大亞灣深水網箱養殖海域表層沉積物碳、氮、磷分布特征及污染評估*

葛偉宏,王興強,蘇家齊,朱長波

(1.江蘇海洋大學 海洋科學與水產學院,江蘇 連云港 222005; 2.中國水產科學研究院 南海水產研究所,廣東 廣州 510300)

0 引言

海域沉積物是一種完整的信息載體,能夠全面反映海洋生態系統中的生物信息和理化數據,并且能夠捕捉到自然因素和人為因素對環境的影響[1]。此外,海域沉積物中的有機物能夠提供有效的指示信息,對其進行檢測分析可以幫助人們更好地了解當前海域的環境狀況[2]。海域沉積物吸收了大量的有機物,這些物質會在礦化作用的過程中被轉化成無機鹽,然后通過海水與沉積物界面的交換釋放到水體中,參與水體的再循環,成為海域水體重要的環境因素[3]。碳、氮和磷作為沉積物中重要的表征元素,常被用于環境質量的評價[4]。研究海域沉積物中總有機碳(total organic carbon,TOC)、總氮(total nitrogen,TN)和總磷(total phosphorus,TP)的含量及其分布規律,有助于專家學者更好地了解海域水體的生態系統以及水體質量狀況,對于評估海洋初級生產力、有機質來源、有機物污染狀況等具有重要意義[5-6]。

隨著水產養殖技術的發展,網箱養殖逐漸得到大規模應用,由此所造成的污染問題給海洋底質及水環境帶來了極大威脅,也給水產養殖業的持續發展造成了不良影響。為了更好地了解海洋營養鹽的變化趨勢,并且更準確地評價海域的生態環境質量狀況,需要對表層沉積物中的總有機碳(TOC)、總氮(TN)和總磷(TP)進行測定與分析[5]。近年來,大亞灣海域的網箱養殖規模不斷擴大,同時環境問題也受到越來越多的關注。學者們開展了大量的研究,利用沉積物的污染評估來揭示深水網箱養殖對環境的影響[7]。隨著2022年粵港澳流動漁民深海網箱養殖產業園的初步建成,更多的深水網箱投入使用。檢測對應海域沉積物,了解當前模式下水質狀況,可以為大亞灣海域的生態環境保護提供基礎數據。本文通過對2021年到2022年大亞灣深水網箱養殖區的表層沉積物的總有機碳、總氮和總磷的含量與時空分布特征進行研究分析,試圖更清晰地了解大亞灣海域的環境狀況,掌握深水網箱養殖對環境的影響,從而更好地指導大亞灣的網箱養殖并實現科學合理規劃。

1 調查區域與方法

1.1 調查區域

大亞灣(114°29′42″～114°49′42″E,22°31′12″～22°50′00″N),位于廣東省中部、珠江口東側,是一個亞熱帶山地溺谷半封閉型海灣(見圖1)。大亞灣深水網箱主要分布于深圳大鵬澳、惠東圣告島等海域。大鵬澳位于大亞灣西南部,為半封閉型溺谷灣,平均水深約7 m,被列為廣東沿岸二類海水增養殖區。大鵬澳深水網箱養殖區位于大鵬澳灣口處,共有HDPE C43型深水網箱80口,2015年投產使用。深水網箱在南北方向呈三排排列,直徑13 m,網衣深6 m,為圓形雙浮管升降式抗風浪網箱。大鵬澳深水網箱主養品種為卵形鯧鲹(Trachinotusovatus),另有1～2箱黃斑籃子魚(Siganusoramin)和花鱸(Lateolabraxmaculatus),卵形鯧鲹養殖周期為每年5月至11月,黃斑籃子魚為每年10月至次年3月,花鱸全年均有養殖。

圖1 大亞灣深水網箱養殖調查區域Fig.1 Survey area of deep water cage aquaculture in Daya Bay

圣告島位大亞灣東南、惠東縣雙月灣南,其南側1.2 km的小星山島是大亞灣最大島嶼。2020年,廣東省農業農村廳批準惠州創建粵港澳流動漁民深海網箱養殖省級現代農業產業園。網箱養殖產業園圣告島基地位于圣告島西北海域,水深大于15 m,增加了周長60～90 m深水網箱50口,周長40～50 m深水網箱60口,周長150 m寬體休閑網箱2口。至2022年8月,圣告島深水網箱養殖區有1座休閑漁業綜合體驗平臺,以及80余口深水網箱,主要養殖卵形鯧鲹及大黃魚(Larimichthyscrocea)和日本黃姑魚(Argyrosomusjaponicus)等石首魚科魚類。

1.2 采樣位置

在2021年10月和2022年 5月、6月和8月對大鵬澳深水網箱養殖海域進行了表層沉積物采樣調查(2021年12月至2022年4月受新冠疫情影響,無法出海采樣)。采樣海域共設置3個區域,包括網箱區(即養殖區,1,2,3站位)、外圍區(網箱外0.1 km,4,5,6站位)和非養殖區(即對照區,網箱外10～15 km,7,8,9站位)[7]。采樣站位點1～6位置如圖2所示,7～9站位因距離養殖區較遠,未在圖中標注。2022年5月與6月,受新冠疫情影響,采樣船只無法進入未申請水域(對照區),因此2022年5月與6月僅完成養殖區以及外圍區的樣品采集。

圖2 大鵬澳調查站位示意圖Fig.2 Schematic diagram of survey stations in Dapeng Bay

2021年11月和2022年 5月、6月和8月對圣告島-小星山深水網箱海域進行采樣調查(2021年12月至2022年4月受新冠疫情影響,無法出海采樣)。采樣海域共設置3個區域,包括網箱區(即養殖區,1,2,3站位)、外圍區(網箱外0.1 km,4,5,6站位)和非養殖區(即對照區,網箱外10～15 km,7,8,9站位)[7]。采樣站位點1～6如圖3所示,7～9站位因距離養殖區太遠,未在圖中標注。

圖3 圣告島-小星山調查站位示意圖Fig.3 Schematic diagram of the survey stations in Shenggao Island-Xiaoxing Mountain

1.3 檢測方法

沉積物樣品的采集按照《海洋監測規范》(GB 17378—2007),使用采泥器采集表層沉積物。采集的沉積物樣品置于恒溫(60 ℃)下烘干至恒重,然后研磨并過100目篩,保存于干燥器中以備分析[8]。表層沉積物總有機碳含量采用熱導法測定,總氮和總磷含量采用過硫酸鉀氧化法測定[9]。

1.4 研究方法

使用單因子污染指數法(Pi)和內梅羅綜合污染指數法(PN),通過表層沉積物中總有機碳、總氮和總磷含量的檢測,可以準確地評估出調查區域表層沉積物的污染程度。

單因子污染指數計算公式為

(1)

式中:Pi為沉積物中評價因子i的污染指數,Ci為實際測定值,Cs為評價標準值[10-11]。評價標準值為沉積物具有最低級別生態毒性效應時總有機碳、總氮和總磷的質量分數,分別為1%,0.055%和0.06%。

內梅羅綜合污染指數計算公式為

(2)

式中,PN為內梅羅綜合污染指數,Pi即式(1)中的單因子污染指數,Pmax為單因子污染指數中的最大值[10-11]。內梅羅綜合污染指數(PN)與污染程度的對應關系如表1所示。

表1 內梅羅綜合污染指數與污染程度的關系Table 1 Relationship between the Nemero comprehensive pollution index and the degree of pollution

2 結果

2.1 大鵬澳深水網箱海域表層沉積物總有機碳、總氮、總磷的分布特征及生態風險評價

大鵬澳水域深水網箱養殖區、外圍區、對照區表層沉積物總有機碳、總氮、總磷的平均含量見表2。2021年10月大鵬澳海域各區之間沉積物總氮含量無顯著差異(P>0.05),總有機碳、總磷含量在養殖區、外圍區、對照區呈遞減趨勢。養殖區總有機碳含量與外圍區和對照區差異顯著(P<0.05),養殖區與外圍區總磷含量與對照區差異顯著(P<0.05)。2022年5月與6月,養殖區沉積物總有機碳、總磷高于外圍區但無顯著差異(P>0.05)。2022年8月,養殖區、外圍區、對照區表層沉積物總有機碳、總氮、總磷的平均含量無顯著差異(P>0.05)。

表2 大鵬澳深水網箱海域表層沉積物總有機碳、總氮、總磷含量(平均值±標準差)Table 2 Total organic carbon, total nitrogen and total phosphorus content of surface sediment in Dapeng Bay deep water cage sea area (mean±SD)

大鵬澳深水網箱養殖區、外圍區、對照區表層沉積物總有機碳、總氮、總磷的單因子污染指數見圖4。

a 2021年10月

b 2022年5月

c 2022年6月

d 2022年8月圖4 大鵬澳深水網箱海域表層沉積物總有機碳、總氮、總磷單因子指數Fig.4 Single factor index of total organic carbon, total nitrogen, and total phosphorus in surface sediment of Dapeng Bay deep water cage sea area

2022年5月大鵬澳各站位總有機碳單因子污染指數范圍為1.31～1.70,總磷單因子污染指數為1.55～2.83,這表明養殖區和外圍區海域均處于輕度污染狀態。2022年6月大鵬澳各站位總有機碳單因子污染指數范圍為1.20～1.41,總磷單因子污染指數為1.44～2.67,表明養殖區和外圍區均處于污染狀態。2022年8月大鵬澳各站位總氮單因子污染指數范圍為1.58～3.96,總有機碳單因子污染指數范圍為0.58～1.52,總磷單因子污染指數為1.07～2.15,表明調查區域各站位區均處于污染狀態。

大鵬澳海域表層沉積物的內梅羅綜合污染指數及污染程度見表3。

表3 大鵬澳深水網箱海域表層沉積物內梅羅綜合污染指數和污染程度Table 3 Nemero comprehensive pollution index and quality status of surface sediment in Dapeng Bay deep water cage sea area

該海域表層沉積物2022年5月平均梅羅綜合污染指數最低(1.66),為輕度污染,2022年8月最高(2.59),為中度污染,表明海域受網箱養殖周期影響明顯。指數整體表現為養殖巔峰(8月)>養殖末期(10月)>養殖前中期(6月)>養殖初期(5月)。

2.2 圣告島-小星山深水網箱海域表層沉積物總有機碳、總氮、總磷的分布特征及生態風險評價

對大亞灣圣告島-小星山水域深水網箱養殖區、外圍區、對照區表層沉積物進行采樣調查,得到其總有機碳、總氮、總磷的平均含量如表4所示。2021年11月,圣告島-小星山深水網箱海域養殖區、外圍區和對照區表層沉積物總磷含量呈現出遞減的趨勢,但無顯著差異(P>0.05)。2022年5月,在圣告島-小星山水域,深水網箱養殖區的總磷含量高于對照區,但沒有顯著差異(P>0.05)。2022年6月,在圣告島-小星山水域,深水網箱養殖區總氮、總磷的含量高于對照區,但也沒有顯著差異(P>0.05)。2022年8月,對圣告島-小星山水域深水網箱養殖區、外圍區和對照區表層沉積物的采樣調查發現,三個區域的總有機碳、總氮、總磷的平均含量均無顯著差異(P>0.05)。

表4 圣告島-小星山深水網箱海域表層沉積物總有機碳、總氮、總磷含量(平均值±標準差)Table 4 Total organic carbon, total nitrogen, total phosphorus in surface sediment from Shenggao Island-Xiaoxing Mountain deep water cage sea area (mean±SD)

圣告島-小星山水域深水網箱養殖區、外圍區、對照區表層沉積物總有機碳、總氮、總磷的單因子污染指數如圖5所示。2021年11月各調查站位總磷單因子污染指數范圍為1.97～4.07,總氮單因子污染指數范圍為0.07～0.11,總有機碳單因子污染指數范圍為0.07～0.11;2022年5月各站位總磷單因子污染指數范圍為1.33～1.67;2022年6月各站位總磷單因子污染指數范圍為1.36～3.66,總氮單因子污染指數范圍為0.43～2.69。

a 2021年11月

b 2022年5月

c 2022年6月

d 2022年8月圖5 圣告島-小星山深水網箱海域表層沉積物總有機碳、總氮、總磷單因子指數Fig.5 Single factor index of TOC, TN and TP in surface sediment of Shenggao Island-Xiaoxing Mountain deep water cage sea area

圣告島-小星山海域各站位表層沉積物內梅羅綜合污染指數見表5。2021年11月,圣告島-小星山海域內梅羅綜合污染指數為1.65～3.21。其中,7號、8號站位的內梅羅綜合污染指數分別為1.89和1.65,為輕度污染,3號、5號、6號和9號站為中度污染,2號站為重度污染。2022年5月,圣告島-小星山水域內梅羅綜合污染指數為1.05～1.31,表明各站位均處于輕度污染狀態。2022年6月圣告島-小星山海域內梅羅綜合污染指數為1.12～3.06。其中,1號站內梅羅綜合污染指數最高,為重度污染,6號和9號站位其次,分別為2.28和2.18,表明沉積物為中度污染,其他各站為輕度污染。2022年8月,圣告島-小星山水域內梅羅綜合污染指數為1.55～2.24,1～5號站內梅羅綜合污染指數均小于2,為輕度污染,6～9號站為中度污染。

表5 圣告島-小星山深水網箱海域表層沉積物內梅羅綜合污染指數和污染程度Table 5 Nemero comprehensive pollution index and pollution status of surface sediment of Shenggao Island-Xiaoxing Mountain deep water cage sea area

3 討論

3.1 大亞灣表層沉積物中總有機碳、總氮、總磷的綜合污染評價分析

調查發現,大亞灣圣告島-小星山海域2021年11月根據平均綜合污染指數顯示處于中度污染狀態,2022年5月、6月、8月處于輕度污染狀態,其中5月平均綜合污染指數低于6月和8月,這應該與5月養殖強度較弱,且6月、8月和11月隨著魚體的生長攝食投餌逐漸增強有關[12-14]。圣告島-小星山海域表層沉積物中總磷和總氮含量受養殖活動的影響顯著,5月總氮和總磷的含量均為最低。大鵬澳海域2021年10月、2022年6月和2022年8月根據平均綜合污染指數顯示處于中度污染狀態,而2022年5月平均綜合污染指數處于輕度污染狀態,這與圣告島-小星山平均綜合污染指數與時間的關系趨勢一致。

調查海域的內梅羅綜合污染指數總體上春季(5月)底質質量狀況最好,夏季(6月和8月)底質質量狀況次之,秋季(10月和11月)底質質量狀況最差,這應該與春季為養殖初期,夏季為養殖巔峰期,秋季為養殖末期有關[15-16]。在調查期間大鵬澳海域各季度的平均內梅羅綜合污染指數均高于圣告島-小星山海域,這應該是圣告島-小星山海域養殖年限較短,并且距海岸更遠的緣故,表明離岸更遠的海域具有更好的自凈化能力,深水網箱養殖相對于傳統網箱養殖對環境的影響更小。

3.2 大亞灣與國內其他海灣表層沉積物中總有機碳、總氮、總磷的比較

大亞灣與國內其他海灣表層沉積物中總有機碳、總氮、總磷的比較見表6。研究海域表層沉積物總有機碳、總氮、總磷含量分布特征相似,總體上表現為大鵬澳海域略高于圣告島-小星山海域,同時養殖區表層沉積物總氮和總磷含量總體上高于非養殖區。與國內其他海域比較,大亞灣表層沉積物總有機碳、總氮、總磷含量處于較低水平[17-20]。與南澳島養殖海域相比,大亞灣養殖海域總氮含量略低,總有機碳顯著高于南澳島,總磷含量要明顯低于南澳島養殖海域;與柘林灣養殖海域相比,大亞灣養殖海域總氮和總磷含量較低,總有機碳含量數值相近;大亞灣養殖海域總氮和總磷含量遠低于桂山島養殖海域,總有機碳含量略低于桂山島養殖海域[21]。這應該是由于柘林灣養殖區的養殖規模更大、養殖時間更早,而桂山島近岸海域位于人類活動密集、交通航運發達的珠江口區域,這些區域漁業養殖和交通運輸等人類活動強度均高于研究海域[21-22]?？梢?大亞灣深水網箱養殖對于表層沉積物總有機碳、總氮、總磷的含量無明顯影響。

表6 大亞灣與國內其他海域表層沉積物總有機碳、總氮、總磷的含量Table 6 Content of total organic carbon, total nitrogen and total phosphorus in surface sediment of Daya Bay and other domestic sea area

4 總結

通過對大亞灣深水網箱海域接近一個年度的跟蹤監測,探討了深水網箱養殖對表層沉積物中總有機碳、總氮、總磷的影響,最后得出以下結論:在調查期間,大鵬澳海域各季度的平均內梅羅綜合污染指數均高于圣告島-小星山海域,且均為養殖前初期(5月)低于養殖期(6月和8月)和養殖末期(10月和11月),這和養殖投食量逐漸增加有關。綜上可得,圣告島-小星山深水網箱養殖海域水質環境優于大鵬澳,這得益于圣告島-小星山離岸更遠,水體更廣闊,水動力強,養殖年份更短。