三沙灣鹽田港養殖海域沉積物中的有機碳、氮和磷

韋章良，韓紅賓，于克鋒，丁平真，胡　明，霍元子，何培民

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三沙灣鹽田港養殖海域沉積物中的有機碳、氮和磷

韋章良1，2，3，韓紅賓1，2，3，于克鋒1，2，3，丁平真1，2，3，胡明1，2，3，霍元子1，2，3，何培民1，2，3

（1.上海海洋大學 水產與生命學院，上海 201306； 2.上海海洋大學 水域環境生態上海高校工程研究中心，上海 201306； 3.上海海洋大學 海洋科學研究院，上海 201306）

摘要：于2012年8月（夏季）、11月（秋季）和2013年2月（冬季）、5月（春季）共4個航次對三沙灣鹽田港養殖海域表層沉積物組成成分及其變化趨勢進行調查分析，并采用單因子污染指數（Pi）對沉積物質量進行評價。結果表明不同功能區沉積物中有機氮（TN）、總磷（TP）和有機碳（OC）含量差異顯著（P<0.05），TN和TP含量4季變化范圍分別是0.15～1.39 g/kg和0.11～1.08 g/kg，平均值分別為（0.89±0.36）g/kg和（0.56±0.26）g/kg。OC含量在1.00～14.71 g/kg之間，平均值為（8.26±3.78）g/kg。各站位沉積物中TN污染指數4季變化范圍為0.25～2.53，4季超標率分別為67%、81%、80%和90%； 各站位TP污染指數4季變化范圍為 0.18～2.63，4個季節超標率分別為35%、80%、40%和51%； 各季節 OC含量均未超標；OC/N原子比全年變化范圍在 8.4～10.3之間，平均值為 8.9±0.6。較弱的水流交換條件和海水養殖，特別是海水網箱養殖，是造成沉積物污染的主要原因，開展多營養層次的綜合養殖模式是促進鹽田港海水養殖可持續發展的有效途徑。

關鍵詞：鹽田港； 封閉海灣； 沉積物； 網箱養殖； 大型海藻

［Foundation： Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean，No.201205009-5； National Science and Technology Support Program，No.2012BAC07B03］

海洋沉積物是海洋各種生源要素重要的“源”與“匯”，其各種組成成分和分布在一定程度上制約著該海域海洋生物的生長和發育［1-2］。大量的沉積物有機質為底棲異養細菌提供了有利的生存條件［3］。受污染的沉積物不僅直接危害底棲生物，其中蓄積的污染物在適當的環境條件下會釋放到水體中，進一步危害到水生生態系統甚至人類健康［4］。外源污染物輸入后在水動力的推動下在不同功能區域產生沉降，沉積物在物理、化學和生物綜合作用下，以不同形態的營養物質循環到水環境中［5］。近年來，我國海水網箱養殖活動給人們帶來了可觀的經濟效益，但隨著網箱養殖數量和密度的增加，使得養殖海域環境逐漸惡化［6］。過度投餌使得網箱及周圍海底的沉積物中有機質、重金屬和硫化物等含量逐漸增加［7］，給養殖活動和生態環境造成嚴重威脅。網箱養殖過程產生的沉積物有機質在一定條件下通過間隙水和上覆水之間的交換作用，增加了養殖水體的營養鹽含量［8］，可能誘發赤潮災害的頻繁爆發［9］。

三沙灣位于福建省東北部，是我國著名的“大黃魚之鄉”。福建省擁有我國最大的牡蠣養殖區，2008年牡蠣養殖面積占全省養殖面積的 27.23%，僅霞浦縣養殖區年產量就有 5.13×108t［10］。近年來，隨著海水養殖業迅速發展，海水養殖網箱數量和規模不斷增大。鹽田港是三沙灣重要港灣組成之一，受海域周圍陸地地形及島嶼的屏障作用，灣內海水與外界交換周期較長［11］。由于缺乏合理的規劃和科學的養殖方法，使得鹽田港海域生態系統逐漸退化，嚴重影響了養殖經濟效益［12］。

本文于2012年—2013年對三沙灣鹽田港養殖海域沉積物進行采樣調查。分析在各個季節不同養殖區域沉積物質量特征與變化趨勢，并對沉積物的污染狀況進行評價，為今后改善養殖海域水體質量、合理規劃養殖模式和防治養殖區病害提供基礎資料。

1　材料與方法

1.1研究海域概況

調查期間，三沙灣鹽田港主要養殖的是大黃魚（Pseudosciaena crocea）和長牡蠣（Crassostrea gigas），魚類網箱養殖規模為 1.15×104個網箱，養殖周期為2～3 a，主要投喂餌料是冰鮮小雜魚，魚類年產量約為1500 t，長牡蠣養殖規模是3.37 km2。大型海藻龍須菜（Gracilaria lemaneiformis）和海帶（Laminaria japonica）根據季節更替輪換栽培。龍須菜栽培主要從9月份至來年2月份，栽培面積約為72.44 km2； 海帶在12月底至次年5月份大規模栽培，調查期間栽培面積約為181.89 km2。

1.2采樣站位與方法

本研究分別于 2012年夏季（8月）、秋季（11月）和2013年冬季（2月）、春季（5月）共4個航次對福建省三沙灣鹽田港（119.76°E～119.83°E，26.72°N～26.84°N）10個站位沉積物進行采樣調查（圖1），監測指標包括沉積物中總氮（TN）、總磷（TP）和有機碳（OC）含量。其中，1號站位位于非養殖區，3站位位于長牡蠣養殖區，4號站位在網箱養殖區，2號和5～10號站位分別位于大型海藻栽培區。

樣品采集、貯存和運輸均按照《海洋監測規范》（GB17378.5-2007）中相關要求進行。沉積物樣品的采集使用Ekman Grab抓斗式采泥器，采集表層0～3 cm樣品，用聚乙烯封口袋封存，迅速儲存到低溫冰箱中待用。分析前將樣品經冷凍干燥機干燥后去除各種雜質，用粉碎機研磨成粉末，四分法取樣過 80目尼龍篩并儲藏于干燥器中備用。沉積物樣品中OC的測定使用重鉻酸鉀氧化-分光光度法（GB17378.5-2007），相對標準偏差為 1.0%； TN的測定使用過硫酸鉀氧化法，相對標準偏差為5.0%，TP的測定是使用鉬酸銨分光光度法，相對標準偏差為 2.0%（GB12763.4-2007）。

1.3評價方法

根據國家海洋局發布的《海水增養殖區監測技術規程》，用單因子評價模式對沉積物中碳、氮、磷含量進行評價。評價公式如下：

Pi= Ci/Ci0

式中，Pi指單因子污染指數，為第i種污染因子的污染指數； Ci為實測污染因子i的濃度； Ci0為實測污染因子i的評價標準。

圖1　鹽田港調查站位圖Tab.1　Temporal variations in the content of TN in each functional area

文中對沉積物中TN和TP的評價標準，應用“第二次全國海洋污染基線調查技術規程”中指定沉積物的標準，即TN為550 mg/kg，TP是600 mg/kg； 對有機碳（OC）的評價標準，應用《海洋沉積物質量》（GB18668-2002）（國家質量監督檢驗檢疫總局，GB18668-2002 中華人民共和國海洋沉積物質量）中I類沉積物的標準進行污染物狀況評價，1.0作為OC是否對環境產生污染的基本分界線［13］。

1.4數據處理

沉積物所有數據用 Excel 2007進行處理，數據均用平均值±標準誤表示； 應用 SPSS13.0軟件對調查數據進行單因素方差分析（ANOVA），當P<0.01時為差異極顯著，當 P<0.05為差異顯著； 應用 Surfer 8.0軟件對調查的站位和相關數據進行作圖。

2　結果

2.1TN含量的時空變化

調查期間，鹽田港水域表層沉積物中的TN含量變化范圍為0.15～1.39 g/kg，年平均值為（0.89± 0.36）g/kg（表1）。春季與其余3個季度TN含量差異顯著（P<0.05），明顯低于其它 3個季節，均值為（0.73±0.29）g/kg； 其余 3個季度之間差異均不顯著（P>0.05），變化范圍在 0.88～0.98 g/kg之間，平均值為（0.95±0.43）g/kg。

表1　各功能區總氮含量的季節變化Tab.1　Temporal variations in the content of TN in each functional area

同一季節不同站位之間TN差異極顯著（P<0.01），全年中位于鹽田港內測的1號和2號監測站位TN低于其余各監測站位（圖 2）。春季，灣內上游區域的貝類養殖區TN比平均值高出0.21 g/kg，其它3個季節TN較之網箱養殖區略有降低。網箱養殖區的沉積物4季均有較高含量的TN，在夏季TN含量高達1.38 g/kg；與3號、4號海產經濟動物養殖區相比，全年大型海藻養殖區沉積物TN含量明顯降低，春季位于海藻養殖區的2號站位含量僅為0.35 g/kg。在夏季，位于灣口交匯處的站位TN含量較其他季節明顯增加，海藻栽培區的 5號和 6號站位比春季高出 0.68 g/kg和0.38 g/kg。

圖2　總氮含量的四季分布圖（g/kg）Fig.2　The horizontal distribution of TN in different seasons（g/Kg）

2.2TP含量的時空變化

在全年調查中，鹽田港養殖水域表層沉積物中的 TP含量變化范圍為 0.11～1.08 g/kg，年平均值為（0.56±0.26）g/kg。夏季與其余三個季度TP含量的差異顯著（P<0.05），夏季的 TP含量最高，平均值為（0.75±0.55）g/kg； 而其余3個季度之間的差異均不顯著（P>0.05），變化范圍為 0.43～0.58 g/kg（表 2），平均值為（0.49±0.12）g/kg。

同一季節不同站位之間 TP的含量差異極顯著（P<0.01），海產經濟動物養殖區沉積物 TP含量顯著高于海藻栽培區和空白海區（圖3）。網箱養殖區全年都處于較高水平，年均值為（0.87±0.21）g/kg，其中，夏季4號站位達到全年中的最高值 1.08 g/kg； 牡蠣養殖區年平均值TP含量較網箱養殖區低15%。大型海藻栽培區TP含量季節變化顯著，夏季臨近魚類網箱養殖區的5號站位沉積物中TP含量較其他6個海藻栽培區站位偏低。空白海區全年TP含量比其他功能海區都偏低，在秋季，1號站TP含量位僅占該季節平均值的23.45%。

表2　各功能區總磷含量的季節變化Tab.2　Temporal variations in the content of TP in each functional area

圖3　總磷含量的四季分布圖（g/kg）Fig.3　The horizontal distribution of TP in different seasons（g/kg）

2.3OC含量的時空變化

鹽田港水域表層沉積物中的 OC含量變化見表3。全年沉積物中OC含量變化范圍為1.00～14.71 g/kg，年平均值為（8.26±3.78）g/kg。春季和其余3個季度的OC含量的差異均顯著（P<0.05），OC含量最低，平均值僅為（5.74±2.04）g/kg； 其余3個季度之間的差異均不顯著（P>0.05），變化范圍是7.24-9.49 g/kg，平均值是（8.48±0.45）g/kg。

在春季的 1號站位 OC含量最低，值為（1.50± 0.82）g/kg； OC最高值出現在夏季的 9號站位，為14.7 g/kg。牡蠣養殖區沉積物中年平均 OC含量為（10.13±3.40）g/kg，高于網箱養殖區的（10.05±4.45）g/kg和海藻栽培區的（9.51±4.59）g/kg，空白對照區OC含量最低，年平均值僅為（1.62±2.64）g/kg。入海口的空白對照區四季OC含量均顯著低于平均值，年平均含量為總體均值的 32%。網箱養殖區、牡蠣養殖區和海藻栽培區4個季節變化范圍在7.82～12.32 g/kg之間，顯著高于空白對照區的1.00～3.12 g/kg（圖4）。

沉積物中的 OC/N在一定程度上體現了有機物來源的差異性。鹽田港養殖海域表層沉積物的OC/N變化于 8.4～10.3之間，平均值為 8.9±0.6，表明沉積物中有機質的主要以內源為主，即海洋浮游動植物和大型海藻，還有部分水生生物，陸源有機質對該養殖海域的影響較小。

表3　各功能區有機碳含量的季節變化Tab.3　Temporal variations in the content of OC in each functional area

表4　沉積物中TN和TP的單因子污染指數（Pi）Tab.4　Single factor pollution indices of nitrogen and phosphorus in sediment（Pi）

2.4沉積物的污染評價

圖4　有機碳含量的四季分布圖（g/kg）Fig.4　The horizontal distribution of OC in different seasons（g/kg）

根據單因子評價方法得到鹽田港監測站位沉積物中TN、TP的污染指數見表4。從結果可以看出，沉積物中TN的污染指數變化范圍為0.25～2.53。4次調查中各個季度的超標率分別達到了67%、81%、80 % 和 90%，表明除了春季以外，沉積物中氮的污染嚴重。沉積物TP的污染指數變化范圍為0.18～2.63，4個季度的超標率分別為35%、80%、40 %和51%，表明夏季鹽田港沉積物中磷污染嚴重，秋季和冬季污染較小，而在春季沉積物中的TP對環境不構成污染。各功能區全年污染指數均值分布特征與TN一致。全年每個站位的沉積物中 OC污染指數均小于 1，即OC含量水平較低，沒有構成污染。

3　討論

不同海域對氮、磷等營養元素的環境容量有所區別，黃海和東海沉積物中TN背景值為0.47 g/kg，TP背景值為0.42 g/kg［14］。根據本文研究，鹽田港沉積物中的氮和磷的污染指數已經超標，造成這種現象的主要原因是水產養殖，較弱的水流交換條件使得沉積污染物易富集。鹽田港屬于封閉型海灣，溶解無機氮和溶解無機磷處于高度富營養化水平，快速發展的養殖活動和不合理的布局是主要原因［11］。過分密集的網箱布局嚴重阻擋水流，養殖水體與外海的水交換受到限制。養殖向水體輸入的廢物大大超過了水體的自凈能力，造成病害頻發［15］。網箱養殖區和牡蠣養殖區處于鹽田港的灣內，水流交換量相對下游的海藻栽培區差，沉積物容易富集，這可能也是導致這兩個功能區沉積物中TN和TP持續偏高的原因。胡明等［12］調查時發現，鹽田港養殖海域海水營養狀態質量指數NQI月平均值在3.47～7.32之間，已處于嚴重的富營養化狀態，造成該海域浮游植物長期大量生長、繁殖，加之大型海藻大規模栽培時也有腐爛和殘留，而網箱養殖投喂餌料多為海產冰鮮小雜魚，所造成的殘餌、糞便、代謝產物和其它水生生物殘體常年積累，因此，沉積物中OC/N原子比偏低。

密集的海水網箱養殖產生大量的以懸浮碎屑形式存在的顆粒有機物質，主要包括投喂的殘餌和養殖魚類產生的糞便［16］。王肇鼎等［17］對大鵬澳網箱養殖研究時認為網箱放養密度、水溫及網箱內外水交換條件與養殖海域水體的富營養化程度相關。現階段，該海區網箱養殖一般是投喂小雜魚餌料，人工配合飼料使用率較低。研究表明，海水網箱養殖投喂的餌料被魚類攝食同化一般不到 30%，其他部分多以殘餌、魚類排泄物和代謝廢物等形式進入海洋環境中［18-19］，造成底泥中營養元素的富集。網箱養殖源有機質的水平位移最多可達 400 m，養殖廢物是養殖水域沉積物有機污染的主要來源［20］。雙殼貝類養殖一般靠自然餌料，不需要人工投餌，但長年大規模養殖的貝類產生的生物沉積物將聚積于海底，改變了表層沉積物的數量和質量，進而影響底棲生物群落的生存和生長，甚至導致養殖海域貝類的大批死亡［21］。Kuatsky N等在日本廣島牡蠣養殖區研究牡蠣排泄量在200 m2的筏架上生長10個月所排糞和假糞干重可達19.3 t［22］。

鹽田港春季多為雨季，是全年徑流最大的季節，灣內、外水體交換量加大［23］，沉積顆粒物隨水流動，不易富集，且春季水溫升高，微生物分解活動加劇，會導致沉積物中有機質含量的減少，養殖海域沉積物中總氮和總磷含量偏高，除入海口的空白對照區沉積物含量較低，其它三個功能區含量較高且分布比較均勻。夏季魚類生長迅速，生命代謝旺盛，投餌和排泄物比其它季節增加，使該海域水體富營養化程度增加，產生的溶解性無機氮和無機磷為浮游植物的生長提供重要來源［24］，且夏季為大型海藻栽培間歇期，為赤潮的爆發提供可能［25］。三沙灣海域年平均風速可達 3.2 m/s，夏季和初秋臺風盛行，鹽田港水深較淺，大風浪攪動海底沉積物，沉積物通過再懸浮過程中的再礦化及營養物顆粒有機物與水體的混合作用，有利于浮游植物的吸收和細菌吸附［26］。再懸浮穩定沉積后氮、磷元素在生物、pH和DO等環境因子作用下發生形態轉化，向下沉積或者釋放到水體中，以滿足大型海藻生長的需要［27］。

開展多營養層次綜合養殖（Integrated Multi-trophic Aquaculture，IMTA）可實現系統內營養物質的高效利用，在減輕環境壓力的同時，使系統具有較高的容納量和食物產出能力。Chopin等［28］進行大西洋鮭、貽貝及海帶的綜合養殖研究結果表明，綜合養殖區海帶生長速率增加了46%，貽貝增加了50%。長牡蠣能夠有效地利用鱸魚養殖過程中產生的殘餌和糞便等有機廢物，混養區牡蠣的生長速度遠高于非混養區［29］。以大型海藻為基礎的綜合養殖生態系統已逐步發展和完善，利用大型海藻和養殖動物在生態位上的互補性，即應用雙殼貝類濾食顆粒污染物，再通過大型海藻吸收去除溶解性營養鹽［30-31］。鹽田港大規模栽培的龍須菜和低溫大型海帶具有季節上的互補性，對該海域養殖環境起到一定的調控作用。然而，如何合理的布局養殖網箱，建立科學的綜合養殖匹配模式，將是今后研究的主要方向。

4　結論

通過對三沙灣鹽田港養殖海域表層沉積物時空分布規律特征的研究，并對沉積物質量進行評價，分析了沉積物中TN、TP和OC的主要來源及其控制因素，指出開展綜合養殖是該海域可持續發展的有效途徑。主要結論如下：

（1）鹽田港沉積物中TN和TP平均含量為0.15～1.39 g/kg和0.11～1.08 g/kg，4個季節沉積物中氮磷污染嚴重，內源負荷高。網箱養殖區和牡蠣養殖區位于海灣內部，相對于下游的海藻栽培區水流交換條件差，殘餌、糞便等其它代謝產物易富集，污染尤其突出。

（2）沉積物中4季OC含量均未超標，年平均值為（8.26±3.78）g/kg。全年各站位OC/N平均值低于10，養殖水體的富營養化促進浮游動植物和海藻大量生長、繁殖，網箱養殖投喂產生的殘餌和生物殘體分解，表現出沉積物中有機質多為內源污染物。

（3）鹽田港較差的水動力條件和長期的海產經濟動物養殖活動是造成該海域沉積物有機質污染的主要原因，合理布置養殖網箱，利用大型海藻和養殖動物在生態位上的互補性，科學的開展多營養層次綜合養殖是實現該養殖海域可持續發展的重要途徑。

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（本文編輯： 康亦兼）

The content of carbon，nitrogen and phosphorus in the surface sediment at the mariculture area in the enclosed Sansha Bay

WEI Zhang-liang1，2，3，HAN Hong-bin1，2，3，YU Ke-feng1，2，3，DING Ping-zhen1，2，3，HU Ming1，2，3，HUO Yuan-zi1，2，3，HE Pei-min1，2，3
（1.College of Fisheries and Life Sciences，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China； 2.Water Environment and Ecology Engineering Center of Shanghai Institute of Higher Education，Shanghai 201306，China； 3.Marine Scientific Research Institute，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China）

Received: Nov.5，2015

Key words:Yantian Bay； Enclosed bay； Sediment； Cage fish farming； Macroalgae

Abstract:An investigation has been carried out into the environmental quality of sediment in the enclosed Yantian bay，located inside the Sansha Bay，from August 2012 to July 2013.Testing was carried out at ten sampling sites，which were evenly distributed in different mariculture functional areas，during four different research trips.The single factor contaminant index（Pi）methodology was used to evaluate the environmental quality of sediment.The results showed that the concentration of total nitrogen（TN），total phosphorus（TP）and organic carbon（OC）varied significantly between different seasons（P<0.05）.The concentration of TN ranged from 0.15 to 1.39 g/Kg and the concentration of TP ranged between 0.11 to 1.08 g/Kg.The concentration of OC was in the range of 1.00 to 14.71 g/Kg with an average value of（8.26±3.78）g/Kg，and was found to be the highest in the oyster aquaculture area.The OC concentration in the macro-algae aquaculture area was lower than in the fish cage area，but higher than that in the control area.The Piof TN was 1.23，1.84，1.56 and 1.67 in spring，summer，autumn and winter，respectively.The con-centration of TN in the sediment exceeded the first class standard for marine sediment quality for fisheries in China by 67 %，81 %，80 % and 90 % in every season.The Piof TP ranged from 0.18 to 2.63 during the period of study.Based on the Piresult，the concentration of TP exceeded the first class standard for marine sediment quality for fisheries in China by 35 %，80 %，40 % and 51 % in spring，summer，autumn and winter，respectively.For all four seasons，the concentration of OC was lower than the first class standard for marine sediment quality for fisheries in China.The results detailed in this study indicate that the poor hydrological exchange and mariculture，especially the cage fish farming，have heavily polluted the sediment environment in the Yantian bay.The spatiotemporal change of TN，TP and OC appeared to be related to the mariculture mode.Macro-algae showed high bioextraction efficiencies with nutrients and were able to balance the nutrient produced by marine aquatic animal farming in an Integrated Multi-trophic Aquaculture（IMTA）system.

中圖分類號：Q944.6

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3096（2016）03-0077-10

doi：10.11759/hykx20151105002

收稿日期：2015-11-05； 修回日期： 2016-02-23

基金項目：國家海洋公益性行業科研專項（201205009-5）； 國家科技支撐計劃課題（2012BAC07B03）

作者簡介：韋章良（1989-），男，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向為海水養殖生態學； Email： 315907746@qq.com； 霍元子，通信作者，副教授，Email： yzhuo@shou.edu.cn