遼東灣仿刺參養(yǎng)殖池塘底質(zhì)環(huán)境季節(jié)變化

王 擺，陳 仲，關曉燕，姜 北，高 杉，蔣經(jīng)偉，李 楠，周遵春

( 遼寧省海洋水產(chǎn)科學研究院，遼寧省海洋環(huán)境監(jiān)測總站，遼寧省海洋生物資源與生態(tài)學重點實驗室，遼寧 大連 116023 )

遼東灣仿刺參養(yǎng)殖池塘底質(zhì)環(huán)境季節(jié)變化

王 擺，陳 仲，關曉燕，姜 北，高 杉，蔣經(jīng)偉，李 楠，周遵春

( 遼寧省海洋水產(chǎn)科學研究院，遼寧省海洋環(huán)境監(jiān)測總站，遼寧省海洋生物資源與生態(tài)學重點實驗室，遼寧 大連 116023 )

2013年夏季、秋季和2014年冬季、春季采集遼東灣底充氧和未充氧的仿刺參養(yǎng)殖池塘沉積物樣品，2014年春季采集仿刺參發(fā)病池塘沉積物樣品，分別檢測了-5～0 cm、-10～-5 cm、-15～-10 cm 3個層面沉積物的溫度、硫化物含量、pH、氧化還原電位，同時監(jiān)測各池塘表、底層海水溫度、鹽度、溶解氧、pH、氧化還原電位，探討兩種池塘沉積物底質(zhì)環(huán)境的季節(jié)變化規(guī)律及春季仿刺參發(fā)病池塘與兩種未發(fā)病池塘沉積物4個指標的變化規(guī)律。結果發(fā)現(xiàn)，底充氧池塘和未充氧池塘沉積物均呈弱堿性和還原性，兩種池塘不同深度沉積物硫化物含量、pH、氧化還原電位的季節(jié)變化差異顯著，其中，底充氧池塘沉積物各季節(jié)硫化物含量顯著低于未充氧池塘；池塘沉積物的氧化還原環(huán)境與底層海水理化環(huán)境存在相關性。與未發(fā)病池塘相比，春季發(fā)病池塘沉積物呈弱酸性，氧化還原環(huán)境為弱還原特性，硫化物含量顯著高于未發(fā)病池塘。上述結果為仿刺參池塘生態(tài)健康養(yǎng)殖和科學管理提供參考。

仿刺參養(yǎng)殖池塘；沉積物；氧化還原環(huán)境；硫化物含量；季節(jié)變化

池塘的生態(tài)環(huán)境直接影響仿刺參(Apostichopusjaponicus)的產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟效益。有關仿刺參池塘生物生態(tài)學研究多集中于池塘水質(zhì)、營養(yǎng)鹽、細菌、病毒、底棲硅藻、初級生產(chǎn)力的季節(jié)或周年變化等方面[1-8]。仿刺參池塘養(yǎng)殖過程中有機顆粒、細菌、浮游動植物殘骸隨著顆粒懸浮物沉降[9]，使池塘底泥不斷增厚，積累大量的代謝產(chǎn)物，導致池塘底質(zhì)惡化，引起仿刺參生長緩慢、病害爆發(fā)和死亡率升高，已成為制約仿刺參池塘健康養(yǎng)殖的重要環(huán)境因素之一[10]。仿刺參攝食底泥中的硅藻、細菌、有機碎屑[4]，底棲環(huán)境直接影響其攝食、生長、發(fā)育及健康狀況[10-12]。而海水養(yǎng)殖同樣可以改變底棲環(huán)境，貝類養(yǎng)殖活動極大影響沉積物中硫化物含量[13]。在底棲環(huán)境諸多理化指標中，沉積物的氧化還原環(huán)境、硫化物含量是反應底棲環(huán)境質(zhì)量的重要指標[14-16]。沉積物的氧化還原特性可以影響污染物的存在形式和降解速度以及真菌和微生物的呼吸速率[17-18]。筆者選擇遼東灣底充氧和未充氧兩種仿刺參池塘研究其沉積物氧化還原環(huán)境、硫化物含量的季節(jié)變化規(guī)律，對比分析春季化冰后仿刺參發(fā)病和未發(fā)病池塘沉積物底質(zhì)環(huán)境，旨在為仿刺參池塘健康養(yǎng)殖和科學管理提供基礎數(shù)據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

選擇的仿刺參池塘位于遼東灣灣頂濱海潮上帶，該地區(qū)屬溫帶季風大陸性氣候，年平均氣溫8.0～8.7 ℃，年平均降水量637.6 mm，無霜期160～180 d，年日照時間為2700 h，結冰期年均60 d，全年風向隨季節(jié)變化顯著，冬季盛行北風，夏季盛行南風。

試驗池塘3口：1口(1#)安裝底充氧設施，在夏季、秋季、冬季和春季進行底充氧，1口(2#)未充氧，1口(3#)于2014年春季仿刺參發(fā)病。

1.2 樣品采集與指標檢測

2013年8、11月，2014年1月、4月，用柱狀采泥器采集底充氧池塘(1#)和未充氧池塘(2#)的沉積物樣品，取樣深度為-15 cm，5 cm分層，切取-5～0 cm、-10～-5 cm、-15～-10 cm樣品，采用土壤原位測量儀(Spectrum IQ150)現(xiàn)場測量各層沉積物樣品的溫度(精度0.1 ℃)、pH(精度0.01)、氧化還原電位(精度0.1 mV)，儀器每次使用前用標準的pH緩沖液和電導液進行校正。池塘表、底層海水的鹽度、溫度、pH、溶解氧和氧化還原電位采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(YSI Professional plus，美國YSI)現(xiàn)場測量，儀器使用前用標準的pH緩沖液和電導液進行校準，溶解氧探頭測量前校準。沉積物的硫化物含量采用海洋監(jiān)測規(guī)范(GB 17378.5—2007)[19]中規(guī)定的碘量法測量。檢測春季化冰后仿刺參發(fā)病池塘(3#)沉積物的溫度、硫化物含量、pH、氧化還原電位，及表、底層海水的鹽度、溫度、pH、溶解氧和氧化還原電位。

1.3 沉積物氧化還原環(huán)境

參照文獻[20]中沉積物的氧化還原電位與氧化還原環(huán)境關系，判定池塘沉積物的氧化還原環(huán)境。

表1 沉積物的氧化還原電位與沉積物氧化還原特性及控制元素的關系

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SSPS 13.0分析仿刺參池塘沉積物和底層海水的理化參數(shù)的相關性，P<0.05為顯著相關，P<0.01為極顯著相關；用單因素方差分析檢驗底充氧池塘與未充氧池塘沉積物各指標間的差異，P<0.05為差異顯著，P<0.01為差異極顯著；用Origin 7.5軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 未發(fā)病池塘沉積物溫度、硫化物含量、pH、氧化還原電位季節(jié)變化

底充氧池塘沉積物硫化物含量為24.5～53.8 mg/kg，pH為7.28～8.44，氧化還原電位為-93.8～-13.0 mV，溫度為0.3～25.1 ℃；未充氧池塘沉積物硫化物含量為53.3～93.8 mg/kg，pH為6.90～8.28，氧化還原電位為-89.6～-7.5 mV，溫度為0.0～25.0 ℃(表2)。

對比分析發(fā)現(xiàn)，底充氧和未充氧兩種池塘沉積物溫度季節(jié)變化無顯著差異。各季節(jié)未充氧池塘-15～0 cm沉積物中硫化物含量顯著高于底充氧池塘，兩種池塘沉積物硫化物含量季節(jié)變化規(guī)律一致，各季節(jié)硫化物含量為：夏季>秋季>春季>冬季。兩種池塘-5～0 cm沉積物的pH、氧化還原電位季節(jié)變化差異顯著：春季、夏季、冬季底充氧池塘沉積物的pH高于未充氧池塘，而秋季則相反；春季、夏季底充氧池塘-5～0 cm沉積物氧化還原電位低于未充氧池塘，秋季、冬季則相反。兩種池塘-10～-5 cm沉積物pH、氧化還原電位季節(jié)變化規(guī)律相似，各季節(jié)底充氧池塘沉積物pH高于未充氧池塘，兩種池塘沉積物pH季節(jié)均為：夏季>秋季>冬季>春季，各季節(jié)氧化還原電位為：春季>秋季>夏季>冬季，各季節(jié)底充氧池塘沉積物氧化還原電位低于未充氧池塘。春季和冬季底充氧池塘-15～-10 cm沉積物pH、氧化還原電位略高于未充氧池塘，但差異不顯著；夏季底充氧池塘沉積物pH低于未充氧池塘，而氧化還原電位則相反，秋季兩種池塘-15～-10 cm沉積物pH、氧化還原電位變化趨勢與夏季相反(圖1)。

2.2 春季化冰后仿刺參發(fā)病與未發(fā)病池塘沉積物溫度、pH、氧化還原電位、硫化物含量的比較

春季化冰后，3種仿刺參池塘海水均出現(xiàn)溫度、鹽度分層現(xiàn)象，底層海水溫度和鹽度均高于表層(表2)。春季化冰后仿刺參發(fā)病池塘沉積物硫化物含量為83.4～122.3 mg/kg，顯著高于底充氧池塘和未充氧池塘；發(fā)病池塘沉積物pH為6.47～6.92，呈弱酸性，隨著取樣深度增加pH升高，未發(fā)病池塘沉積物呈弱堿性，pH為7.10～7.46；發(fā)病池塘沉積物氧化還原電位為4.8～31.2 mV，呈弱還原特性，隨取樣深度增加，氧化還原電位降低，未發(fā)病池塘沉積物氧化還原電位為-26.9～-7.5 mV；發(fā)病池塘-10～-5 cm沉積物溫度顯著高于未發(fā)病池塘。

2.3 池塘沉積物氧化還原環(huán)境與表、底層海水環(huán)境之間相關性分析

相關性分析表明，仿刺參池塘-5～0 cm、-10～-5 cm沉積物的pH與氧化還原電位之間呈顯著負相關；-5～0 cm、-10～-5 cm、-15～-10 cm沉積物的氧化還原電位之間呈顯著正相關。不同取樣深度沉積物硫化物含量與pH之間呈負相關，與氧化還原電位呈正相關。-5～0 cm、-10～-5 cm、-15～-10 cm沉積物溫度與底層海水溫度之間呈極顯著正相關，表明池塘沉積物與底層海水存在的熱量交換。池塘底層海水溫度與溶解氧、氧化還原電位之間呈顯著負相關；底層溶解氧與底層氧化還原電位呈顯著正相關(表3)。

圖1 底充氧池塘(1#)和未充氧池塘(2#)不同深度沉積物硫化物含量、pH、氧化還原電位的季節(jié)變化

池塘-5～0cm-10～-5cm-15～-10cm底層海水表層海水pHT℃EhmVS2-mg/kgpHT℃EhmVS2-mg/kgpHT℃EhmVS2-mg/kgST℃pHDOmg/LEhmVST℃pHDOmg/LEhmV底充氧春季7.4612.1-26.942.27.4310.7-26.035.57.287.1-13.025.728.2110.49.0612.6894.727.448.99.0513.6089.4夏季8.4425.1-93.853.88.2815.0-75.846.37.747.8-43.329.927.5328.18.593.7376.227.5528.68.654.7177.1秋季7.929.5-52.447.28.077.7-62.737.28.194.8-70.326.624.4510.78.0412.61120.324.211.17.8312.01121.7冬季7.600.7-80.932.37.800.8-85.029.97.40.3-72.824.529.300.68.6915.50177.728.80.48.9714.80171.2未充氧春季7.2012.3-13.061.37.1011.0-7.583.47.297.5-17.363.429.2810.89.0813.36140.327.248.09.0612.83140.7夏季7.6725.0-37.971.57.8415.0-49.693.88.288.0-76.069.728.5728.48.723.8979.028.5829.68.725.2078.8秋季8.099.6-63.864.27.537.5-31.188.67.934.6-51.265.326.5210.88.1210.67113.126.4811.27.7011.60115.7冬季7.400.0-89.653.37.200.6-62.879.76.900.2-77.357.930.33-0.19.1911.52144.730.25-0.69.1112.20145.5發(fā)病春季6.4712.331.284.26.8011.712.0122.36.929.64.8104.930.2011.68.9116.13131.827.997.78.8813.82132.7

注：T，溫度；Eh，氧化還原電位；S2-，硫化物含量；S，鹽度；DO，溶解氧.

圖2 仿刺參發(fā)病池塘(3#)和底充氧池塘(1#)、未充氧池塘(2#)沉積物溫度、pH、氧化還原電位和硫化物含量的變化

項目pH1T1Eh1S2-1pH2T2Eh2S2-2pH3T3Eh3S2-3S底T底pH底DO底Eh底pH11.000T10.2971.000Eh1-0.790**0.1701.000S2-1-0.4370.4370.624*1.000pH20.878**0.385-0.664*-0.4771.000T20.0780.950**0.4350.5370.1581.000Eh2-0.707*0.1080.902**0.688*-0.796**0.3841.000S2-2-0.5990.1700.5700.942**-0.662*0.2690.687*1.000pH30.684*0.515-0.257-0.0270.754**0.371-0.365-0.2151.000T3-0.2060.800**0.689*0.646-0.1200.943**0.638*0.4070.1561.000Eh3-0.5520.1930.760*0.398-0.585*0.4590.826**0.323-0.4940.687*1.000S2-3-0.652*0.1180.648*0.930**-0.710*0.2420.727*0.989**-0.2780.4160.3891.000S底-0.667*-0.2070.2430.238-0.657*-0.1700.2740.437-0.775*-0.0620.2650.4701.000T底0.3810.990**0.0680.4160.4710.902**0.0010.1510.589**0.723*0.0670.091-0.2541.000pH底-0.607*-0.1270.2610.067-0.605*-0.0510.2970.217-0.770**0.0390.3590.2330.874**-0.2081.000DO底-0.657*-0.774**0.420-0.152-0.620*-0.5610.3830.011-0.596*-0.2730.3620.1250.230-0.832**0.1741.000Eh底-0.440-0.868**-0.011-0.299-0.414-0.813**-0.041-0.046-0.524-0.647*-0.1010.0310.373-0.868**0.1880.800**1.000

3 討 論

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，遼東灣仿刺參池塘底質(zhì)環(huán)境具有顯著的季節(jié)特性，沉積物溫度為0.0～25.1 ℃；沉積物的pH為6.90～8.44；池塘沉積物氧化還原電位為-93.8～-7.5 mV，沉積物的氧化還原特性為錳鐵、硫系控制的還原環(huán)境[20]；各季節(jié)沉積物硫化物含量依次為夏季>秋季>春季>冬季。相關分析發(fā)現(xiàn)，池塘沉積物的硫化物含量與pH之間呈負相關關系。海洋環(huán)境中硫化物主要以S2-、HS-、H2S形式存在，其生物毒性最大的H2S比例與pH特性有關，pH為9時，約有99%的硫化物是HS-狀態(tài)，pH為7時，HS-、H2S各占50%，pH為5時99%的硫化物以H2S形式存在[21]。對比分析發(fā)現(xiàn)：春、夏、冬季底充氧池塘-5～0 cm沉積物pH高于未充氧池塘，各季節(jié)底充氧池塘-10～-5 cm沉積物pH均高于未充氧池塘；底充氧池塘沉積物硫化物含量季節(jié)變動為24.5～53.8 mg/kg，顯著低于未充氧池塘的53.3～93.8 mg/kg。表明底充氧池塘沉積物硫化物含量和硫化物存在形式優(yōu)于未充氧池塘。遼東灣兩種仿刺參池塘沉積物硫化物含量遠低于萊州仿刺參精養(yǎng)池塘表層沉積物硫化物含量(47.66～496.12 mg/kg)[22]，可能與仿刺參養(yǎng)殖中投喂有關[13]。

我國北方仿刺參池塘冬季冰期約2～3個月，春季化冰時，池塘表、底層海水出現(xiàn)鹽度分層和溫度分層，阻斷溶解氧交換，往往是池塘仿刺參發(fā)病高峰期。池塘養(yǎng)殖仿刺參的健康可能與水質(zhì)、浮游病毒、微生物等多種因素相關[1-3, 5-6, 23]。對比發(fā)現(xiàn)，春季仿刺參發(fā)病池塘的沉積物硫化物含量顯著高于未發(fā)病池塘，發(fā)病池塘沉積物pH為偏酸性，且呈弱還原特性。這種狀態(tài)下，沉積物和底層水中硫化物50%以上以H2S形式存在，H2S具有強烈的生物毒性，減弱仿刺參抗病力，損害神經(jīng)活動，直接造成仿刺參中毒死亡；另一方面消耗水中溶解氧，容易導致仿刺參缺氧[21]。池塘沉積物硫化物含量升高，pH降低，導致硫化物主要以H2S形式存在，可能是池塘仿刺參春季發(fā)病的誘因之一。

沉積物的氧化還原特性與沉積物溫度、pH、硫化物含量、有機碳含量及底層海水溶解氧、溫度、pH等理化指標有關[14-15, 20]，相關分析發(fā)現(xiàn)，遼東灣仿刺參池塘沉積物的溫度、pH、氧化還原電位與底層海水的溫度、溶解氧、氧化還原電位、pH及鹽度季節(jié)變化具有顯著的相關性。這與遼東灣表層沉積物氧化還原電位與底層海水pH、溶解氧顯著相關性[14]結果一致。De Jonge等[24-25]將上覆水溶解氧由40%提至90%，54 d后沉積物中酸可揮發(fā)性硫化物含量顯著降低了70%。相關性分析發(fā)現(xiàn)，遼東灣仿刺參池塘-5～0 cm沉積物硫化物含量與底層海水溶解氧存在一定的負相關性，表明底充氧改善了仿刺參池塘底質(zhì)環(huán)境。此外，仿刺參池塘沉積物的氧化還原特性與細菌群落結構存在一定關系[22]。為深入闡明仿刺參池塘沉積物氧化還原特性季節(jié)變化的成因及危害，需進一步研究沉積物菌落結構變化和沉積物—水界面硫化物通量的關系。

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SeasonalEnvironmentChangesinSedimentsofSeaCucumberAquaculturePondsinLiaodongBay

WANG Bai, CHEN Zhong, GUAN Xiaoyan, JIANG Bei, GAO Shan,JIANG Jingwei, LI Nan, ZHOU Zunchun

( Liaoning Marine Environmental Monitoring General Station, Liaoning Key Laboratory of Marine Biological Resources and Ecology, Liaoning Ocean and Fisheries Science Research Institute, Dalian 116023, China )

The oxygenated (OBP) and unoxygenated (UOP) at bottom, the temperature, sulfide content, pH and Eh at three layers (-5～0 cm, -10～-5 cm, -15～-10 cm) of the sediment were detected in summer, autumn, in 2013, and winter, spring in 2014, meanwhile the temperature, salinity, DO, pH, Eh of the sea surface and bottom water in the pond were detected to study the seasonal benthic environment changes of sea cucumberApostichopusjaponicusaquaculture ponds. The temperature, sulfide content, pH and Eh of sediment were compared between the pond without diseases (PO) and pond with diseases (PD) during ice melted period. The results showed that there were significantly change in values of pH, and reducibile oxidation-reduction potential,and in sulfide content in different layers in different seasons in the sediments in both OBP and UOP. The sulfide content of the OBP sediment were significant lower than that in the UOP at the different seasons. There was correlationship between the oxidation-reduction environment of sediment and the physic-chemical environment of bottom sea water. Compared to the PO, the pH of PD sediment was weakly acidic, the oxidation-reductionenvironment of the PD sediment was weak reduction features, and the sulfide content of the PD sediment was significantly higher during ice melted period. The findings provide basic data for ecological health cultivation and scientific management of sea cucumber aquaculture.

sea cucumber aquaculture pond; sediment; oxidation-reduction environment; sulfide content; seasonal change

10.16378/j.cnki.1003-1111.2016.06.001

S967.4

A

1003-1111(2016)06-0607-06

2016-03-21；

2016-05-11.

國家海洋局海洋公益項目(201305001-5)；遼寧省科學技術計劃項目(2015103044)；遼寧省海洋與漁業(yè)廳項目(201301).

王擺(1981—)，男，副研究員,博士；研究方向：海洋生態(tài)學. E-mail: wangbai1980@hotmail.com. 通訊作者：周遵春(1967—)，男，研究員；研究方向：海洋生物學. E-mail: zunchunz@hotmail.com.