煙臺四十里灣海域養馬島貝類養殖區水質監測與評價

劉瀾鼎，王 偉，梅耀杰，劉合葉，崔龍波

(煙臺大學生命科學學院，山東 煙臺 264005)

養馬島貝類養殖區系黃渤海重要的漁業生物養殖場之一，位于煙臺四十里灣海域，面積約86.7 km2，水深在15 m以內，多在8～10 m之間，浮游植物密度較高，沿岸有逛蕩河、馬家河、辛安河和小魚鳥河等眾多河流匯入，營養物質豐富[1]。與其他海灣相比，煙臺四十里灣海域的水體交換能力差，其貝類養殖受營養鹽等成分的影響較大。

煙臺四十里灣海域的水產養殖面積約為53.3 km2，以海灣扇貝(Argopectenirradians)、櫛孔扇貝(Azumapectenfarreri)和蝦夷扇貝(Mizuhopectenyessoensis)為主。海灣扇貝原產于美國大西洋沿岸，引入我國后主要在山東、遼寧等沿岸海域進行大規模養殖[2]，櫛孔扇貝主要集中在15 m水深的海域[3]；蝦夷扇貝是目前經濟價值較高的冷水性品種，養殖規模已從剛引入時的4×104hm2增至當前的8.7×104hm2，均為我國北方沿海重要的海水經濟養殖品種[4]。作為海水中重要的營養鹽，無機氮和活性磷酸鹽系浮游生物生長與繁殖的必要物質，適當的含量和比例能穩定海洋生態，但含量變化異常，則可能引發赤潮或降低藻密度，進而影響貝類生長。隨著沿岸工業和養殖業的發展，富含營養鹽的水體流入養馬島海域，同時海洋貝類養殖也使營養鹽負荷增加，海洋生態環境壓力增大，因此養殖區營養鹽等水質的變化越來越引起人們的關注[5]。一般而言，溶解氧和化學需氧量系衡量水質變化的兩個重要因素，直接或間接影響貝類的生長。同時，水溫和pH會隨著季節改變而變化，也是水質評價中的重要評價因素。

本文對2017—2019年煙臺四十里灣海域養馬島貝類養殖區的海水溶解氧、化學需氧量、營養鹽、水溫和pH等參數進行監測與分析，旨在為養馬島貝類養殖的可持續發展提供一定的科學參考。

1 材料和方法

1.1 水樣采集時間和地點

根據貝類養殖周期(5月扇貝苗入海，11月收獲)，分別于2017—2019年的5月至11月每月中旬，在山東養馬島貝類養殖區進行水樣采集。在該海域設置M1、M2和M3共3個站位(站位具體分布見圖1)，并在每個站位各設立4個平行位點。其中M1、M2和M3均為扇貝和牡蠣混合養殖的方式，M1養殖面積為33.3 hm2，M2養殖面積為20.0 hm2，M3養殖面積為46.7 hm2。水樣使用有機玻璃采水器進行采集。

1.2 檢測成分及方法

1.3 水質評價

1.3.1 單因素分析

1)功能區劃

以國家海水水質標準為參照(表1)，根據養馬島貝類養殖區2017—2019年溶解氧、化學需氧量、無機氮和活性磷酸鹽的含量，對水質進行評估。

表1 海水水質標準[6]

2)內梅羅單因子指數分析

內梅羅單因子指數法是目前使用較為廣泛的一種水質評價方法，可以簡潔明了地確定主要污染物及污染程度，以污染指數(Pi)表示，其公式為：

其中，Pi—某污染因子的污染指數；

Ci—某污染因子的實際測量含量；

Ci0—某污染因子的評價標準(海水水質二類標準)。

根據內梅羅評價指數(Pi)的大小，各因素的污染程度分為5級，見表2。

表2 根據單因子指數水質等級分類標準

1.3.2 有機污染評價指數(A)法

有機污染評價指數(A)法根據溶解氧、化學需氧量、無機氮和活性磷酸鹽四項指標的污染指數來判斷水質，綜合考慮了海水的有機污染和無機污染指標，能反映海水水質的整體狀況[6]。

有機污染指數(A)法公式為：

A=COD/COD0+DIN/DIN0+DIP/DIP0-DO/DO0

其中，COD—化學需氧量實測濃度(mg·L-1)；COD0—化學需氧量評價標準，為3.0 mg·L-1；DIN—無機氮實測濃度(mg·L-1)；DIN0—無機氮評價標準，為0.10 mg·L-1；DRP—活性磷酸鹽實測濃度(mg·L-1)；DRP0—活性磷酸鹽評價標準，為0.015 mg·L-1；DO—溶解氧實測濃度(mg·L-1)；DO0—溶解氧評價標準，為5.0 mg·L-1。

根據有機污染評價指數(A)的大小，有機污染程度分為6級[7](表3)。

表3 有機污染評價分級標準

1.3.3 潛在富營養化分析

在營養鹽中，無機氮和活性磷酸鹽是制約浮游植物生長的主要因子，所以通常將無機氮和活性磷酸鹽的含量及氮磷比值(N∶P)作為參考標準來劃分海域的營養等級。根據無機氮和活性磷酸鹽的含量將海域分為三級，分別是貧營養、中度營養和富營養；根據氮磷比值(N∶P)大小，劃分為氮限制和磷限制[8]。通過上述分級原則，可將營養化狀況分為9個等級(表4)。

表4 潛在富營養化分級標準

1.3.4 相關性分析

使用SPASS 26.0軟件，分析溶解氧、化學需氧量、亞硝酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、活性磷酸鹽、水溫和pH等指標之間的相關性，并根據相關系數的大小，來判斷各指標之間的相關性。

2 結果與討論

2.1 營養鹽含量變化

山東養馬島貝類養殖區無機氮和活性磷酸鹽濃度變化如圖2所示。2017年無機氮含量在5月、9月和11月相對較高，6月和10月相對較低；活性磷酸鹽的含量在6月和10月較高，5月、8月和11月較低。2018年無機氮和活性磷酸鹽峰值變化的時間與2017年基本相似。2019年無機氮峰值呈明顯的“W”型，含量在5月、9月和11月月較高，6月和10月相對較低。同2017年一致；活性磷酸鹽含量的最大值相對提前，在6月、9月和11月含量較高，最小值則相對延后，5月、8月和10月含量相對較低。三年來的檢測結果表明，養馬島貝類養殖區在貝類養殖周期內夏季營養鹽含量最低。

海水中無機氮和活性磷酸鹽的含量主要受周邊工農業生產、生活排污、海水養殖、氣沉降以及沉積物-水界面交換[9]等因素的影響。養馬島貝類養殖區5月無機氮含量較高，因為此時以海灣扇貝為主的貝類養殖活動開始進行，貝類作為濾食性動物，可以通過加速環境中生物的沉降，使含營養鹽的顆粒遷移聚集[10]，同時水溫的升高使水中生物的代謝和耗氧增加，但通過反硝化作用消除無機氮含量的百分比不變，為43%[11]，導致無機氮的來源增加但降解去路未變。另外劉喜會等[12]觀察到環流的出現也會導致污染物含量增高，從而促進無機氮含量的升高。7至8月營養鹽含量相對較低，根據盧鈺博等的研究發現，7至8月浮游藻類大量繁殖，Margalef物種豐富度指數達到峰值[13]，由于藻類消耗海水中的營養鹽等物質，從而使營養鹽含量相對較低。之后由于長大的貝類新陳代謝活動的增加和浮游藻類繁殖速度的降低，使營養鹽含量再度升高。

2.2 單因素評價

2.2.1 功能區劃

養馬島貝類養殖區2017—2019年溶解氧、化學耗氧量、無機氮和活性磷酸鹽實測值范圍及平均值如表5所示。三年來溶解氧含量年平均值均在7 mg·L-1以上，且每個月的溶解氧含量均大于6 mg·L-1，符合國家一類海水水質標準。三年來化學需氧量含量年平均值均在2 mg·L-1以下，其中2017年6月、2018年11月和2019年9月的含量在2～3 mg·L-1之間，符合國家一、二類海水水質標準。三年來無機氮含量年平均值均小于0.20 mg·L-1，其中2018年11月和2019年9月含量在0.2～0.3 mg·L-1之間，符合國家一、二類海水水質標準，但2017年5月無機氮含量為0.420 2 mg·L-1，僅符合國家四類海水水質標準。活性磷酸鹽含量2017年和2018年平均值均小于0.015 mg·L-1，符合國家一類海水水質標準，僅2017年9月和10月活性磷酸鹽含量在0.015～0.030 mg·L-1之間，符合國家二(三)類海水水質標準；2019年平均值為0.019 0 mg·L-1，符合國家二(三)類海水水質標準，其中2019年11月為0.044 6 mg·L-1，屬于第四類海水水質標準，其余月份均符合國家一類海水水質標準。總體來說，溶解氧、化學需氧量、無機氮和活性磷酸鹽三年來的平均含量基本符合國家一類海水水質標準。根據標準，符合國家二類海水水質標準就可用于水產養殖[14]，養馬島貝類養殖區的溶解氧、化學需氧量、無機氮和活性磷酸鹽含量均適合貝類養殖。

表5 養馬島貝類養殖區水質各單項指標檢測結果

2.2.2 內梅羅指數分析法

養馬島貝類養殖區2017—2019年內梅羅污染指數見表6。由表6可知，煙臺貝類養殖區三年來的化學需氧量、無機氮和活性磷酸鹽的內梅羅指數均<1，評價為清潔。溶解氧2017年和2019年內梅羅指數在1～2之間，評價為輕污染。

表6 養馬島貝類養殖區內梅羅指數法評價結果

2.3 有機污染評價

養馬島貝類養殖區有機污染指數值見表7。結合表2有機污染評價分級標準，養馬島貝類養殖區2017年7月、2018年5月和6月以及2019年8月和11月，有機污染指數<0，水質評價為良好；2017年8月和10月、2018年11月以及2019年6月、7月、9月和10月有機污染指數在0～1之間，水質評價為較好；2017年5月和9月以及2018年7月、8月和10月有機污染指數在1～2之間，水質評價為開始受到污染；2017年6月有機污染指數在2～3之間，水質評價為輕度污染；2019年5月有機污染指數在3～4之間，水質評價為中度污染，2017年11月有機污染指數>4，水質評價為嚴重污染。

表7 養馬島貝類養殖區有機污染指數

2.4 潛在富營養化分析

2017—2019年5月至11月養馬島貝類養殖區無機氮和活性磷酸鹽的含量、氮磷比值(N∶P)，以及根據潛在富營養化分析方法得到的潛在富營養化等級如表8所示。

表8 養馬島貝類養殖區營養化程度

續表8

富營養化指數是由日本學者岡是有利提出后，我國學者結合中國水域特征并參考我國海水水質標準后而改進的海水營養化程度的分析方法[15]，但在近年來的研究中發現，過剩的氮和磷中有部分是未被浮游植物吸收和利用的，這些氮和磷不應該作為富營養化的參考指標，而只是具有一種潛在性，郭衛東等[8]認為應將未被浮游植物利用的氮和磷作為影響水域富營養化的潛在因素進行評估，因此提出新的評價水體富營養化的方法，即潛在性富營養化。根據潛在性富營養化評價結果表明，養馬島貝類養殖海域2017年評價級別主要為ⅤN(氮中度限制潛在性富營養)，其次是I(貧營養)；2018年評價級別主要為I(貧營養)，其次是II(中度營養)；2019年主要為ⅣN(氮限制中度營養)，該結果顯示三年來該養殖海域主要為氮限制的貧營養化水平，這與前人的研究結果[16-17]一致。

貝類等生物攝食含氮和磷的食物后，又以糞便、尸體分解等形式，將氮和磷以無機氮和活性磷酸鹽的形式溶解在海水中[18]，活性磷酸鹽相較無機氮更容易礦化，所以當無機氮得不到及時補充時，氮限制會更加顯著。因此，在養殖貝類時，要合理規劃養殖的數量，防止無機氮含量不足而影響浮游植物增殖，進而影響貝類的生長和繁殖。

2.5 相關性分析

通過SPASS 26.0分析，養馬島2017—2019年溶解氧、化學需氧量、亞硝酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、活性磷酸鹽、水溫和pH之間的相關性如表9所示。由表9可以看出，養馬島硝酸鹽與銨鹽呈顯著的正相關(P<0.05)；水溫分別與溶解氧、亞硝酸鹽呈極顯著負相關(P<0.01)。

表9 養馬島貝類養殖區環境因子之間相關性分析

3 小結

1)養馬島貝類養殖區2017至2019年的營養鹽含量不斷變化，在貝類養殖周期內，通常是夏季營養鹽含量最低。

2)溶解氧和化學需氧量的每月含量均符合國家一類或二類海水水質標準；無機氮和活性磷酸鹽除各有一個月不符合標準外，其余月份均符合國家一類或二類海水水質標準。

3)養馬島貝類養殖區溶解氧、無機氮和活性磷酸鹽污染評價等級均為清潔，溶解氧2017年和2019年污染等級評價為輕污染。

4)有機污染指數評價分析表明，三年來養馬島貝類養殖海域級別以良好和較好為主。

5)潛在富營養化分析表明，養馬島海域主要為氮限制的貧營養化水平。

6)養殖海域營養鹽濃度受溫度變化影響較明顯，應更加關注季節變化對環境風險的影響。