茂名市海水養殖尾水污染綜合評價研究

劉太勝, 楊波, 何寧, 寇杰鋒, 孫凱峰,*

茂名市海水養殖尾水污染綜合評價研究

劉太勝1, 楊波2,3, 何寧3, 寇杰鋒2, 孫凱峰2,*

1. 廣東藥科大學, 廣州 510006 2. 生態環境部華南環境科學研究所, 廣州 510535 3. 宜春學院, 宜春 336000

以茂名市東部沿海的工廠化、土塘、網箱三種海水養殖類型為調查對象, 對比不同養殖類型、養殖階段尾水中主要污染物化學需氧量(COD)、無機氮(DIN)以及活性磷酸鹽(DIP)等含量變化, 利用內梅羅綜合指數()、富營養化指數()、營養狀態質量指數()等開展尾水污染狀況的綜合評價。結果表明, 主要污染物濃度均值呈工廠化養殖>網箱養殖>土塘養殖的趨勢, 工廠化養殖尾水主要污染物均超過《海水養殖尾水排放要求》一級排放限值。養殖尾水主要污染物濃度隨養殖時間延長而增加, 工廠化養殖尾水DIN含量在成體期比幼苗期增加了22.51倍。養殖尾水的值、值以及值均處于重度及以上污染狀等級, 存在顯著的富營養化問題。高密度連片海水養殖尾水直接排放是周邊鄰近海域氮磷污染的重要來源。

海水養殖; 污染物; 內梅羅綜合指數; 營養狀態質量指數

0 前言

《2020年漁業統計年鑒》顯示我國海水養殖面積和產量分別為204萬ha和2031萬t, 分別比1980年增加近15倍和47倍[1]。海水養殖規模和產值的快速增長, 促進了海洋經濟的發展, 我國也成為世界第一的海水養殖大國[2]。然而, 海水養殖業粗放式快速增長的狀況下, 圍海養殖、灘涂高位池養殖等造成了海岸生物、灘涂濕地和植被的破壞; 大量未經處理的養殖尾水直接排放入海, 造成氮磷污染物、養殖藥物和有機質等的累積, 引發海水水質富營養化、海洋生物多樣性降低, 局部海域海洋生態系統退化顯著[3-5]。養殖尾水無機、有機氮磷污染物輸入的不平衡, 也導致了局部海域營養鹽組成和比例的失衡, 影響海洋浮游生物、底棲生物群落結構、組成, 甚至誘導有毒有害赤潮、綠潮、褐潮等生態災害的暴發[6-9]。

本文以海水養殖尾水中污染物種類和含量為調查對象, 選取廣東茂名沿海的工廠化和土塘南美白對蝦養殖尾水, 以及臨近的魚類網箱養殖區開展水質監測, 重點關注養殖尾水中化學需氧量(COD)、無機氮(DIN)以及活性磷酸鹽(DIP)等指標, 采用內梅羅綜合評價指數、營養質量狀態指數等系統評估不同養殖方式、養殖階段(7d內的幼體和二月齡成體)的養殖尾水污染程度和富營養化水平,為科學評估、制定海水養殖尾水污染物排放標準提供數據支撐。

1 材料和方法

1.1 監測點位布設

2018年7月18日和19日, 在廣東省茂名市東部沿海地區, 選取該區域同一孵化池孵化的幼苗分別養殖在池塘和工廠化養殖池; 以及同一孵化池孵化、且分別在池塘和工廠化養殖池條件下成長為2月齡蝦的池塘和工廠化養殖池。共布設工廠化養殖、土塘、網箱養殖區13個站位, 其中1#—3#站位為工廠化養殖; 11#—13#站位為網箱養殖; 其余站位為土塘養殖; 工廠化、土塘養殖每個站位各采集3口養殖池, 鄰近海水網箱養殖區布設左中右采樣站位各3個水樣, 采樣站位信息及分布見圖1。

1.2 監測和評價方法

本次調查采用現場水質分析儀, 測定了水溫、鹽度、pH、溶解氧等測定指標, 同時采集水樣測定COD、DIN以及DIP等指標, 依據《海洋監測規范: 海水分析》(GB17378.4—2007)相關規定進行分析測定。

參考茂名市近岸海域環境質量功能區劃的要求, 調查區域的養殖尾水應符合一級排放要求, 因此, 本次評價標準采用《海水養殖水排放要求》的一級標準[10]評估超標情況, 并計算綜合污染指數。

圖1 監測站位分布圖

Figure 1 Distribution of sampling stations

1.2.1 綜合污染指數評價[11]

式中為內梅羅綜合指數,max、avg分別為各指標單因子污染指數i的最大值與各評價因子的平均值。具體等級劃分標準見表1。(注: 單因子指數公式:P=C/S;i指第污染物的污染指數;i指第污染物的實測濃度;S指第污染物在《海水養殖水排放要求》一級標準中限值)

1.2.2 富營養化指數法[11]

式中表示富營養化指數。評價指標: 若≥1, 則水體呈富營養化狀態。當 1≤≤3, 水體輕度富營養化; 3<≤9, 中度富營養化;>9, 重度富營養化。

1.2.3 營養狀態質量指數法

式中為營養狀態質量指數;COD、DIN、DIP分別為COD、DIN、DIP的測量濃度;′COD、′DIN、′DIP分別為COD、DIN、DIP在《海水養殖水排放要求》一級標準中的限值。評價分級參考《海洋生態環境監測技術規程》(2002), 即>3為富營養化水平;在2—3之間為中營養化水平;<2為貧營養化水平。

2 結果和分析

2.1 海水養殖污染因子調查

2.1.1 COD的分布特征

COD在工廠化養殖尾水中的濃度范圍是23.02—36.49 mg·L–1, 均值為30.88 mg·L–1, 與《海水養殖水排放要求》一級標準(下同)限值10 mg·L–1相比, 超標率為100%。土塘中COD的變化范圍是10.39—27.65 mg·L–1, 均值為18.99 mg·L–1, 超標率為100%。工廠化養殖尾水COD濃度高于土塘養殖。網箱養殖區COD的變化范圍是7.86—23.86 mg·L–1, 均值為17.82 mg·L–1, 超標率66.67%(表2)。從養殖階段上看, 工廠化養殖、土塘養殖幼苗尾水COD均值僅為二月齡成蝦尾水均值的66.14%和62.64%, 幼苗尾水COD濃度低于二月齡成蝦。

2.1.2 DIN的分布特征

工廠化養殖尾水中DIN濃度范圍為0.56—13.17 mg·L–1, 均值為8.97 mg·L–1, 超標率100%。DIN組成中氨氮最大百分比65.01%, 硝氮最大百分比62.85%, 亞硝氮最大百分比41.16%。土塘養殖尾水中DIN濃度范圍為0.25—0.76 mg·L–1, 均值為0.47 mg·L–1, 超標率28.57%。DIN組成中氨氮占比均值達到63.38%。網箱養殖區水體DIN濃度范圍為0.94—0.98 mg·L–1, 均值為0.96 mg·L–1, 超標率100%, 氨氮占比均值達到59.57%(表2)。

從養殖階段上看, 工廠化和土塘養殖幼苗尾水DIN范圍為0.29—0.76 mg·L–1, 均值為0.54 mg·L–1, 氨氮占比均值達到67.26%; 二月齡成蝦尾水DIN范圍為0.25—13.17 mg·L–1, 均值為5.50 mg·L–1。工廠化養殖幼苗尾水中DIN濃度均值僅為二月齡成蝦濃度均值的4.26%, 但土塘養殖幼苗尾水中DIN濃度均值超出二月齡成蝦濃度均值的37.12%。不同養殖類型尾水DIN組分構成上呈現出工廠化養殖尾水硝氮占比高、土塘養殖尾水氨氮占比高的特點(圖2)。

2.1.3 DIP的分布特征

工廠化養殖尾水中DIP濃度范圍是0.06—0.71 mg·L–1, 均值為0.49 mg·L–1, 超標率100%。土塘養殖尾水中DIP濃度范圍是0.02—0.12 mg·L–1, 均值為0.05 mg·L–1, 超標率42.86%。工廠化養殖尾水DIP 濃度高于土塘養殖。網箱養殖區水體中DIP濃度范圍是0.11—0.20 mg·L–1, 均值為0.17 mg·L–1, 超標率100%(表2)。

表1 基于內梅羅綜合指數的水質質量評價等級

圖2 各監測站位DIN濃度和組成情況

Figure 2 The concentrations and contents of dissolved inorganic nitrogen in different stations

工廠化養殖、土塘養殖幼苗尾水DIP均值僅為二月齡成蝦尾水均值的13.70%和49.06%, DIP濃度隨著養殖時間延長呈現了顯著增加的趨勢。從養殖階段上看, 幼苗尾水DIP濃度范圍是0.02— 0.012 mg·L–1, 均值為0.06 mg·L–1, 超標率為60%。二月齡成蝦尾水DIP濃度范圍為0.02—0.71 mg·L–1, 均值為0.31 mg·L–1, 超標率60%。

2.2 養殖尾水污染狀況綜合評價

2.2.1 單因子指數和內梅羅綜合污染指數評價

海水養殖尾水污染狀況的i值和值評估顯示, 不同養殖模式中, COD、DIN和DIP的單因子指數最高值均出現在工廠化養殖, DIN污染程度最高, 土塘和網箱養殖尾水DIN 的i值均低于2.5, 且保持相對穩定; 除個別站位(6#、7#)值處于中度污染、重度污染外, 其余站位均屬于嚴重污染。土塘養殖尾水評估結果顯示, 除4#和5#外, DIN的i值均小于<1, 符合《海水水質標準》二類水標準, 然而DIP的i值站位超標率76.92%, 是土塘養殖最主要的污染因子(表3)。

從養殖周期來看, 幼苗期的i值范圍介于1—3之間, 其COD、DIN和DIP污染程度不高, 且DIP是最主要污染因子。二月齡成蝦期, 除8#、9#、10#站位DIN的i小于1, 其余站位和指標均大于1, 且DIP的i值最高, DIP是最主要的污染因子。工廠化和土塘養殖成蝦尾水COD、DIN和DIP單因子評價指數均值分別是幼苗期的1.70倍、10.26倍、5.24倍; 內梅羅綜合污染指數上成蝦尾水值均值是幼苗均值的4.65倍。

表2 不同養殖方式養殖尾水COD、DIN和DIP濃度變化(mg·L–1)

注: 表格中均值數據采用平均值±標準偏差。

表3 單因子質量評價指數(Pi)和內梅羅綜合評價指數(P)評價結果

注: 1#—3#站位為工廠化養殖; 11#—13#站位為網箱養殖; 其余站位為土塘養殖。

2.2.2 富營養狀態評價

各監測站位值介于64—120162之間, 均已顯著超過富營養化評價標準值(=1), 且遠高于重度富營養化閾值(=9), 養殖尾水富營養化程度極高。值評估結果顯示, 各監測站位值范圍介于3.3—54.4之間, 均超過3.0的富營養化閾值, 工廠化養殖尾水富營養化程度最高, 土塘最低(表4)。從生長周期來看, 幼苗期尾水的和均值分別為287.8、5.3, 顯著低于二月齡成蝦尾水的44650.0、25.7, 即隨著養殖時間延長尾水富營養化程度顯著增加。

3 討論

3.1 海水養殖尾水污染狀況綜合分析

廣東省南美白對蝦養殖具有養殖密度高、周期短、投餌量大等特點。然而, 由于養殖污染物處理處置設施建設滯后, 養殖尾水中污染物超標排放情況普遍, 本文調查的雞打港網箱養殖區海水DIN、DIP污染指數范圍分別為1.9—2.0、4.4—5.8, 與2003和2004年茂名水東灣海水養殖海域監測結果相比, DIN污染指數無顯著變化, DIP污染指數均值增加到了1.5倍; 網箱養殖區水質綜合污染指數范圍介于3.5—4.7之間, 均值為4.03, 分別比2003年和2004年增加了56%和42%[12]。土塘養殖尾水污染物單因子指數總體低于工廠化養殖, 這一結果在其他區域的調查中也得到證實[13,14]。不同養殖類型尾水的綜合污染指數均值變化情況表明, 工廠化養殖最高, 其次是網箱養殖, 土塘養殖最低。

南美白對蝦養殖尾水污染物濃度隨著養殖時間延長而增加的原因主要是, 隨著蝦體生長, 單體攝食量逐漸增加, 但體重增長率相對穩定或呈微弱的下降趨勢, 因此, 飼料被攝食后大部分隨糞便等代謝物排至水中, 引起有機污染物富集, 經微生物分解, 溶解態污染物大量釋放, 顆粒態污染物沉積在底質中, 并進一步累積[15]。此外, 陸域土塘養殖尾水污染物濃度低于工廠化養殖, 主要原因是其進水水質、環境變化等的人為控制較弱, 養殖密度、投餌等相對較少, 且土塘周邊有水生植物和塘內藻類通過光合作用也能夠吸收部分的氮磷營養物質[16,17]。

3.2 養殖尾水的富營養化及危害分析

采用富營養化指數、營養狀態質量指數對本次調查的養殖尾水進行評估, 均存在重度及以上的富營養化問題, 養殖尾水的直接排放, 必將影響該區域的海洋生態環境質量。養殖尾水富營養化的主要原因是養殖餌料的大量投喂, 有研究顯示, 以飼料形式輸入的氮和磷在水體中總量占比分別達91.76%—93.68%和94.55%—96.97%, 而最終隨養殖尾水排出的氮和磷占比達到24.63%—54.52%和23.03%—59.02%[13]。

此外, 半封閉海灣的網箱養殖, 因養殖區水動力條件相對平緩, 殘餌和糞便等不易擴散, 大部分沉積在網箱底部, 造成近岸海域沉積物的污染物超量富集, 進而影響底棲生物的生物質量和底棲生態系統的正常運行, 甚至造成底棲生物的大量死亡[18]。網箱養殖引起的水質富營養化為藻類的生長繁殖提供了必需的營養物質, 然而, 有毒有害藻類赤潮、藻毒素的釋放等對水生動物的生長發育帶來不利影響, 甚至引起死亡, 最終影響生態系統結構和功能的穩定[4,8]。

3.3 海水養殖污染的分類管控對策

當前, 南美白對蝦養殖仍采用高密度、高投餌的傳統養殖模式, 依靠人工增氧、大量換水來維持水質, 大量攜帶殘餌、糞便以及氮磷污染物的養殖尾水直排入海極易造成鄰近灘涂、海域環境污染[19]。另外, 近海網箱、筏架養殖設施直接影響海域的水動力條件, 使海流速度降低, 一定程度上加速了顆粒態污染物的沉降富集以及水質溶解氧的降低, 引起水質基本要素的退化[7]。本次調查結果表明, 工廠化養殖和網箱養殖主要污染物COD、DIN和DIP的濃度和超標率均高于土塘養殖, 需要優先關注。一方面需要重視養殖模式的優化、養殖污染防治設施的建設; 另一方面, 應以養殖尾水受納海域的環境承載力和生態系統自凈能力為基礎, 嚴格管控海水養殖空間布局, 降低養殖密度和投餌強度、投喂頻率等, 推進養殖尾水處理設施建設并規范化運行, 減緩海水養殖尾水污染物直接排放引起的海水水質富營養化等突出問題[20,21]。

表4 富營養狀態指數(E)和營養質量指數(NQI)評價結果

注: 1#—3#站位為工廠化養殖; 11#—13#站位為網箱養殖; 其余站位為土塘養殖。

海水養殖尾水的處理技術方面, 利用微藻進行廢水處理能夠降低能耗, 同時兼顧尾水氮和磷的再次利用, 具有較好的環境效益[22]。和特氏杜氏藻()對養殖尾水中DIN和DIP的48h去除率達到 90%以上; 大型藻類羊棲菜()具有快速吸收氮磷、易于打撈以及較高的食用和藥用價值, 成為海水養殖尾水受納區域配套栽種的優先選擇生物[23]。聚球藻屬(sp.)、甲基桿菌屬(sp.)等生物為主體構建的生物浮床也能夠有效改善養殖環境中的微生態平衡, 降低水體富營養化水平[24]。綜合現有海水養殖尾水污染防治技術, 建議在海水養殖生產過程中, 因地制宜推廣魚-蝦混養、蝦-貝混養技術, 提高餌料轉化率, 同時, 配套栽種大型藻類或構建生物浮床, 增強區域水體的自凈功能和環境承載力[22-25]。

4 結論

(1) 以單因子污染指數評價, DIP是調查區域海水養殖尾水中污染最高的因子, 其污染指數在76.92%的站位中高于其他因子, DIN和COD濃度與《海水養殖水排放要求》一級排放要求和《海水水質標準》二類標準限值相比, 超標率均為100%; 以綜合污染指數評價, 養殖尾水值均處于重度及以上狀況, 工廠化養殖尾水均值達到36.6, 呈顯著的富營養水平。

(2) 養殖尾水污染物污染程度隨時間延長呈現增加的趨勢, 工廠化和土塘養殖成蝦尾水中COD、DIN和DIP單因子評價指數濃度均值分別是幼苗期的1.70倍、10.26倍、5.24倍; 成蝦尾水P值均值是幼苗均值的4.65倍。

(3) 海水養殖尾水污染防治, 應以區域海洋生態環境承載力為基礎, 合理規劃養殖空間布局, 科學設置養殖密度和投餌量, 配套建設養殖尾水生物利用工程, 推廣循環水養殖模式, 大幅削減污染物入海量。

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Assessment on the pollutants of mariculture wastewater in Maoming City

LIU Taisheng1, YANG Bo2,3, HE Ning3, KOU Jiefeng2, SUN Kaifeng2,*

1. Guangdong Pharmaceutical University, Guangzhou 510006, China 2.South China Institute of Environmental Science, MEE, Guangzhou 510535, China 3.Yichun University, Yichun 336000, China

The concentrations of nutrients, chemical oxygen demand were investigated in mariculture wastewater from industrial mariculture, pond and cage culture in the east areas of Maoming City. The water quality of wastewater was evaluated by the single factor pollution index, the Nemerow pollution index (), the Eutrophication index () and the Nutrient Quality index (). The results indicated that average concentrations of DIN, DIP and COD were much higher in industrial mariculture, followed by cage culture in Jida bay. Moreover, concentrations of pollutants from industrial mariculture were higher than the level ?standards of "Drainage Requirement for Tailwater in Mariculture". The concentrations of pollutants in industrial mariculture and pond were increased with culture time. The concentration of DIN in wastewater of adult stage was increased a 22.51 fold compared with that of larval stage under industrial culture. The averagevalues of three cultural modes belonged to serious pollution level, while a status of heavy eutrophication was founded according tovalues andvalues. The pollutants of wastewater discharged without treatment could induce remarkable elevation of nutrients concentration in offshore areas.

Mariculture, pollutants, the Nemerow pollutions index,Nutrient Quality index

劉太勝, 楊波, 何寧. 茂名市海水養殖尾水污染綜合評價研究[J]. 生態科學, 2021, 40(4): 195-201.

LIU Taisheng, YANG Bo, HE Ning, et al. Assessment on the pollutants of mariculture wastewater in Maoming City[J]. Ecological Science, 2021, 40(4): 195-201.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.04.022

S967

A

1008-8873(2021)04-195-07

2021-03-01;

2021-04-20

中央級公益性科研院所基本科研項目(PM-zx703-201904-128; PM-zx126-202004-136); 江西省教育廳科技項目(GJJ170916)

劉太勝(1976—), 男, 山東濰坊人, 碩士, 實驗員, 主要從事動物生理生態相關研究, E-mail: 317439940@qq.com

孫凱峰, 男, 博士, 副研究員, 主要從事海洋生態學研究, E-mail: sunkaifeng@scies.org