南沙地區(qū)礁坪理化環(huán)境特征及生物多樣性分析

南沙地區(qū)礁坪理化環(huán)境特征及生物多樣性分析

在表面上擁有非常貧瘠的海水營(yíng)養(yǎng)鹽的熱帶海域，該海域擁有豐富的生物資源，生產(chǎn)力很高。它被稱為海洋的“綠洲”。其特殊的生態(tài)環(huán)境是研究珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)。位于南沙群島的中業(yè)群島西南的渚碧礁是進(jìn)行科學(xué)研究較理想的一個(gè)珊瑚礁。渚碧礁是一個(gè)近似梨形的封閉型環(huán)礁,NE-SW向。環(huán)礁面積約16.1km2,中間潟湖寬闊,水深大部分為10-22m,最大深度24m,平均深度11.5m。潟湖呈盆狀,湖底高低起伏,湖內(nèi)有一些突起的點(diǎn)礁。潟湖長(zhǎng)軸約3.25km,短軸約2.17km,面積約7.05km2。渚碧礁礁坪前沿呈不規(guī)則鋸齒狀。礁坪寬500-600m,東面較窄,為300-400m,西南面最寬,達(dá)1000多米。近十幾年來,中國(guó)科學(xué)院南沙綜合科學(xué)考察隊(duì)陸續(xù)在該礁進(jìn)行了水文、物理、化學(xué)、生物、地質(zhì)等多學(xué)科的考察,積累了一大批科學(xué)資料,尤其是在1999年4月,南沙群島珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能研究專題組人員登上了渚碧礁,進(jìn)行了為期9d的樣品采集與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),首次進(jìn)行了一些理化因子和生物的晝夜連續(xù)觀測(cè)。在渚碧礁潟湖進(jìn)行的水樣采集使用南森顛倒采水器,海水溫度和鹽度用SD-202CTD儀測(cè)定,其它海水化學(xué)要素按中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析,即溶解氧(DO)用碘量滴定法;pH用pH計(jì)電測(cè)法;總堿度(Alk)用pH測(cè)定法,使用pHS-3C型數(shù)字pH計(jì)測(cè)定;PCVP用磷鉬蘭法,NO2-N用重氮-偶氮法,NO3-N用鋅-鎘還原法,NH3-N用次溴酸鈉氧化法,使用722S型分光光度計(jì)測(cè)定。圖1為1994年4月調(diào)查站位圖。本文就南沙群島渚碧礁理化環(huán)境特征作一初步分析。1溫度和鹽1.1表層海水溫度、鹽度表1為1993年5月、1994年3月和1999年4月渚碧礁潟湖、礁坪和礁外表層海水溫度(T)、鹽度(S)的平均值。可見,珊瑚礁海區(qū)的T、S較外海區(qū)稍高,而礁坪區(qū)最高,主要原因是環(huán)礁海區(qū)海水與外海區(qū)海水交換較差,另一原因是輻射與蒸發(fā)作用。1.2溫鹽分布變化由于環(huán)礁特殊的地形地貌影響,環(huán)礁中潟湖面積雖然不大,但溫鹽分布變化較大。圖2為1993年5月渚碧礁表層海水溫度與鹽度的平面分布,可以看出,潟湖東南有一低溫高鹽區(qū),1994年4月的調(diào)查,也發(fā)現(xiàn)在潟湖中部表層水有一高鹽區(qū)。1.3-20m層圖3為1993年5月渚碧礁8號(hào)站和1999年4月渚碧礁4號(hào)站的溫度和鹽度的垂直分布。溫度隨水深增加逐漸降低,其中0-10m層變化較大,而10-20m層則變化較小,如1993年5月8號(hào)站與1999年4月4號(hào)站在0-10m層的變幅分別為-0.073℃·m-1和-0.057℃·m-1,而在10-20m層的變幅分別為-0.02℃·m-1和-0.018℃·m-1。但表底層平均溫差則1993年5月較1999年4月小,分別為0.70℃和1.09℃。鹽度隨深度變化很小,1993年5月和1999年4月表底層平均鹽度差分別為0.30和-0.02(底層略高)。2風(fēng)、波浪、波浪和河流2.1月內(nèi)大風(fēng)較多,風(fēng)壓較小南沙群島海區(qū)全年風(fēng)場(chǎng)特征基本是冬夏季風(fēng)交替,每年5月下旬至9月為西南季風(fēng)期,11月至次年3月為東北季風(fēng)期。4-5月和10月是風(fēng)向過渡月份,風(fēng)力較小,風(fēng)向多變。除2月份外,南沙群島海區(qū)每月都可能有風(fēng)速達(dá)15m·s-1以上的熱帶氣旋,且多集中于10-12月份。渚碧礁同樣受控于這些季風(fēng)與熱帶氣旋。南沙群島海區(qū)四季中涌浪普遍大于風(fēng)浪,而渚碧礁由于水平尺度較小,風(fēng)浪在潟湖中難以充分成長(zhǎng),波浪主要來自外海域。2.2增殖期主要受天氣影響較大,在魚坪內(nèi),浮波期較弱渚碧礁海區(qū)潮汐屬不規(guī)則日潮,1993年5月20-30日的驗(yàn)潮觀測(cè)和1999年4月11—19日潮位記錄最大潮差分別為1.49m和1.29m,最小潮差分別為0.30m和0.69m。1993年5月的潮汐曲線表明,漲潮歷時(shí)遠(yuǎn)大于落潮歷時(shí),平均漲潮歷時(shí)為15h,平均落潮歷時(shí)僅9.7h。渚碧礁礁前海流流向主要受地形制約,漲、落流方向與礁體走向大體一致,而潟湖內(nèi)的流向受天氣影響較大。1993年5月測(cè)得渚碧礁西南礁前與潟湖5m層的平均流速分別為21和16cm·s-1,最大流速分別為41和24cm·s-1,余流分別為16和2cm·s-1,由于受環(huán)礁地形限制,潟湖內(nèi)流速變化很小。1999年4月10-19日在渚碧礁測(cè)得1m層流速更小,介于1.10-11.27cm·s-1之間,平均僅4.61cm·s-1。綜上分析,潟湖是水動(dòng)力最弱、風(fēng)浪最小的區(qū)域。由于礁坪的阻擋,波浪的影響大為削弱,波浪流由此流入潟湖,這里起主要作用的是波浪流,是屬于低能帶高營(yíng)養(yǎng)區(qū)。波浪流作用的環(huán)境是適合于眾多生物種群的理想居住地。3道德生物與環(huán)境的關(guān)系開闊海區(qū)由于海水流動(dòng)的連續(xù)性,在局部范圍一般的理化因子變化甚小,但在珊瑚礁這一特殊的生態(tài)環(huán)境中,理化因子在礁坪、潟湖等不同區(qū)域卻出現(xiàn)較大差異。表2為渚碧礁表層水DO,pH與Alk的觀測(cè)值,圖4,5分別為1999年4月渚碧礁表層水DO和總二氧化碳(∑CO2)平面分布。觀測(cè)表明,1993年5月與1999年4月渚碧礁表層水DO的最大差異分別為1.41和1.91cm3·dm-3,pH的最大差異分別為0.09和0.14,Alk的最大差異分別為0.11和0.10mmol·dm-3,差異都較大。從DO與Alk的平面分布圖可以看出,渚碧礁西南部的DO低、∑CO2高,礁坪內(nèi)側(cè)的16號(hào)站、7號(hào)站DO分別僅為3.30和3.99cm3·dm-3,∑CO2則分別高達(dá)2.06和2.04mmol·dm-3,而在礁的東北礁坪區(qū),DO高、∑CO2低,6號(hào)站、15號(hào)站DO分別高達(dá)5.21和5.06cm3·dm-3,∑CO2僅為1.94和1.95mmol·dm-3。正是東北礁坪的高氧含量及其具有的良好的生態(tài)環(huán)境,使該區(qū)生物極其豐富,海藻十分茂盛,珊瑚生長(zhǎng)良好,底棲生物也較多;而渚碧礁西南區(qū)氧含量低,很荒涼,生物稀少,大部分珊瑚白化,生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化。當(dāng)然,環(huán)境與生物的關(guān)系是相互的、辯證的,良好的環(huán)境有利于生物生長(zhǎng),而生物的生長(zhǎng)活動(dòng)也影響環(huán)境。例如,充足的氧有利于生物生長(zhǎng),而一些綠色植物生長(zhǎng)也能增加海水中的氧,曾測(cè)得南沙群島潟湖中一些海藻的光合作用使海水增氧,其生產(chǎn)力可達(dá)1.3gC·(m2·d)-1。4實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)含量在珊瑚礁水體中的C,N和P含量中,C含量較穩(wěn)定,N含量變化最大。1993年5月,表層水無機(jī)N皆未檢出;而1999年4月,除NO2-N未檢出外,N03-N與NH3-N皆檢出。表3為1999年4月渚碧礁C,N,P的平均含量。雖然南沙群島海域表層海水營(yíng)養(yǎng)鹽含量低,但深層水和沉積物表層間隙水的營(yíng)養(yǎng)鹽含量卻很高。1993年5月測(cè)得南沙群島幾個(gè)珊瑚礁潟湖沉積物表層間隙水中NO3-N,NO2-N,NH3-H和PO4-P的平均含量分別為23.03,6.65,134.1和6.24μmol·dm-3。南沙群島海域珊瑚礁潟湖由于水淺和高溫,沉積物活性大,它們易向上覆海水?dāng)U散,加速了營(yíng)養(yǎng)鹽在生態(tài)系中的循環(huán)。上述4要素的沉積物-海水界面平均擴(kuò)散通量分別為158.37,17.32,431.94和7.92μmol·(m2·d)-1。5實(shí)生植物pa1999年4月14日9時(shí)至15日9時(shí),在渚碧礁礁坪區(qū)進(jìn)行了一晝夜的理化因子連續(xù)觀測(cè)。結(jié)果表明,除S外,T,DO,pH,Alk等理化因子的日變幅較開闊海域的變幅大很多。圖6為渚碧礁礁坪海水與南沙群島開闊海區(qū)某個(gè)測(cè)站表層水的T,DO和∑CO2周日變化比較。礁坪海水與開闊海區(qū)海水T的日變幅分別為3.1和1.2℃,DO的日變幅分別為4.37和0.12cm3·dm-3,∑CO2的日變幅分別為0.18和0.08mmol·dm-3。珊瑚礁礁坪海水,6:00的T僅29.9℃,而在15:00,18:00時(shí)分別高達(dá)33.0和32.1℃;DO在6:00時(shí)僅2.79cm3·dm-3,在15:00,18:00時(shí)則分別高達(dá)6.79和6.98cm3·dm-3;∑CO2也有類似的變化,只不過大小值的出現(xiàn)時(shí)間與DO相反,這反映了珊瑚礁光合作用周日變化差異很大,只要有充足的陽(yáng)光,光合作用便十分強(qiáng)烈。我們?cè)谀仙橙簫u珊瑚礁礁坪內(nèi)側(cè)淺水區(qū)(水深2.5m)對(duì)喇叭藻Turbinariasp.和團(tuán)扇藻Padinasp.進(jìn)行了鐘伏瓶(體積20L)試驗(yàn),在12:00至15:00約3h的強(qiáng)光條件下,10g(干重)