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浮游植物作为水域的初级生产者和食物链的基础环节,对水体中营养盐的收支动态平衡起着重要的调节作用,其群落结构的组成与变化,在一定程度上可以比较敏感地指示海洋环境的变化。研究近岸海域浮游植物群落对营养盐长期变化的响应是了解人类活动对沿岸生态系统影响的重要途径,也是目前海洋学研究领域的热点之一。国内关于浮游植物群落长期变化的研究报道绝大多数采用网采方法,而基于水采方法的浮游植物群落研究比传统的网采方法更能反映浮游植物的实际情况。本文以厦门海域作为研究区域,通过现场调查和历史数据分析相结合的方法,基于水采浮游植物样品,研究该海域浮游植物群落结构和演替及其对营养盐长期变化的响应。此外,通过研究九龙江下游及河口营养盐的分布变化,探讨九龙江流域营养盐输入对厦门海域营养盐分布和长期变化的影响。综合以上研究结果,阐明厦门海域浮游植物群落50多年来的演替规律和演替方向,并进一步探讨影响这一演替的主要环境因素及其驱动机制。
主要研究结果如下:
1.于2010年8月和10月的大潮高潮期在厦门海域开展两个航次的现场调查,共设置站位14个。另于2010年11月的大潮高潮期和低潮期在九龙江河口开展两个航次的调查,共设置站位13个。研究结果表明,厦门海域和九龙江河口浮游植物生长的营养盐限制性因子均为活性磷酸盐(PO4-P),而活性硅酸盐(SiO3-Si)含量和无机氮(DIN)含量相对充足。除了九龙江河口的亚硝酸盐(NO2-N)和PO4-P之外,厦门海域的各项营养盐和九龙江河口的其他各项营养盐含量与盐度都有较明显的负相关性。
2.运用SPSS13.0软件分析了影响厦门及九龙江河口海域浮游植物群落组成和结构的主要环境因子。结果表明,目前厦门海域营养盐结构变化的主要特征为N/P摩尔比率失衡。随着人为输入氮源的增加,在富氮的九龙江河口及其邻近海域,极易发生中肋骨条藻赤潮,该藻的生物量与硝酸盐(NO3-N)和SiO3-Si含量的相关性十分明显。研究发现,厦门海域甲藻/硅藻生物量的比值与NO3-N和N/P摩尔比率有一定的正相关性,寓示该海域无机氮含量的增加及其引起的N/P摩尔比率增大将可能促进甲藻的生长。研究发现浮游植物Shannon生物多样性指数可作为反映厦门海域水体富营养化较好的生物指标,通常情况下,富营养化现象越严重的海区其Shannon生物多样性指数越低。
3.厦门海域水体无机氮含量的区域分布趋势为:九龙江口＞西海域＞同安湾＞东部海域＞大嶝海域,大致呈现由厦门海域的东北方向向西南方向逐渐增加的趋势;而活性磷酸盐含量的区域分布趋势为西海域＞同安湾＞九龙江口＞东部海域＞大嶝海域,大致呈现出由西海域向外逐渐降低的趋势。与上世纪90年代的数据相比,近年来厦门各海区无机氮含量增加了38％～153％倍,增加最多的海区为九龙江口。与上世纪80年代或90年代相比,近年来厦门各海区活性磷酸盐含量增加了27％～327％,增加最多的海区为西海域。近年来厦门海域各海区N/P摩尔比率的区域分布趋势为:九龙江口＞西海域＞东部海域＞同安湾＞大嶝海域,大致呈现由九龙江口逐渐向外降低的趋势,即距离九龙江口越近则N/P摩尔比率越高。其中2008年各海区N/P摩尔比率均大于30,说明浮游植物可利用的氮相对过剩,而可利用的磷相对不足。厦门海域N/P摩尔比率的时间变化趋势为:2003-2008年除东部海域外各海区N/P摩尔比率均呈增加趋势,厦门海域整体氮相对过剩趋势越来越突出。
4.比较上世纪50年代以来厦门海域水采浮游植物群落种类鉴定实验记录,发现该海域水采浮游植物群落整体呈现出明显的小型化趋势。维持种群优势地位的多为个体较小的物种,如中肋骨条藻(Skeletonema costatum)、具槽直链藻(Melosira sulcata)和菱形海线藻(Thalassionema nitzschioides)。优势地位下降或消失的主要为个体较大的物种,如中华盒形藻(Biddulphia sinensis)、长耳盒形藻(Biddulphia aurita)、布氏双尾藻(Ditylum brighwellii)、笔尖形根管藻(Rhizosolenia styliformis)和星脐圆筛藻(Coscinodiscusasteromphalus)等。新增的优势种则为小环藻属(Cyclotella sp.)、海链藻属(Thalassiosira sp.)和菱形藻属(Nitzschia sp.)等个体较小的种类。
5.通过50年来历史调查数据的比较发现,厦门海域浮游植物群落Shannon生物多样性指数有所降低,中肋骨条藻作为第一优势种的生态优势度不断增加,同时群落的物种丰富度指数Margalef值下降,导致群落结构简单化,并朝着不稳定的方向逆向演替。此外,浮游植物群落细胞丰度呈现显著增加趋势。虽然硅藻门物种数量和细胞丰度依然在整个浮游植物群落中占主要地位,但甲藻门的种类和生物量也明显增加。
6.综合厦门海域的实际情况和国内外相关研究成果,厦门海域水采浮游植物群落对营养盐长期变化的响应主要体现在:(1)厦门海域水体的富营养化,一方面促进了浮游植物群落的生长,导致浮游植物群落生物量近几十年来显著增加;另一方面促进了小个体浮游植物的生长,导致显微镜观察下水采浮游植物群落小型化。(2)营养盐结构(特别是N/P摩尔比率)失衡刺激了浮游植物群落结构的变化:首先,刺激了一些嗜氮的浮游植物种类如中肋骨条藻的大量繁殖,生态优势度加大,在河口区及其附近海域极易发生中肋骨条藻赤潮,导致浮游植物群落结构简单化和种类间竞争的变化,浮游植物群落的自调节能力下降;其次,N/P摩尔比率失衡并且总体呈不断增加的趋势,促进了甲藻类的繁殖,导致厦门海域甲藻门种类和生物量的增加。
7.河流输入是造成我国河口区及邻近海域海水富营养化和富氮特征的最主要原因。目前厦门海域水体环境的最大问题为无机氮严重污染和N/P摩尔比率失衡。为此,本研究进一步分析了九龙江营养盐输入对厦门海域营养盐含量分布和长期变化的影响,发现九龙江输入是厦门海域DIN含量时空分布变化的决定性因素,不仅造成了厦门海域水体高含量的无机氮污染问题,同时也是厦门海域N/P摩尔比率严重失衡的重要原因。可以推断,九龙江高含量的无机氮源是造成厦门海域浮游植物群落长期演替的重要驱动因素之一。