桑溝灣長牡蠣生物沉積物對環境底質影響的同位素證據

任黎華 , 張繼紅 牛亞麗 張義濤 , 李加琦 , 張明亮

(1. 中國水產科學研究院 黃海水產研究所 農業部海洋漁業資源可持續利用重點實驗室, 山東 青島 266071;2. 昆山市水產技術推廣站, 江蘇 昆山 215300; 3. 山東省海洋資源與環境研究院 山東省海洋生態修復重點實驗室, 山東 煙臺 264006)

近幾十年來, 隨著水產養殖事業的迅速發展,其所帶來的環境影響也逐步受到人們的關注。以漁場對養殖區底質的影響為例, 越來越多的科研人員對漁場養殖產生的有機廢物帶來的影響進行了相關研究, 如海水魚類養殖造成的污染的生物影響[1-3],有機物與營養物質的富集[4]對初級生產力以及食物網的影響[5-8], 還有對水質及底質的影響[9-14]。大量的研究證據均表明, 集約化養殖的殘餌和糞便等養殖廢物, 均對養殖環境造成了影響。

與漁場養殖相比, 貝類養殖同樣存在著相似問題。多數的筏式養殖貝類雖然不需要人工投喂餌料,但其高密度養殖大大加速了海水水體中的有機物質向海底輸送的速度[15-17]。濾食性貝類耦合了養殖海區水體與海底生態系統的關系[18-19], 大量的生物性沉積物(包括糞便和假糞)會對養殖區底質產生影響。最近的研究主要集中在貽貝、牡蠣等主要養殖種類產生的環境影響[20-34], 其中, 包括沿繩養殖貽貝的生物沉積作用、貽貝生物沉積物的產生和擴散[20-23]、貽貝生物沉積物對周圍表層沉積物的影響[11,17,24-26]、貽貝生物沉積物對養殖區底部生物群落的影響[20,27-28]、牡蠣生物沉積作用的年際變化[29]; 牡蠣生物沉積物對泥灘沉積物與生態的影響[30-32]、牡蠣生物沉積物對養殖區沉積物有機物的富集作用[33]以及牡蠣生物沉積物的環境干擾[34]等。在這些研究結果中, 有些表示未檢查到貝類生物沉積物的相關影響[26,28], 有些報道認為貝類生物沉積物產生的影響還很小[24,35],多數則認為貝類的生物沉積物對養殖區的生態環境帶來的顯著的影響。

穩定同位素是近年來水域生態系統研究領域中重要的新興技術[36], 被認為是檢測海岸帶生態系統極為有效的工具[37], 在魚類養殖廢物對環境的影響中應用廣泛[38-41], 如Ye等[38]利用 δ13C對沉積物有機碳的來源進行了定量研究, 然而對貝類生物沉積物的定量研究, 還未見報道。

桑溝灣是中國北方典型的海水養殖海灣, 在該灣中有大量的筏式養殖水域, 長牡蠣是主要的養殖種類之一。在桑溝灣南岸及灣內部分水域, 這些筏式養殖區多以長牡蠣養殖為主。作者在2013年4月選擇了 5個牡蠣養殖場進行養殖區沉積物的同位素分析, 藉此嘗試對桑溝灣筏式養殖長牡蠣生物沉積物對環境底質影響進行量化研究。

1 材料和方法

1.1 研究時間與地點

樣品采集時間為2013年4月, 采樣地點位于中國山東榮成的桑溝灣 (37°01′～37°09′ N, 122°24′～122°35′ E)。桑溝灣是中國北方典型的海水養殖海灣,海灣面積約140 km2, 平均水深7 m, 主要的養殖方式為筏式養殖。在海灣中部與北部, 多為經濟貝類與大型海藻的綜合養殖區域, 灣外為大型海藻的養殖筏架, 而灣內與南岸完全為牡蠣養殖所占據。在桑溝灣牡蠣養殖區選擇了5個牡蠣養殖場, 分別為SG 2、SG 3、 SG 4、SG 5、SG 6 (圖 1)。此外, 還選擇了灣外沒有人工養殖的兩個點SG C和SG 1做為對照。SG 7為灣內沒有人工養殖的海域, 距離SG 6較為接近, 作為灣內的空白對照點。在樣品采集的同時, 通過YSI proplus便攜式多參數水質監測儀測定海區溫度、鹽度、pH等參數指標。采樣點水深通過采泥器絞繩上的刻度測定。

圖1 桑溝灣中各采樣點示意圖Fig.1 Map of sampling sites in Sungo Bay, China

1.2 樣品采集

實驗采集的樣品主要包括養殖長牡蠣生物沉積物樣品, 各采樣點底質沉積物的樣品, SG 2 與SG 6點設置沉積物捕集器捕集懸浮顆粒物樣品。樣品的具體采集方式如下:

1.2.1 長牡蠣生物沉積物樣品

從SG 2與SG 6 點取得的養殖長牡蠣, 1 h內運回岸上的實驗室, 小心清除其表面的泥沙及附著生物后, 暫養于沙濾過的海水中, 5 h后, 收集長牡蠣生物沉積物樣品。

1.2.2 底質沉積物樣品

在各采樣點使用Van Veen抓斗式采泥器采集表層(0～3 cm)沉積物樣品。封存于聚乙烯封口袋后放置于冰盒中, 運回實驗室后–20℃冷凍保存備用。

1.2.3 懸浮顆粒物樣品

于SG 2和SG 6點養殖筏架上懸掛實驗室設計的沉積物捕集器, 捕集器為內徑11 cm, 高55 cm的聚乙烯塑料管, 3根管捆為一組, 互為重復。沉積物捕集器放置72 h后取回, 靜置2 h后棄去上清液, 收集到的懸浮顆粒物–20℃冷凍保存備用。

1.3 樣品處理

所有的樣品均需在60℃下烘干48 h以上至恒質量。使用瑪瑙研缽研磨成粉末。樣品在進行穩定同位素分析前需進行酸化處理, 以每0.5 g樣品添加1 N 鹽酸5 mL的比例酸化4 h 以上以去除樣品中的無機碳。酸化中的樣品每小時要搖勻2次, 保證樣品與鹽酸充分接觸, 使反應完全。酸化結束后, 多余的鹽酸通過低速離心去除后, 再次烘干至恒質量, 研磨成粉末待用。

穩定碳氮同位素的測定采用 Isoprime穩定同位素比值質譜儀(DELTA V Advantage), 外接設備為Thermo Fisher Scientific, Inc., USA生產元素分析儀(Flash EA1112 HT), 穩定同位素豐度按以下公式計算得出:

δ X(‰) = [(R樣品／R標準) –l]×103

其中, X為C或 N, R為13C/12C或15N/14N的相對比率, R標準值為國際標準物質 PDB的碳同位素比值或標準大氣氮同位素比值。實驗分析結果的相對誤差 δ13C 為± <0.1‰, δ15N 為± <0.2‰。有機碳氮含量在同位素分析同時得出。

根據分析所得的穩定碳氮同位素數據, 有機物的來源甄別采用線性混合模型[38,42]:

底質貢獻率計算時, 有機物來源確定為 2項時,設 z為 0, 即

其中M代表有機物受體, x、y、z分別代表對M產生有機物影響的來源, f代表各種來源對底質有機物的貢獻比例。

2 結果

各采樣的點的水質參數指標見表1。水溫從SG C到SG 7的升高, 可能與取樣點水深及取樣的先后順序有關。其中SG C與SG 1為非養殖區域, 位于桑溝灣灣口外側, 水深約為20 m, 為灣內養殖區的2倍以上, 可以認為其受灣內養殖的影響較小。

經穩定同位素分析獲得各樣品的穩定碳氮同位素豐度與元素分析儀分析獲得的有機碳氮含量在表2中列出。

表1 各采樣點水深與水質參數Tab.1 Depth and water condition of each sampling site

表2 采集樣品的穩定碳氮同位素豐度與有機碳氮含量Tab.2 δ13C and δ15N values and organic C and N contents of different kinds of samples

從碳氮穩定同位素的測定結果可以看出, 實驗所選取的采樣點沉積物穩定碳氮同位素豐度集中于δ13C–22.82‰ ～–21.62‰, δ15N 4.73‰ ～6.21‰。從 SG C與 SG 1 兩個對照點到各養殖點的碳氮同位素呈富集趨勢。兩采樣點SG 2與SG 6的牡蠣生物性沉積物的穩定碳氮同位素值相近, 分別為 δ13C:–18.49‰±0.46‰與 –18.76‰±0.16‰; δ15N: 6.53‰±0.09‰與 6.40‰±0.02‰。牡蠣生物性沉積物的碳氮同位素值均高于懸浮顆粒物與采樣點的沉積物。

從沉積物的有機碳氮含量來看, SG 4采樣點有機碳氮含量均處于最高值, 分別為C: 0.92%±0.12%,N: 0.12%±0.04%。最低值出現在SG 7采樣點, 分別為C: 0.14%±0.02%, N: 0.03%±0.00%。而底質沉積物的有機碳氮含量均低于懸浮顆粒物質中的有機碳氮值。牡蠣生物沉積物的有機碳氮含量在SG 2與SG 6點較為接近, 約為懸浮顆粒物有機碳氮含量的3倍。

根據SG 2與SG 6樣品穩定同位素的測定結果,分別以SG 1與SG 7的沉積物樣品測定值為對照, 通過穩定同位素來源分析圖譜, 對 2個采樣點的有機物來源進行計算, 獲得的分析結果見圖2。

從圖2中可以看出, SG 2采樣點懸浮顆粒物的δ13C、δ15N值處于由對照SG 1點沉積物、SG 2點沉積物與長牡蠣生物性沉積物的 δ13C、δ15N值所組成的三角形內。可以認為他們是SG 2點的懸浮顆粒物有機物來源。通過線性混合模型進行計算, 結果表明:在SG 2點的懸浮物中, 長牡蠣生物性沉積物貢獻有機物占9.95%, 對照區沉積物與SG 2區沉積物貢獻分別為54.19%和35.86%。

圖 2 SG 2與SG 6采樣點沉積物中有機物來源穩定碳氮同位素圖譜Fig.2 Dual isotope plots for sediments in SG 2 and SG 6

而在SG 6采樣點的有機物來源圖譜中, 對照點 SG 7沉積物的測定結果顯示其不能成為 SG 6點的對照區。且SG 6區海水懸浮顆粒物也偏出SG 6與SG 7點沉積物與該區牡蠣生物性沉積物組成的三角形。

根據線性模型, 以SG 2與SG 6兩個采樣點的長牡蠣生物性沉積物的穩定碳同位素的平均值為影響源, 以SG C采樣點沉積物穩定碳同位素為空白對照,對桑溝灣海區的各采樣點養殖長牡蠣生物性沉積物的影響進行估算, 有機物來源對底質有機物的貢獻比例計為貢獻率, 結果見表3。

表3 長牡蠣生物性沉積物對各采樣點沉積物的貢獻率Tab.3 Contribution of biodeposits to sediments of each site

各采樣點的沉積物樣品中, 養殖長牡蠣的生物性沉積物所占得比例估算的結果為4.06%～28.64%。其中, SG 4點所占的比例最低, 為4.06%。SG 5點與養殖區外的 SG 1點水平相近, 分別為 8.11%與7.88%。最高值28.64%出現在SG 2點。各采樣點的數據計算得出的養殖長牡蠣生物性沉積物貢獻率為13.96% ± 8.62 %。

3 討論與結論

作為海岸帶系統重要的研究方法之一, 穩定同位素在生態學研究中的應用逐步成熟并日益完善。Vizzini[37]等也通過分析養殖區域生產者與消費者的穩定C、N同位素, 對陸基漁場產生的廢棄有機物的擴散情況進行了評估。Ye等[38]對鮭魚(Salmo salar)養殖場的有機物通過穩定同位素δ13C進行了追蹤。在貝類的相關研究中, Jiang[43]等嘗試定量了不同養殖區域長牡蠣, 受養殖區魚類養殖殘餌與糞便影響的情況。這些研究均選擇了明確的有機物源, 在中國北方的海灣中, 大規模集約化養殖的貝類通過濾食海區的有機物而產生的大量生物性沉積物的影響與此前的研究存在較大的差異。作者針對中國北方典型海灣桑溝灣大規模長牡蠣養殖造成的環境影響進行了初步量化研究。

養殖區的養殖條件是選擇養殖種類的最重要限制因子之一。在桑溝灣中, 大量的長牡蠣養殖即是養殖條件限制的結果。漁民在保證收獲的前提下, 對養殖區進行合理有效的利用, 在靠近灣內的區域, 水深均低于9 m(表1)。長牡蠣成為普遍的養殖對象。然而, 受養殖年限與外源輸入的影響, 各點的長牡蠣養殖生物性沉積物對環境底質的影響也各有差異。以SG 4點為例, 通過δ13C計算得到的生物性沉積物所占得比例僅為最低的 4.06%(表 3)。而從有機C、N的含量來看是所有采樣點中的最高值(表 2)。這可能與該區域部分集中的魚類養殖網箱有關[44]。一方面, 養殖網箱減少了養殖區長牡蠣養殖筏架所占得比例; 另一方面, 魚類養殖產生的大量殘餌和糞便提高了該區的沉積物有機碳氮含量。

通過SG 2與SG 6兩個點的有機物來源同位素圖譜比較可以發現。SG 2點可以較好的體現出長牡蠣養殖區懸浮顆粒物的有機物組成結構, 與此前的相關研究結果一致[39,43]。而在SG 6點中則未能完成,以SG 7 作為對照點, 其沉積物δ13C和δ15N的值均高于SG 6點, 這說明靠近海岸的SG 7點受到其他因素的影響, 而這個因素有可能同時也影響到SG 6點的懸浮顆粒物。結合長牡蠣生物性沉積物對各采樣點沉積物的貢獻率的估算結果來看, SG 7點長牡蠣生物性沉積物貢獻率為 19.69%, 這可能與此處水深較淺, 水流平緩, 適宜懸浮物沉降有關[7,45-46]。

在大量生物性沉積物沉降速率的研究中, 魚類糞便與殘餌可擴散至400 m[45]; 水深8 m、平均流速5.5 cm/s的貽貝(Mytilus edulis L.)養殖區, 生物沉積物的擴散范圍約為 7～24.4 m[21]; 桑溝灣皺紋盤鮑(Haliotis discus hannai)生物性沉積物約為74～134 m[47]。因此, 大范圍的有機物擴散給采樣點的生物沉積物覆蓋提供了可能。所以在設定的采樣點內, SG 1與SG 7兩個采樣點雖然沒有長牡蠣的養殖活動, 但是,就近的牡蠣養殖區排出的長牡蠣生物性沉積物, 也對這些區域產生了影響。

實驗通過穩定同位素方法量化桑溝灣養殖長牡蠣生物性沉積物對養殖區沉積物貢獻結果表明, 在典型的采樣點, 該方法能較準確的量化出各有機物來源的貢獻比例。以SG C點為對照, 其余7個采樣點長牡蠣生物性沉積物有機物貢獻在 4.06%～28.64%, 平均貢獻率為13.96 %± 8.62 %。

[1] Ackefors H. The impact on the environment by cage farming in open water[J]. Journal of Aquaculture in the Tropics, 1986, 1: 25-33.

[2] Iwama G K. Interactions between aquaculture and the environment[J]. Critical Reviews in Environmental Conservation, 1991, 21(2): 177-216.

[3] Wu R S S. The environmental impact of marine fish culture: towards a sustainable future[J]. Marine Pollution Bulletin, 1995, 31(s4-12): 159-166.

[4] Alabaster J S. Report of the EIFAC workshop on fish farm effluents[M]. Silkeborg Denmark: FAO Rome,1982.

[5] Gundersen K. The distribution and biological transformation of nitrogen in the Baltic Sea[J]. Marine Pollution Bulletin, 1981, 12(6): 199-205.

[6] Handy R D, Poxton M G. Nitrogen pollution in mariculture: toxicity and excretion of nitrogenous compounds by marine fish[J]. Reviews in Fish Biology and Fisheries, 1993, 3(3): 205-241.

[7] Gowen R J, Bradbury N B. The ecological impact of salmon farming in coastal waters: a review[J]. Oceanography and Marine Biology: An Annual Review, 1987,25(2): 563-575.

[8] Pillay T V R. Aquaculture and the environment[J].Aquaculture and the Enviroment, 2003, 21(4): 12-14.

[9] Handerson R J, Forrest D A M, Black K D, et a1. The lipid composition of sealoch sediments underlying salmon cages[J]. Aquaculture, 1997, 158(1): 69-83.

[10] McGhie T K, Crawford C M, Mitchell I M, et al. The degradation of fish-cage waste in sediments during fallowing[J]. Aquaculture, 2000, 187(s3-4): 351-366.

[11] La Rosa T, Mirto S, Favaloro E, et al. Impact on the water column biogeochemistry of a Mediterranean mussel and fish-farm[J]. Water Research, 2002, 36(3):713-721.

[12] Holmer M, Marba N, Duarte C M, et al. Impact of milkfish (Chanos chanos) aquaculture on carbon and nutrient fluxes in the Bolonao area, Philippines[J].Marine Pollution Bulletin, 2002, 44(7): 685-696.

[13] Carroll M L, Cochrane S, Fieler R, et a1. Organic enrichment of sediments from salmon farming in Norway: Environmental factors, management practices and monitoring techniques[J]. Aquaculture, 2003,226(1): 165-180.

[14] Alongi D M, Mckirmon A D, Brinkman R, et a1. The fate of organic matter derived from small—-scale fish cage aquaculture in coastal waters of Sulawesi and Sumatra,Indonesia[J]. Aquaculture, 2009, 295(1-2): 60-75.

[15] Haven D S, Morales-Alamo R. Aspects of biodeposition by oysters and other invertebrate filter feeders[J]. Limnology Oceanography, 1966, 11(4):487-498.

[16] McCall P L. The effects of deposit feeding oligochaetes on particle size and settling velocity of Lake Erie sedi ments[J]. Journal of Sedimentary Petrology, 1979,49(3): 813-818.

[17] Hatcher A, Grant J, Schofield B. Effects of suspended mussel culture (Mytilus spp.) on sedimentation, benthic respiration and sediment nutrient dynamics in a coastal bay[J]. Marine Ecology Progress Series, 1994, 115(3):219-235.

[18] Kautsky N, Evans S. Role of biodeposition by Mytilus edulis in the circulation of matter and nutrients in a Baltic coastal ecosystem[J]. Marine Ecology Progress Series, 1987, 38(3): 201-212.

[19] Dame R F. Bivalve Filter Feeders: in estuarine and coastal ecosystem processes[M]. Berlin: Springer-Heidelberg, NATO ASI series, 1993.

[20] Hartstein N D, Stevens C L. Deposition beneath long-line mussel farms[J]. Aquacultural Engineering,2005, 33(3): 192-213.

[21] Callier M D, Weise A M, McKindsey C W.Sedimentation rates in a suspended mussel farm(Great-Entry Lagoon, Canada): biodeposit production and dispersion[J]. Marine Ecology Progress Series,2006, 322(1): 129-141.

[22] Giles H, Pilditch C A. Effects of diet on sinking rates and erosion thresholds of mussel Perna canaliculus biodeposits[J]. Marine Ecology Progress Series, 2004,282(1): 205-219.

[23] Miller D C, Norkko A, Pilditch C A. Influence of diet on dispersal of horse mussel Atrina Zelandica biodeposits[J]. Marine Ecology Progress Series, 2002,242(242): 153-167.

[24] Baudinet D, Alliot E, Berland B, et al. Incidence of mussel culture on biogeochemical fluxes at the sediment-water interface[J]. Hydrobiologia, 1990,207(1): 187-196.

[25] Chamberlain J, Fernandes T F, Read P, et a1. Impacts of biodeposits from suspended mussel (Mytilus edulis L.)culture on the surrounding sacrificial sediments[J].ICES Journal of Marine Science, 2001, 58(2): 411-416.

[26] Crawford C M, Macleod C K A, Mitchell I M. Effects of shellfish farming on the benthic environment[J].Aquaculture, 2003, 224(1): 117-140.

[27] Mirto S, La Rosa T, Danovaro R, et al. Microbial and meiofaunal response to intensive mussel-farm biodeposition in coastal sediments of the Western Mediterranean[J]. Marine Pollution Bulletin, 2000,40(3): 244-252.

[28] Danovaro R, Gambi C, Luna G M, et a1. Sustainable impact of mussel farming in the Adriatic Sea (M editerranean Sea): evidence from biochemical,microbial and meiofaunal indicators[J]. Marine Pollution Bulletin, 2004, 49(4): 325-333.

[29] Bernard F R. Annual biodeposition and gross energy budget of mature Pacific Oysters, Crassostrea gigas[J].Journal of the Fishery Research Board of Canada,1974, 31(2): 185-190.

[30] Ottman F, Sornin J M. Observations on sediment accumulation as a result of mollusk culture systems in France. In: international symposium on utilization of coastal ecosystem: planning, pollution and productivity[M]. Rio Grande, Brazil: FURG, 1985: 329-337.

[31] Bertin X, Chaumillon E, Sottolichio A, et al. Tidal inlet response to sediment infilling of the associated bay and possible implications of human activities: the Marennes-Oléron Bay and the Maumusson Inlet, France[J].Continental Shelf Research, 2005, 25(9): 1115-1131.

[32] Bouchet V M P, Debenay J P, Sauriau P G, et al. Effects of short-term environmental disturbances on living benthic foraminifera during the Pacific oyster summer mortality in the Marennes-Oléron Bay (France) [J].Marine Environmental Research, 2007, 64(3): 358-383.

[33] Mitchell I M. In situ biodeposition rates of Pacific oysters (Crassostrea gigas) on a marine farm in Southern Tasmania (Australia ) [J]. Aquaculture, 2006,257(s1-4): 194-203.

[34] Bouchet V M P, Sauriau P G. Influence of oyster culture practices and environmental conditions on the ecological status of intertidal mudflats in the Pertuis Charentais (SW France): A multi-index approach[J].Marine Pollution Bulletin, 2008, 56(11): 1989-1912.

[35] Buschmann A H, Lopez D A, Medina A. A review of environmental effects and alternative production strategies of marine aquaculture in Chile[J]. Aquacultural Engineering, 1996, 15(6): 397-421.

[36] 李忠義, 金顯仕, 莊志猛, 等. 穩定同位素技術在水域生態系統研究中的應用[J]. 生態學報, 2005, 25(11):3052-3060.

[37] Vizzini S, Mazzola A. Stable isotope evidence for the environmental impact of a land-based fish farm in the western Mediterranean[J]. Marine Pollution Bulletin,2004, 49(1-2): 61-70.

[38] Ye L X, Ritz D A, Fenton G E, et a1. Tracing the influence on sediments of organic waste from a salmon farm using stable isotope analysis[J]. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 1999,145(2): 161-174.

[39] Yamada Y, Yokoyama H, Ishihi Y, et a1. Historical feeding analysis in fish farming based on carbon and nitrogen stable isotope ratio in sediment[J]. Fish Science, 2003, 69(1): 213-215.

[40] Sará G, Scilipoti D, Mazzola A, et a1. Effects of fish farming waste to sedimentary and particulate organic matter in a southern Mediterranean area(Gulf of Castellammare, Sicily): A multiple stable isotope study[J]. Aquaculture, 2004, 234(s1-4): 199-213．

[41] Yokoyama H, Abo K, Ishihi Y. Quantifying aquaculture-derived organic matter in the sediment in and around a coastal fish farm using stable carbon and nitrogen isotope ratios[J]. Aquaculture, 2006, 254(s1-4):411-425.

[42] Phillips D L. Mixing models in analyses of diet using multiple stable isotopes: a critique[J]. Oecologia, 2001,127(2): 166-170.

[43] Jiang Z J, Wang G H, Fang J G, et al. Growth and food sources of Pacific oyster Crassortrea gigas intergrated culture with Sea bass Lateolabrax japonicus in Ailian Bay[J]. China Aquaculture International, 2013, 22(1):45-52.

[44] 蔣增杰, 方建光, 毛玉澤, 等.海水魚類網箱養殖水域沉積物有機質的來源甄別[J]. 中國水產科學, 2012.19(2): 348-354.

[45] Silveret W, Cromey C J. Environmental impact of aquaculture[M]. London: Shefield Academic Press, 2001.

[46] Ali A, Thiem ?, Berntsen J. Numerical modeling of organic waste dispersion from fjord located fish farms[J]. Ocean Dynamics, 2011, 61(7): 977-989.

[47] Zhang J, Ren L, Wu W, et al. Production and sinking rates for bio-deposits of abalone (Haliotis discus hannai Ino)[J]. Aquaculture Research, 2014, 45(12):2041-2047.