近岸海域水平達到最高,然后向離岸海域逐漸下降。造成這一現象主要原因是船舶運輸等各種人類活動影響了水生生物的生長和繁殖;離岸海域由于河口帶來的營養物質難以到達,所以生物多樣性水平不高[33];近岸海域有入海河流帶來的有機物、無機鹽等營養物質促進水生生物的生長發育,生物多樣性豐富。

2.1.4 生物量 游泳動物春秋兩季生物量如圖3所示。兩季共捕獲游泳動物總生物量為2 983.65 kg/km2,其中魚類生物量為2 446.24 kg/km2,占比81.99%,為主要類群;其次是游泳動物甲殼類共有519.90 kg/km2,占比17.42%;其他類共有17.51 kg/km2,占比0.59%。調查發現,雖然春季的生物種類數量比秋季高,但是因為處于生產繁殖季節,各物種以幼小個體居多,所以在整體捕獲生物量上水平較低;而秋季是水生動物生長育肥的季節,單位個體質量比較大,雖然種類數量相較春季略有下降,但是在整體捕獲生物量上水平較高。

圖3 游泳動物春秋兩季生物量Fig.3 Biomass of swimming animals in spring and autumn

將春秋兩季生物量進行比較發現,秋季生物量2 494.13 kg/km2約為春季生物量489.52 kg/km2的5倍?？紤]到秋季捕獲水生動物個體發育水平比較高,單位體質量比較大,所以秋季整個采樣批次的生物量水平比較高。另外,連云港市響應漁政管理部門伏季休漁政策,將每年的5月份開始到9月份劃為禁捕期。4個月的休養生息給漁業資源留出充足的繁殖和生長發育時間,所以10月份秋季捕撈才能實現生物量的顯著增長。此次生物調查數據驗證了伏季休漁制度對海洋生物保護和海洋生態修復以及漁業發展的提振作用。

2.2 浮游動物

2.2.1 物種組成及優勢種 本次灌河口海域采樣調查共發現浮游動物5個門類,12個類群,35個物種。具體物種名錄見表2,分別是節肢動物門,8個類群,28個物種;腔腸動物門,1個類群,3個物種;櫛水母門,1個類群,1個物種;毛顎動物門,1個類群,2個物種;尾索動物門,1個類群,1個物種。12個類群中橈足類的物種數最多,共有17種,占物種總數的48.57%。其次是枝角類,共有4種,占物種總數的11.43%,其余類群物種數量水平相近,約為1～2種。

表2 灌河口海域浮游動物名錄Table 2 List of zooplankton of the Guan River estuary waters

采用浮游動物優勢度指數(Y)進行優勢種確定。經過分析發現,春季優勢種為長額刺糠蝦(Acanthomysislongiro)、克氏紡綞水蚤(Acartiaclausi)、橈足幼體、中華哲水蚤(Calanussinicus),優勢度分別為0.086,0.43,0.15,0.15;秋季優勢種為短角長腹劍水蚤(Oithonasetigera)、火腿許水蚤(Schmackeriapoplesia)、橈足幼體、太平洋紡綞水蚤(Acartiapacifica)、無節幼體、小擬哲水蚤(Paracalanusparvus),優勢度分別為0.02,0.42,0.04,0.18,0.13,0.07。其中,克氏紡錘水蚤生物豐度為12 682.95 ind/m3,優勢度指數0.43,為第一優勢種。分析得出,灌河口海域浮游動物優勢種以橈足類為主要類群,糠蝦類只在春季出現一種。春秋兩季優勢種群落結構組成多樣化,少有相同物種,但都屬于橈足類。

2.2.2 浮游動物多樣性 灌河口海域浮游動物生物多樣性分析結果如圖4所示。各站位浮游動物多樣性指數(H′)范圍在0.90～2.01之間。根據浮游動物多樣性指數水質評價標準(H′=0,視為嚴重污染;03,視為清潔)[34],判斷灌河口海域目前處于中污染狀態。均勻度指數平面分布差異較小,春秋兩季的平均值分別為0.57和0.56,春秋季節不具有顯著性差異(P>0.05)。豐富度指數春季平均值低于秋季平均值,指數范圍在0.85～2.34。由站位空間變化比較可以看出,浮游動物多樣性整體呈現從河口到離岸海域先下降后上升趨勢。

b 多樣性指數分布

d 豐富度指數分布圖4 浮游動物生物多樣性Fig.4 Biodiversity of zooplankton

2.3 底棲動物

2.3.1 物種組成 本次底棲動物調查共鑒定物種56種(見表3),包含傳統多毛類、寡毛類、軟體動物、甲殼蝦蟹類等無脊椎動物以及部分底棲生活魚類等脊椎動物,總體物種分屬于環節動物門、軟體動物門、節肢動物門、紐形動物門、棘皮動物門、刺胞動物門、脊索動物門共7大門類。

表3 灌河口海域底棲動物名錄Table 3 List of benthic fauna of the Guan River estuary waters

在底棲動物的所有門類中,環節動物門的物種數量最多,有30種,占全部物種數量的53.57%;紐形動物門、棘皮動物門和脊索動物門物種數量最少,各有2種,占全部物種數量的比例均為3.57%(見圖5)。

圖5 底棲動物物種組成Fig.5 Species composition of benthic fauna

底棲動物調查中春季共發現物種44種,各站位數量在10～16種,其中S1和S6最高,S4最低;秋季共發現39種,各站位數量在8～13種,其中S6最高,S4最低(見圖6)。相同調查站位春季物種數普遍高于秋季。從底棲動物各個門類物種數量的季節對比發現,環節動物、軟體動物、紐形動物、棘皮動物、刺胞動物物種數整體春季較秋季更高,僅節肢動物和脊索動物兩個門類的物種數整體春季低于秋季。從站位空間分布來看,物種數量分布呈現從河口向近岸降低,然后向離岸海域逐漸升高的趨勢。

a 不同站位物種數量

b 不同門類物種數量圖6 底棲動物春秋兩季物種組成Fig.6 Species composition of benthic fauna stations in spring and autumn

2.3.2 優勢種 本次調查共發現4種優勢種,按照相對重要性指數(IRI)從高到低排列為拉氏狼牙鰕虎魚、棘刺錨參、中華蜾嬴蜚、多鰓齒吻沙蠶,IRI分別為3 566.87,3 232.14,2 244.83,1 198.89。其中多鰓齒吻沙蠶在春季為優勢種,拉氏狼牙鰕虎魚、棘刺錨參和中華蜾嬴蜚在秋季為優勢種。

2.3.3 底棲動物生物量和豐度分布 春季底棲動物生物量分布范圍在5.31～144.01 g/m2,最高值出現在S3,最低值出現在S5,平均生物量為51.85 g/m2(見圖7)。秋季底棲生物量分布范圍在17.70～221.66 g/m2,最高值出現在S6,最低值出現在S3,平均生物量為117.60 g/m2。從空間分布來看,春季生物量主要集中在靠近河口位置海域,秋季生物量向離岸海域偏移。

a 春季

b 秋季圖7 底棲動物春秋兩季生物量分布Fig.7 Biomass distribution of benthic fauna in spring and autumn

灌河口海域底棲動物春季豐度分布范圍在224～1 080 ind/m2,最高值出現在S1,最低值出現在S4,平均豐度為603 ind/m2(見圖8)。秋季豐度分布范圍在184～1 064 ind/m2,最高值出現在S6,最低值出現在S3,平均豐度為537 ind/m2。從空間分布來看,底棲動物的密度分布與生物量分布趨勢相似,春季集中在靠近河口區域海域,秋季集中在離岸距離較遠海域。

a 春季

b 秋季圖8 底棲動物春秋兩季豐度分布Fig.8 Abundance distribution of benthic fauna in spring and autumn

2.3.4 底棲動物多樣性 底棲動物多樣性指數(H′)變化范圍在1.06～2.53,均值為1.75,春季多樣性指數平均值(1.98)高于秋季平均值(1.51)。根據水質生物評價標準[35],評價灌河口海域大部分處于中污染狀態。

從各指數的空間分布上來看(見圖9),春季在三種指數整體水平上均高于秋季。其中,多樣性指數春季最高點出現在S7,最低點出現在S4,呈現從河口位置到近岸下降,然后再逐漸上升的趨勢。秋季多樣性指數最高點出現在S1,最低點出現在S7,無明顯變化趨勢,但是與春季的共同點都是河口位置多樣性指數較高,近岸S4最低。底棲動物均勻度指數春季河口區域比離岸區域低,秋季河口區域較高,并且在遠岸逐漸降低。底棲動物豐富度指數春季極顯著高于秋季(P<0.01),變化趨勢從河口逐漸下降,再逐漸上升,最高點出現在離岸S6,最低點出現在近岸S4。秋季均勻度指數變化趨勢與春季情況類似。

a 三種指數分析

b 多樣性指數分布

c 均勻度指數分布

d 豐富度指數分布圖9 底棲動物生物多樣性Fig.9 Biodiversity of benthic fauna

3 討論與建議

3.1 與歷史文獻資料的對比

本研究浮游動物共發現、鑒定35種,主要類群為橈足類,物種數占比48.57%。根據李士虎等[36]2015年對灌河口海域浮游動物的調查顯示,橈足類最多,有13種。劉瀟等[37]在2018年對渤海中南部的浮游動物進行了調查鑒定分析,結果顯示除浮游幼蟲之外,橈足類最多,有12種,占總種數的30.77%。對比發現,灌河口海域浮游動物主要類群與周邊海域浮游動物類群具有一致性。

底棲動物群落結構組成中,環節動物門作為主要類群,物種數占物種總數的53.57%。與2015年秦山島周邊海域底棲動物軟體動物、環節動物物種數各占32.26%[38]相比,灌河口海域環節動物物種數量占比更大,超出21.31%,其余門類占比較小。與2017年渤海山東近岸海域底棲動物環節動物44.2%、節肢動物28.8%、軟體動物14.4%[39]比較,同樣也是環節動物占比更高,其他門類的物種占比都相對較低。灌河口海域底棲動物總體群落結構環節動物為顯著優勢種類,其次是軟體動物,其余門類占比較低。

本研究通過對浮游動物和底棲動物的多樣性指數進行分析,評估得出目前灌河口海域水質處于中污染程度。與李士虎等[36]的研究相比,灌河口浮游動物豐度水平有明顯提高,由平均2 522 ind/m3上升到9 177.06 ind/m3。相關文獻表明隨著水體富營養化程度的升高,浮游動物的豐度和生物量也會相對增加[40],驗證了灌河口富營養化程度加劇,從輕度污染變為到中度污染這一結果。

從底棲動物豐度水平分析,與2015年灌河口潮間帶底棲動物[9]相比,本次調查豐度略高,但是與鹽城等周邊海域相比仍較低[41-43]。由于灌河流域存在大量工業在建項目,河口海域沉積物中Hg和Zn等重金屬污染加重[44],加上河道疏浚、船舶航行等擾動帶來物理環境的變化,底棲動物群落結構也發生了較大變化。結合徐奎棟[45]和彭松耀等[46]近十年對黃海底棲動物群落結構以及演變的研究,對比發現諸如背蚓蟲(Notomastuslatericeus)、角海蛹(Ophelinaacuminata)等一些環節動物多毛類優勢種以及一些淺水薩氏真蛇尾(Ophiurasarsiivadicola)等棘皮動物優勢種優勢度已經減弱,并未在本次調查中發現,并且如海綿、珊瑚、蝦、蟹、多毛類等大型底棲動物占比較低。結合多方文獻[47-48]分析發現,整個黃海海域包括灌河口海域底棲動物群落結構變化較大,大型底棲動物減少,小型多毛類動物比重不斷增大,優勢種趨向單一化。

3.2 環境因素對群落結構的影響

灌河作為蘇北地區重要的運輸航道,臨海工業迅速發展帶來的工業污染對灌河口鄰近海域造成了明顯影響,突出表現為入?？诟粻I養程度較高,水體污染嚴重[49]。近年來的相關檢測和調查發現,灌河口海域無機氮、磷酸鹽等均不滿足海水水質二類標準,沉積物和水體中均檢出多環芳烴類污染物,且達到了對生物造成影響的濃度[50-51]。

針對浮游動物和底棲動物時空變化從河口區域到離岸海域先下降后上升的趨勢,分析原因,推測是春季河流水量充沛,來自上游的營養物質和淡水水生動物數量較多,提高了河口區域生物多樣性[59]。近岸海域生物多樣性比河口區域有所下降,參考陳君等[60]對灌河口沉積物的調查結果,分析下降原因是該區域處于河口沖蝕環境中,海底地質條件主體為淤泥和粉沙,加之燕尾港船舶運輸頻繁而水層攪動嚴重,水體渾濁,不利于浮游動物和底棲動物的生長。相關地質水文資料顯示,自開山島向東,灌河口海域底質含沙量逐漸降低。遠岸海域底質情況較好,水質擾動較小,浮游動物種類數量上升。秋季生物多樣性變化趨勢與春季有所差異,秋季河口區域生物多樣性水平較低,可能是由于秋季屬于枯水期,水流量減少,上游帶來的外源營養物質和淡水種浮游動物數量也隨之減少所導致。秋季由于河流入海流量降低,河口區域人類活動干擾所造成的負面影響相對突出。由于河口區域環境本身的自然生產力不足,而離岸海域的環境擾動小,有機污染物、氮磷、重金屬等污染較少,水體環境天然食物鏈形態完整,所以,在秋季隨著遠離河口,生物多樣性逐漸上升[51,61-62]。

3.3 建議

灌河口海域水體污染情況不容樂觀。為了保護灌河口海域生物資源,加強生態環境修復,建議對灌河口海域進行長期性生態環境檢測,并同時提高周邊工業污染排放標準,嚴格控制污染源頭,減少由河流污染給海洋環境帶來的生態壓力。其次應該減少人類活動干擾,為水生動物提供一個穩定良好的生存環境,積極建立以本地水生植物為主的濕地生態修復系統進行河口水質調節,同時結合生物資源調查情況針對性地選擇增殖物種進行放流活動,加快恢復瀕危物種及經濟物種的繁殖和生長,促進科學合理生物群落結構的形成。