海水養(yǎng)殖中沉積物污染物的來(lái)源解析與環(huán)境影響評(píng)估

摘要：海水養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致沿海水域沉積物污染日益嚴(yán)重。研究解析海水養(yǎng)殖區(qū)沉積物中的有機(jī)質(zhì)、氮、磷及重金屬等污染物來(lái)源，并評(píng)估其對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境影響。結(jié)果表明，養(yǎng)殖餌料殘留和生物代謝物是主要污染來(lái)源，其次為陸源輸入。污染物累積顯著改變了沉積物理化性質(zhì)，引起底棲生物群落結(jié)構(gòu)變化，并通過食物鏈對(duì)水產(chǎn)品質(zhì)量安全構(gòu)成潛在威脅。研究為海水養(yǎng)殖環(huán)境管理和可持續(xù)發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：海水養(yǎng)殖；沉積物污染；源解析；環(huán)境影響；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

中圖分類號(hào)：X55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）12-0-0350

Source Apportionment and Environmental Impact Assessment of Sediment Pollution in Marine Aquaculture

LIU Wenkui

（Shouzheng （Xiamen） Engineering Technology Co.， Ltd.， Xiamen 361000， China）

Abstract： The rapid development of marine aquaculture has led to increasingly severe sediment pollution in coastal waters. Research and analyze the sources of pollutants such as organic matter， nitrogen， phosphorus， and heavy metals in sediments from marine aquaculture areas， and evaluate their environmental impacts on marine ecosystems. The results indicate that the residues of aquaculture feed and biological metabolites are the main sources of pollution， followed by land-based inputs. The accumulation of pollutants significantly alters the physical and chemical properties of sediments， causing changes in the structure of benthic communities and posing a potential threat to the quality and safety of aquatic products through the food chain. The research provides a scientific basis for the environmental management and sustainable development of marine aquaculture.

Keywords： marine aquaculture; sediment pollution; source apportionment; environmental impact; ecological risk

海水養(yǎng)殖業(yè)是沿海地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，但其快速發(fā)展帶來(lái)了一系列環(huán)境問題，其中沉積物污染尤為突出。養(yǎng)殖過程中，大量未被利用的餌料、養(yǎng)殖生物的代謝物以及各種化學(xué)藥品等進(jìn)入水體，最終沉積在底部，導(dǎo)致沉積物中有機(jī)質(zhì)、氮、磷及重金屬等污染物含量顯著增加。這些污染物的累積不僅改變了沉積物的理化性質(zhì)，還對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重威脅。準(zhǔn)確解析海水養(yǎng)殖區(qū)沉積物污染的來(lái)源，并科學(xué)評(píng)估其環(huán)境影響，對(duì)于制定有效的污染控制策略和確保養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 沉積物污染物特征及來(lái)源解析

1.1 有機(jī)質(zhì)污染特征

海水養(yǎng)殖區(qū)沉積物中的有機(jī)質(zhì)污染主要表現(xiàn)為總有機(jī)碳（Total Organic Carbon，TOC）、生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）和化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD ）等指標(biāo)的顯著升高。研究表明，養(yǎng)殖區(qū)沉積物TOC含量通常比對(duì)照區(qū)高2～5倍，BOD和COD也呈現(xiàn)類似趨勢(shì)[1]。有機(jī)質(zhì)污染程度與養(yǎng)殖密度、養(yǎng)殖時(shí)間呈正相關(guān)。有機(jī)質(zhì)在沉積物中的累積會(huì)加劇厭氧分解，產(chǎn)生硫化物等有毒物質(zhì)，改變沉積物的氧化還原電位。此外，有機(jī)質(zhì)污染會(huì)影響沉積物中其他污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程。

1.2 氮、磷污染特征

海水養(yǎng)殖區(qū)沉積物中的氮、磷污染主要源于未被利用的餌料和養(yǎng)殖生物的排泄物。總氮（Total Nitrogen，TN）和總磷（Total Phosphorus，TP）是評(píng)估氮磷污染的主要指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)殖區(qū)沉積物的TN含量在1.5～4.0 g/kg，TP含量在0.5～1.5 g/kg，均顯著高于對(duì)照區(qū)[2]。氮磷污染呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化，夏季、秋季養(yǎng)殖活動(dòng)頻繁時(shí)污染程度較重。此外，沉積物中的氮磷存在不同形態(tài)，如無(wú)機(jī)氮（銨態(tài)氮、硝態(tài)氮）和有機(jī)氮、活性磷和惰性磷等。這些不同形態(tài)的氮磷具有不同的生物有效性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 重金屬污染特征

海水養(yǎng)殖區(qū)沉積物中的重金屬污染主要包括銅（Cu）、鋅（Zn）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、汞（Hg）等。這些重金屬主要來(lái)源于養(yǎng)殖餌料、防污涂料和水產(chǎn)藥物。研究表明，養(yǎng)殖區(qū)沉積物中的Cu和Zn含量通常比對(duì)照區(qū)高2～10倍，其他重金屬也有不同程度的富集[3]。重金屬污染呈現(xiàn)明顯的空間異質(zhì)性，養(yǎng)殖設(shè)施周圍和網(wǎng)箱下方污染程度較重。沉積物中重金屬的賦存形態(tài)，如可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)直接影響其生物有效性，并具有潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 污染物來(lái)源解析

海水養(yǎng)殖區(qū)沉積物污染物的來(lái)源主要包括內(nèi)源和外源。內(nèi)源污染主要來(lái)自養(yǎng)殖活動(dòng)本身，包括未被利用的餌料殘余、養(yǎng)殖生物的排泄物、死亡生物殘?bào)w以及使用的水產(chǎn)藥物等。外源污染包括陸源輸入（農(nóng)業(yè)面源污染、工業(yè)廢水等）和大氣沉降等。污染物來(lái)源解析通常采用多元統(tǒng)計(jì)分析方法（主成分分析、聚類分析等）和同位素示蹤技術(shù)。在大多數(shù)養(yǎng)殖區(qū)，內(nèi)源污染占主導(dǎo)地位，通常貢獻(xiàn)60%～80%的污染負(fù)荷。不同污染物的來(lái)源貢獻(xiàn)存在差異，如有機(jī)質(zhì)和氮磷主要來(lái)自內(nèi)源，而某些重金屬則主要來(lái)自外源。

2 沉積物污染的環(huán)境影響評(píng)估

2.1 對(duì)沉積物理化性質(zhì)的影響

有機(jī)質(zhì)的大量累積降低了沉積物的容重，增加了含水率和孔隙度。有機(jī)質(zhì)的厭氧分解消耗大量溶解氧，導(dǎo)致沉積物氧化還原電位（Oxidation Reduction Potential，ORP）降低，形成還原環(huán)境。這種還原環(huán)境促進(jìn)了硫酸鹽的還原，產(chǎn)生硫化物。此外，污染物的累積會(huì)改變沉積物的粒度組成，增加細(xì)粒組分的比例。這些變化直接影響了沉積物的吸附解吸特性、營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)和微生物活性。環(huán)境影響評(píng)估中，通常通過測(cè)定沉積物的ORP、TOC、硫化物含量等指標(biāo)來(lái)量化這些影響。沉積物污染前后理化性質(zhì)的變化如圖1所示。可以看出，污染導(dǎo)致沉積物有機(jī)質(zhì)含量和硫化物含量顯著增加，而ORP則明顯降低。這些變化清晰地反映了污染對(duì)沉積物理化性質(zhì)的影響程度。

2.2 對(duì)底棲生物群落的影響

污染導(dǎo)致的溶解氧降低和硫化物增加會(huì)直接影響底棲生物的生存，沉積物污染前后底棲生物群落結(jié)構(gòu)的變化如圖2所示。可以看到，污染導(dǎo)致底棲生物多樣性指數(shù)下降，耐污種比例上升，敏感種數(shù)量減少。有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽的富集會(huì)刺激某些機(jī)會(huì)主義種類的快速增長(zhǎng)，改變?nèi)郝涞膬?yōu)勢(shì)種組成。同時(shí)，重金屬污染會(huì)通過生物累積和生物放大作用影響整個(gè)食物網(wǎng)。這些變化最終導(dǎo)致底棲生物群落的多樣性降低，生物量和豐度的空間分布發(fā)生顯著變化。此外，底棲生物功能群的分析也能反映生態(tài)系統(tǒng)功能的變化。

2.3 對(duì)水產(chǎn)品質(zhì)量安全的潛在影響

沉積物污染對(duì)水產(chǎn)品質(zhì)量安全的潛在影響主要通過食物鏈傳遞和生物累積過程實(shí)現(xiàn)。首先，沉積物中的污染物可被底棲生物吸收，并通過食物鏈傳遞到水產(chǎn)品中。其次，某些底棲魚類和甲殼類直接接觸污染沉積物，會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)污染物含量升高。最后，沉積物在懸浮過程中釋放的污染物也可能被水產(chǎn)品直接吸收。這些過程可能導(dǎo)致水產(chǎn)品中的某些污染物含量超標(biāo)，影響食品安全。環(huán)境影響評(píng)估中，通常采用生物富集因子和生物放大因子來(lái)量化污染物在生物體內(nèi)的累積程度。

2.4 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

海水養(yǎng)殖區(qū)沉積物污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是一個(gè)綜合性的過程，涉及多個(gè)方面。首先，需要確定評(píng)估終點(diǎn)，如關(guān)鍵物種的種群動(dòng)態(tài)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等。其次，通過化學(xué)分析和生物測(cè)試確定污染物的暴露水平和生物有效性。最后，建立污染物濃度與生物效應(yīng)之間的劑量-響應(yīng)關(guān)系。基于這些數(shù)據(jù)，可以采用多種方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)表征，如商值法、三元圖法、概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法等。

3 污染控制與管理建議

3.1 優(yōu)化養(yǎng)殖模式

優(yōu)化養(yǎng)殖模式是減少沉積物污染的關(guān)鍵策略之一。應(yīng)采用多營(yíng)養(yǎng)層次綜合養(yǎng)殖模式，通過合理搭配不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)別的生物，提高養(yǎng)殖系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)效率，減少污染物排放。優(yōu)化養(yǎng)殖密度和布局，通過水動(dòng)力模型模擬確定最佳養(yǎng)殖密度和空間配置，以減少局部污染累積。推廣生態(tài)養(yǎng)殖技術(shù)，如深水網(wǎng)箱和離岸養(yǎng)殖，減少對(duì)近岸生態(tài)系統(tǒng)的影響。最后，實(shí)施輪作休養(yǎng)制度，給予海域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的時(shí)間。

3.2 提高餌料利用效率

提高餌料利用效率是減少養(yǎng)殖環(huán)境污染的有效途徑。優(yōu)化餌料配方，提高餌料的消化吸收率，減少未利用餌料的沉積。改進(jìn)投餌方式，如采用自動(dòng)化精準(zhǔn)投餌系統(tǒng)，根據(jù)養(yǎng)殖生物的生長(zhǎng)階段和環(huán)境條件調(diào)整投餌量和頻率。選育高餌料效率的養(yǎng)殖品種，通過遺傳育種提高養(yǎng)殖生物對(duì)餌料的利用效率。在實(shí)施這些措施的同時(shí)全面監(jiān)測(cè)環(huán)境狀態(tài)，包括動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、沉積物有機(jī)質(zhì)含量、底棲生物群落結(jié)構(gòu)等指標(biāo)。

3.3 采用水質(zhì)凈化與底質(zhì)改良技術(shù)

采用水質(zhì)凈化與底質(zhì)改良技術(shù)是治理養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境污染的重要手段。物理凈化技術(shù)，如底泥疏浚、原位覆蓋等，需評(píng)估其對(duì)底棲生態(tài)系統(tǒng)的短期擾動(dòng)和長(zhǎng)期恢復(fù)效果。化學(xué)改良技術(shù)，如鈣基材料施用、納米材料應(yīng)用等，需評(píng)估其對(duì)水質(zhì)改善效果及潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。生物修復(fù)技術(shù)，如微生物強(qiáng)化、植物修復(fù)等，需評(píng)估其凈化效率和對(duì)本地生態(tài)系統(tǒng)的影響。同時(shí)，建立完善的監(jiān)測(cè)評(píng)估體系，監(jiān)測(cè)相應(yīng)指標(biāo)。

3.4 構(gòu)建環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估體系

構(gòu)建完善的環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估體系是實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖區(qū)污染精細(xì)化管理的基礎(chǔ)。建立多層次、多要素的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，涵蓋水質(zhì)、沉積物、生物等環(huán)境要素，并結(jié)合遙感、原位連續(xù)監(jiān)測(cè)等技術(shù)，提高監(jiān)測(cè)的時(shí)空分辨率。制定標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)測(cè)方法和評(píng)估指標(biāo)體系，確保數(shù)據(jù)的可比性和一致性。建立環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，如采用海洋健康指數(shù)等綜合評(píng)價(jià)方法，全面評(píng)估養(yǎng)殖活動(dòng)對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響。建立信息共享平臺(tái)，促進(jìn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的公開透明和多方利用。

4 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)殖餌料殘留和生物代謝物是沉積物污染的主要來(lái)源，其次為陸源輸入。污染物的累積顯著改變了沉積物的理化性質(zhì)，導(dǎo)致底棲生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并通過食物鏈對(duì)水產(chǎn)品質(zhì)量安全構(gòu)成潛在威脅。基于研究結(jié)果，提出了優(yōu)化養(yǎng)殖模式、提高餌料利用效率、應(yīng)用水質(zhì)凈化與底質(zhì)改良技術(shù)以及構(gòu)建環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估體系等一系列污染控制與管理措施，為海水養(yǎng)殖環(huán)境管理提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：柳文奎（1982—），男，湖北陽(yáng)新人，工程師。研究方向：環(huán)境影響評(píng)價(jià)。