浮游植物是海洋生态系统中最重要的初级生产者，在海洋生态系统的物质循环和能量流动过程中发挥着重要作用。我国是世界贝类养殖第一大国，牡蛎、贻贝、扇贝、蛤仔等滤食性贝类是海水贝类养殖的主要种类，作为滤食性贝类主要的食物来源，浮游植物的群落结构和多样性研究对于滤食性贝类养殖业的健康可持续发展具有重要的指导意义。

桑沟湾位于山东省荣成市，水域面积约为144 km²，平均水深约为7.5 m，是我国北方典型的规模化养殖海湾(Fang et al, 2016)，主要养殖对象为长牡蛎(Crassostrea gigas)、栉孔扇贝(Chlamys farreri)及海带(Saccharina japonica)等。自20世纪80年代发展至今，桑沟湾形成了规模化的多营养层次综合养殖模式：由湾内到湾外依次为贝类养殖区、贝类海带综合养殖区、海带养殖区，并且海带养殖区已经扩展到了湾口外的大片区域(郝林华等, 2012)。近些年来，对桑沟湾浮游植物的种类组成、数量分布、季节变化、多样性特征、光合色素特征等进行了研究(毛兴华等, 1988; 刘慧等, 2003; 宋洪军等, 2007; 李超伦等, 2010; 王晓敏, 2017)，但规模化养殖水域的生态环境条件随不同年份养殖活动的强弱变化响应不同，阶段性开展养殖区的浮游植物结构组成研究对于持续掌握养殖水域饵料基础条件的变化趋势非常必要。因此，本研究于2017年4月~2018年1月，对桑沟湾水域进行4个航次的大面调查，结合历史数据，分析了浮游植物群落结构和环境因子基础数据的时空变化特征、潜在成因及长期变化趋势，研究结果可为深入认识桑沟湾规模化海水养殖活动的资源环境效应提供数据支撑。

1 材料与方法 1.1 样品采集和处理方法

于2017年4月(春季)、7月(夏季)、11月(秋季)及2018年1月(冬季)在桑沟湾(122.48°~122.64°E, 37.04°~ 37.15°N)进行4个季度的大面调查，共设置21个站位(图 1)，覆盖桑沟湾贝类养殖区、海带养殖区和贝藻综合养殖区。其中，站点1、2+、4+为外海区，站点2、3、4为海带区，站点5、6、7、10、11、12为贝藻综合养殖区，站点8、9、14、15、16、18、19为贝类区养殖，站点13为沿岸区。对各站点进行浮游植物群落调查并开展水质指标检测调查，水质理化指标包括水温(T)、pH、盐度(S)、溶解氧(DO)、透明度(SD)、NH₄⁺-N、NO₃^–-N、NO₂^–-N和PO₄^3–-P等。

温度、pH、盐度和溶解氧使用经标定后的便携式水质分析仪(美国YSI公司，Professional Plus)现场测定，SD采用透明度盘现场测定。使用Niskin采水器采集距表层0.2 m处水样，2.5 L用于浮游植物的鉴定和计数，使用5%的甲醛溶液固定保存，运回实验室后观察。同时，另取2.5 L水样用于营养盐测定，测定方法按照《海洋调查规范》(GB12763-2007)中的要求进行：经0.45 μm醋酸纤维滤膜过滤后，分别采用次溴酸钠氧化法、锌镉还原法、重氮偶氮法和磷钼蓝法测定NH₄⁺-N、NO₃^–-N、NO₂^–-N和PO₄^3–-P。

1.2 数据处理与分析

群落优势种选用McNaughton优势度指数(Y) (Y>0.02为优势种)，物种多样性指数采用Shannon- Wiener多样性指数(H')，物种均匀度指数采用Pielou指数(J)，计算公式分别为：

$ Y = \frac{{{n_i}}}{N}{f_i} $

(1)

$ J = \frac{{H'}}{{{\rm{lo}}{{\rm{g}}_2}S}} $

(2)

$ H' = - \sum\limits_{i = 1}^S {Pi{\rm{lo}}{{\rm{g}}_2}} Pi $

(3)

式中，Y为优势度，n_i为第i个种的丰度，N为样品的总丰度，f_i为该种的站位出现频率。H'为生物多样性指数，S为样品中的种类总数，P_i为第i种的个体数与总个体数的比值。

数据处理采用Excel 2016，站位图绘制采用Surfer 12.0软件，数据统计分析采用SPSS 19.0软件，进行Pearson相关性分析。

2 结果与分析 2.1 表层海水主要理化环境参数时空变化特征

桑沟湾水域主要水质参数见表 1。表层水温的年变化范围为9.14℃~22.40℃，其中，冬季温度较低。溶解氧的年平均值为8.80 mg/L，冬季溶解氧含量较高；pH的年变化范围为7.84~8.16，春季pH较低。盐度的年平均变化范围为31.8~32.7，季节变化不大。透明度的年平均变化范围为0.88~2.90 m，其中，夏季透明度较高，春季较低。

2.2 表层海水浮游植物群落结构时空变化特征 2.2.1 浮游植物的种类组成

本研究鉴定的浮游植物属于硅藻(Diatom)、蓝藻(Cyanophyta)、绿藻(Chlorophyta)、甲藻(Dinoflagellate)、金藻(Chrysophyta)等5个门类，共计31属5种。硅藻24属43种，其中，圆筛藻属(Coscinodiscus)和角毛藻属(Chaetoceros)种类最多，各为6种。甲藻3属4种，绿藻2属2种，金藻2种，蓝藻1种。种类多属温带近岸广布种，但种类组成上存在季节性演替。

如表 2所示，桑沟湾浮游植物优势种明显，优势种在各个季节中既有交叉又有演替，从每个季节来看，通常有2~4种优势种，且皆为硅藻类，从全年来看，优势种占据了全部浮游植物69.3%~89.5%的数量。其中，具槽帕拉藻在4个季节中均为优势种，平均密度在0.24×10³~3.89×10³个/L之间，各站位数量百分比在18.6%~84.9%之间，特别是春季，具槽帕拉藻占据绝对优势。夏季，角毛藻属优势种较多，数量百分比达到35.8%。另外，奇异菱形藻(Nitzschia paradoxa)、小环藻(Cyclotella sp.)在秋季和冬季均为优势种。

桑沟湾出现的甲藻为大角角藻(Ceratium macroceros)、三角角藻(C. tripos)、夜光藻(Noctiluca scintillans)、透明原多甲藻(Protoperidinium)，各季节平均浓度在0~0.02×10³个/L之间；金藻为球等边金藻(Isochrysis galbana)、小等刺硅鞭藻(Dictyocha fibula)，各站季节平均浓度在0~0.13×10³个/L之间；绿藻为单角盘星藻(Pediastrum simplex)、二形栅藻(Scenedesmus dimorphus)，各季节平均浓度在0~ 0.13×10³个/L之间; 蓝藻为卷曲鱼腥藻(Anabaena circinalis)，各季节平均浓度在0~0.48×10³个/L之间。与往年的优势种相比，中肋骨条藻(Skeletonema costatum)、针杆藻(Synedra sp.)、丹麦细柱藻(Leptocylindrus danicus)等往年出现的优势种在本年度只是少量出现，而具槽帕拉藻、角毛藻、菱形藻、圆筛藻则是常年出现的优势种。

2.2.2 浮游植物的丰度分布

如图 2所示，春季浮游植物细胞丰度在0.28×10³~10.48×10³个/L之间，平均值为4.44×10³个/L，共发现22种藻类，其中，硅藻占99.7%，甲藻占0.3%，具槽帕拉藻为主要优势种，占84.9%的数量。春季的浮游植物高值区出现在湾内东南区，丰度以该区域为中心向湾内及湾外递减。

夏季浮游植物细胞在0.16×10³~6.60×10³个/L之间，平均值为1.70×10³个/L，共发现20种藻类，其中，硅藻占99.8%，蓝藻占0.2%，旋链角毛藻(Chaetoceros curvisetus)是主要优势种，占38.5%的数量。夏季出现2个浮游植物高值区，其中一个与春季位置相似，出现在湾内东南区，另一个出现在湾西北区，丰度从这2个区域向湾中部和湾外递减。

秋季浮游植物细胞丰度在1.5×10³~9.8×10³个/L之间，平均值为3.87×10³个/L，共发现29种藻类，硅藻占96.9%，蓝藻占2.7%，具槽帕拉藻为主要优势种，占41.9%的数量。秋季丰度高值区在湾外外海区，丰度自冬向西逐渐递减。

冬季浮游植物细胞丰度在2.8×10³~12.2×10³个/L之间，平均值为6.69×10³个/L，共发现29种藻类，其中，硅藻占89.0%，蓝藻占7.1%，绿藻占3.7%，具槽帕拉藻为主要优势种，占58.1%的数量，除去具槽帕拉藻的浮游植物丰度在0.7×10³~6.4×10³个/L之间。冬季丰度高值区出现在湾外东北侧外海区，丰度向湾内逐渐递减。

2.2.3 浮游植物的物种多样性

桑沟湾水域年平均浮游植物多样性指数为1.01。如图 3所示，春季多样性指数在0.29~1.55之间，平均值为0.69，自西北向东南方向递减；夏季多样性指数在0.35~1.48之间，平均值为1.03，自西向东递减；秋季多样性指数在0.89~1.90之间，平均值为1.35，自西南向东北递减；冬季多样性指数在0.47~1.53之间，平均值为0.96，自西南向东北递减。

均匀度指数在0~1之间时，J值大，体现种间个体数分布较均匀，J值小则反映种间个体数分布欠均匀。如果采样点种间个体数分布的差别大，则J值偏低。桑沟湾海域浮游植物的年平均均匀度指数为0.59。如图 4所示，春季均匀度指数在0.19~0.68之间，平均值为0.42，自西北向东南递减；夏季均匀度指数在0.44~1.00之间，平均值为0.70，自西向东递减；秋季均匀度指数在0.41~0.87之间，平均值为0.71，自湾西部、南部向东部、北部递减；冬季均匀度指数在0.27~0.86之间，平均值为0.53，自西南向东北递减。

2.3 浮游植物群落与环境因子相关性

由表 3可以看出，各个季节影响浮游植物丰度的因素不同，春季浮游植物丰度与水温、盐度、pH等呈现较强负相关。夏季与溶解氧呈负相关，与磷酸盐呈较强正相关，秋季未表现出与某一因子有较强相关性，而冬季则与亚硝态氮呈较强负相关。同时发现，各个季节浮游植物丰度与氨氮都呈现负相关，除秋季外，浮游植物与磷酸盐皆呈正相关，其中夏季有很强的相关性(P < 0.01)。并且，除夏季外，浮游植物群落丰度都与透明度呈负相关。

3 讨论 3.1 海区营养盐结构及年际变化特点

水体中，营养盐的浓度和结构影响着浮游植物的群落结构。浮游植物的氮限制浓度为1 μmol/L，磷限制浓度为0.2 μmol/L(Dortch et al, 1992)，此外，常用氮磷比来判断浮游植物的营养限制因子，氮磷原子比为16∶1，即与微藻细胞氮磷比一致时，微藻能均衡生长(Redfield et al, 1963)，当比值显著小于16∶1时，氮为限制因子，反之磷为限制因子。

通过对桑沟湾历年氮磷浓度和结构长期观测(表 4)，可以发现，历年无机氮浓度春季较低，秋季最高。除个别季节外，桑沟湾氮磷比均>16，无机氮浓度均高于氮限制浓度，而较多季节磷酸盐浓度低于或接近磷限制浓度。本次调查也符合近年来氮磷变化特点，2017~2018年各站位无机氮在3.30~20.36 μmol/L之间，浓度均高于限制浓度，而无机磷浓度在0.01~0.97 μmol/L之间，全年平均值为0.25 μmol/L，有较多区域浓度接近限制浓度。各季节氮磷比平均值在19.66~87.34之间，除春季极个别站位外，比值均>16。相关性分析(表 3)显示，各个季节浮游植物丰度与氨氮都呈负相关，除秋季外，浮游植物与磷酸盐皆呈正相关。可以看出，磷酸盐是桑沟湾浮游植物生长的主要限制营养盐，这也符合黄海初级生产力在一定程度上受到磷限制这一现象(金杰, 2014)。

桑沟湾的海带养殖对营养盐，尤其是无机氮，有着重要的影响。春季水温回升，光照增强，海带进入快速生长期，海带有较快的无机氮吸收能力(毛玉泽等, 2018)，能够在春季大量吸收无机氮(武晋宣, 2005)。秋季海带已完全收获，海水中无机氮受到的移除作用大大降低，进而导致秋季无机氮浓度最大，并且由于外海营养盐补充是桑沟湾内无机氮营养盐的主要来源，桑沟湾全年通过与黄海的水交换获得的无机氮占营养盐总收入量的33.6%，在整个海带生长期，外海对桑沟湾无机氮的补充更是占全年外海补充的87.2%(史洁等, 2010)，持续的无机氮输入使得其浓度始终高于限制浓度。

3.2 浮游植物群落结构的年度变化特点与潜在成因

通常来说，群落中的一种或几种种类优势越明显，则群落结构越简单，物种多样性越低，群落稳定性也越低。历史资料显示，桑沟湾浮游植物群落物种数具有明显变化(表 5)，从20世纪80年代至今，桑沟湾海区浮游植物的物种数、多样性指数都有较明显的递减趋势，与1983~1984年相比，浮游植物物种数下降了约71.8%。

桑沟湾多年来开展的大规模海水养殖活动是导致出现这一现象的原因之一。自20世纪80年代发展至今，养殖面积已占水域面积的70%~80%(傅明珠等, 2013)，主要养殖物种海带、长牡蛎和栉孔扇贝的年产量分别为84500、60000和15000 t (Jiang et al, 2015)，桑沟湾养殖生态系统受到中等程度的压力，其中，较高的养殖密度、较大的养殖面积是重要影响因素(傅明珠等, 2013)。

在滤食性贝类区，浮游植物的群落结构受滤食性贝类摄食作用的下行控制效应和营养盐等因素的上行控制效应影响。一方面，滤食性贝类有着很强的滤水能力，局部高密度养殖的滤食性贝类的摄食作用会对浮游植物的数量造成压制，本研究发现，浮游植物丰度均值的最高值出现在滤食性贝类摄食能力低的冬季；除夏季外，浮游植物丰度的高值区均出现在非贝类养殖区，这些现象都印证了以上观点。另一方面，贝类的代谢产物带来的营养物质又会促进浮游植物的生长(Asmus et al, 1991; 王俊等, 2001; 董双林等, 1999)，刺激初级生产。董双林等(1999)指出，放养适量的滤食性贝类以维持一定的浮游植物数量对保持养殖水体的良好水质是必要的，并且初级生产力的升与降取决于放养的密度和环境因子。已有研究表明，目前，桑沟湾牡蛎养殖区的养殖密度已超过生态容量(Gao et al, 2020)，加之桑沟湾的养殖规划尚存在不合理的情况，局部区域养殖密度过高，超出养殖容量的现象仍然存在。在这样规模化、超容量养殖条件下，滤食性贝类摄食作用的下行控制效应占主导地位，使得浮游植物群落结构难以尽快恢复。由此开展养殖容量的研究，控制合理的养殖密度，是防止此类现象发生的有效途径。

浮游植物现存量是滤食性贝类养殖容量评估的重要参数之一。目前，对于浮游植物种类、营养盐等水环境信息的获取手段主要依赖于大面航次调查、传统显微镜分类等，数据的同步性、客观性和精确性存在局限，随着科技手段的不断进步，开展基于藻细胞形态的浮游植物显微图像自动识别、荧光光谱识别等技术的实时、连续、多站位同步观测将是下一步的重点工作方向。