2. 中国水产科学研究院黄海水产研究所 农业农村部海洋渔业资源可持续发展重点实验室 山东省渔业资源与生态环境重点实验室 青岛 266071;
3. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋生态与环境科学功能实验室 青岛 266071;
4. 青岛市渔业技术推广站 青岛 266071
2. Key Laboratory of Sustainable Development of Marine Fisheries, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Shandong Provincial Key Laboratory for Fishery Resources and Eco-Environment, Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Qingdao 266071;
3. Laboratory of Marine Ecology and Environmental Science, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao), Qingdao 266003;
4. Qingdao Fisheries Technology Extension Station, Qingdao 266071
海水中的营养盐是构成海洋生态系统的重要组成部分，其含量的分布规律具有显著的时间性和空间性，通过分析其分布规律可以直接了解海区内水文条件和生物的生命活动规律(蒋红等, 2005;徐东会等, 2017)。近年来，因为人类活动范围的不断扩大，对海洋环境的影响也越来越大。受到人类活动的影响，河流和大气输入到海洋中的营养盐不断增多，导致营养盐比例失衡，从而导致近岸水体富营养化进程加快，进而会改变近岸海域的海洋生态系统(Turner et al, 1994; Turner, 2002)。因此，掌握海水中营养盐的含量和分布规律，对于生态保护和控制海洋初级生产能力方面起着重要的作用。
水产种质资源保护区是指为保护水产种质资源及其生存环境，在保护物种的主要生长繁殖区域如产卵场、索饵场等依法划定并予以特殊保护和管理的水域、滩涂及其毗邻的岛礁、陆域。对水产种质资源保护区进行调查可以及时掌握该海域的水质状况，有利于实现濒危物种的保护以及该区域的可持续发展。目前，已对一些保护区进行了调查报道，如夏斌等(2010)和崔毅等(2013)对山东省文登市靖海湾松江鲈鱼(Trachidermus fasciatus)国家级水产种质资源保护区进行了评价；夏斌等(2014)和赵建华等(2015)对山东省日照市海州湾大竹蛏(Solen grandis)资源保护区进行了评价，但关于青岛市文昌鱼水生野生动物市级自然保护区的监测及评价还没有报道。文昌鱼(Branchiostoma belcheri)是国家二级保护水生野生动物，属脊索动物门，由无脊椎动物进化到脊椎动物的过渡型动物，因其对栖息环境的要求比较高，所以栖息地相对狭小。为了更好地保护和恢复生物多样性，青岛市建立了青岛市文昌鱼水生野生动物市级自然保护区。
本研究于2017年9月和11月对青岛市文昌鱼水生野生动物市级自然保护区的水质状况进行了调查监测，分析了DIN和PO4-P的季节变化情况，掌握了文昌鱼保护区的海水营养状况，并进行了富营养化评价，相关数据将为该海域生物多样性保护和恢复提供重要参考。
1 材料与方法 1.1 研究区域青岛市文昌鱼水生野生动物市级自然保护区于2004年建立，位于胶州湾口外海域，临近青岛市城区和港口，是胶州湾主要的航道和锚地。海域内范围由(1)120°20'15"E，35°57'00"N；(2)120°20'15"E，36°01'00"N；(3)120°25'49"E，36°01'00"N；(4)120°25'49"E，35°57'00"N 4点连线范围以内的海域，总面积61.81 km2。根据自然环境和文昌鱼资源状况，保护区划分为核心区、缓冲区和实验区。其中，核心区实行封闭保护，禁止一切可能对保护区造成破坏的活动；缓冲区可进行科学研究观测活动，禁止开展旅游和渔业养殖活动；实验区可从事科学研究、旅游垂钓等活动，禁止建设污染环境的设施。同时该海域砂体以长石石英为主的沙、砾沉积，有利于文昌鱼的生长(马明辉等, 2005;杨建威, 2008)。
1.2 采样站位与时间调查海域为青岛市文昌鱼水生野生动物市级自然保护区所处海域(120°21'~120°25'E，35°57.5'~ 36°00.5'N)，布设9个调查站位(图 1)来采集水样。采集时间为2017年9月(夏季)和11月(秋季)，调查船只为中国水产科学研究院黄海水产研究所“黄海星”号调查船，用Niskin采水器采集水样，采样的层次为表、底层。样品的采集和现场处理及分析方法均参照《海洋监测规范》(GB 17378-2007)执行。
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图 1 调查站位 Fig.1 Sampling stations in the Lancelet Reserve Area |
样品的检测项目包括温度、盐度、亚硝酸盐(NO2-N)、硝酸盐(NO3-N)、氨氮(NH4-N)和磷酸盐(PO4-P)。采用美国YSI556型多参数水质监测仪测定海水表层的温度、盐度等环境参数。NO2-N采用萘乙二胺分光光度法测定，NO3-N采用镉柱还原法测定，NH4-N采用次溴酸盐氧化法测定，PO4-P采用磷钼蓝分光光度法测定；无机氮(DIN)的含量为NO2-N、NO3-N和NH4-N三者之和。
1.4 富营养化评价方法根据郭卫东等(1998)提出的潜在性富营养化评价模式对青岛市文昌鱼水生野生动物市级自然保护区夏、秋2个季节富营养化水平进行评价，营养级的划分见表 1。
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表 1 潜在性富营养化评价标准 Tab.1 The evaluation standards for potential eutrophication |
保护区在夏季表层海水温度范围为25.72℃~ 26.95℃，平均海水温度为26.20℃，其中核心区表层海水温度范围为25.84℃~26.00℃，平均表层海水温度为25.92℃，缓冲区表层海水温度范围为26.01℃~ 26.95℃，平均表层海水温度为26.61℃，实验区表层海水温度范围为25.72℃~26.57℃，平均表层海水温度为26.15℃；秋季保护区表层海水温度范围为16.34℃~16.41℃，平均表层海水温度为16.38℃。其中，核心区表层海水温度范围为16.35℃~16.41℃，平均表层海水温度为16.37℃，缓冲区表层海水温度范围为16.37℃~16.40℃，平均表层海水温度为16.39℃，实验区表层海水温度范围为16.34℃~16.39℃，平均表层海水温度为16.37℃。在对保护区海域的调查期间，其海域表层海水温度介于16.34℃~26.95℃之间，由于保护区海域水深较浅，其海水温度易受气温和光照等外界环境因素的影响。文昌鱼的生长发育与海水温度有关，且其胚胎在18℃以上才能正常发育，因此，通过对海水温度的调查分析发现，该海域适宜文昌鱼的生长发育(吴贤汉等, 1998)。
2.2 盐度保护区在夏季调查海域表层盐度范围为31.89~ 31.96，平均表层盐度值为31.93，其中核心区表层盐度范围为31.89~31.96，平均表层盐度为31.93，缓冲区表层盐度范围为31.91~31.96，平均表层盐度为31.94，实验区表层盐度均为31.90，平均表层盐度为31.90；秋季保护区表层盐度范围为32.22~32.29，平均表层盐度值为32.26。其中，核心区表层盐度范围为32.25~32.26，平均表层盐度为32.25，缓冲区表层盐度范围为32.22~32.29，平均表层盐度为32.26，实验区表层盐度范围为32.25~32.28，平均表层盐度为32.27。在对保护区海域的调查期间，其海域表层盐度介于31.89~32.28，盐度最高值出现在11月，最低值则出现在6月。保护区海域盐度的总体表现为秋季高于夏季，出现这个情况的原因主要是，夏季降水高于秋季，所以该海域易受降雨的影响。研究证明，青岛文昌鱼正常胚胎发育的盐度范围为21~33，因此，该海域符合青岛文昌鱼胚胎正常发育的盐度范围(吴贤汉等, 1998)。
2.3 营养盐的季节变化保护区海域夏季NO2-N、NO3-N、NH4-N和PO4-P的表底层平均浓度分别为11.97、39.71、15.52和9.12；秋季NO2-N、NO3-N、NH4-N和PO4-P的表底层平均浓度分别为6.06、44.71、10.80和19.15。由表 2可以看出，保护区海域夏季NO2-N和NH4-N平均含量高于秋季，分别是秋季的1.98倍和1.44倍，而NO3-N和PO4-P平均含量低于秋季，分别是秋季的88.8%和47.6%。通过对保护区的调查发现，NO3-N为DIN的主要存在形式，夏季和秋季表层分别占DIN的58.0%和74.4%、底层分别占60.0%和70.8%；NO2-N夏季和秋季表层分别占DIN的18.4%和9.6%，底层分别占17.3%和10.1%；NH4-N夏季和秋季表层分别占DIN的23.6%和16.0%，底层分别占22.7%和19.1%。从季节性变化来看，DIN含量为夏季 > 秋季，PO4-P含量为秋季 > 夏季。有研究表明，在近海海区DIN和PO4-P含量夏、秋季含量高于春、冬季(孙丕喜等, 2007;李欣钰等, 2016)，这主要是因为青岛地区夏季降水多，大量的降水使得陆源营养盐进入胶州湾，这对海水中无机盐含量的影响很大。通过本调查也可以看出，DIN含量夏季 > 秋季，但整体相差不大；而PO4-P含量秋季 > 夏季，与李欣钰等(2016)2013年对胶州湾的调查结果大致相同。
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表 2 青岛文昌鱼自然保护区营养盐平均浓度 Tab.2 The average contents of nutrients in Qingdao Lancelet Reserve Area (μg/L) |
与海水水质标准相比可以看出，保护区夏季(9月)DIN优于海水一类标准值(200 μg /L)；PO4-P优于海水一类标准值(15 μg/L)。其中，表层有1个测站PO4-P含量超过海水一类标准值，底层有2个测站PO4-P含量超过海水一类标准值，超标率分别为11.1%、22.2%。秋季(11月)DIN优于海水一类标准值(200 μg/L)；PO4-P劣于海水一类标准值(15 μg/L)。其中，表层有7个测站PO4-P含量超过海水一类标准值，底层有7个测站PO4-P含量超过海水一类标准值，超标率均为77.8%。通过以上数据可以看出，保护区海域整体营养盐浓度远远低于同季节桑沟湾和海州湾等海湾(谢冕, 2013;徐东会等, 2017)，水质符合国家一类或二类的海水水质标准，这可能是由于保护区禁止开展旅游和生产经营活动，所以该海域的海洋环境及生态系统受人为影响较小，有利于更好地保护文昌鱼资源及其所在的自然生态环境，从而维护该海域的生物多样性。
2.4 区域分布特征由图 2可以看出，保护区夏季表、底层海水的DIN浓度分布趋势大致呈核心区＞实验区＞缓冲区的趋势，表层DIN在核心区高于缓冲区和实验区，底层DIN则是核心区与实验区相近，高于缓冲区；秋季表、底层海水的DIN浓度分布均呈缓冲区＞实验区＞核心区，表、底层DIN均为缓冲区高于实验区和核心区。由图 2可以看出，各个区域DIN含量在同一季节没有明显差距，这可能是因为保护区面积较小，从而使得该海域DIN含量分布较为均匀。
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图 2 青岛文昌鱼水生野生动物市级自然保护区不同区域的DIN浓度 Fig.2 Regional distributions of DIN in Qingdao Lancelet Reserve Area A：表层；B：底层 A: Surface; B: Bottom |
从不同季节来看，所有调查海域表、底层海水PO4-P含量均为秋季明显高于夏季(图 3)。保护区夏季表层PO4-P含量在核心区高于实验区和缓冲区。但是，缓冲区和实验区相差不大，底层PO4-P含量则在实验区高于缓冲区和核心区，而缓冲区和核心区相差不大；秋季表层PO4-P含量实验区＞缓冲区＞核心区，但各个区之间相差不大，底层PO4-P含量则在核心区明显高于缓冲区和实验区，而缓冲区和实验区相差不大。通过图 3可以看出，各区域PO4-P含量在同一季节变化不大，这可能是因为保护区面积较小，从而使得该海域各功能区PO4-P含量分布较为平均；而各功能区不同季节PO4-P含量差别较大，这主要是因为该时期降水相对较多，使大量城市污水和工业废水进入胶州湾，从而影响该海域的PO4-P含量(孙晓霞等, 2011)。
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图 3 青岛文昌鱼水生野生动物市级自然保护区不同区域的PO4-P浓度 Fig.3 Regional distributions of PO4-P in Qingdao Lancelet Reserve Area A：表层；B：底层 A: Surface; B: Bottom |
浮游植物通常以16:1的N/P比值(原子比)摄取海水中的氮和磷，当N/P比值大于16:1时，表明水体为磷限制，当N/P比值小于16:1时，表明水体为氮限制，过高或过低于这个比值，均会引起浮游植物生长受限，这个比值称为Redfield比值(Redfield, 1963)。而Justić等(1995)提出，如果N/P > 22，则PO4-P为限制性元素；如果N/P < 10，则N为限制元素。根据本次调查对保护区的统计分析(图 4)，保护区在夏季表、底层的N/P比值与Redfield比值接近，分别为16.6和16.1，明显高于秋季的7.26和6.98。徐东会等(2017)对桑沟湾养殖海域营养盐的调查可以看出，桑沟湾养殖海域夏季N/P比值为28.27，高于Redfield比值且大于22，所以，PO4-P相对缺乏而成为限制性元素，而秋季N/P比值为16.44，与Redfield比值基本一致。这与本研究对青岛文昌鱼水生野生动物市级自然保护区的调查结果不同，保护区夏季N/P比值接近Redfield比值，有利于浮游植物生长，从而有利于青岛文昌鱼的繁育；而秋季N/P比值小于10且远离Redfield比值，其浮游植物的种类和数量就会受到影响，DIN可能成为保护区海域浮游植物生长的限制因子，从而对青岛文昌鱼的生长带来不利的影响(曲克明等, 2000)。
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图 4 青岛文昌鱼水生野生动物市级自然保护区调查海区夏季和秋季的氮磷比 Fig.4 The N/P value of the investigation areas in Qingdao Lancelet Reserve Area in summer and autumn |
从不同分区来看(表 3)，在不同季节、不同水层，保护区的N/P比值差异较大(5.12~20.30)，同一时期，不同的功能区，表、底层的海水N/P比值也有一定的差异。夏季，各功能区表层海水的N/P比值为缓冲区＞实验区＞核心区，缓冲区和实验区表层海水的N/P比值较高，均超过Redfield比值，而核心区则较低，为14.18；底层海水的N/P比值为核心区 > 缓冲区 > 实验区，核心区的N/P比值为20.30，明显高于缓冲区和实验区，是Redfield比值的1.3倍。秋季，各功能区表层海水的N/P比值相差不大，均明显低于Redfield比值，为缓冲区 > 核心区 > 实验区；而底层海水与表层海水的N/P比值相似，也均低于Redfield比值，为缓冲区＞实验区＞核心区。通过分析可以看出，秋季各个功能区的N/P均小于10，所以，秋季各功能区DIN可能成为浮游植物生长的限制因子。
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表 3 青岛文昌鱼水生野生动物市级自然保护区不同调查海区夏季和秋季营养盐氮磷比 Tab.3 The N/P value of different investigation areas in Qingdao Lancelet Reserve Area |
营养物质进入水体的多少决定了海洋中的营养状况，如果进入水体的营养盐大于消耗的量，就会导致海水营养过剩(隋琪等, 2016)。根据富营养化评价方法的划分标准，对保护区海域2017年夏季和秋季进行富营养化评价。结果显示，2017年保护区海域夏季和秋季营养水平较低，均属于贫营养水平(表 4)。夏斌等(2014)对海州湾大竹蛏资源保护区的海水质量评价得出，2008年海州湾调查海域营养水平属磷限制潜在性富营养，而2012年属贫营养；滕瑶等(2018)对靖海湾松江鲈鱼种质资源保护区的生态质量评价得出，2014年靖海湾保护区属富营养状态，而2015年和2016年均属氮限制潜在性富营养状态。与以上保护区相比可以看出，青岛文昌鱼保护区海域营养水平较低，水质较好，主要是与该海域设立自然保护区有关，由于文昌鱼对生活条件要求较为苛刻，所以通过设立文昌鱼水生野生动物市级自然保护区，可以更好地保护该海域的水质，为文昌鱼提供更好的生活栖息地。
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表 4 青岛文昌鱼水生野生动物市级自然保护区夏季和秋季营养类型评价 Tab.4 Nutrition type assessment in Qingdao Lancelet Reserve Area |
青岛市文昌鱼水生野生动物市级自然保护区海域2017年DIN平均含量夏季高于秋季，NO2-N和NH4-N平均含量分别是秋季的1.98倍和1.44倍，而NO3-N和PO4-P平均含量低于秋季，分别是秋季的88.8%和47.6%。与海水水质标准相比较，夏季(9月)DIN总体水平优于海水一类标准值；PO4-P总体水平优于海水一类标准值；秋季(11月)DIN总体水平优于海水一类标准值；PO4-P总体水平劣于海水一类标准值。
从区域分布来看，保护区夏季表、底层海水的DIN浓度分布趋势大致呈核心区＞实验区＞缓冲区的趋势；秋季表、底层海水的DIN浓度分布呈缓冲区＞实验区＞核心区。夏季表层海水的PO4-P含量核心区＞实验区＞缓冲区，底层含量实验区＞缓冲区＞核心区。秋季表层海水的PO4-P含量实验区＞缓冲区＞核心区，底层含量核心区＞缓冲区＞实验区。
保护区夏季营养盐结构总体水平比Redfield比值略高，而秋季N/P比值低于Redfield比值，秋季DIN可能成为保护区海域浮游植物生长的限制因子。运用潜在性富营养化评价模式分析表明，2017年夏季和秋季青岛市文昌鱼水生野生动物市级自然保护区海域营养水平较低，均属于贫营养水平。
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