（环境科学专业论文）渤海湾浮游植物的生态研究.pdf

a bs t r a c t m a r i n ep h y t o p l a n k t o nh a sb e e np l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei no c e a ne c o s y s t e m ，s o s t u d i e so np h y t o p l a n k t o ni ne c o l o g yh a sb e c o m eo n eo ft h em o s td y n a m i cf r o n t i e r si n m a r i n ee c o l o g yr e s e a r c h i nt h i s p a p e r , f r o m2 0 0 3 t o2 0 0 5e i g h tt i m e so ff i e l dt r i p sm o n i t o r i n g p h y t o p l a n k t o ni nb o h a ib a yw a sc a r r i e do u t a n dt h er e s u l t sw e r ea n a l y z e d a c c o r d i n g l y , 8 0s p e c i e so fp h y t o p l a n k t o nw e r ei d e n t i f i e dd u n n gt h e s ef i e l dt r i p s ， w h i c hc o n t a i n e d3 9g e n u s ，2 8f a m i l i e sa n d6p h y l u m t h e s es p e c i e so fp h y t o p l a n k t o n w e r es o r t e da sf o l l o w sa c c o r d i n gt od i f f e r e n tp h y l u r e ：15f a m i l i e so fb a c i u a r i o p h y t a h a d2 3g e n u sa n d51s p e c i e s ；8f a m i l i e so fp y r r o p h y t ah a d2 5s p e c i e sa n d12g e n u s ； p r o z o t o a , c h r y s o p h y t a ，c y a n o p h y t aa n dc h r o m o p h y t aa l li n d i v i d u a l l yj u s th a do n e f a m i l y , o n eg e n u sa n do n es p e c i e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tb a c i l l a r i o p h y t aw e r et h e p r e p o n d e r a n ts p e c i e si nt h es u r f a c ew a t e r b o d yi nb o h a ib a y t h ev a r y i n gt r e n do f a v e r a g ep h y t o p l a n k t o ns p e c i e ss h o w e do b v i o u ss e a s o n a lc h a r a c t e r i s t i c sd u r i n gt h r e e y e a r s ：t h el e a s ti ns p r i n g ，m o r ei ns u m m e r , t h em o s ti na u t u m n ；i nl o w - f l o ws e a s o n ， t h ec e l l sa b u n d a n c eo fp h y t o p l a n k t o nr a n g e df r o m2 0 5 2c e l l s lt o5 3 9 6 3c e l l s l ，t h e m e a nv a l u ei s17 9 8 5c e l l s l ，i n h i g h - f l o w s e a s o nt h ec e l l sa b u n d a n c eo f p h y t o p l a n k t o nr a n g e df r o m14 2 4c e l l s lt o3 16 2 0 0c e l l s l ，t h em e a nv a l u ei s4 618 0 c e l l s l ，i nm e a n - f l o ws e a s o nt h ec e l l sa b u n d a n c eo fp h y t o p l a n k t o nr a n g e df r o m3 116 c e l l s lt o1 2 0 3 4 6 4c e l l s l ，t h em e a nv a l u ei s1 2 5 8 3 0c e l l s l t h es e a s o n a lv a r i a t i o no f p h y t o p l a n k t o na b u n d a n c ew a so b v i o u sd u r i n gt h e s et h r e ey e a r s ，i tw a ss h o w na s f o l l o w s ：t h ep h y t o p l a n k t o na b u n d a n c en o to n l yg r a d u a l l yd e c r e a s e da l o n gm e a n f l o w , h i g h f l o wa n dl o w - f l o ws e a s o nb u ta l s ow e r es l i g h t l yh i g hi ni n s h o r ea r e ac o m p a r e d w i t ho f f s h o r ea r e aa n dw e r em u c hh i g h e ri ns o u t h e r np a r tt h a nt h a to fn o r t h e r np a r ti n n e a r3y e a r s t h ep h y t o p l a n k t o na b u n d a n c eg o tt h eh i g h e s tv a l u ei nj u n eo f2 0 0 4 ， w h i c hw a sr e l a t e dt oal a r g e s c a l er e dt i d e i nb o h a ib a y f r o m2 0 0 3t o2 0 0 5t h e v a r i a t i o nt e n d e n c yo fp h y t o p l a n k t o np r e p o n d e r a n ta l g a ei nb o h a ib a ys h o w e dt h a t ： t h ec o a s t a la l g ai n c r e a s e d ，t h ea b r o a da l g ar e d u c e d ，t h eh a r m f u la l g a ea n dt o x i ca l g a e w a sd i s t r i b u t e db r o a d l y b ym e a n so fc l u s t e ra n a l y s i so fp h y t o p l a n k t o n i cc o m m u n i t y ， t h er e s u l t sw e r ec o n c l u d e dt h a td a t ag a t h e r e di nt h es a m es e a s o no rf r o mn e i g h b o r i n g s t a t i o n sh a dh i g h e rc o m m u n i t ys i m il a r i t y i nt h i sp a p e r18k i n d so fd i v e r s i t yi n d i c e sw e r es t u d i e di no r d e rt oa p p r a i s et h e v a l i d i t y o fe u 仃o p h i c a t i o nb y s e t t i n gu pt h r e ei d e a lg r a d i e n tp h y t o p l a n k t o n i c c o m m u n i t ys e q u e n c e sa n dt h e yw e r ev e r i f i e d t ob ee f f e c t i v eu s i n gs h a n n o n s i n d e x ( t i a s e2o re ) ，s i m p s o n sr e c i p r o c a li n d e x ，b e r g e r o p a r k e r si n d e x ，s i m p s o n s e n c o u n t e ri n d e xa n dp i e l o u se v e n n e s si n d e x t h en u t r i t i o nl e v e lo fb o h a ib a yw a t e r q u a l i t yw a sa p p r a i s e di n n e a rt h r e ey e a r sc o m b i n i n gt h ee f f e c to fs h a n n o n s i n d e x ( b a s e2 ) ，p i e l o u se v e n n e s si n d e xa n dn a u g h t o n sd o m i n a n c ei n d e x ，a n dt h e r e s u l ti n d i c a t e dt h a t ：i ng e n e r a lt h ew a t e rq u a l i t yo fb o h a ib a yw a si nt h es t a t eo f m e s o t r o p h i c a t i o na n de u t r o p h i c a t i o n ，a n di tw a sm o s ts e r i o u si ns p r i n g ；l e s ss e r i o u si n s u m m e r ；a n db e s ti na u t u m n ，f u r t h e r m o r et h ee x t e n t so fe u t r o p h i c a t i o ni n s h o r ew a s m o r es e r i o u st h a nt h a to fo t i s h o r e c o m p a r e dw i t ht h ea s s e s s m e n tr e s u l t sf r o mc h e m i s t r yi n d e xm o d e la n dd i v e r s i t y i n d i c e so n e ，i tw a sv e r i f i e dt ob ee f f e c t i v ei na p p r a i s i n gt h en u t r i t i o n a ll e v e lo fs e a a r e a su s i n gt h ed i v e r s i t yi n d i c e sm o d e l s e e nf r o mt h ea n a l y z e dd a t a ，i ti si n d i c a t e d t h a tt h em e t h o do ft h ep h y t o p l a n k t o na b u n d a n c ea l o n eh a si t sd i s a d v a n t a g e si n a p p r a i s i n gt h en u t r i t i o n a ll e v e lo f t h ew a t e rq u a l i t y ，a n dt h em e t h o do fd i v e r s i t yi n d e x w i l lb em u c hm o r ee f f e c t i v ee s p e c i a l l yf r o mt h eb i o l o g yv i e w k e yw o r d s ：p h y t o p l a n k t o n ，d i v e r s i t yi n d e x ，p r e p o n d e r a n ta l g a e ，c l u s t e r a n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢啦珥签字嗍岬年2 月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 瞥劲 签字醐：砷年月枷 导师繇毒锯 签字醐：叩年瑚加 天津大学硕士学位论文 第一章回顾与评述 1 1 研究背景 第一章回顾与评述 海洋是一个生物与环境、生物与生物之间相互依存，相互制约的复杂生态系 统。全球海洋面积约3 6 2 亿k m 2 ，占地球总面积的7 1 ，海洋具有巨大的能量和 无数的宝藏，它是组成地圈、水圈和生物圈的主体，对调节环境和气候、维持全 球生态平衡起着关键作用；是地球生物最大的栖息生存空间，同时也是全球生命 支持系统的基本组成部分、人类赖以生存和发展的自然环境的重要组成部分。但 人类在开发利用海洋的同时，也严重破坏了海洋的生态平衡。近年来随着近岸海 域经济的快速发展，大量污染物排入海洋中，许多海域营养盐的浓度远远超过该 海域生态系统所能承受的容量，水体富营养化加剧【lj ，导致了海水中溶解氧的急 剧减少，毒藻水华的形成，生物多样性的消失，渔业产量减少【引。由富营养化所 造成的水质问题已经备受各地政府和海洋学家的重视p 6 j 。 我国是个沿海大国，拥有长达1 8 0 0 0 多公里的大陆海岸线，管辖海域近3 0 0 万平方公里，沿海地区以其得天独厚的地理优势成为了我国人口最为集中，经济、 文化、科技最为发达的地区。目前，我国沿海地区以占全国1 3 陆地面积承载了 全国4 0 以上的人口，创造了6 0 以上的国民生产总值，近海生态系统已成为 国家缓解资源环境压力的重要地带。但另一方面沿海地区的快速发展也在迅速改 变着海岸带和海洋的面貌，给近岸海洋生态环境带来了巨大冲击。最近几十年来， 由于沿海经济的高速发展带来的污染冲击和对海洋资源掠夺性开发，使得近岸海 域的环境质量逐年恶化，海洋生物种类明显减少，富营养化情况严重，赤潮频繁 发生，海洋的生态环境遭到了严重破坏，这不仅制约了我国滨海经济的可持续发 展，而且间接地影响人们的健康状况。面对海洋环境的恶化，海洋生态环境保护 和污染的控制、治理日益受到人们的重视。 自古以来，海湾都是人类通往海洋的前沿地带。今天的海湾已经成为集工农 业生产、贸易、交通、旅游、居住等多功能于一体的复合生态系统。因此，海湾 是整个海洋中与人类关系最为密切、受人类干扰最为严重的区域。由于陆源营养 盐排放负荷的增加，造成海洋藻类异常增殖，导致赤潮发生、海洋底部缺氧以及 底栖生物和鱼类的死亡。这在全球范围内已经是一个非常普遍的现象。据囝家海 洋局公布的资料显示，作为我围唯一内海的渤海，到2 0 0 0 年底4 0 的海域已经 受到严重污染，整个海域呈现富营养化状态，渤海作为天然海水渔场的功能已经 天津大学硕士学位论文 第一章回顾与评述 基本丧失。作为渤海三大海湾( 辽东湾、渤海湾和胶州湾) 之一的渤海湾，是一个 典型的半封闭海湾，海水交换能力差【6 】，又地处经济重镇京津冀地区，富营养化 和赤潮问题亟待治理。在这种形势下，研究渤海湾海域浮游植物群落结构特点、 生态分布情况，选择合适的物种多样性指数对渤海湾水质进行生物学评价对于研 究和控制渤海湾水体富营养化状态具有重要的理论和现实意义，也为促进渤海湾 生态环境的改善、环境资源的可持续利用以及经济的可持续发展提供理论依据和 技术支持。 1 2 海洋生态学的发展 生态学( e c o l o g y ) 一词是德国生物学家h a e c k e l 于1 8 6 9 年首先提出来的。随着 生态学的发展，出现越来越多的分支学科和交叉学科。海洋生态学( m a r i n e e c o l o g y ) 是生态学的一个分支，它研究海洋生物及其与海洋环境之间的关系和相 互作用过程。海洋生态学作为一门系统的学科历史较短1 7 j 。 自古以来，人类就因捕鱼、晒盐、航海等活动与海洋发生联系，逐步了解一 些海洋生物与海洋环境的关系。1 8 世纪初，一些科学家开始进行零星的海洋调 查。被称为海洋生态学奠基者的英国f o r b s 多次在地中海航海探险中利用采泥器 和底拖网采集并观察底栖生物，提出海洋生物垂直分布的分带现象。1 8 5 9 年出 版的由f o r b s 编著的欧洲海的自然历史被看作是海洋生态学领域的第一部著 作。以后西欧各海洋国家相继进行多次大范围的海洋生物调查。最有代表性的是 1 8 7 2 - - 1 8 7 6 年英国“挑战者号 ( c h a l l e n g e r ) 的环球海洋调查，涉及三大洋的主 要海区，发现了大量新的生物种和属，初步分析了海洋生物与海洋环境的关系( 主 要是与生物分布有关的环境特征) ；描述了4 7 0 0 多种新的海洋生物，是人类第一 次全球尺度的海洋生物学研究。1 8 世纪末至1 9 世纪末是海洋生态学发展的初始 阶段。 2 0 世纪初至5 0 年代，可以认为是海洋生态学发展的第二阶段，许多国家开 始组建大的海洋研究机构，在大量定性研究的基础上开展定量研究，如美国的斯 克利普斯海洋研究所( 1 9 0 3 ) 、伍兹霍尔海洋研究所( 1 9 3 0 ) ；一些大学也建立了海 洋生物学专业或研究机构。h e n s e n 和p e t e r s o n 分别对浮游生物和底栖生物的丰 度分布、群落组成及其与环境的关系进行了较深入的研究。与此同时，欧洲各国 继续开展各种类型的海洋调查，在调查船只、测量仪器和调查方法上都不断改进， 扩大了海洋调查的规模，提高了海洋调查的质量。另外，各国派遣的海洋远征队 所写的大幅、多本调查报告，涉及海洋生物的种类和分布及其与环境的关系，为 海洋生物学发展做出了很大贡献。各滨海国家所建立的海洋研究所进行了大量个 天津大学硕士学位论文第一章回顾与评述 体生态和种群生态及实验生态研究，促进了海洋生态学的发展。 2 0 世纪6 0 年代以来，海洋生态学围绕着全球面临的重大生态课题进行了空前 规模的调查研究。全球联合海洋通量研究( j g o f s ) 、海岸带陆海相互作用研究 ( l o i c z ) 、全球海洋生态系统动力学( g l o b e c ) 等属于国际地圈生物圈计 划直接与海洋有关的调查。这些调查有效地推动了海洋生态学及其相关领域研 究工作的迅速发展。 我国海洋生态学调查研究始于2 0 世纪2 0 年代。2 0 世纪5 0 年代后期，我国 首次组织进行了全国海洋综合调查( 1 9 5 9 - - 一1 9 6 0 ) ，随后进行了“渤海水域渔业资 源、生态环境及其增殖潜力的调查研究”( 1 9 8 1 1 9 8 5 ) 、“三峡工程对长江口生 态系统的影响 ( 1 9 8 5 1 9 8 7 ) 、“黄海大海洋生态系统调查”( 1 9 8 5 - - 1 9 8 9 ) 、 “闽南一台湾浅滩渔场上升流区生态系研究 ( 1 9 8 7 , 1 9 9 0 ) 、“渤海增养殖生态 基础调查研究”( 1 9 9 1 - 1 9 9 5 ) 等，这些调查结果对我国海洋生物、化学、物理、 地质、水文和气象等都有了较全面的了解，积累了大量的和丰富的生态学资料。 1 3 海水赤潮现象 赤潮是海洋中某些微小的浮游生物在一定条件下爆发性繁殖( 增殖) 或聚集 而引起水体变色的一种有害的生态现象。赤潮形成后，对海洋生态系统的破坏难 以估量：赤潮生物的爆发性增殖会造成海水p h 升高，粘稠度增大，改变水生 生态系统的群落结构；藻类大量死亡时分解作用消耗水中的氧气，导致水域的 动物因缺氧而死亡；藻类过度密集会堵塞贝类生物的腮部，使其窒息而死； 有的赤潮藻类本身含有毒素，鱼贝等生物接触后会发生中毒反应。有的赤潮毒素 容易在鱼贝体内蓄积，人们误食含有毒素的水产品后会引起肢体麻痹，甚至中毒 致死。 赤潮现象自古有之，圣经中记载有尼罗河下游发生的赤潮事件，我国清 代蒲松龄的聊斋志异里也形象的记载了与赤潮有关的海水发光现象【8 j 。但， 总的来说，古代赤潮发生的次数非常稀少。2 0 世纪以来，由于工农业迅速发展， 沿海地区人口激增，大量的工业废水和城市生活污水未经处理直接排放到海洋 中，造成内湾、河口和沿岸水域的严重有机污染和富营养化，赤潮的发生频率不 断升高。并且，赤潮影响的水域面积越来越大，引发赤潮的藻种也越来越多。每 一个拥有海岸线的国家都受到赤潮的威胁，赤潮已经成为世界沿海国家所面临的 主要海洋环境问题。我国是遭受赤潮严重影响的国家之一。梁松等【9 】的统计结果 表明：1 9 7 2 ，- - 1 9 9 8 年我国沿海发生的赤潮多达3 6 0 起，且呈逐年增加趋势。1 9 8 9 年8 1 0 月渤海黄骅市海区裸甲藻赤潮持续近两个月，涉及河北、山东、天津三 天津大学硕士学位论文 第一章回顾与评述 省市，造成经济损失3 亿多元【m 】。据国家海洋局海洋环境质量公报相关统计：2 0 0 3 年我国全海域共发现赤潮1 1 9 次，累计面积约1 4 5 5 0 平方公里【1 1 】。其中，在赤潮 监控区内发现赤潮3 6 次，累计面积近1 5 0 0 平方公里。其中渤海海域发生赤潮 1 2 次，累计面积近4 6 0 平方公里。黄、渤海赤潮主要集中在夏季，高发期在7 8 月。黄渤海海域赤潮生物多为可对鱼类产生危害的夜光藻、海洋卡盾藻和赤潮 异湾藻。2 0 0 4 年全年共发现赤潮9 6 次，较2 0 0 3 年减少约1 9 ；赤潮累计发生 面积约2 6 6 3 0 平方公里，较2 0 0 3 年增加约8 3 t 1 2 】。其中，在赤潮监控区内发现 赤潮5 6 次，累计面积近1 4 5 1 0 平方公里，分别占到全海域赤潮累计发生次数和 面积的5 8 和5 5 。大面积赤潮集中在渤海、长江口外和浙江沿海。有毒赤潮 生物引发的赤潮2 0 余次，面积约7 0 0 0 平方公里。主要有毒赤潮生物为米氏凯伦 藻、棕囊藻等。渤海赤潮高发期集中在6 月。赤潮发生次数1 2 次与2 0 0 3 年持平， 但累计面积6 5 2 0 平方公里，较2 0 0 3 年增加约1 3 倍。其中，6 月1 1 日黄河口附 近海域棕囊藻赤潮面积约1 8 5 0 平方公里；6 月1 2 日天津塘沽附近海域至渤海湾 中东部和北部海域米氏凯伦藻赤潮面积约3 2 0 0 平方公里。棕囊藻与米氏凯伦藻 均为有毒藻类，在渤海引发赤潮尚属首次。2 0 0 5 年f j3 j 全海域共发现赤潮8 2 次， 较上年减少约1 5 ，累计发生面积约2 7 0 7 0 平方公里，有毒藻类引发的赤潮次数 和面积大幅增加【1 3 】。大面积赤潮集中在浙江中部海域、长江口外海域、渤海和海 州湾等。赤潮监控区区内发现赤潮4 2 次，累计面积近1 5 4 2 0 平方公里，分别约 占全海域赤潮累计发生次数和面积的5 1 和5 7 。因赤潮造成的直接经济损失 逾6 9 0 0 万元。渤海赤潮发生9 次较2 0 0 4 年减少2 5 ，累计面积5 3 2 0 平方公里 比2 0 0 3 年减少1 8 。赤潮高发期集中在5 - - 6 月，其中，6 月连续发生在渤海湾 和辽东湾的两次赤潮持续时间共2 0 天，面积约5 0 0 0 平方公里，主要赤潮藻类是 裸甲藻和米氏凯伦藻。 赤潮发生的原因比较复杂，赤潮生物的存在和水体富营养化是形成赤潮的主 要原因；除此之外，赤潮发生还与水文、地质、气象、海流、海况等有关 7 - 1 0 , 1 4 】。 海域水体富营养化 富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 是指生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、 河口、内湾，引起藻类大量繁殖、水体溶解氧量下降、水质恶化的现象。海水富 营养化是赤潮发生的物质基础和首要条件。随着工农业的迅速发展，含有大量的 有机质、重金属离子的城市工业废水和生活污水被大晕排入海中，使营养物质在 水体中富集，造成海域富营养化。此时，水域中氮、磷等营养盐类，铁、锰等微 量元素以及有机化合物的含量大大增加，促进赤潮藻类的大量繁殖。由于海水交 换能力差，营养物质不易稀释扩散，因此河口海湾地区为赤潮的多发区。 海域中存在着大量的赤潮藻类 天津大学硕士学位论文 第一章回顾与评述 海域中的赤潮藻类的存在，是发生赤潮现象的前提。当海域环境条件适合藻 类生长时，加上富营养化水体中含有的大量营养盐，为赤潮藻类的生长提供了良 好的物质基础。目前，世界各大洋中能形成赤潮的浮游生物共有1 8 0 多种，我国 记录到的有6 3 种，其中能形成优势种的有2 8 种。一般情况下，许多藻类在冬季 会形成孢囊，进入休眠期，直到第二年春季，温度回升，盐度适合时，水体中大 量的营养物质使得赤潮藻类大量繁殖，迅速生长，引起赤潮。 适宜环境条件赤潮的发生与水体、大气、气象及生物环境等密切相关。 其中，水温和盐度是影响赤潮藻类生长的重要因素。当海水的温度为2 0 3 0 c 时，适宜赤潮藻类孢囊的萌发，并大量繁殖；盐度在2 6 - 2 7 0 均有可能 发生赤潮，但是在盐度1 5 - - - 2 1 6 0 时，易形成温跃层和盐跃层。温跃层和盐跃 层的存在，为赤潮藻类的迅速生长提供了有利的条件。由于海流的交汇作用，海 域营养盐类含量急剧上升，引起硅藻大量繁殖，特别是骨条硅藻的密集常引发赤 潮。硅藻又为夜光藻提供了丰富的饵料，促使夜光藻急剧增殖，形成粉红色的夜 光藻赤潮。另外，不同海区不同类型赤潮暴发要求的温度和盐度也各不相同。如 在中国南海大鹏湾海域夜光藻赤潮发生的适宜温度为1 5 c 2 0 ，而在日本濑 户内海等海域暴发褐胞藻赤潮时，最适温度为2 5 。 图1 一l 赤潮发生的主要环境条件 天津大学硕士学位论文第一章回顾与评述 合适的海流作用 有些专家和学者从地学角度利用地幔流体上升引起地球磁场异常导致赤潮 灾害的推论，分析研究了地磁与中国沿海发生的赤潮灾害存在着极为密切的关 系。2 0 世纪9 0 年代，我国学者提出地幔流体的幔汁假说，认为幔汁流体上升引 起大地构造运动；地下介质电导率发生变化，导致地球磁场变化。而沿海和河流 入海处正是构造断裂的发育地带，当来自地下深部的地幔流体在高压下从海底地 壳裂隙中溢出后，使近海富营养化的海水( 含碳、氮、磷、硅) 上升，并提供了诱 发赤潮的微量重金属铁和锰，使得表层赤潮藻类大量增殖。合适的海流对赤潮藻 类有聚集作用，并导致赤潮的发生。有研究表明，厄尔尼诺一南方涛动现象与 赤潮的发生也有密切关系。赤潮发生的主要环境条件如图1 1 【15 】所示： 1 4 海洋浮游植物多样性的研究 生物多样性包括物种多样性、遗传多样性、生态系统多样性和景观生物多样 性四个基本层次，生物多样性是人类赖以生存和可持续发展的基础。在工业化时 代，由于人类对生物资源的过度利用、在建设中对环境的严重破坏以及对环境的 严重污染，造成全球生物多样性的严重损害。生物多样性的现状已引起很多国家 的高度重视，1 9 7 1 年联合国湿地公约在拉姆萨签署；1 9 8 0 年联合国有关成 员国又签署了南极海洋生物资源养护公约：1 9 9 2 年以来已有1 7 0 个国家签署 了生物多样性公约。美国生态学会于1 9 9 1 年发表了可持续的生物圈会议报 告，提出的三个优先研究的领域之一就是：生物多样性，决定生物多样性的生态 因子和生态学意义，全球性和区域性变化对生物多样性的影响l 刀。 近2 0 多年来，海洋生物多样性越来越受到了人们的关注。海洋浮游植物是 海洋中最重要的初级生产者，它在生态系统中的作用是巨大的，它能够改变海洋 碳通量【1 6 】，云反照率( c l o u da l b e d o ) 【1 7 】和海水光通量与热通量f 1 8 】，从而改变全球 气候，影响人类的生存。近年来的研究表明：海洋浮游植物群落在环境改变时可 以灵敏而迅速地反映环境的变化，而且不同的浮游植物的群落结构决定了其在生 态系统中的功能差异，所以研究浮游植物变化与全球变化是当今海洋生态学研究 的热点之一。浮游植物启动了海洋中的食物网，它利用光能摄取营养盐，把无机 碳转化为有机碳，并释放氧气，从而直接或间接地为海洋中其他生物提供赖以生 存的物质基础。浮游植物的种类及细胞丰度多少可以用来估计海洋渔业资源的丰 富程度。因浮游植物对海洋环境的适应能力不同，可以把它的种类和细胞丰度作 为了解海洋环境变化的重要指标之一【l 引。浮游植物在海洋生态系统的能量流动、 物质循环和信息传递中起着至关重要的作用。海洋生态系统中浮游植物物种的多 天津大学硕士学位论文 第一章回顾与评述 样性直接和生态系统以上的3 个功能相关，其中最为突出的是浮游植物的多样性 与海洋生态系统的稳定性有着密切的关系。 1 4 1 我国浮游植物多样性的研究现状 我国对于海洋浮游植物多样性的研究相对于北欧国家起步较晚，目前主要是 研究浮游植物群落结构特征：种类、丰度、生物量、种类丰度的时空分布、优势 藻种的分布、关键藻种的分布等；浮游植物物种的多样性；浮游植物与环境因子 的关系；赤潮藻种的特点；利用浮游植物的多样性评价水质等。 林金美【2 0 1 、邱武生【2 l 】、马建别2 2 1 、王兴春【2 3 】等对厦门附近海域、梅山岛海 域、莱州湾海域、三沙湾海域的浮游植物种类组成和丰度分布做过详细的调查； 林更铭口4 1 、蒲新明【2 5 】等分析了环境因子营养盐等对于浮游植物的生长的影响； 章守宇【2 6 1 、蔡文贵【2 7 1 、李开枝口8 1 、李广玉等分别对于浮游植物多样性与富营 养化化的关系、与种类的变化的关系、与丰度变化和与环境因子的关系进行了探 讨；张才学p o j 等经研究发现珠海地区凡纳滨对虾淡水养殖池浮游植物群落优势种 由绿藻门向蓝藻门耐污种更替；吕颂辉 3 1 - 3 2 】、齐雨藻f 3 3 】等对南海港湾的安铺港、 雷州湾、海陵湾浮游植物与赤潮生物研究发现脆根管藻、角毛藻、菱形海线藻和 奇异菱形藻具有发生赤潮的潜力，陆斗定f 3 4 - ”】经过对浙江近海浮游植物与赤潮生 物研究以及德国石荷西部沿岸水域浮游植物种群变动和整齐圆筛藻赤潮的研究 中发现夜光藻、整齐圆筛藻等赤潮生物是调查区浮游植物的重要优势种，张海波 【3 6 j 等对象山港水域浮游植物与赤潮生物种群动态研究发现赤潮生物存在着由硅 藻门向甲藻门向原生动物门的转变趋势。 渤海浮游植物群落结构的研究可以追述到2 0 世纪3 0 年代1 3 7 1 ，以后研究高峰 期是伴随着建国后的多次渤海阶段性综合调查展开的 3 8 - 4 2 。早期的工作以分类和 研究种的生态分布习性为主 3 7 - 4 0 】，其结果发现渤海的浮游植物以硅藻门为主，最 主要的为圆筛藻属( c o s c i n o di s c u s ) 和角毛藻属( c h a e t o c e r o s ) 。其后的工作以渤海 浮游植物种群动力学的研究为主 4 1 4 2 】，为渔业资源的利用提供依据，发现渤海浮 游植物的季节分布以春季和秋季两季丰度高峰为特征。由于近2 0 多年来的赤潮 频发，对于渤海的浮游植物研究转移到了对赤潮的研究f 4 3 j ，发现渤海的赤潮与渤 海富营养化有密切关系。最近的生态动力学研究中，初步发现渤海的浮游植物群 落较4 0 多年前发生了较大的改变1 ，是渤海生态系统对人为活动影响和全球气 候变化的响应。近1 0 年来，李清雪【4 5 】等对渤海湾近岸海域浮游植物生态特征进 行了较深入的研究；郝建华h 6 1 、霍文毅【4 7 】、李艳【4 8 1 等对胶州湾附近海域浮游植 物的生态调查研究比较详尽；李广楼、王俊等对莱州湾浮游植物群落的生态特征 进行了调查；孙军、刘东艳对胶州湾以及渤海很多海域的浮游植物生态特征进行 天津大学硕士学位论文 第一章回顾与评述 了较成熟的研究。 1 4 2 浮游植物多样性指数的研究 多样性指数又称差异性指数( d i s c r e p a n c yi n d e x ) ，指的是应用数理统计方法 求得表示生物群落和个体丰度的数值，以评价环境质量。在清洁的水体中，通常 生物种类极其多样，但由于竞争，各种生物又仅以有限的丰度存在，且相互制约 而维持着生态平衡。当水体受到污染后，不能适应的生物或者死亡淘汰，或者逃 离；能够适应的生物生存下来。由于竞争生物的减少，使生存下来的少数生物种 类的个体数大大增加。因此，清洁水域内生物种类多，每一种的个体丰度少；而 污染水域内生物种类少，每一种个体丰度多，这是建立种类多样性指数式的基础。 目前有很多种多样性指数：丰富度指数、均匀性指数、优势度指数等。究竟 哪一种指数更适合评价水质，日前尚未有统一的说法。g t s i r t s i s t 4 9 】和m k a r y d i s 采用t 检验的方法基于两个取样站位( 富营养水平和寡营养水平) 的实测数据作为 参考值评价2 2 种丰富度指数和均匀性指数，得至l j m c n a u g h t o n 优势度指数、h i l l 指数、k o t h e 指数、o d u m 指数和均匀性e 2 、e 3 指数对于识别富营养水平和寡营 养水平效果最好，另外采用这些指数对希腊爱琴海沿岸的r h o d e s 城市近岸的1 0 个站位的数据进行分析，得至l j k o t h e 指数、h i l l 指数、m a r g a l e 付旨数和g l e a s o n 指数 对于区分富营养水平、中营养水平和寡营养水平具有最好的敏感性。r o m a n d a n i l o v 5 0 】等采用七种多样性指数对瑞典中部湖进行水质的营养程度的评价，但 是这七种指数不能很好的区分水质的营养程度，但基于浮游植物p r e s e n c e a b s e n c e m a t r i c e s 采用相似性指数却能很有效的评价水质的营养水平。m k a r y d i s ”】等采用 1 2 种多样性指数对地中海东部海洋生态系统进行营养水平的描述，发现 m e n h i n i c k 指数、k o t h e 指数、物种均匀性指数、物种丰富度和个体总数对于区别 水质富营养水平、中营养水平和寡营养水平是有效的。g a b r i e l l et h i e b a u t l 5 2 等对 法国北部的大型植物群落从多样性指数、营养指数与化学因子相关分析中得到营 养指数和m c i n t o s h 指数对于预测水质是非常有效的。孙军1 5 3 】等对海洋浮游植物群 落分析中常用的多样性指数进行了比较研究，经分析得到对于一般情况浮游植物 群落多样性的研究中，物种丰富度、m a r g a l e 脂数、f i s h e r a 指数、s h a n n o n 指数、 s i m p s o n 相遇指数和p i e l o u 指数的综合使用是较合适的，但对m a r g a l e f 指数和 f i s h e r a 指数的结果要谨慎解释。 1 5 浮游植物评价水体营养水平的常用方法 利用藻类作为水质生物监测指标已有近百年历史，目前已有大量文献报道利 天津大学硕士学位论文 第一章回顾与评述 用浮游植物来评价海水的营养状况。我国从7 0 年代开始对各种水体环境质量进 行广泛的生物学调查与评价，采用的主要方法有多样性指数法、指示生物法、各 种生物指数法【5 4 】等。 1 5 1 多样性指数法 藻类的种类多样性指数主要依据藻类细胞丰度和种群结构的变化评价水体 的污染程度，用数值显示生物种和个体在群落中的关系，是种类和丰度分布的一 个函数，它是将测量中获得的数据，通过根据信息关系编排的方程式演算得到的 数值 5 5 - 5 t 】。其理论基础是在清洁水体中，生物种类多样，丰度较少；在污染水体 中，敏感种类消失，耐污种类大量繁殖，种类单纯，丰度很大。它一方面较系统 地显示生物群落的结构组成，另一方面又反映了生物群落与水污染的关系。通常 情况下，指数值越大，水质越洁净，即藻类的种类多样性指数越高，其群落结构 越复杂，稳定性越大，水质越好；而当水体受到污染时，敏感性种类大量消失， 多样性指数减小，群落结构趋于简单，稳定性变差，水质下降。 多样性指数法的优点在于确定物种，判断物种耐污性的要求不严格，因此较 为简便。比较常用的多样性指数有物种丰富度【5 3 】、b e r g e r - p a r k e r 指数【5 5 】、s i m p s o n 相遇指数【5 6 1 、倒数s i m p s o n 指数【5 3 】、s h a n n o n 指数( 以e 为底) 【4 9 1 、s h a n n o n 指数( 以 2 为底) 【5 卯、m c i n t o s h 指数 5 7 1 、p i e l o u 均匀性指数矧、n a u g h t o n 优势度【5 8 1 指数等。 1 5 2 指示生物法 藻类植物种类繁多，在水体中分布广泛，可以生存在不同类型的水体中。它 作为初级生产者，对水体营养状态的变化能迅速作出反应，因此被广泛用作水体 营养状态的指示生物。有的种类的营养生态位比较广，从寡营养到富营养条件下 均能生长，而有的种类则生态位较窄，只能在一定的营养条件下才能生长，即为 不同营养水平的指示种，因此可以用藻类群落特征来评价水体营养状态。 指示藻( i n d i c a t o ra l g a ) 是指对环境某些物质能产生各种反应信息的藻类，通 过这些藻类可以了解环境质量的现状和变化。藻类的生长潜力可以有效、准确地 反映水体中哪些营养元素含量不足，限制了藻类的生长；哪些营养元素过剩，导 致藻类生长过度。这种方法是对水域生物进行系统的调查、鉴定，根据指示种的 有无来评价水质的优劣。指示生物法具体包括优势种群法和污水生物系统法【5 9 】 等。 天津大学硕士学位论文第一章回顾与评述 1 5 3 藻类生物指数 生物指数( b i o l o g i c a li n d e x ) 是根据物种的特征和出现的情况，用简单的数字 表达水体的营养程度，报告简短明了。藻类的种类和丰度组成是水体质量的重要 指标，因此，许多人研究用藻类生物指数来评价水质。为了克服污水生物系统的 不足，2 0 世纪5 0 年代以来，许多学者研究应用简单的生物指数唧】( b i o l o g i c a li n d e x ) 的方法监测评价水质状况，取得良好的结果。8 0 年代开始，研究包括群落结构 与功能在内的生物完整性指数对水质进行整体性评价和监测，在北美得到广泛应 用【6 。藻类生物指数土要包括污水生物指数、硅藻商指数、硅藻生物指数和种类 数比值等。 1 5 4 藻类生物量和生物丰度 藻类作为物质代谢和能量循环的初级生产者，对维持水生生态系统的平衡起 着十分重要的作用，其生物量的多寡直接左右着水体生态系统中其它水生生物的 正常代谢。藻类的细胞丰度、生物量、叶绿素含量等，都是最基本的水质评价指 标，因为藻类生物量的多寡与水体的营养状况呈正相关性，其所反映的水体营养 状况和污染程度，有一定现实性、综合性、连续性和积累性，且不需要太复杂、 精密的分析仪器和设备。生物密度是单位体积或单位面积生物个体数，用直接计 数的方法，比较简单，可直接用于划分水体污染程度和营养状况【6 2 】。按国内有关 富营养化评价标准【6 3 侧：藻类丰度 3 0 0 个m l ，水质寡营养型；3 0 0 个m l 1 0 0 0 个m l ，水质富营养型； 藻类的生物量2 0 0 m g m 3 ，水质寡营养型，2 0 0m g m 3 6 0 0m g m 3 ，水质富营养型。 1 6 本文的主要工作 随着沿海经济的快速发展，大量生产废水、生活污水以及养殖业废水进入渤 海湾，造成渤海湾水体富营养化现象日趋严重，赤潮频发。本文以渤海湾海域为 研究对象，研究渤海湾的生态环境及生态变迁，海湾富营养化评价方法及富营养 化水平。主要包括以下几个部分： ( 1 ) 对渤海湾天津海域进行连续三年g 个航次的浮游植物实测调查研究。 ( 2 ) 研究渤海湾的浮游植物种类、数量及时空分布特征，分析渤海湾的优势 藻种及其变化趋势。 (