胶州湾位于山东半岛南部, 是一个自然条件相对独立的半封闭式中型海湾。海域环境特殊, 底栖生物复杂多样^[1], 是我国最早开展海湾生态学研究的典型海域之一^[2]。早在20世纪30年代, 张玺教授等开始对胶州湾软体动物进行了全面调查^[3]。50年代中国科学院海洋研究所与苏联科学院动物研究所合作, 对胶州湾潮间带底栖生物做了比较详细的调查, 并根据底质对底栖生物群落进行了初步划分^[4]。80—90年代刘瑞玉教授等对胶州湾进行了长期连续的综合调查, 对胶州湾底栖生物群落划分做了更详细的论述^[5]。90年代起, 对胶州湾大型底栖生物的研究开始增多^[6-8]。21世纪后, 人们对胶州湾大型底栖生物的研究更加详尽, 研究涉及大型底栖生物的种类组成、群落结构、生物多样性、次级生产力、功能群划分以及与环境因子间的关系等方面^[9-15]。这些研究或局限于胶州湾的局部海域^{[1, 10]}, 或设置的站位较少^{[11, 15]}, 难以反映胶州湾大型底栖生物的全貌。本研究在胶州湾共均匀设置20个站位, 展开了对胶州湾大型底栖生物的研究, 以期为胶州湾底栖生态系统及生物资源持续利用的深入研究提供参考。

1 材料与方法 1.1 站位布设和样品处理

于2018年5月4日和5日对胶州湾大型底栖生物进行了调查取样, 共设置20个站位(图 1), 调查船为“天使一号”。使用0.05 m²箱式采泥器采集沉积物样品, 每站连续采样3次合并为一个样品, 使用孔径为0.5 mm的网筛对沉积物样品进行分选, 分选后的样品及残渣全部收集装瓶, 用10%福尔马林溶液固定。样品的处理、保存、计数、称重等均按照《海洋调查规范》要求进行^[16]。

1.2 环境因子的测定

每站分别取一定量的沉积物表层样品装入密封袋中, –20℃保存^[17], 用于叶绿素(Chl a)、有机碳与沉积物粒度的测定。

叶绿素的测定采用荧光分光光度法。有机碳含量按照《海洋调查规范》中重铬酸钾-硫酸氧化法进行测定^[16]。沉积物粒度利用激光粒度分析仪进行测定, 依据矩值法计算粒度参数^[18], 通过Folk法分析沉积物类型^[19]。水深、底温及底盐均由CTD探测仪现场测得。

1.3 数据处理与分析 1.3.1 优势种的确定

相对重要性指数I_RI (Index of Relative Importance)计算公式如下:

其中: W 为每个物种生物量占总生物量的百分比, N为每个物种丰度占总丰度的百分比, F 为该种出现的频率。

1.3.2 多样性指数的计算

Shannon-Wiener指数(H′)、Margalef丰富度指数(D)以及Pielou’s物种均匀度指数(J′)计算公式如下:

其中: S为总种数, N为总个体数, n_i为第i种的个体数。

1.3.3 数据分析

利用大型底栖生物丰度和生物量数据绘制丰度/生物量比较曲线(ABC曲线); 对丰度数据进行Cluster分析(划分群落)以及SIMPER分析(确定对群落划分起主要作用的种), 以上分析均使用PRIMER 6.0软件包。

2 结果 2.1 沉积环境

表 1为调查海域各环境因子检测结果。调查海域各站位平均水深为12.6 m。水深最深处位于湾口的J42站, 为31.0 m; 最浅处位于东北部的J02站, 仅为6.0 m。底温平均值为13.65 ℃, 分布呈现从北至南递减的趋势; 底盐平均值为31.81, 分布趋势与底温分布趋势相反, 从北至南递增。调查海域Chl a分布不均匀, 北部海域的J11、J12、J13、J14、J15、J16站Chl a较高, 在0.68 µg/g以上; 大沽河口的J01站、李村河口的J02站以及湾口处的J33站和J41站Chl a较低, 低于0.30 µg/g。有机碳仅东部河口及湾口处含量较高, 如湾口处J43站位(1.872 mg/g)和李村河口J16站(1.612 mg/g), 其余站位有机碳含量均在0.609至1.281 mg/g之间。北部海域沉积物类型以砂质粉砂为主; 南部海域近湾口处沉积物颗粒变粗, 出现砾石。

2.2 大型底栖生物种类组成与优势种

本次调查共采集到大型底栖生物208种, 分属腔肠动物、扁形动物、纽形动物、多毛类、软体动物、甲壳类、棘皮动物、半索动物和脊索动物九个门类。其中多毛类、软体动物和甲壳类分别出现76、42和72种, 为主要类群, 其物种数之和占总种数的92.23%。

物种数最多的站位出现在北部海域的J14站, 为58种; 其次在西部海域靠近洋河河口的J21站, 为49种。物种数最少的站出现在湾口附近的J33站, 仅23种; 湾口处的J41和J43站出现的物种数也较少, 均是24种。调查海域北部站位的物种数相对较多。

表 2为I_RI排名前10位的物种。菲律宾蛤仔R. philippinarum为本次调查的第一优势种, 主要出现在调查海域的西北部。I_RI排名前10位的物种中多毛类共7种, 出现频率较高, 几乎遍布整个调查海域, 显示了多毛类在调查海域的优势地位。

2.3 大型底栖生物丰度与生物量

如表 3所示, 调查海域大型底栖生物总平均丰度为2 654.38 ind./m²。丰度最高值出现在李村河口的J02站, 丰度高达9 670.00 ind./m², 该站位出现了丰度很高的中华蜾蠃蜚Corophium sinense (7 470.00 ind./m²); 丰度次高值出现在李村河口的J16站, 丰度为5 933.33 ind./m², 该站同样出现了大量的中华蜾蠃蜚C. sinense (4 140.00 ind./m²)。调查海域西北部的J01、J11、J12、J13和J14站均出现了菲律宾蛤仔R. philippinarum, 其丰度相对较高, 这可能与该物种在调查海域北部大面积养殖有关。丰度最低值出现在湾口处的J43站, 丰度仅为393.33 ind./m²;次低值出现在J42站, 也是位于湾口海域, 丰度为630.00 ind./m²。丰度值总体呈现北高、南低的分布趋势, 丰度高值区位于大沽河口及李村河口附近站位(图 2)。

调查海域大型底栖生物总平均生物量为1 024.512 2 g/m²(表 3)。东北部海域的J15站生物量最高, 为9 231.552 0 g/m², 该站出现了个体较大的长牡蛎Crassostrea gigas, 生物量高达8 842.276 0 g/m²; 生物量次高的站位是位于北部海域的J14站, 生物量为3 862.755 3 g/m²。湾口附近的J33站生物量最低, 仅为7.624 g/m²; 生物量次低值出现在湾口处的J43站, 为9.698 7 g/m²。生物量与本次调查的丰度和物种数分布趋势相同, 呈现北部高、南部低的趋势(图 2)。

2.4 大型底栖生物多样性指数

调查海域各站位多样性指数见表 3。调查海域的H'平均值为3.769。北部沿岸站位的H'较低, 都在2左右。最低值为1.841, 位于J02站。而位于中部的站位H'值较高, 多数大于4。H'最高的站位是J24站, 为4.830。

调查海域的J′平均值为0.726, J′最高值出现在湾口附近的J33站, 为0.938, J′最低值出现在东北部海域的J02站, 为0.344。D平均值为4.940, 湾口附近的J34站D值最高, 为7.082, 湾口处的J41站D值最低, 为3.215。

2.5 大型底栖生物群落

图 3和图 4为大型底栖生物聚类分析结果, 在40%的相似度水平上, 可将大型底栖生物划分为4个群落。每个群落中选取相似性贡献率最高的三个物种(SIMPER分析), 作为群落的特征种, 并以3个特征种作为群落名称。

群落Ⅰ, 中蚓虫M. californiensis、寡鳃齿吻沙蚕N. oligobranchia和双栉虫Ampharete acutifrons群落。该群落位于调查海域的湾口附近, 包括J33和J41站, 平均水深26.4 m, 沉积物类型分别为砾质泥质砂以及砾质砂。群落Ⅰ组内平均相似性为53.27%, 三个特征种对组内相似性的累计贡献率高达28.20%。

群落Ⅱ, 双栉虫Ampharete acutifrons、东方缝栖蛤Hiatella orientalia和豆形短眼蟹Xenophthalmus pinnotheroides群落。该群落水深31.0 m, 沉积物类型类型为含砾泥质砂。该群落仅包含湾口处的J42站, 与其他群落相异性最高, 在70.40%~77.25%之间。

群落Ⅲ, 寡鳃齿吻沙蚕N. oligobranchia、不倒翁虫S. scutata和中蚓虫M. californiensis群落。该群落包括西部海域以及中部海域站位, 平均水深13.8 m, 沉积物类型以砂质粉砂为主。组内平均相似性为46.57%, 三个特征种对组内相似性贡献率累计达21.22%。

群落Ⅳ, 中蚓虫M. californiensis、丝异须虫H. filiforms和棒毛拟隐鳞虫Hermadionella truncata群落。该群落包括东北部海域的J02和J15站, 平均水深6.3 m, 沉积物类型分别为粉砂和砂质粉砂。群落Ⅳ组内平均相似性为42.88%, 三个特征种对组内相似性累计贡献率为18.46%。

3 讨论 3.1 调查海域大型底栖生物丰度与环境因子关系

诸多研究表明^[20-22], 大型底栖生物丰度分布与环境因子存在相关性, 本研究也进行了大型底栖生物丰度与环境因子数据的Pearson相关性分析, 环境因子包括水深、底温、底盐、Chl a、有机碳、平均粒径和中值粒径, Pearson相关性分析结果见表 4。

结果表明大型底栖生物丰度与底温呈极显著正相关, 与底盐呈极显著负相关, 与其他环境因子无显著相关关系。陈晓娟等^[23]和毕洪生^[24]对胶州湾大型底栖动物的研究也得到了相似结论, 即底温与底盐影响胶州湾大型底栖生物的丰度分布。

3.2 调查海域底栖生态环境质量分析

目前利用大型底栖生物评价生态环境质量的方法有许多, 如Shannon-Wiener指数^[25]、ABC曲线^[26]、AMBI^[27]等, 其中Shannon-Wiener指数具有较强的普遍适用性^[28]。蔡立哲等^[29]提出, H′分四级来评价环境质量状况: H′值大于3为清洁, H′值在2-3之间为轻度污染, H′ 值在1~2之间为中度污染, H′ 值小于1为重度污染。由表 2可以看出, 除北部海域的J01、J02和J16站外, 其余站位H′ 均大于3; J01站与J16站H′ 在2~3之间; J02站H′ 最小, 仅为1.841。根据H′ 值的描述, 可以认为调查海域整体环境清洁, 仅北部海域的J01、J02和J16站受到扰动, 其中大沽河河口附近的J01站受到轻度扰动, 李村河口附近的J02和J16站分别受到中度扰动与轻度扰动。

本文也做了各站位大型底栖生物的丰度/生物量比较曲线, 发现仅李村河口附近的J16站的曲线发生交叉重叠, 指示J16站受到中度扰动(图 5), 其余站位的ABC曲线均是生物量线位于丰度线之上, 指示并未受到扰动。ABC曲线与生物多样性指数H′ 结果基本一致。

近年来一些学者对胶州湾重金属污染开展了一系列研究^[30-32], 研究结果显示重金属高值区主要位于东部李村河口及西部大沽河口附近。2017年肖彩玲等人^[33]5月份的研究结果显示:李村河口和大沽河口为Cr、Ni和Cu重金属的富集区, 其中Cr、Ni和Cu平均值分别达到62.73 mg/kg、24.62 mg/kg和23.44 mg/kg, 与本研究的扰动站位分布情况大致相同。

青岛市海洋环境公报表明, 2017年胶州湾符合第一、二类海水水质标准的海域所占比例比2012年至2016年的平均值升高了14.3%^[34]。2018年第一、二类海水水质标准的海域面积占胶州湾总面积的73.7%, 同比2017年提高了1.9%, 比2014年提高了10.3%^[35], 这与表 5中H′呈现的逐年升高的趋势相符合, 可以看出近年胶州湾水质有所改善。

综上所述, 本文初步认为调查海域底栖生态环境整体清洁, 大沽河口和李村河口附近海域存在一定程度的污染。

3.3 本研究结果与历史研究资料的对比

表 5为本研究与近年胶州湾海域历史研究资料^{[1, 10-11, 15,36]}的对比。本研究大型底栖生物的平均丰度、生物量、H′和第一优势种与历史研究相差不大。2007年隋吉星^[1]的研究中大型底栖生物平均丰度最低, 平均生物量也相对较低, 第一优势种为棘刺锚参Protankyra bidentata, 与本研究以及其他历史研究^[15,36]的第一优势种不同, 这可能是由于隋吉星^[1]的站位设置在胶州湾中央并未涉及北部海域的贝类养殖区^[37]。本研究与徐兆东^[15]的研究中群落划分的结果基本一致, 主要划分为胶州湾北部及西部海域、胶州湾的中部海域和湾口附近海域, 但群落的特征种不完全相同, 如本研究中胶州湾北部及西部海域的群落特征种为寡鳃齿吻沙蚕N. oligobranchia、不倒翁虫S. scutata和中蚓虫M. californiensis, 而徐兆东^[15]的研究结果中该群落的特征种为寡鳃齿吻沙蚕N. oligobranchia、二齿半尖额涟虫Hemileucon bidentatus和巴氏钩毛虫Sigambra bassi, 这可能与站位设置、样品采集方法的不同以及人类活动和气候变化可能对区域内底栖生物的影响有关。

4 结论

1) 调查海域底栖生态环境基本清洁, 大沽河口及李村河口海域附近站位存在一定程度污染。

2) 底温和底盐是影响调查海域大型底栖生物丰度的主要环境因子。