基于浮標監測的連云港近海紫菜養殖區水環境特征

吳亞楠 李昱蓉 盧霞 孫美萍 盧高麗

摘要：為促進海洋漁業經濟的健康可持續發展，文章以連云港高公島附近的紫菜養殖區為研究區域，利用海洋環境綜合監測浮標實時監測水環境和氣象數據，采用定性和定量相結合的方法，分析紫菜養殖區海域的水溫、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境因子的統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境因子的影響。研究結果表明：研究區域的水溫和鹽度適宜紫菜養殖，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，其他水環境因子呈波動狀態;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：紫菜養殖;浮標;海水環境;海洋氣象;海洋監測

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

海洋環境監測是了解海洋環境質量的重要手段，對于海洋環境保護和海洋資源開發具有重要意義。傳統的監測方法須利用測量船實地進行海水采樣再進行分析，而區別于傳統的監測方法，海洋浮標具有自動、長期和連續收集海洋環境資料的能力，且不受惡劣環境的影響，在無法實施人工監測時仍能有效工作[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定性。Schmidt等[4]設計適用于近岸水產養殖場和海濱浴場的低成本監測浮標，用來監測近岸海水的物理、化學和生物環境變化，從而探討近岸水產養殖的環境變化特征;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、種類和海洋環境監測參數等信息;陳旭陽等[6]利用海洋監測浮標研究赤潮發生前后實時監測數據的變化，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生前后水環境因子的變化。

目前利用海洋浮標研究紫菜養殖區水環境變化特征的相關文獻較少，現有文獻大多采用傳統手段獲取數據，難以實現實時在線監測的目標，給環境監測和評價帶來一定的局限性。殷小琴等[8]采用傳統采樣方法對2014—2016年江蘇如東紫菜增養殖區的水質監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]利用傳統方法對連島附近紫菜養殖區的海水環境質量進行評價，研究結果表明2012—2016年海域環境質量逐漸改善，適宜繼續養殖紫菜，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殖區為研究區域，通過海洋環境綜合監測浮標獲取實時監測的水環境和氣象數據，利用定性和定量相結合的方法，分析紫菜養殖區水環境因子的統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境因子的影響?；诟说慕Ｗ喜损B殖區水環境動態監測有利于海洋管理部門和養殖戶掌握紫菜養殖區水環境和氣象數據的實時變化情況，促進海洋漁業經濟的健康可持續發展。

1 研究區域和數據

1.1 研究區域

連云港位于南、北氣候交界區域，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]。

本研究的具體區域位于連云港高公島附近海域的紫菜養殖區。高公島是連云港重要的紫菜養殖基地之一：2017年高公島紫菜產業園的紫菜養殖面積達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，在連云港連云區高公島附近的紫菜養殖區投放HNF 1.5-Ⅱ監測浮標，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），實時監測紫菜養殖區的氣象和水環境，每30 min記錄1組數據，并通過移動衛星通信RGPS傳輸到監控中心。本研究主要選擇2019年3月15日0時至4月15日23時30分的監測數據，開展水環境因子的變化特征分析。其中，水環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）進行統計分析，獲取水環境因子的統計信息;進行Pearson相關系數的雙側檢驗分析，確定水環境因子之間的相互作用機制;利用Excel軟件制圖，分析水環境因子的變化特征[14]。

2 水環境因子特征

2.1 統計特征

研究區域紫菜養殖區水環境因子的數據統計如表1所示。

紫菜養殖區的水溫為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），大藻體生長發育的適宜水溫為3℃～5℃，成葉期生長發育的適宜水溫為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，該海區適宜養殖條斑紫菜。

紫菜養殖區的電導率為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，該海區的pH值略高[8]。

綜上所述，該紫菜養殖區的水壓、溶解氧濃度、pH值和鹽度的變化較小，較為穩定;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，用來定量分析水環境因子的波動程度，可較為客觀地反映不同量綱的水環境因子之間的相對重要程度[18]。連云港近海紫菜養殖區的水環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

紫菜養殖區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

紫菜養殖區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定的狀態。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、生物活動、有機質濃度及其降解率有關，是評價海水環境質量的重要指標。紫菜養殖區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，紫菜養殖區的Pi =0.25，因此該海域未受到溶解氧污染。

2.2.4 pH值

紫菜養殖區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

紫菜養殖區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，于4月9日出現小波峰后逐漸降低，且日變化范圍逐漸減?。?.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定。葉綠素濃度逐漸降低表明紫菜養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。紫菜養殖區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，保持穩定為宜。紫菜養殖區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域通常呈現潮流周期的變化[19]。

2.3 水環境因子之間的相關性

紫菜養殖區的水溫、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變化[20]。

2.4 氣象條件對水環境因子的影響

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

利用搭載在海洋環境綜合監測浮標上的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因子[22];研究區域降雨量的平均值為14.272 mm，鹽度的變化也較穩定，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]。紫菜養殖區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

本研究利用海洋環境綜合監測浮標，獲取連云港高公島附近紫菜養殖區的水環境和氣象數據，分析水環境因子的統計和變化特征及其相關性，并分析氣象條件對水環境因子的影響。連云港高公島附近紫菜養殖區的水溫和鹽度適宜紫菜養殖;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，其他水環境因子呈波動狀態;氣象條件對水環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。

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