渤海海域表层沉积物中甲藻孢囊多样性及富营养化趋势

渤海海域表层沉积物中甲藻孢囊多样性及富营养化趋势

cyst是指失去鞭毛和游泳能力的非移动细胞（cyst）。在许多甲藻的生活史中存在2种类型,即暂时性孢囊(temporarycyst)和休眠孢囊(restingcyst)(齐雨藻,2003)。经常提到的孢囊一般指的是休眠孢囊(Godheetal.,2000)。休眠孢囊通常要度过一定的休眠期,这个时间从几天到几个月不等,外界环境温度越低,所需的时间越长。在休眠期内,即使环境条件适合,孢囊也不会萌发;而当休眠期过后,只要外界条件适合,孢囊随时都有可能萌发。这些条件包括适当的光刺激、足够的氧气、适宜的温度、底栖生物的扰动及底层海流的作用等(Montresoretal.,1998)。另外,孢囊萌发的成功率是与季节相关的(Matsuoka,1987)。甲藻孢囊的分布一般在沉积物的表层最为丰富。在污染严重、水质较差的海域甲藻孢囊的种类多样性较低,此时具有特异生态习性的耐污染种类的数量会增加,因此孢囊的数量和组成可作为评价海域富营养化程度的指标。通常封闭内湾比开阔海岸的孢囊种类丰富,随沉积物中细泥百分比的增加而增加(Dale,1983);孢囊主要沉积在海底的低凹处,与细泥颗粒的沉积过程和积聚情况基本一致(Ellegaardetal.,1994)。以往我国对于甲藻孢囊种类和分布的研究主要集中在赤潮频繁发生的东南沿海,对于渤海海域甲藻孢囊的分类鉴定以及在该海区中的分布情况研究甚少。渤海是我国近封闭的内海,拥有丰富的陆海自然资源,是中国环渤海经济圈的核心。渤海在中国北方海洋运输、水产养殖以及海洋经济的发展等各方面具有重要的辐射作用。但是持续的城市化进程和陆源排污也导致了渤海富营养化严重、氮磷比例失衡,有害藻华频发。因此研究渤海海区甲藻孢囊有助于理解该海区富营养化情况以及进一步理解甲藻孢囊在有害藻华爆发中的作用。本研究利用采集于2008年春季(5月)和夏季(8月)渤海湾24个站位0–10cm深度的表层沉积物样品,研究该海域表层沉积物中甲藻孢囊的种类多样性和生态地理分布;并与已有的其它海域的数据资料进行对比,分析渤海海区与国内外其它海域甲藻孢囊种类组成和数量分布特征的异同,探讨该海域的赤潮发生与甲藻孢囊分布的相关性,为赤潮发生机制的研究和预报监测工作提供参考依据。1材料和方法1.1b土壤站本研究的沉积物样品由天津海洋环境监测中心协助采集。分别于2008年春季(5月)和夏季(8月)采自渤海湾(38°37′04″–39°04′41″N,117°41′30″–118°00′00″E)的24个站位(图1)。采用抓斗式采泥器在24个站位分别采集0–10cm沉积物样品,按照表、中、底(每层约3cm)分为3层,共144份。采集好的沉积物样品分别装入密封塑料袋并做标记,于4°C黑暗下保存备用。1.2液体浮液的提取、分离、保存和计数将待分析的沉积物样品悬浮并溶解于过滤海水,超声波振荡30秒。分别以125µm和20µm筛网过滤,取两筛网中间的部分并转移至表面皿中。旋转表面皿使液体涡旋,然后用吸管吸取上层浮液于10mL有盖塑料管中。为了达到更好的效果,可以多次重复以上操作。最后把液体定容到10mL,4°C下避光保存。观察样品时,吸取1.0mL样品于SedgewickRafterCountingChambers计数框中,在倒置显微镜(NikonTE2000)下进行种类鉴定、计数并拍照,样品重复观察计数2–3次,求其平均值。单位干重泥样中的孢囊数量以cysts·g–1DW表示,即每克干重泥样中的甲藻孢囊数量。1.3甲藻孢囊的物种多样性香农-威弗多样性指数(Shannon-Weaverdiversityindex,H’)计算公式如下:式中,H′为站位或海域甲藻孢囊的种类多样性指数;S为站位或海域甲藻孢囊种类数;Pi为第i种甲藻孢囊的个数与总甲藻孢囊数的比值。在香农-威弗多样性指数中包含2个因素:(1)种类数目,即丰富度;(2)种类中个体分配上的平均性(equitability)或均匀性(evenness)。种类数目多,可增加多样性。同样,种类之间个体分配的均匀性增加也会使多样性增高。2结果与讨论2.1fodiniityt栽培2008年春季和夏季2次调查中共鉴定出6类32种甲藻孢囊,包括原多甲藻类孢囊11种、裸甲藻类孢囊6种、膝沟藻类孢囊7种、钙质类孢囊5种、翼藻类孢囊2种及Tuberculodinioid类孢囊1种。该海域自养型甲藻孢囊17种,优势种为锥状斯氏藻(Scrippsiellatrochoidea)孢囊;该海域异养型甲藻孢囊丰富,共15种,优势种为无纹多沟藻(Polykrikosschwartzii)和锥形原多甲藻(Protoperidiniumconicum)孢囊;并且发现一种产麻痹性贝类毒素的孢囊——塔玛亚历山大藻(Alexandriumtamarense)孢囊,仅在S6、S8和S14三个站位发现,且孢囊数量较少。部分常见和典型的甲藻孢囊的分类学特征描述如下。I膝沟藻类孢囊类(Gonyaulacoidgroup)相似亚历山大藻(Alexandriumaffine(InoueetFukuyo)Balech)(图2A)孢囊无色或淡褐色,近圆形,直径29–43μm,双层厚壁,外壁光滑且无附着塔玛亚历山大藻/链状亚历山大藻孢囊复合体(AlexandriumtamarenseLebour/A.catenella(WhedonetKofoid)Balechcystcomplex)(图2B)孢囊长椭圆形,长37–50μm,宽25–35μm,无色或淡褐色。双层壁厚,常覆盖着透明的胶状物质。孢囊内含1个大而明显的红色体及大量浅色或透明的淀粉颗粒和淡褐色脂粒。膝沟藻(Gonyaulaxsp.)(图2C)孢囊无色透明,形态变化较大,圆形至椭圆形,长32–59μm,宽26–41μm。表面具许多刺状突起,形状长度不一,有的中空长刺,有的膜状突起,突起末端二分叉或三分叉。多边舌甲藻(Lingulodiniumpolyedra(Stein)Dodge)(图2D)[孢粉学名称:Lingulodiniummachaerophorum(DeflandreetCookson)Wall]孢囊圆形,直径40–52μm。双层厚壁,周身覆盖着刺,刺基部宽大,远端尖细或封闭。孢囊内充满了淀粉粒或脂粒。IITuberculodinioid类孢囊(Tuberculodinioidgroup)窄形扁甲藻(Pyrophacusstenii(Schiller)WalletDale)(图2E)[孢粉学名称:Tuberculodiniumvancampoae(Rossignol)Wall]孢囊大型圆盘状,长65–83μm,宽81–97μm,有2层无色的细胞壁。刺弯曲成弧形,长20–33μm,有时会形成外膜,并在远端相互连接。III裸甲藻类(Gymnodinioidgroup)旋沟藻1(Cochlodiniumsp.1)(图2F)孢囊褐色,近圆形至椭圆形,长36–47μm,宽23–38μm(不包括突起)。表面具有颗粒状和锯齿状突起。旋沟藻2(Cochlodiniumsp.2)(图2G)孢囊褐色,近圆形,直径36μm。孢囊表面具纤维柱状或锯齿状突起,内有明显的红色体。裸甲藻1(Gymnodiniumsp.1)(图2H)孢囊深褐色,圆形,直径36–40μm。内含许多球状颗粒及1个红色体。科夫多沟藻(PolykrikoskofoidiiChatton)(图2I)孢囊淡褐色,两端拉长,末端卵圆形,长50–75μm,宽45–55μm。孢囊外壁有长柱子形态的突起,这些突起中空,远端开口,彼此缠在一起。它们的基部和邻近的突起偶尔会连在一起,甚至远端也会连起来形成网状的纹饰。无纹多沟藻(PolykrikosschwartziiButschli)(图2J)孢囊褐色,长卵圆形,长70–100μm,宽50–70μm。刺末端分叉,相互连接形成网状结构。IV钙质类孢囊(Calcoidinellidgroup)锥状斯氏藻(Scrippsiellatrochoidea(Stein)Loeblich)(图2K)孢囊暗褐色,形态变化较大,从椭圆形到圆形,长30–45μm,宽20–33μm。典型的孢囊外壁有钙质层,并且周身有钙质刺(长2–6μm)。刺的末端较钝,部分尖细,孢囊内有1–2个鲜艳的红色体。该种孢囊在渤海海域各站位均有分布,并且数量丰富。前头斯氏藻(ScrippsiellaprecariaMontresoretZingone)(图2L)孢囊颜色从黄色至深褐色,形态变化从椭圆形到圆形,直径25–40μm。孢囊壁有许多钙质的刺,有直而硬的短刺,有基底为四边形的长刺,也有排列为头状花序的刺,内含1至多个红色体或橙黄色体。经酸处理后,钙质刺消失,孢囊壁为无色透明。V原多甲藻类孢囊(Protoperidinioidgroup)窄角原多甲藻(Protoperidiniumclaudicans(Paulsen)Balech)(图2M)[孢粉学名称:VotadiniumspinosumReid]孢囊褐色,心形,长55–60μm,宽50–56μm。背腹侧扁,表面有许多尖刺。锥形原多甲藻(Protoperidiniumconicum(Gran)Balech)(图2N)[孢粉学名称:Selenopemphixquanta(Bradford)Matsuoka]孢囊褐色,心形到肾形,顶端侧扁,长45–70μm,宽37–51μm。孢囊表面具有几行平行针状刺,长7–10μm。该种孢囊是渤海湾比较常见的原多甲藻孢囊。小齿原多甲藻(Protoperidiniumdenticulatum(GranetBraarud)Balech)(图2O)孢囊深褐色,圆形,直径35–40μm。孢囊表面光滑或具少量颗粒,具等边梯形萌发孔。里昂原多甲藻(Protoperidiniumleonis(Pavillard)Balech)(图2P)[孢粉学名称:Quinquecuspisconretum(Reid)Harland]孢囊淡褐色,近五角形,长68–80μm,宽58–73μm。表面光滑,有时有颗粒。孢囊上部较宽,圆锥形;下部具2个形态不同的角,萌发孔梯形。长形原多甲藻(Protoperidiniumoblongum(Aurivillium)Balech)(图2Q)[孢粉学名称:VotadiniumcalvumReid]孢囊亮褐色,表面光滑,背腹部侧扁,长63–75μm,宽58–72μm。细胞壁薄,光滑,具圆形顶部,无刺。孢囊上部圆锥形,下部末端分叉成2个较宽的角。萌发孔宽大。锥腹原多甲藻(Protoperidiniumconicoides(Paulsen)Balech)(图2R)[孢粉学名称:Brigantediniumsimplex(Wall)Reid]孢囊暗褐色,圆形,直径48–50μm。孢囊壁光滑,萌发孔较大。具有4条长边和2条短边,为近似梯形的六角形。VI翼藻类孢囊(Diplopsalidgroup)微细双盾藻(Diplopeltaparva(Abé)Matsuoka)(图2S)孢囊淡褐色,圆形到近圆形,直径30–36μm。孢囊外壁覆盖着许多中空的、略微弯曲的刺,远端变得很尖细。2.2甲藻孢囊和亚胺类孢囊的数量和密度分布在渤海海域已鉴定出的32种6大类甲藻孢囊中,种类最丰富的是原多甲藻类孢囊,平均密度百分比含量为28.6%,其次是钙质类孢囊和裸甲藻类孢囊,密度百分比含量分别为21.0%和20.7%。Tuberculodinioid类孢囊和翼藻类孢囊含量较低。渤海海域各站位甲藻孢囊的种类数变化在7–21种之间,平均为13种。异养型甲藻孢囊丰富,共15种;自养型甲藻孢囊17种。但在24个站位中没有明显的空间分布规律,其中S9站位种类最丰富,S19站位种类最少(图3)。异养型孢囊中原多甲藻类孢囊种类最丰富,分布也很广泛,其中Protoperidiniumconicum和Polykrikosschwartzii在各个站位都有分布。此外自养型孢囊Scrippsillatrochoidea在各个站位也均有分布。渤海海域孢囊密度的分布趋势与种类的丰富程度相近,春夏两季孢囊总的种类数量相同,而夏季孢囊密度略高于春季。春季表、中、底层孢囊数量的变化范围介于58.82–70.66cysts·g–1DW之间,平均数量为65.58cysts·g–1DW;夏季表、中、底层孢囊数量的变化范围介于64.96–103.57cysts·g–1DW之间,平均数量为78.43cysts·g–1DW,略高于春季。另外,春季和夏季沉积物样品中观察到的甲藻孢囊种类组成无明显变化,均为29种。春季样品中的Gonyaulaxelongata和Protoperidiniumlatissinum两种在夏季没有观察到。2.3生物多样性指数变化春季渤海海域表层、中层、底层甲藻孢囊的生物多样性指数变化趋势大致相同,变化范围分别在0.68–3.00、1.04–2.37、0.65–3.43之间;平均值依次减小,分别为1.69、1.61和1.52(图4)。随着深度的增加生物多样性指数(H′)呈下降趋势。夏季渤海海域表层、中层、底层生物多样性指数变化趋势大致相同,变化范围分别在1.13–2.75、1.34–2.62、0.96–2.33之间;平均值分别为1.83、1.89和1.60(图4)。总体上,春季沉积物样品中甲藻孢囊的生物多样性指数低于夏季;表层和中层的甲藻孢囊种类较底层丰富。2.4讨论2.4.1甲藻孢囊种类在海域的分布渤海海域出现的32种孢囊类型大部分为世界各海域常见孢囊类型,种类组成与日本沿海海域等世界其它海域相近,但种类的丰富程度较低。表层、中层和底层之间孢囊组成差异不大,原多甲藻类孢囊种类最丰富,钙质类孢囊和裸甲藻类孢囊次之,且原多甲藻类孢囊密度百分比含量大于钙质类孢囊和裸甲藻类孢囊。比较世界范围内纬度与渤海湾相近的海区,Rubino等(2010)在地中海Syracuse湾分析鉴定了34种甲藻孢囊,其种类丰富程度高于渤海海域。Matsuoka等(2003)在日本的东京湾海域发现了21种甲藻孢囊。Matsuoka等(1987)在日本北部的Akkeshi海湾和Saroma湖的沉积物样品中发现25种现代甲藻孢囊。以上两海域孢囊种类数与渤海湾相近。对于纬度相对较高的海区,Ellegaard等(1994)在丹麦海域(包括Arhus湾)的沉积物样品中鉴定出23种甲藻孢囊,其中有毒种为链状裸甲藻;Joyce(2004)在Scapa、Flow、Orkney和Scotland海域发现4类26种甲藻孢囊,其优势种为锥状斯氏藻、无纹多沟藻和塔玛亚历山大藻,并且有毒的塔玛亚历山大藻在Flow海域分布广泛。对于纬度相对较低的海区,Sonneman等(1997)在澳大利亚维多利亚沿岸海域的沉积物样品中发现43种甲藻孢囊,常见种为锥状斯氏藻、具刺膝沟藻、塞裸原多甲藻、Zygabikodiniumlenticulatum、无纹多沟藻和Protoperidiniumpunctulatum,有毒种为链状裸甲藻;Joyce等(2005)在南非的Saldanha湾(半封闭海湾)的底泥样品中鉴定出22种甲藻孢囊;Godhel等(2000)在印度SW海区共鉴定出38种甲藻孢囊。本次调查在渤海海域鉴定出的甲藻孢囊比国内其它海域甲藻孢囊的种类数低。2010年,我们在长江口赤潮高发区采集的沉积物样品中,鉴定出45种甲藻孢囊(未发表资料)。王朝晖等(2003,2004)在南海大亚湾澳头海域采集的沉积物样品中鉴定出38种甲藻孢囊,次年在大亚湾大鹏澳海域沉积物样品中分析出48种甲藻孢囊。Wall等(1977)提出热带近岸海域甲藻孢囊的物种丰富度高于温带海域,并且甲藻孢囊种类多样性从高纬度到低纬度的海区呈减少的趋势。本研究中渤海海域的甲藻孢囊种类与我国其它海区的研究结果相比较也发现相近的趋势。另外渤海湾内的沉积物主要来自河流携带的大量泥沙。一般来说,沿岸粒度较粗,多粉砂和黏土粉砂,东北部沿岸多砂质粉砂;海湾中部粒度较细,多黏土软泥和粉砂质软泥;河口区附近表层沉积物为灰色或褐色软泥。