萊州灣扇貝養殖區表層沉積物質量評價

楊俊麗，吳 雪，李希磊，崔龍波

( 煙臺大學 生命科學學院，山東 煙臺 264005 )

萊州灣位于渤海南部，山東半島西北部，面積69 000 km2，是黃、渤海漁業生物的主要產卵場、棲息地和傳統漁場[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、工業化和農業的快速發展，導致大量陸源污染物輸入萊州灣，再加上扇貝養殖過程中產生的自我污染，使得萊州灣扇貝養殖區的環境污染問題日益突出[2]。沉積物作為氮、磷、碳等生源要素重要的“源”與“匯”，沉積物內源的釋放對污染水體的修復具有一定的抑制作用，從而使環境污染問題進一步惡化[3]，因此，對沉積物中氮、磷、碳等生源要素的研究具有重要意義。此外，異養細菌作為海洋生態環境的重要分解者，其含量的變化對海洋生態環境的物質循環起著重要作用。弧菌(Vibrio)作為扇貝、魚、蝦等海洋生物的主要致病菌之一，同樣也是海洋(特別是養殖區)生態環境研究不可缺少的一部分。而近年來，對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]，對總磷、總氮、總有機碳以及硫化物等指標研究較少，特別是對該海域養殖區表層沉積物的研究較少。筆者根據萊州灣扇貝養殖區的養殖狀況，選擇扇貝養殖傳統地區萊州市和招遠市的4個養殖區，對其表層沉積物pH、氧化還原電位、硫化物、總磷、總氮、總有機碳以及細菌(弧菌和異養細菌)等8個指標進行了檢測，分析了不同養殖區各檢測指標的異同、月際變化規律以及各指標間的相互關系，并采用有機污染指數法和內梅羅環境質量綜合評價法對其進行了評價，以期為扇貝健康養殖提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 采樣時間與地點

2015年4—11月，每月中旬采樣一次，采樣地點位于萊州灣東側的4個傳統扇貝養殖區(筏式養殖)，分別命名為1#、2#、3#、4#(圖1)，每個養殖區設置4個平行采樣點。1#～4#養殖區平均水深分別為10～12 m、7.5～9 m、7～8 m和12 m，1#養殖區的底質為泥沙底，其余為泥質底。

1.2 樣品采集與分析

使用Ekman-Binge/Lenz采泥器(德國HYDRO-BIOS公司)采集表層0～2 cm的沉積物，現場用美國奧立龍便攜式分析儀(520M-01A)測定pH及氧化還原電位；取適量沉積物于玻璃瓶中，用于測定總磷、總氮、總有機碳；取適量沉積物于充氮氣采樣袋中，用于測定硫化物；用滅菌的不銹鋼小勺采集沉積物于無菌采樣袋中，用于測定異養細菌和弧菌。

圖1 沉積物采樣點位置

按照《海洋監測規范》[6]規定的方法進行試驗操作與分析。其中總磷的測定采用高氯酸—硫酸消解法(HClO4-H2SO4法)，總氮的測定采用凱氏定氮法，總有機碳的測定采用重鉻酸鉀氧化—還原容量法，硫化物的測定采用亞甲基藍分光光度法，異養細菌和弧菌的計數采用平板計數法，其采用的培養基分別為2116E海洋細菌培養基和硫代硫酸鹽檸檬酸鹽膽鹽蔗糖瓊脂選擇培養基。

1.3 評價方法

采用有機污染指數法[7]來衡量扇貝養殖區表層沉積物是否遭受有機污染：

A=MTOC×MON

MON=MTN×95%

式中，A為有機污染指數，MTOC為有機碳的質量分數，MON為有機氮的質量分數，MTN為總氮的質量分數。

評價標準見表1。

表1 沉積物有機指數評價標準

注：括號內為所屬的環境質量類型.

目前，國內外對海洋沉積物環境評價尚缺乏統一的標準。本研究采用內梅羅環境質量綜合評價指數[8]對養殖區表層沉積物進行評價(表2)：

式中，P為內梅羅綜合指數，Pmax為參數中最大的污染指數，Pi為某污染因子的污染指數，Ci為某污染因子的實測含量，Ci0為某污染因子的評價標準(總氮和總磷的Ci0分別選用550、600 mg/kg[9]；總有機碳和硫化物的Ci0采用一類海洋沉積物標準，分別為2.0%和300 mg/kg)。

表2 扇貝養殖生態環境質量分級標準

2 結果與分析

2.1 萊州灣扇貝養殖區沉積物各種指標的含量及其變化

2.1.1 pH和氧化還原電位

4—11月1#～4#養殖區表層沉積物的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Chien[10]的判定標準，4個養殖區的底泥均處于高度還原態。其中1#養殖區表層沉積物的pH和氧化還原電位明顯高于其他3個養殖區，且變化幅度較大。

2.1.2 總氮、總磷和總有機碳

4—11月1#～4#養殖區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)，均表現出明顯的季節差異性，其中8月和9月含量最高，為0.605～0.897 mg/g。此外，2#養殖區總氮含量的變化幅度較其他3個養殖區略小，該養殖區為貝參混養，而其他3個養殖區只養殖了扇貝，刺參的養殖或許會對貝類養殖的排泄物具有一定吸收作用。相比總氮的變化，總磷無明顯的季節差異性，但養殖區之間差異較大，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個養殖區沉積物中總有機碳變化分別為0.029%～0.201%、0.079%～0.445%、0.085%～0.264%和0.054%～0.530%(圖6)，呈現隨著月份逐漸增加的趨勢，但不明顯。

圖2 pH月份變化趨勢

圖3 氧化還原電位月份變化趨勢

圖4 總氮月份變化趨勢

圖5 總磷月份變化趨勢

2.1.3 硫化物

4—11月1#～4#養殖區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準(300 mg/kg)，適用于海水養殖[11]。除1#養殖區硫化物含量較低且較穩定之外，其他3個養殖區呈現明顯的季節變化，且9月含量最高。

圖6 總有機碳月份變化趨勢

圖7 硫化物月份變化趨勢

2.1.4 異養細菌和弧菌

4—11月1#～4#養殖區表層沉積物中異養細菌數量的變化分別為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(濕質量，圖8)。3#和4#養殖區在4—10月異養細菌的數量與1#、2#養殖區相近且數量較穩定，但到11月數量驟然增加到原來的5～6倍。

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

圖8 異養細菌月份變化趨勢

圖9 弧菌月份變化趨勢

2.2 表層沉積物碳-氮-磷耦合研究

總有機碳與總氮的比值在某種程度上可以反映有機質的來源，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#養殖區總有機碳與總氮的比值表現出明顯的季節差異性，7—9月總有機碳與總氮的比值較小，為1.85～6.33，表明沉積物有機質主要來源于水生生物，而其他月份主要來源于藻類(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、沉積兩種動態過程的綜合反映[12]，總氮與總磷的比值在某種程度上還能反映海洋的富營養化狀態。由表3可見，1#～4#養殖區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#養殖區，但與一些發生富營養化養殖區的總氮與總磷的比值(數值)相比，仍略為偏低，表明這些養殖區營養程度較低，赤潮發生的可能性也較低。

表3 沉積物的總有機碳/總氮和總氮/總磷

2.3 表層沉積物有機污染評價

采用有機污染指數法對4個扇貝養殖區表層沉積物有機污染狀況進行評價(表4)，根據沉積物有機指數評價標準(表1)和表4中的數據作出判斷：(1)4個養殖區中表層沉積物的有機污染指數均低于0.05，均屬于標準Ⅰ級，處于清潔狀態；(2)相比有機指數來說，有機氮污染值得注意，除了4月、5月和6月處于清潔狀態之外，4個養殖區在其他月均表現出不同程度的有機氮干擾，其中8月和9月最嚴重，盡管尚未達到有機污染水平；4個養殖區受有機氮的污染程度依次為1#>4#>3#>2#。

表4 萊州灣扇貝養殖區沉積物有機污染評價

2.4 表層沉積物綜合質量評價

采用內梅羅環境質量綜合評價指數法對萊州灣扇貝養殖區表層沉積物進行評價，其各評價因子污染指數和表層沉積物綜合質量指數見表5。由表5可知，1#～4#養殖區表層沉積物中的硫化物、總有機碳和總磷在4—11月的標準指數均<1，符合一類沉積物質量標準，表明這4個養殖區沉積物未受到這3種評價因子的污染。然而4個養殖區沉積物中的總氮污染狀況不容樂觀，如1#養殖區在7—9月、2#養殖區在8—10月以及3#和4#養殖區在8月和9月總氮的標準指數均>1，表明這4個養殖區在這些月中受到總氮不同程度的污染。不同扇貝養殖區在同一時間以及同一養殖區在不同時間的沉積物綜合質量差異較明顯，其中4—6月綜合質量較好，大部分為1級，處于良好水平，而7—10月大部分處于3～4級，達到輕度污染甚至中度污染水平。總體來看，萊州灣扇貝養殖區表層沉積物質量基本上符合扇貝養殖環境Ⅰ類區或Ⅱ類區的要求(表2)，適合用于扇貝養殖。然而，要注意7—10月對這些養殖區的保護，特別注意氮元素的輸入。

表5 萊州灣扇貝養殖區表層沉積物各評價因子污染指數和綜合質量指數

3 討 論

3.1 扇貝養殖區沉積物pH和氧化還原電位的特點

pH和氧化還原電位是反映沉積物環境良好與否的重要指標，它們直接影響著沉積物(及孔隙水)中元素的地球化學行為、自生礦物的形成和轉化以及成巖作用進程等[13]。本研究表明，萊州灣不同扇貝養殖區的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，且1#養殖區表層沉積物的pH和氧化還原電位明顯高于其他3個養殖區，且變化幅度較大，說明pH和氧化還原電位的大小與底質類型有關。相比青島及周邊海區[14]，萊州灣扇貝養殖區的電位值總體表現較低。劉冉等[15]對仿刺參(Apostichopusjaponicus)池塘的研究表明，底泥長期處于還原化狀態，會促進還原性細菌的生長，加速水中氧氣的消耗，增加還原性物質的積累，轉而進一步降低底泥氧化還原電位，形成惡性循環，影響仿刺參的生長。本研究區域為淺海筏式扇貝養殖區，扇貝生長在離海底較遠水層，加之海洋比池塘的流通性大，且自身具有調節功能，所以扇貝的生長受氧化還原電位的影響較小。

3.2 扇貝養殖區沉積物總氮、總磷和總有機碳的特點

海洋沉積物是營養物質積累和間歇性再生的重要場所，沉積物營養物質中總氮、總磷和總有機碳可通過與上覆水間的相互作用實現在沉積物—海水之間的轉換，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養化程度[6]。本研究結果表明，4個養殖區表層沉積物中總氮、總磷和總有機碳含量在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，具有明顯的季節性，主要可能與該時期浮游生物繁殖與消亡旺盛、氮的釋放增加有關，總磷整體變化不大，而總有機碳呈逐漸增加趨勢，可能與扇貝養殖過程中產生的生物沉淀有著密切的關系。相比天津環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，總有機碳為(0.24±0.17)%][17]相當。

3.3 扇貝養殖區沉積物硫化物的特點

硫化物含量的高低是衡量海洋底質環境優劣的一項重要指標。在厭氧環境及硫酸鹽還原菌的作用下，會加速沉積物中硫化物的生成，同時產生大量的硫化氫，而硫化氫的溶解又會進一步消耗海水中的溶解氧，使環境更加惡化，進而直接或間接影響扇貝的生存和生長[18]。有研究表明，當硫化物含量達到400～1500 mg/kg時，耗氧速率達到最大，而大于1700 mg/kg，沉積物環境基本處于無生物狀態[19]。本試驗結果表明，4個養殖區表層沉積物中硫化物的含量變化為1.66～184.11 mg/kg，1#養殖區含量較其他3個養殖區穩定，說明硫化物含量受底質類型的影響，另外2#～4#養殖區在8月和9月含量較高，而此時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，與楊慶宵等[11]的研究較一致。

3.4 扇貝養殖區沉積物異養細菌和弧菌的特點

異養細菌能分解有機質，對海洋沉積物的礦化以及水域環境的改善起著至關重要的作用，其含量的多少在一定程度上可以反映海洋環境的污染程度。弧菌是魚類、扇貝等海洋生物的條件性致病菌，對我國扇貝養殖造成了巨大的損失。本研究結果表明，4個養殖區表層沉積物中異養細菌和弧菌數量變化分別為3.0×102～8.2×104cfu/g(濕質量)和0.5×103～7.9×103cfu/g(濕質量)，明顯低于象山港大黃魚(Pseudosciaenacrocea)網箱養殖區[21]和粵東深澳灣養殖區[22]的含量，整體處于較低水平，并未對扇貝養殖造成危害，但應注意6月和7月對弧菌數量的監測，防止弧菌的大量繁殖，減少弧菌病產生的幾率。

4 結 論

(1)4個養殖區表層沉積物整體呈中性—弱堿性，屬于高度還原態；硫化物含量波動較大，但均在扇貝養殖環境安全范圍內，其數值的大小受溫度的影響較大；異養細菌和弧菌數量相比其他海域的養殖區，均處于較低水平，對貝類養殖的危害均較小，但應注意6月和7月對弧菌的檢測；總磷和總有機碳的含量均在扇貝養殖安全范圍之內，而總氮在7—10月出現不同程度的超標現象，應特別注意扇貝養殖期間對氮元素的輸入。

(2)有機污染評價表明，4個養殖區中表層沉積物處于清潔狀態，雖在7—10月受到有機氮沾污，但未達到污染狀態。

(3)表層沉積物綜合質量評價表明，雖然1#和4#養殖區在8月和9月達到中度污染水平，但總體均符合貝類養殖環境1類區或2類區的要求，總體環境質量良好。

[1] 鄧景耀，金顯仕．萊州灣及黃河口水域漁業生物多樣性及其保護研究[J]．動物學研究，2000，21(1)：76-82．

[2] 張龍軍，夏斌，桂祖勝，等．2005年夏季環渤海16條主要入海河流的污染狀況[J]．環境科學，2007，28(11)：2409-2415．

[3] 褚瑤瑤，張艷，崔正國，等．威海近海人工魚礁區沉積環境要素的時空分布與沉積物質量評價[J]．中國農學通報，2016，32(2)：99-105．

[4] 陳江麟, 劉文新, 劉書臻, 等. 渤海表層沉積物重金屬污染評價[J]. 海洋科學, 2004, 28(1)：16-21.

[5] 劉峰, 王海亭, 王德利. 萊州灣濱海濕地沉積物重金屬的空間分布[J]. 海洋科學進展, 2004, 22(4)：486-492.

[6] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局．GB 17378—2007，海洋監測規范[S]．北京：中國標準出版社，2007．

[7] 易文利．渭河寶雞段表層沉積物營養鹽分布特征及污染評價[J]．河南科學，2014，32(4)：616-619．

[8] 崔力拓．河北省海域扇貝養殖區生態環境質量評價研究[J]．安徽農業科學，2011，39(10)：6004-6006，6010.

[9] 第二次全國海洋污染基線調查領導小組辦公室. 第二次全國海洋污染基線調查技術規程[M]．北京：海洋出版社，1997．

[10] Chien Y H. Study on the sediment chemistry of tiger prawn, kuruma prawn, and red tail prawn ponds in I-Lan Hsien[J]. Council of Agriculture Fisheries Series, 1989(6):257-275.

[11] 國家質量監督檢驗檢疫總局．GB 18668—2002，海洋沉積物質量[S]．北京：中國標準出版社，2002.

[12] 楊麗原，土曉軍，劉恩峰．南四湖表層沉積物營養元素分布特征[J]．海洋湖沼通報，2007(2)：40-44.

[13] 中國科學院地球化學研究所．高等地球化學[M]．北京：科學出版社，1998：300-301．

[14] 王江濤，齊紅菊，李寧，等．青島及周邊海區沉積物的氧化還原環境[J]．中國海洋大學學報：自然科學版，2009，39(增刊)：184-188．

[15] 劉冉，吳雪，王琛，等．3種仿刺參養殖池塘底質特性的研究[J]．水產科學，2017，36(1):29-35．

[16] 李任偉, 李原. 渤海沿岸環境沉積調查：As、重金屬、氮和磷污染[J]. 沉積學報, 2008, 26(1):128-138.

[17] 張明亮, 姜美潔, 付翔, 等. 萊州灣沉積物有機質來源[J]. 海洋與湖泊, 2014, 45(4):741-746.

[18] 陳皓文．海洋硫酸鹽還原菌及其活動的經濟重要性[J]．黃渤海海洋，1998，16(4):64-74.

[19] 肖蘭芳．中國南海資源的開發及存在問題[M]．廣州：廣東經濟出版社，1998:451-461.

[20] 楊慶宵，蔣岳文，張昕陽．蝦塘殘餌腐解對養殖環境影響的研究[J]．海洋環境科學，1999，18(3):11-15．

[21] 廖紅芳，鄭忠明，馮堅，等．象山港大黃魚(Pseudosciaenacrocea)網箱養殖區及鄰近海域沉積物中異養細菌生態分布[J]．海洋與湖沼，2014，45(6)：1308-1316．

[22] 杜虹，黃顯兵，鄭兵，等．粵東深澳灣養殖區域異養細菌和弧菌的動態分布[J]．熱帶海洋學報，2010，29(6)：110-117．