萊州灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)

楊俊麗，吳 雪，李希磊，崔龍波

( 煙臺(tái)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005 )

萊州灣位于渤海南部，山東半島西北部，面積69 000 km2，是黃、渤海漁業(yè)生物的主要產(chǎn)卵場(chǎng)、棲息地和傳統(tǒng)漁場(chǎng)[1]。由于黃河、小清河等眾多河流的注入，以及萊州灣沿岸城市化、工業(yè)化和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致大量陸源污染物輸入萊州灣，再加上扇貝養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生的自我污染，使得萊州灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)的環(huán)境污染問(wèn)題日益突出[2]。沉積物作為氮、磷、碳等生源要素重要的“源”與“匯”，沉積物內(nèi)源的釋放對(duì)污染水體的修復(fù)具有一定的抑制作用，從而使環(huán)境污染問(wèn)題進(jìn)一步惡化[3]，因此，對(duì)沉積物中氮、磷、碳等生源要素的研究具有重要意義。此外，異養(yǎng)細(xì)菌作為海洋生態(tài)環(huán)境的重要分解者，其含量的變化對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的物質(zhì)循環(huán)起著重要作用?；【?Vibrio)作為扇貝、魚(yú)、蝦等海洋生物的主要致病菌之一，同樣也是海洋(特別是養(yǎng)殖區(qū))生態(tài)環(huán)境研究不可缺少的一部分。而近年來(lái)，對(duì)萊州灣表層沉積物的研究較多，但多集中在沉積物重金屬[4-5]，對(duì)總磷、總氮、總有機(jī)碳以及硫化物等指標(biāo)研究較少，特別是對(duì)該海域養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物的研究較少。筆者根據(jù)萊州灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)的養(yǎng)殖狀況，選擇扇貝養(yǎng)殖傳統(tǒng)地區(qū)萊州市和招遠(yuǎn)市的4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)，對(duì)其表層沉積物pH、氧化還原電位、硫化物、總磷、總氮、總有機(jī)碳以及細(xì)菌(弧菌和異養(yǎng)細(xì)菌)等8個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)，分析了不同養(yǎng)殖區(qū)各檢測(cè)指標(biāo)的異同、月際變化規(guī)律以及各指標(biāo)間的相互關(guān)系，并采用有機(jī)污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)法對(duì)其進(jìn)行了評(píng)價(jià)，以期為扇貝健康養(yǎng)殖提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 采樣時(shí)間與地點(diǎn)

2015年4—11月，每月中旬采樣一次，采樣地點(diǎn)位于萊州灣東側(cè)的4個(gè)傳統(tǒng)扇貝養(yǎng)殖區(qū)(筏式養(yǎng)殖)，分別命名為1#、2#、3#、4#(圖1)，每個(gè)養(yǎng)殖區(qū)設(shè)置4個(gè)平行采樣點(diǎn)。1#～4#養(yǎng)殖區(qū)平均水深分別為10～12 m、7.5～9 m、7～8 m和12 m，1#養(yǎng)殖區(qū)的底質(zhì)為泥沙底，其余為泥質(zhì)底。

1.2 樣品采集與分析

使用Ekman-Binge/Lenz采泥器(德國(guó)HYDRO-BIOS公司)采集表層0～2 cm的沉積物，現(xiàn)場(chǎng)用美國(guó)奧立龍便攜式分析儀(520M-01A)測(cè)定pH及氧化還原電位；取適量沉積物于玻璃瓶中，用于測(cè)定總磷、總氮、總有機(jī)碳；取適量沉積物于充氮?dú)獠蓸哟?，用于測(cè)定硫化物；用滅菌的不銹鋼小勺采集沉積物于無(wú)菌采樣袋中，用于測(cè)定異養(yǎng)細(xì)菌和弧菌。

圖1 沉積物采樣點(diǎn)位置

按照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》[6]規(guī)定的方法進(jìn)行試驗(yàn)操作與分析。其中總磷的測(cè)定采用高氯酸—硫酸消解法(HClO4-H2SO4法)，總氮的測(cè)定采用凱氏定氮法，總有機(jī)碳的測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化—還原容量法，硫化物的測(cè)定采用亞甲基藍(lán)分光光度法，異養(yǎng)細(xì)菌和弧菌的計(jì)數(shù)采用平板計(jì)數(shù)法，其采用的培養(yǎng)基分別為2116E海洋細(xì)菌培養(yǎng)基和硫代硫酸鹽檸檬酸鹽膽鹽蔗糖瓊脂選擇培養(yǎng)基。

1.3 評(píng)價(jià)方法

采用有機(jī)污染指數(shù)法[7]來(lái)衡量扇貝養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物是否遭受有機(jī)污染：

A=MTOC×MON

MON=MTN×95%

式中，A為有機(jī)污染指數(shù)，MTOC為有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，MON為有機(jī)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，MTN為總氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 沉積物有機(jī)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

注：括號(hào)內(nèi)為所屬的環(huán)境質(zhì)量類型.

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)海洋沉積物環(huán)境評(píng)價(jià)尚缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本研究采用內(nèi)梅羅環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)[8]對(duì)養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物進(jìn)行評(píng)價(jià)(表2)：

式中，P為內(nèi)梅羅綜合指數(shù)，Pmax為參數(shù)中最大的污染指數(shù)，Pi為某污染因子的污染指數(shù)，Ci為某污染因子的實(shí)測(cè)含量，Ci0為某污染因子的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(總氮和總磷的Ci0分別選用550、600 mg/kg[9]；總有機(jī)碳和硫化物的Ci0采用一類海洋沉積物標(biāo)準(zhǔn)，分別為2.0%和300 mg/kg)。

表2 扇貝養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 萊州灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)沉積物各種指標(biāo)的含量及其變化

2.1.1 pH和氧化還原電位

4—11月1#～4#養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物的pH變化分別為7.54～8.30、7.17～7.97、7.29～7.56和7.28～7.59(圖2)，總體呈中性—弱堿性，氧化還原電位的變化分別為-287.10～-170.30、-360.90～-296.90、-368.30～-319.20 mV和-363.50～-326.20 mV(圖3)，根據(jù)Chien[10]的判定標(biāo)準(zhǔn)，4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)的底泥均處于高度還原態(tài)。其中1#養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物的pH和氧化還原電位明顯高于其他3個(gè)養(yǎng)殖區(qū)，且變化幅度較大。

2.1.2 總氮、總磷和總有機(jī)碳

4—11月1#～4#養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物中總氮的變化分別為0.038～0.897、0.079～0.706、0.103～0.716 mg/g和0.055～0.776 mg/g(圖4)，均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異性，其中8月和9月含量最高，為0.605～0.897 mg/g。此外，2#養(yǎng)殖區(qū)總氮含量的變化幅度較其他3個(gè)養(yǎng)殖區(qū)略小，該養(yǎng)殖區(qū)為貝參混養(yǎng)，而其他3個(gè)養(yǎng)殖區(qū)只養(yǎng)殖了扇貝，刺參的養(yǎng)殖或許會(huì)對(duì)貝類養(yǎng)殖的排泄物具有一定吸收作用。相比總氮的變化，總磷無(wú)明顯的季節(jié)差異性，但養(yǎng)殖區(qū)之間差異較大，含量變化分別為0.130～0.340、0.236～0.401、0.300～0.496 mg/g和0.340～0.554 mg/g(圖5)。4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)沉積物中總有機(jī)碳變化分別為0.029%～0.201%、0.079%～0.445%、0.085%～0.264%和0.054%～0.530%(圖6)，呈現(xiàn)隨著月份逐漸增加的趨勢(shì)，但不明顯。

圖2 pH月份變化趨勢(shì)

圖3 氧化還原電位月份變化趨勢(shì)

圖4 總氮月份變化趨勢(shì)

圖5 總磷月份變化趨勢(shì)

2.1.3 硫化物

4—11月1#～4#養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物的硫化物變化分別為4.43～49.54、1.66～168.97、8.61～129.60 mg/kg和7.56～184.11 mg/kg(圖7)，均低于沉積物二類標(biāo)準(zhǔn)(300 mg/kg)，適用于海水養(yǎng)殖[11]。除1#養(yǎng)殖區(qū)硫化物含量較低且較穩(wěn)定之外，其他3個(gè)養(yǎng)殖區(qū)呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，且9月含量最高。

圖6 總有機(jī)碳月份變化趨勢(shì)

圖7 硫化物月份變化趨勢(shì)

2.1.4 異養(yǎng)細(xì)菌和弧菌

4—11月1#～4#養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物中異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量的變化分別為1.43×103～1.25×104、6.67×102～1.55×104、3.00×102～8.20×104cfu/g和1.63×103～5.40×104cfu/g(濕質(zhì)量，圖8)。3#和4#養(yǎng)殖區(qū)在4—10月異養(yǎng)細(xì)菌的數(shù)量與1#、2#養(yǎng)殖區(qū)相近且數(shù)量較穩(wěn)定，但到11月數(shù)量驟然增加到原來(lái)的5～6倍。

4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物中弧菌數(shù)量的變化分別為0.50～1.64×103、1.85×101～1.99×103、0.50～3.90×103cfu/g和0.50～2.30×103cfu/g(濕質(zhì)量，圖9)。在4月和5月4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)弧菌數(shù)量極少或未檢出，而6月3#和4#養(yǎng)殖區(qū)、7月1#和2#養(yǎng)殖區(qū)弧菌數(shù)量出現(xiàn)最高值，表明6月或7月可能是弧菌的繁殖季節(jié)。

圖8 異養(yǎng)細(xì)菌月份變化趨勢(shì)

圖9 弧菌月份變化趨勢(shì)

2.2 表層沉積物碳-氮-磷耦合研究

總有機(jī)碳與總氮的比值在某種程度上可以反映有機(jī)質(zhì)的來(lái)源，一般水生生物為2.8～3.4，藻類為5～14，高等植物為14～23[6]。1#～4#養(yǎng)殖區(qū)總有機(jī)碳與總氮的比值表現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異性，7—9月總有機(jī)碳與總氮的比值較小，為1.85～6.33，表明沉積物有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于水生生物，而其他月份主要來(lái)源于藻類(表3)。

沉積物中總氮和總磷含量及其比值通常是沉積物溶出、釋放及水中總氮和總磷聚集、沉積兩種動(dòng)態(tài)過(guò)程的綜合反映[12]，總氮與總磷的比值在某種程度上還能反映海洋的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。由表3可見(jiàn)，1#～4#養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物總氮與總磷的比值在7—9月明顯偏高，特別是1#養(yǎng)殖區(qū)，但與一些發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化養(yǎng)殖區(qū)的總氮與總磷的比值(數(shù)值)相比，仍略為偏低，表明這些養(yǎng)殖區(qū)營(yíng)養(yǎng)程度較低，赤潮發(fā)生的可能性也較低。

表3 沉積物的總有機(jī)碳/總氮和總氮/總磷

2.3 表層沉積物有機(jī)污染評(píng)價(jià)

采用有機(jī)污染指數(shù)法對(duì)4個(gè)扇貝養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物有機(jī)污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)(表4)，根據(jù)沉積物有機(jī)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表1)和表4中的數(shù)據(jù)作出判斷：(1)4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)中表層沉積物的有機(jī)污染指數(shù)均低于0.05，均屬于標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)，處于清潔狀態(tài)；(2)相比有機(jī)指數(shù)來(lái)說(shuō)，有機(jī)氮污染值得注意，除了4月、5月和6月處于清潔狀態(tài)之外，4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)在其他月均表現(xiàn)出不同程度的有機(jī)氮干擾，其中8月和9月最嚴(yán)重，盡管尚未達(dá)到有機(jī)污染水平；4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)受有機(jī)氮的污染程度依次為1#>4#>3#>2#。

表4 萊州灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)沉積物有機(jī)污染評(píng)價(jià)

2.4 表層沉積物綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)

采用內(nèi)梅羅環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)法對(duì)萊州灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物進(jìn)行評(píng)價(jià)，其各評(píng)價(jià)因子污染指數(shù)和表層沉積物綜合質(zhì)量指數(shù)見(jiàn)表5。由表5可知，1#～4#養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物中的硫化物、總有機(jī)碳和總磷在4—11月的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)均<1，符合一類沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，表明這4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)沉積物未受到這3種評(píng)價(jià)因子的污染。然而4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)沉積物中的總氮污染狀況不容樂(lè)觀，如1#養(yǎng)殖區(qū)在7—9月、2#養(yǎng)殖區(qū)在8—10月以及3#和4#養(yǎng)殖區(qū)在8月和9月總氮的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)均>1，表明這4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)在這些月中受到總氮不同程度的污染。不同扇貝養(yǎng)殖區(qū)在同一時(shí)間以及同一養(yǎng)殖區(qū)在不同時(shí)間的沉積物綜合質(zhì)量差異較明顯，其中4—6月綜合質(zhì)量較好，大部分為1級(jí)，處于良好水平，而7—10月大部分處于3～4級(jí)，達(dá)到輕度污染甚至中度污染水平。總體來(lái)看，萊州灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物質(zhì)量基本上符合扇貝養(yǎng)殖環(huán)境Ⅰ類區(qū)或Ⅱ類區(qū)的要求(表2)，適合用于扇貝養(yǎng)殖。然而，要注意7—10月對(duì)這些養(yǎng)殖區(qū)的保護(hù)，特別注意氮元素的輸入。

表5 萊州灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物各評(píng)價(jià)因子污染指數(shù)和綜合質(zhì)量指數(shù)

3 討 論

3.1 扇貝養(yǎng)殖區(qū)沉積物pH和氧化還原電位的特點(diǎn)

pH和氧化還原電位是反映沉積物環(huán)境良好與否的重要指標(biāo)，它們直接影響著沉積物(及孔隙水)中元素的地球化學(xué)行為、自生礦物的形成和轉(zhuǎn)化以及成巖作用進(jìn)程等[13]。本研究表明，萊州灣不同扇貝養(yǎng)殖區(qū)的pH和氧化還原電位的變化分別為7.33～8.30 mV和-368.30～-170.30 mV，呈中性—弱堿性，處于高度還原態(tài)，且1#養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物的pH和氧化還原電位明顯高于其他3個(gè)養(yǎng)殖區(qū)，且變化幅度較大，說(shuō)明pH和氧化還原電位的大小與底質(zhì)類型有關(guān)。相比青島及周邊海區(qū)[14]，萊州灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)的電位值總體表現(xiàn)較低。劉冉等[15]對(duì)仿刺參(Apostichopusjaponicus)池塘的研究表明，底泥長(zhǎng)期處于還原化狀態(tài)，會(huì)促進(jìn)還原性細(xì)菌的生長(zhǎng)，加速水中氧氣的消耗，增加還原性物質(zhì)的積累，轉(zhuǎn)而進(jìn)一步降低底泥氧化還原電位，形成惡性循環(huán)，影響仿刺參的生長(zhǎng)。本研究區(qū)域?yàn)闇\海筏式扇貝養(yǎng)殖區(qū)，扇貝生長(zhǎng)在離海底較遠(yuǎn)水層，加之海洋比池塘的流通性大，且自身具有調(diào)節(jié)功能，所以扇貝的生長(zhǎng)受氧化還原電位的影響較小。

3.2 扇貝養(yǎng)殖區(qū)沉積物總氮、總磷和總有機(jī)碳的特點(diǎn)

海洋沉積物是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累和間歇性再生的重要場(chǎng)所，沉積物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)中總氮、總磷和總有機(jī)碳可通過(guò)與上覆水間的相互作用實(shí)現(xiàn)在沉積物—海水之間的轉(zhuǎn)換，所以沉積物中總氮和總磷的含量在一定程度上可以反映水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度[6]。本研究結(jié)果表明，4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物中總氮、總磷和總有機(jī)碳含量在4—11月的變化分別為0.038～0.897 mg/g、0.131～0.554 mg/g和0.029%～0.560%，其中總氮含量在7—9月最高，具有明顯的季節(jié)性，主要可能與該時(shí)期浮游生物繁殖與消亡旺盛、氮的釋放增加有關(guān)，總磷整體變化不大，而總有機(jī)碳呈逐漸增加趨勢(shì)，可能與扇貝養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生的生物沉淀有著密切的關(guān)系。相比天津環(huán)渤海海域表層沉積物含量(總氮為0.7～1.5 mg/g，總磷為0.7～1.0 mg/g)[16]，該研究海域的總氮和總磷的含量處于較高水平，而與萊州灣表層沉積物含量[總氮為(0.3±0.2) mg/g，總有機(jī)碳為(0.24±0.17)%][17]相當(dāng)。

3.3 扇貝養(yǎng)殖區(qū)沉積物硫化物的特點(diǎn)

硫化物含量的高低是衡量海洋底質(zhì)環(huán)境優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在厭氧環(huán)境及硫酸鹽還原菌的作用下，會(huì)加速沉積物中硫化物的生成，同時(shí)產(chǎn)生大量的硫化氫，而硫化氫的溶解又會(huì)進(jìn)一步消耗海水中的溶解氧，使環(huán)境更加惡化，進(jìn)而直接或間接影響扇貝的生存和生長(zhǎng)[18]。有研究表明，當(dāng)硫化物含量達(dá)到400～1500 mg/kg時(shí)，耗氧速率達(dá)到最大，而大于1700 mg/kg，沉積物環(huán)境基本處于無(wú)生物狀態(tài)[19]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物中硫化物的含量變化為1.66～184.11 mg/kg，1#養(yǎng)殖區(qū)含量較其他3個(gè)養(yǎng)殖區(qū)穩(wěn)定，說(shuō)明硫化物含量受底質(zhì)類型的影響，另外2#～4#養(yǎng)殖區(qū)在8月和9月含量較高，而此時(shí)海水溫度也較其他月份高，符合溫度越高、硫化物形成速度越快的特點(diǎn)，與楊慶宵等[11]的研究較一致。

3.4 扇貝養(yǎng)殖區(qū)沉積物異養(yǎng)細(xì)菌和弧菌的特點(diǎn)

異養(yǎng)細(xì)菌能分解有機(jī)質(zhì)，對(duì)海洋沉積物的礦化以及水域環(huán)境的改善起著至關(guān)重要的作用，其含量的多少在一定程度上可以反映海洋環(huán)境的污染程度?；【囚~(yú)類、扇貝等海洋生物的條件性致病菌，對(duì)我國(guó)扇貝養(yǎng)殖造成了巨大的損失。本研究結(jié)果表明，4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物中異養(yǎng)細(xì)菌和弧菌數(shù)量變化分別為3.0×102～8.2×104cfu/g(濕質(zhì)量)和0.5×103～7.9×103cfu/g(濕質(zhì)量)，明顯低于象山港大黃魚(yú)(Pseudosciaenacrocea)網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)[21]和粵東深澳灣養(yǎng)殖區(qū)[22]的含量，整體處于較低水平，并未對(duì)扇貝養(yǎng)殖造成危害，但應(yīng)注意6月和7月對(duì)弧菌數(shù)量的監(jiān)測(cè)，防止弧菌的大量繁殖，減少弧菌病產(chǎn)生的幾率。

4 結(jié) 論

(1)4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物整體呈中性—弱堿性，屬于高度還原態(tài)；硫化物含量波動(dòng)較大，但均在扇貝養(yǎng)殖環(huán)境安全范圍內(nèi)，其數(shù)值的大小受溫度的影響較大；異養(yǎng)細(xì)菌和弧菌數(shù)量相比其他海域的養(yǎng)殖區(qū)，均處于較低水平，對(duì)貝類養(yǎng)殖的危害均較小，但應(yīng)注意6月和7月對(duì)弧菌的檢測(cè)；總磷和總有機(jī)碳的含量均在扇貝養(yǎng)殖安全范圍之內(nèi)，而總氮在7—10月出現(xiàn)不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象，應(yīng)特別注意扇貝養(yǎng)殖期間對(duì)氮元素的輸入。

(2)有機(jī)污染評(píng)價(jià)表明，4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)中表層沉積物處于清潔狀態(tài)，雖在7—10月受到有機(jī)氮沾污，但未達(dá)到污染狀態(tài)。

(3)表層沉積物綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)表明，雖然1#和4#養(yǎng)殖區(qū)在8月和9月達(dá)到中度污染水平，但總體均符合貝類養(yǎng)殖環(huán)境1類區(qū)或2類區(qū)的要求，總體環(huán)境質(zhì)量良好。

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