黃、渤海沿岸海水養(yǎng)殖池塘冰期環(huán)境因子變化的研究

劉偉，丁君，李潤(rùn)玲，常亞青

(1.大連海洋大學(xué) 農(nóng)業(yè)部北方海水增養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連116023;2.大連理工大學(xué) 國(guó)家近海和沿岸工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024)

2010年中國(guó)遭遇了近30年來(lái)最嚴(yán)重的海冰災(zāi)害，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)63.18億元，海水養(yǎng)殖業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失占總損失量的95.7%，受損面積達(dá)20.8萬(wàn)hm2［1］。海水養(yǎng)殖區(qū)結(jié)冰后環(huán)境因子的變化已引起了廣泛的關(guān)注，但對(duì)此方面的研究卻較少。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)海冰的研究主要集中在海冰特征與海冰動(dòng)力學(xué)［2-4］、冰期營(yíng)養(yǎng)鹽變化規(guī)律［5-6］和極地地區(qū)海冰特點(diǎn)等方面［7-9］，僅見(jiàn)于金海等［10］對(duì)刺參養(yǎng)殖池塘環(huán)境因子的周年變化，以及周波等［11］對(duì)遼寧省部分越冬養(yǎng)殖池塘的水溫、透明度等進(jìn)行了調(diào)查研究。本研究中，作者于2012年1—2月從結(jié)冰期到盛冰期監(jiān)測(cè)了黃、渤海沿岸4 口養(yǎng)殖池塘的冰層厚度和冰下水環(huán)境因子的變化，探討結(jié)冰期水環(huán)境變化對(duì)池塘內(nèi)養(yǎng)殖生物的影響，旨在了解中國(guó)黃、渤海沿岸地區(qū)冬季養(yǎng)殖池塘的環(huán)境生態(tài)狀況，提高養(yǎng)殖水平，并為海冰災(zāi)害損失評(píng)估提供參考。

1 監(jiān)測(cè)地點(diǎn)、內(nèi)容與方法

1.1 監(jiān)測(cè)地點(diǎn)

選擇位于黃海北部、渤海灣沿岸4 處具有代表性的養(yǎng)殖池塘進(jìn)行監(jiān)測(cè)，取樣池塘的基本情況如表1所示。每個(gè)池塘分別設(shè)進(jìn)水口、中央和出水口3個(gè)采樣點(diǎn)，各采樣點(diǎn)的取樣深度如表2所示，4 個(gè)監(jiān)測(cè)池塘中，3 #池塘水最深，最深處為448 cm，1#和4#池塘較淺，最淺處分別為106、93 cm。監(jiān)測(cè)期間僅3#池塘閘門(mén)開(kāi)約15 cm，與海水交換，其他各塘均無(wú)水交換。

1.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容與方法

養(yǎng)殖池塘的冰期一般從每年12月底至翌年的3月初結(jié)束，于2012年1—2月結(jié)冰期和盛冰期，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量法各采樣一次，經(jīng)冰層鉆眼測(cè)定各池塘的冰層厚度以及進(jìn)水口、中央和出水口冰下不同水層的水溫、鹽度、pH、溶氧(DO)飽和度。用卡尺測(cè)量冰層厚度(以下簡(jiǎn)稱(chēng)冰厚)，用量繩測(cè)量池塘水深，將冰下水體平均分成7 個(gè)深度梯度，靠近冰面為第1 層，池塘底部為第7 層。使用RCY鉑電阻數(shù)字測(cè)溫儀(北京海納興業(yè)科技公司)測(cè)量水溫，使用SYA2-2 型鹽度計(jì)(國(guó)家海洋技術(shù)中心)測(cè)量鹽度，使用HI98186 型高精度防水便攜式溶氧測(cè)定儀和HI98183 型高精度防水便攜式pH測(cè)定儀(HANNA 公司)測(cè)量DO和pH。

表1 監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖池塘的基本情況Tab.1 General parameters in the experimental ponds

表2 結(jié)冰期和盛冰期各池塘3 個(gè)取樣點(diǎn)的水深Tab.2 The depth of each sampling points in icing and heavily iced ponds

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)冰期和盛冰期各池塘冰層厚度的變化

從圖1可見(jiàn):各池塘結(jié)冰期的冰層均較盛冰期薄，結(jié)冰期和盛冰期，位于高緯度的1#池塘氣溫最低，分別為-14、-17 ℃，冰層最厚，分別為33.6、53.0 cm;位于低緯度的3#池塘氣溫分別為-8、-10 ℃，冰層最薄，分別為12.4、17.6 cm;2#池塘氣溫分別為-11、-14 ℃，4#池塘氣溫分別為-10 、-12 ℃，這兩個(gè)池塘的冰層厚度相差不大，可能與4#池塘有淡水注入、鹽度較低有關(guān)。3#池塘冰層較薄不僅與緯度和氣溫有關(guān)，還與池塘水較深、有水體交換有關(guān)。

圖1 結(jié)冰期和盛冰期各池塘3 個(gè)采樣點(diǎn)冰層厚度的變化Fig.1 The changes in ice thickness at three sampling points during iced period and heavily iced periods

2.2 結(jié)冰期和盛冰期各池塘冰下水溫的變化

從圖2可見(jiàn):各池塘盛冰期冰下水溫高于結(jié)冰期，變化幅度也大于結(jié)冰期，冰下水溫自表層到底層遞增。結(jié)冰期，最高水溫出現(xiàn)在4#池塘，冰下最高水溫為-0.8 ℃，最低水溫出現(xiàn)在1#池塘，冰下最低水溫為-1.8 ℃;結(jié)冰期，1#、2#、4#池塘冰下水溫變化較小，平均變幅為0.1 ℃，3#池塘底層水溫變化幅度較大，平均變幅為0.3 ℃。盛冰期，最高水溫出現(xiàn)在4#池塘，冰下最高水溫為2.3℃，最低水溫出現(xiàn)在1#池塘，冰下最低水溫為-1.9 ℃;盛冰期，各養(yǎng)殖池塘均出現(xiàn)溫躍層，但溫躍層的位置不同，1#池塘的溫躍層在30 ～40 cm 處，2#、4#池塘的溫躍層在30 ～45 cm 處，3#池塘的溫躍層在301 ～358 cm 處，3#池塘變化幅度最大，平均變幅為1.1 ℃，1#池塘變化幅度最小，平均變幅為0.4 ℃。

盛冰期各池塘內(nèi)均形成了溫躍層，這與已報(bào)道的養(yǎng)殖池塘冰下海水出現(xiàn)溫躍層的研究結(jié)果［12］相吻合。3#池塘溫躍層出現(xiàn)在較深處，與其他池塘出現(xiàn)在中間層有所不同，且3#池塘在結(jié)冰期和盛冰期冰下水溫的變化幅度較大，底層水溫較其他池塘也高，這與3#池塘水較深且與海水有交換有關(guān)。各養(yǎng)殖池塘冰下水溫不同，這可能與養(yǎng)殖池塘所處地理位置、氣溫、水體交換量和池塘深度有關(guān)。

菲律賓蛤仔為廣溫性生物，-3 ℃時(shí)21 d 死亡率僅為10%［13］。整個(gè)冬季1#池塘底層水溫均在-2 ℃以上，發(fā)現(xiàn)菲律賓蛤仔僅個(gè)別死亡，可以推測(cè)低溫不會(huì)影響蛤仔的生存。刺參生長(zhǎng)的適宜水溫為15 ～23 ℃，水溫降至0 ℃時(shí)會(huì)出現(xiàn)表皮潰爛［14-15］。結(jié)冰期，3 個(gè)刺參養(yǎng)殖池塘中底層水溫均低于-1.0 ℃，這可能會(huì)不同程度地影響刺參的生長(zhǎng)。

圖2 結(jié)冰期和盛冰期各池塘3 個(gè)采樣點(diǎn)水溫隨水層的變化Fig.2 The changes in water temperature with the water layer at three sampling points during iced period and heavily iced periods

2.3 結(jié)冰期和盛冰期各池塘鹽度的變化

從圖3可見(jiàn):盛冰期各池塘水體的鹽度與變化幅度均高于結(jié)冰期;從結(jié)冰期到盛冰期，1#池塘水體的鹽度變化幅度最大，平均變幅為4.5 個(gè)單位，3#池塘水體的鹽度變化最小，變化幅度僅為0.5 個(gè)單位;結(jié)冰期和盛冰期，4#池塘水體的鹽度均低于其他池塘;結(jié)冰期，2#池塘水體的鹽度最高，為30.9～31.5，4#池塘水體的鹽度最低，為26.4 ～26.8;盛冰期，1#池塘水體的鹽度最高，為33.5 ～34.9，4#池塘水體的鹽度最低，為28.4 ～30.0。

有研究表明，海水的鹽度隨著海水溫度的增加而降低［16-17］。但本研究顯示，養(yǎng)殖池塘中鹽度并沒(méi)有隨溫度的增加而降低，這可能與養(yǎng)殖水體較小、結(jié)冰后水體鹽度變化不大有關(guān)。4#池塘的鹽度較其他池塘低，鹽度平均值為28.1，這是因?yàn)?#養(yǎng)殖區(qū)位于河口處，受入海淡水的影響較大;1#池塘結(jié)冰期和盛冰期鹽度變化幅度較大，可能與結(jié)冰后鹽度的析出有一定關(guān)系;而3#池塘中鹽度變化較小，這可能與冰較薄、水較深有關(guān)。

菲律賓蛤仔生長(zhǎng)適宜鹽度為19.0 ～26.0［13］。1#池塘中鹽度一直高于29.3，池塘中有少量蛤仔死亡，推測(cè)冬季海水鹽度的變化會(huì)影響菲律賓蛤的生長(zhǎng)。刺參生長(zhǎng)最適鹽度為27.0 ～31.5［18］，當(dāng)鹽度低于28.0 時(shí)會(huì)影響刺參生長(zhǎng)［19］。4#池塘中雖未發(fā)現(xiàn)刺參大量死亡，但可能會(huì)減緩刺參的生長(zhǎng)。

2.4 結(jié)冰期和盛冰期各池塘pH 的變化

從圖4可見(jiàn):結(jié)冰期和盛冰期各池塘pH 的變化相差較大，2#和3#池塘結(jié)冰期的pH 值高于盛冰期，但1#和4#池塘各采樣點(diǎn)的pH 變化不一致;從結(jié)冰期到盛冰期，3#池塘的pH 變化幅度最大，平均變化0.2 個(gè)單位，4#池塘變化幅度最小，平均變化0.1 個(gè)單位;結(jié)冰期，1#池塘pH 最高，為7.7 ～8.6，4#池塘pH 最低，為7.2 ～7.8;盛冰期，1#池塘pH 最高，為7.4 ～8.4，4#池塘pH 最低，為7.5 ～7.8。

影響海水 pH 變化的因素較為復(fù)雜，Gieskeks［20］的研究表明，海水的pH 值隨著溫度的升高而呈線性降低，但本次監(jiān)測(cè)結(jié)果均沒(méi)顯示出此規(guī)律。于金海等［10］報(bào)道了冬季刺參養(yǎng)殖池塘中會(huì)出現(xiàn)pH 躍層，但本次監(jiān)測(cè)顯示，養(yǎng)殖池塘中pH雖然存在變化，但并沒(méi)有出現(xiàn)躍層式變化。養(yǎng)殖池塘內(nèi)pH 的變化受多種因素調(diào)控，養(yǎng)殖池塘水體小、缺乏水體交換、養(yǎng)殖生物代謝等均會(huì)造成pH變化［21-22］。結(jié)冰初期，浮游動(dòng)、植物受溫度和冰面透光率的影響，養(yǎng)殖池塘中CO2的含量會(huì)有所積累，養(yǎng)殖池塘中pH可能出現(xiàn)降低，隨著冬季養(yǎng)殖池塘耐寒優(yōu)勢(shì)藻類(lèi)的生長(zhǎng)，光合作用增強(qiáng)，pH升高，但pH 變化受各養(yǎng)殖池塘中生物量和光合作用強(qiáng)度等影響［11］。3#池塘pH 的變化幅度較小且穩(wěn)定，與該池塘有水體交換有關(guān)。

適宜菲律賓蛤仔生長(zhǎng)的pH 為4.0 ～9.5，適宜刺參生長(zhǎng)的pH 為6.0 ～9.0［13-14］。1 個(gè)菲律賓蛤仔養(yǎng)殖池塘和3 個(gè)刺參養(yǎng)殖池塘在結(jié)冰期和盛冰期均在適宜的pH 范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)蛤仔和刺參生長(zhǎng)造成不利影響。

圖3 結(jié)冰期和盛冰期各池塘3 個(gè)采樣點(diǎn)鹽度隨水層的變化Fig.3 The changes in salinity with the water layer at three sampling points during iced period and heavily iced periods

圖4 結(jié)冰期和盛冰期各池塘3 個(gè)采樣點(diǎn)pH 隨水層的變化Fig.4 The changes in pH with the water layer at three sampling points during iced period and heavily iced periods

2.5 結(jié)冰期和盛冰期各池塘DO 水平的變化

從圖5可見(jiàn):各池塘中DO 水平的變化相差較大，但結(jié)冰期和盛冰期各養(yǎng)殖池塘中DO 水平都處于近飽和或過(guò)飽和狀態(tài);3#池塘從結(jié)冰期到盛冰期DO 水平的變化幅度較小，平均變幅為1.1 mg/L，3#池塘DO 水平在同一時(shí)期較其他池塘略低。結(jié)冰期，1#池塘DO 水平最高，為13.0 ～21.9 mg/L，3#池塘DO 水平最低，為9.7 ～14.0 mg/L;3#池塘DO 水平變化幅度最小，平均變幅為0.4 mg/L;1#、2#和4#池塘進(jìn)水口1 ～2 層DO 水平隨溫度的升高而降低，其他各層無(wú)明顯變化規(guī)律。盛冰期，1#池塘DO 水平最高，為11.2 ～21.2 mg/L，3#池塘DO 水平最低，為11.4 ～14.1 mg/L;2#池塘DO 水平變化幅度最小，平均變幅為0.5 mg/L。結(jié)冰期和盛冰期冰層較厚的1#池塘的DO 水平高于其他池塘，可能是因?yàn)楸鶎雍穸饶芤种蒲鯕庀蚩諝庵幸绯龅乃俣?3#池塘的表層DO 水平低于底層，這可能與其冰較薄且有水體交換有關(guān)。冬季各池塘DO 水平處于較高水平與已有報(bào)道的結(jié)果相吻合［10，18，23］。

圖5 結(jié)冰期和盛冰期各池塘3 個(gè)采樣點(diǎn)DO 隨水層的變化Fig.5 The changes in DO levels with the water layer at three sampling points during iced period and heavily iced periods

影響水中DO 水平的因素較多，如溫度、pH、生物呼吸作用等。有研究發(fā)現(xiàn)，水體中的DO 與溫度呈負(fù)相關(guān)［12］，且隨著水深的增加，飽和率下降［23］。本次監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，3#池塘水較深，其DO水平低于水深較淺的池塘，但其他養(yǎng)殖池塘中DO水平的變化受溫度和水深的影響不明顯，這可能與處于封閉狀態(tài)的池塘光照較弱、浮游生物的種類(lèi)、數(shù)量及其代謝活動(dòng)不強(qiáng)有關(guān)。3#池塘DO 水平處于近飽和狀態(tài)，同一時(shí)期的DO 水平較其他養(yǎng)殖池塘略低，但并沒(méi)有出現(xiàn)劇烈的變化且能滿足海洋經(jīng)濟(jì)生物生長(zhǎng)的要求，這與3#池塘水體較深且有水體交換有關(guān)。

各養(yǎng)殖池塘在結(jié)冰期和盛冰期的DO 水平一直處于近飽和或過(guò)飽和狀態(tài)，但均不會(huì)對(duì)菲律賓蛤仔和刺參的生長(zhǎng)造成不利影響。

3 結(jié)論

(1)養(yǎng)殖池塘水體與外界水體的交換對(duì)冰層厚度有一定影響。結(jié)冰期和盛冰期的冰下水溫變化不一致，盛冰期養(yǎng)殖池塘中會(huì)出現(xiàn)溫躍層，不同養(yǎng)殖池塘溫躍層出現(xiàn)的位置和幅度不一致。冰層較厚的池塘從結(jié)冰期到盛冰期鹽度變化幅度較大。各池塘pH 變化相差較大。各池塘中DO 水平呈近飽和或過(guò)飽和狀態(tài)，且受溫度的影響不大。養(yǎng)殖池塘的環(huán)境因子是相互影響和作用的，如果將養(yǎng)殖池塘加深并有少量水體交換，可使池塘中水環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，有利于海水養(yǎng)殖生物健康生長(zhǎng)。

(2)各養(yǎng)殖池塘溫度變化可能對(duì)刺參生長(zhǎng)和存活產(chǎn)生一定影響;鹽度變化可能對(duì)菲律賓蛤仔的存活產(chǎn)生影響，但不影響刺參的存活;pH和DO的變化均未影響菲律賓蛤仔和刺參的存活。

(3)冬季如有大面積的海冰發(fā)生時(shí)，可降低水體交換的頻率，建議每周進(jìn)行1 ～2次換水，換水量約為總量的1/4。新建養(yǎng)殖池塘的選址應(yīng)選擇在環(huán)境因子變化幅度較小的位置，養(yǎng)殖池塘的深度可適當(dāng)增加，以350 ～400 cm 為宜。

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