基于浮標監(jiān)測的連云港近海紫菜養(yǎng)殖區(qū)水環(huán)境特征

吳亞楠 李昱蓉 盧霞 孫美萍 盧高麗

摘要：為促進海洋漁業(yè)經濟的健康可持續(xù)發(fā)展，文章以連云港高公島附近的紫菜養(yǎng)殖區(qū)為研究區(qū)域，利用海洋環(huán)境綜合監(jiān)測浮標實時監(jiān)測水環(huán)境和氣象數據，采用定性和定量相結合的方法，分析紫菜養(yǎng)殖區(qū)海域的水溫、電導率、水壓、溶解氧濃度、pH值、鹽度、葉綠素濃度和濁度等水環(huán)境因子的統(tǒng)計和變化特征及其相關性，在此基礎上分析氣象條件對水環(huán)境因子的影響。研究結果表明：研究區(qū)域的水溫和鹽度適宜紫菜養(yǎng)殖，濁度屬于強變異性;水溫和電導率整體呈逐漸升高的趨勢，溶解氧濃度和pH值呈逐漸降低的趨勢，其他水環(huán)境因子呈波動狀態(tài);水壓的變化與氣壓具有一致性，水體未受到溶解氧和酸堿污染;水溫與電導率之間存在較強的正相關性，水溫與溶解氧濃度和pH值之間存在較強的負相關性，pH值與葉綠素濃度和鹽度之間存在較強的正相關性;氣象條件對水環(huán)境因子存在一定的影響，海上大風導致水體濁度陡增。

關鍵詞：紫菜養(yǎng)殖;浮標;海水環(huán)境;海洋氣象;海洋監(jiān)測

Abstract：In order to promote the healthy and sustainable development of marine fishery economy，this paper took the porphyra aquaculture area near Gaogong Island of Lianyungang as the research area，used the comprehensive monitoring buoy of marine environment to monitor the water environment and meteorological data in real time.By using the method of qualitative and quantitative analysis，the statistical and changing characteristics of water environmental factors such as water temperature，conductivity，water pressure，dissolved oxygen concentration，pH，salinity，chlorophyll concentration and turbidity in the porphyra aquaculture area and their correlation were analyzed.On this basis，the influence of meteorological conditions on water environmental factors was analyzed.The results showed that the water temperature and salinity in the study area were suitable for porphyra aquaculture.The turbidity was strongly variable; the overall water temperature and conductivity were gradually increasing，the dissolved oxygen concentration and pH were gradually decreasing，and other water environmental factors were fluctuating.The change of water pressure was consistent with that of air pressure，and the water body was not polluted by dissolved oxygen and acid and alkali.There was a strong positive correlation between water temperature and conductivity，a strong negative correlation between water temperature and dissolved oxygen concentration and pH，and a strong positive correlation between pH and chlorophyll concentration and salinity.Meteorological conditions had a certain impact on water environment factors.The sea gale caused the water turbidity to increase sharply.

Key words：Porphyra aquaculture，Buoy，Seawater environment，Marine meteorology，Marine monitoring

0 引言

海洋環(huán)境監(jiān)測是了解海洋環(huán)境質量的重要手段，對于海洋環(huán)境保護和海洋資源開發(fā)具有重要意義。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法須利用測量船實地進行海水采樣再進行分析，而區(qū)別于傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，海洋浮標具有自動、長期和連續(xù)收集海洋環(huán)境資料的能力，且不受惡劣環(huán)境的影響，在無法實施人工監(jiān)測時仍能有效工作[1-2]。海洋浮標技術始于20世紀40年代末至50年代初[3]，國內外學者已利用海洋浮標進行一系列的研究，證明其可操作性和穩(wěn)定性。Schmidt等[4]設計適用于近岸水產養(yǎng)殖場和海濱浴場的低成本監(jiān)測浮標，用來監(jiān)測近岸海水的物理、化學和生物環(huán)境變化，從而探討近岸水產養(yǎng)殖的環(huán)境變化特征;戴洪磊等[5]概述截至2014年我國黃海、渤海、東海和南海海域以及極地海域布設海洋浮標的情況，包括浮標的用途、種類和海洋環(huán)境監(jiān)測參數等信息;陳旭陽等[6]利用海洋監(jiān)測浮標研究赤潮發(fā)生前后實時監(jiān)測數據的變化，為赤潮預警提供科學參考;李天深等[7]利用海洋浮標數據探討水華發(fā)生前后水環(huán)境因子的變化。

目前利用海洋浮標研究紫菜養(yǎng)殖區(qū)水環(huán)境變化特征的相關文獻較少，現有文獻大多采用傳統(tǒng)手段獲取數據，難以實現實時在線監(jiān)測的目標，給環(huán)境監(jiān)測和評價帶來一定的局限性。殷小琴等[8]采用傳統(tǒng)采樣方法對2014—2016年江蘇如東紫菜增養(yǎng)殖區(qū)的水質監(jiān)測數據進行分析和評價，研究結果表明水體溫度、鹽度和pH值適合紫菜生長，但因石油類和砷含量逐年增加，活性磷酸鹽含量超出一類海水水質標準，水質開始被污染;張曉昱等[9]利用傳統(tǒng)方法對連島附近紫菜養(yǎng)殖區(qū)的海水環(huán)境質量進行評價，研究結果表明2012—2016年海域環(huán)境質量逐漸改善，適宜繼續(xù)養(yǎng)殖紫菜，且紫菜可吸收和利用水體中的無機氮和磷酸鹽，可對海洋環(huán)境進行原位生物修復。

本研究以連云港高公島附近的紫菜養(yǎng)殖區(qū)為研究區(qū)域，通過海洋環(huán)境綜合監(jiān)測浮標獲取實時監(jiān)測的水環(huán)境和氣象數據，利用定性和定量相結合的方法，分析紫菜養(yǎng)殖區(qū)水環(huán)境因子的統(tǒng)計和變化特征及其相關性，在此基礎上分析氣象條件對水環(huán)境因子的影響。基于浮標的近海紫菜養(yǎng)殖區(qū)水環(huán)境動態(tài)監(jiān)測有利于海洋管理部門和養(yǎng)殖戶掌握紫菜養(yǎng)殖區(qū)水環(huán)境和氣象數據的實時變化情況，促進海洋漁業(yè)經濟的健康可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)域和數據

1.1 研究區(qū)域

連云港位于南、北氣候交界區(qū)域，氣候適宜，降雨豐沛，年降雨量為850～1 080 mm，年平均氣壓為1 025.2 hPa，受波浪、臺風和海霧的影響較小。連云港近岸海域位于老黃河三角洲北側，是在海洋動力下侵蝕而形成的半封閉海域，即海州灣。海州灣面積約為876.39 km2，主要功能包括港口運輸、捕撈養(yǎng)殖和旅游觀光[10]。連云港近岸水質受航道運輸、陸源排污和海水養(yǎng)殖等的影響，主要污染物為重金屬和石油類[11-12]。

本研究的具體區(qū)域位于連云港高公島附近海域的紫菜養(yǎng)殖區(qū)。高公島是連云港重要的紫菜養(yǎng)殖基地之一：2017年高公島紫菜產業(yè)園的紫菜養(yǎng)殖面積達1萬hm2，鮮菜產量達10萬t;紫菜交易所場內成交11.4億張，成交額近8億元[13]。

1.2 數據獲取和處理

2019年3月14日，在連云港連云區(qū)高公島附近的紫菜養(yǎng)殖區(qū)投放HNF 1.5-Ⅱ監(jiān)測浮標，投放位置為34°43′20.88″N、119°30′37.40″E。浮標搭載德國Lufft氣象傳感器（Lufft WS 500-UMB）和美國海鳥水質多參數儀（Sea-Bird Coastal Hydro CAT-EP），實時監(jiān)測紫菜養(yǎng)殖區(qū)的氣象和水環(huán)境，每30 min記錄1組數據，并通過移動衛(wèi)星通信RGPS傳輸到監(jiān)控中心。本研究主要選擇2019年3月15日0時至4月15日23時30分的監(jiān)測數據，開展水環(huán)境因子的變化特征分析。其中，水環(huán)境數據主要包括水溫、電導率、水壓、溶解氧濃度、pH值、鹽度、葉綠素濃度和濁度，氣象數據主要包括氣壓、溫度、濕度和風速。

采用SPSS 23.0軟件對水環(huán)境因子（水溫、電導率、水壓、溶解氧濃度、pH值、鹽度、葉綠素濃度和濁度）進行統(tǒng)計分析，獲取水環(huán)境因子的統(tǒng)計信息;進行Pearson相關系數的雙側檢驗分析，確定水環(huán)境因子之間的相互作用機制;利用Excel軟件制圖，分析水環(huán)境因子的變化特征[14]。

2 水環(huán)境因子特征

2.1 統(tǒng)計特征

研究區(qū)域紫菜養(yǎng)殖區(qū)水環(huán)境因子的數據統(tǒng)計如表1所示。

紫菜養(yǎng)殖區(qū)的水溫為8.40℃～15.73℃，平均值為11.43℃;鹽度為28.68～29.81，平均值為29.44，標準差為0.19，變化總體不明顯。商兆堂等[15]的研究結果表明，江蘇沿海養(yǎng)殖條斑紫菜放苗的適宜水溫為12℃～17℃（16℃左右最適宜），大藻體生長發(fā)育的適宜水溫為3℃～5℃，成葉期生長發(fā)育的適宜水溫為3℃～8℃，最后收割的水溫不宜超過20℃。條斑紫菜的適鹽范圍較廣，在鹽度為13～33的海水中均能生長[16]。因此，從水溫和鹽度的條件看，該海區(qū)適宜養(yǎng)殖條斑紫菜。

紫菜養(yǎng)殖區(qū)的電導率為31.25～37.30 mS/cm，平均值為33.77 mS/cm;水壓為2.20～5.60 kPa，平均值為4.20 kPa，標準差為0.60 kPa，變化較小;濁度為6.95～459.76 NTV，平均值為34.71 NTV，標準差為47.68 NTV，變化較大，存在不穩(wěn)定性;葉綠素濃度為0.58～5.89 μg/L，平均值為1.57 μg/L;溶解氧濃度為7.94～10.03 mg/L，平均值為9.02 mg/L，均超過一類海水水質標準（6 mg/L）[17]，但不會對紫菜的生長產生明顯影響;pH值為8.56～8.73，平均值為8.64，標準差為0.03，變化較小，通常pH值為7.8～8.5較適合紫菜生長，該海區(qū)的pH值略高[8]。

綜上所述，該紫菜養(yǎng)殖區(qū)的水壓、溶解氧濃度、pH值和鹽度的變化較小，較為穩(wěn)定;濁度的變化最大，可能是受大風浪的影響，導致流速改變或海底泥沙上浮，從而影響海水的濁度。

變異系數為數據的標準差與平均值的比值，用來定量分析水環(huán)境因子的波動程度，可較為客觀地反映不同量綱的水環(huán)境因子之間的相對重要程度[18]。連云港近海紫菜養(yǎng)殖區(qū)的水環(huán)境因子的變異系數由小到大依次為pH值、鹽度、電導率、溶解氧濃度、水溫、水壓、葉綠素濃度、濁度。其中，pH值、鹽度、電導率和溶解氧濃度屬于弱變異性（變異系數<10%），水溫、水壓和葉綠素濃度屬于中等變異性（10%≤變異系數≤100%），濁度屬于強變異性（變異系數>100%）。

2.2 變化特征

2.2.1 水溫和電導率

紫菜養(yǎng)殖區(qū)水溫和電導率的變化特征如圖1所示。

由圖1可以看出：水溫基本隨當時當地氣溫的升降而波動，整體呈現逐漸升高的趨勢，且均在20℃以下，適宜紫菜的最后收割;電導率的變化趨勢與水溫基本相同，整體呈現逐漸升高的趨勢，同時驗證電導率與水溫具有正相關性。

在日變化曲線中，水溫通常呈現“一峰一谷”型，最高值出現在12：00—15：00，最低值則出現在日出前后。

2.2.2 水壓

紫菜養(yǎng)殖區(qū)水壓和氣壓的變化特征如圖2所示。

由圖2可以看出，水壓的變化與氣壓具有一致性。大氣氣壓隨大氣高度的變化而變化，通常陰天的大氣濕度大、密度小，氣壓比晴天低，研究期內天氣保持階段性穩(wěn)定的狀態(tài)。水壓的日變化約為3 kPa，變化較小，對紫菜生長的影響不大。

2.2.3 溶解氧濃度

溶解氧濃度與海-氣交換、水溫、鹽度、氧的生化循環(huán)、生物活動、有機質濃度及其降解率有關，是評價海水環(huán)境質量的重要指標。紫菜養(yǎng)殖區(qū)溶解氧濃度的變化特征如圖3所示。

由圖3可以看出，溶解氧濃度有平緩下降的趨勢，這是由于溶解氧濃度與水溫呈負相關關系。由于春季水溫較低，浮游生物的消耗較少，溶解氧濃度始終符合一類海水水質標準。受日照影響，溶解氧濃度的日變化約為0.25 mg/L，波動程度較小。

根據溶解氧的特點，采用內梅羅指數（N.L.Nemerow）評價溶解氧污染指數，計算公式為：

當Pi<0.5時，表明水體未受到該因子污染。根據溶解氧濃度的一類海水水質標準（6 mg/L），經計算，紫菜養(yǎng)殖區(qū)的Pi =0.25，因此該海域未受到溶解氧污染。

2.2.4 pH值

紫菜養(yǎng)殖區(qū)pH值的變化特征如圖4所示。

由圖4可以看出，pH值整體呈現下降的趨勢，且日變化的幅度不明顯。全球海水表層pH值的平均值約為8.2，變化范圍通常為7.3～8.5。研究區(qū)域的pH值為8.56～8.73，略高于全球海水表層的平均值，表明紫菜養(yǎng)殖可能對海水酸堿度有一定的影響。

2.2.5 葉綠素濃度

紫菜養(yǎng)殖區(qū)葉綠素濃度的變化特征如圖5所示。

由圖5可以看出，葉綠素濃度在3月17—20日逐漸升高，于3月20日達到最大值后下降并逐漸平穩(wěn)，于4月9日出現小波峰后逐漸降低，且日變化范圍逐漸減小（0.4～4.0 μg/L）。在紫菜的收成期，隨著紫菜的成熟，海水的葉綠素濃度基本趨于穩(wěn)定。葉綠素濃度逐漸降低表明紫菜養(yǎng)殖可增加海水中浮游生物的生物量。

2.2.6 濁度

濁度是表征水體中懸浮物濃度的指標，是重要的水質參數之一。紫菜養(yǎng)殖區(qū)濁度的變化特征如圖6所示。

由圖6可以看出，水體濁度除4月9日和10日出現較大波動外，其余時段均保持穩(wěn)定，約有75%的值低于平均值34.71 NTV。水體濁度的陡增很可能是由于海水中泥沙含量增加。

2.2.7 鹽度

海水中含有多種鹽類，鹽度是海水含鹽量的標度，許多海洋現象和過程都與鹽度的變化和分布有關。鹽度間接影響生物的代謝活動和滲透壓，因此鹽度不宜過高或過低，保持穩(wěn)定為宜。紫菜養(yǎng)殖區(qū)鹽度的變化特征如圖7所示。

由圖7可以看出，鹽度的波動較穩(wěn)定，約有33%時間的日變化較大，但變化范圍也在1.0之內。鹽度在近岸受潮流影響較大的區(qū)域通常呈現潮流周期的變化[19]。

2.3 水環(huán)境因子之間的相關性

紫菜養(yǎng)殖區(qū)的水溫、電導率、水壓、溶解氧濃度、pH值、葉綠素濃度、濁度和鹽度之間的相關性分析結果如表2所示。

由表2可以看出：水溫與電導率之間存在較強的正相關性，相關系數達0.987，表明海水的電導率隨水溫升高而升高的變化比較明顯;水溫與溶解氧濃度和pH值之間存在較強的負相關性，相關系數分別為-0.837和-0.716，表明隨著水溫的升高，海洋生物的呼吸作用會消耗氧氣和釋放大量二氧化碳，從而降低溶解氧濃度和pH值;溶解氧濃度與pH值之間存在較強的正相關性，相關系數為0.816;pH值與葉綠素濃度和鹽度之間存在較強的正相關性，相關系數分別為0.527和0.432，這是由于鹽度直接影響海水酸堿度，葉綠素濃度也直接反應海水中浮游植物的生物量和動態(tài)變化[20]。

2.4 氣象條件對水環(huán)境因子的影響

除水環(huán)境條件適宜外，氣象條件也是影響紫菜養(yǎng)殖的重要因素，主要包括氣溫、大風、降雨和霧[21]。

利用搭載在海洋環(huán)境綜合監(jiān)測浮標上的Lufft氣象傳感器，在研究期內獲取氣象數據。研究區(qū)域氣溫的平均值為11.595℃，與水溫的平均值11.430℃相差0.165℃。過大或過小的降雨量不僅影響海水鹽度的變化，而且會成為紫菜病變的誘發(fā)因子[22];研究區(qū)域降雨量的平均值為14.272 mm，鹽度的變化也較穩(wěn)定，因此降雨量沒有影響海水鹽度的變化，適合紫菜收成。連云港地區(qū)的大霧天氣較少，且3-4月為紫菜的收成期，大霧對紫菜生長及其品質的影響較小。

研究區(qū)域風速的平均值為0.5 m/s，最大值為1.3 m/s，最小值為0.1 m/s。風浪會造成海底淤泥攪動，導致海水中懸浮物含量增加，從而影響海水濁度的變化[23]。紫菜養(yǎng)殖區(qū)風速和濁度的變化特征如圖8所示。

圖8 風速和濁度的變化

由圖8可以看出，濁度與風速的變化趨勢相近，且風速存在2個峰值，濁度在對應時段也存在2個峰值，表明大風天氣對海水濁度的影響很大。經查閱氣象資料，2個峰值時段的海上大風約為7級。

3 結語

本研究利用海洋環(huán)境綜合監(jiān)測浮標，獲取連云港高公島附近紫菜養(yǎng)殖區(qū)的水環(huán)境和氣象數據，分析水環(huán)境因子的統(tǒng)計和變化特征及其相關性，并分析氣象條件對水環(huán)境因子的影響。連云港高公島附近紫菜養(yǎng)殖區(qū)的水溫和鹽度適宜紫菜養(yǎng)殖;水溫和電導率整體呈逐漸升高的趨勢，溶解氧濃度和pH值呈逐漸降低的趨勢，其他水環(huán)境因子呈波動狀態(tài);氣象條件對水環(huán)境因子存在一定的影響，海上大風使海水中的懸浮物含量增加，導致水體濁度陡增。

參考文獻

[1] 趙聰蛟，周燕.國內海洋浮標監(jiān)測系統(tǒng)研究概況[J].海洋開發(fā)與管理，2013，30（11）：13-18.

[2] 趙聰蛟，何志強，周燕.浙江省海洋水質監(jiān)測浮標設計與實現[J].海洋技術學報，2015，34（5）：37-42.

[3] MALONE T C.The coastal module of the Global Ocean Observing System（GOOS）：an assessment of current capabilities to detect change[J].Marine Policy，2003，27（4）：295-302.

[4] SCHMIDT W，RAYMOND D，PARISH D，et al.Design and operation of a low-cost and compact autonomous buoy system for use in coastal aquaculture and water quality monitoring[J].Aquacultural Engineering，2018，80：28-36.

[5] 戴洪磊，牟乃夏，王春玉，等.我國海洋浮標發(fā)展現狀及趨勢[J].氣象水文海洋儀器，2014，31（2）：118-121.

[6] 陳旭陽，劉保良.海洋在線監(jiān)測浮標在赤潮監(jiān)測中的應用研究[J].熱帶海洋學報，2018，37（5）：20-24.

[7] 李天深，藍文陸.基于近岸海域自動監(jiān)測浮標的水華發(fā)生過程分析[J].海洋通報，2016，35（2）：201-208.

[8] 殷小琴，張靜波，李冰.江蘇如東紫菜增養(yǎng)殖區(qū)水環(huán)境質量評價[J].海洋開發(fā)與管理，2017，34（7）：85-88.

[9] 張曉昱，袁廣旺，毛成責，等.江蘇重點紫菜增養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境質量狀況評價[J].淮海工學院學報（自然科學版），2017，26（4）：78-83.

[10] 田慧娟，劉吉堂，王維志.連云港近海域浮游動物種類組成及其多樣性[J].淮海工學院學報（自然科學版），2009，18（4）：73-76.

[11] 張云峰，周夢佳，劉玉卿.江蘇省近岸海域水環(huán)境因子現狀評價研究[J].環(huán)境科學與管理，2018，43（12）：171-175.

[12] 王敏，張晴，周德山，等.連云港近岸海域水質狀況初步調查與評價[J].淮海工學院學報（自然科學版），2011，20（4）：50-53.

[13] 連云港市連云區(qū)統(tǒng)計局.2017年連云港市連云區(qū)國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報[Z].2018.

[14] 杜強，賈麗艷.SPSS統(tǒng)計分析：從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[15] 商兆堂，蔣名淑，濮梅娟.江蘇紫菜養(yǎng)殖概況和氣候適宜性分析[J].安徽農業(yè)科學，2008（13）：5315-5319.

[16] 陳聚法，趙俊，過鋒，等.條斑紫菜對膠州灣濕地淺海富營養(yǎng)化狀況的生物修復效果[J].漁業(yè)科學進展，2012，33（1）：93-101.

[17] 國家環(huán)境保護局.海水水質標準：GB 3097—1997[S].北京：中國標準出版社，1997.

[18] 孫欽幫，高范，王陽，等.廣東紅海灣海域表層水環(huán)境中重金屬含量特征及污染評價[J].海洋環(huán)境科學，2018，37（5）：685-690，698.

[19] 李鳳岐.海洋與環(huán)境概論[M].北京：海洋出版社，2013.

[20] 吳奇麗，張坤，陳歡，等.華陽河湖群葉綠素a濃度的季節(jié)動態(tài)和空間分布[J].水生態(tài)學雜志，2019，40（2）：66-72.

[21] 陳松春，王行松.紫菜養(yǎng)殖與氣象條件的關系[J].南方農業(yè)，2012，6（8）：37-38.

[22] 陸林營，吳彩彬，林秀芳.福鼎壇紫菜養(yǎng)殖氣象條件分析[J].現代農業(yè)科學，2009，16（5）：86-88.

[23] 陳飛，張耀存，姜有山，等.連云港海區(qū)養(yǎng)殖優(yōu)質條斑紫菜原因研究[J].氣象科學，2005（5）：5534-5542.