欽州灣近岸網箱養殖期磷的分布特征研究*

黃麗艷,黃 鵠,廖日權

(1.北部灣大學北部灣海洋發展研究中心,廣西欽州 535011;2.北部灣大學海洋學院,廣西欽州 535011;3.北部灣大學,廣西北部灣海洋環境變化與災害研究重點實驗室,廣西欽州 535011)

磷(Phosphorus)是海洋生態系統的主要生源要素,也是水體、底泥等環境的潛在污染因子[1,2]。近年來隨著沿海地區經濟的飛速發展,近岸海洋生態結構和功能受到一定的損害,并直接威脅著近岸海水養殖業的可持續發展[3]。在養殖過程中部分飼料因不能及時被攝食而散失,富含有機物的殘餌和養殖生物排放的糞便沉積在網箱養殖區域及其毗連水域[4]。據報道,近岸養殖過程中通常有超過30%的餌料未被充分攝食利用,其中大量的磷等有機質積聚于沉積物中,然后通過沉積物-水界面釋放、運輸到水體中,從而間接引發赤潮、富營養化等海洋環境災害[5,6]。因此,研究近岸海灣網箱養殖區域磷營養鹽的變化特征對掌握海域環境污染程度具有現實意義。

1 材料與方法

1.1 站位設置

欽州灣氣候為亞熱帶季風型氣候,當地的氣溫和降水具有明顯的干、濕季節變化,5-9月集中了全年70%以上的降水量,月平均氣溫高且月變化小,當年10月至翌年4月降水量小且氣溫低。欽州灣的港口航運和漁業作業等活動對海洋生態環境質量影響較大,本研究選擇近岸高密度聚乙烯(High-Density Polyethylene,HDPE)圓形雙浮式抗風浪網箱養殖卵形鯧鲹(Trachinotusovatus)的海域為調查區域,卵形鯧鲹地方名為金鯧,鱸形目(Perciformes)鲹科(Garangidae)鯧鲹屬(Trachinotus),屬暖溫帶中上層魚類,據統計,2021年廣西卵形鯧鲹養殖產量為11.1萬噸,占全國的45.3%[13],是廣西網箱養殖的重要品種之一。本次調查的網箱養殖區域有網箱12口,5月初開始投苗,養殖所用餌料為金鯧魚專用膨化配合飼料,每天投喂2-3次,根據潮汐確定投喂時間,11月達到商品魚大小,可以開始捕獲收成。將采樣點分為網箱區和非養殖區,分別在2022年5月、7月和10月3個時段內的某一天進行采樣調查。網箱區為養殖卵形鯧鲹的集中區域,網箱投放魚苗約30萬尾/箱,共設置4個采樣點(J1-J4),水深為8.8-10.6 m;非養殖區為距網箱養殖區約1 km的非養殖區域,設1個采樣點(F),調查站位如圖1所示。

圖1 欽州灣近岸網箱養殖調查站位

1.2 樣品采集與分析

采用測深儀(型號:SPEEDTECH SM-5A)測定采樣站點的水深;使用有機玻璃采水器現場采集表層(0.5 m)和底層(距底部約0.5 m)海水水樣,置于保溫箱中冷藏保存,待轉移至實驗室后立即用孔徑為0.45 μm微孔濾膜過濾,用稀鹽酸和Milli-Q超純水洗凈的聚乙烯瓶儲存濾液,并在-20 ℃條件下保存待測。用抓斗式采泥器采集表層沉積物,排除空氣后密封在聚乙烯密封塑料袋中,并在保溫箱中暫存,帶回實驗室在-20 ℃冷凍保存,用于相關參數的測定。

1.3 表層沉積物總磷污染評價

目前,中國尚未有海洋沉積物營養鹽的環境評價標準,本研究采用加拿大環境和能源部制定的沉積物質量保護和管理指南[18]對研究區表層沉積物磷的生態危害性進行評價。采用單因子標準指數評價欽州灣近岸網箱養殖區表層沉積物總磷富集水平,磷富集指數(P Enrichment Index,PEI)的計算公式:

PEI=ci/cs,其中,ci和cs分別代表樣品i的TP濃度(mg/g)和標準TP濃度(600 mg/g),當PEI>1時,表示表層沉積物雖然已受污染,但是沉積物中的多數底棲生物仍可承受。

1.4 數據統計分析

使用Ocean Data View (ODV)軟件繪制采樣站位圖;應用SPSS 26.0軟件進行Pearson相關性分析,P<0.05為顯著差異;利用Origin 2021軟件進行繪圖,描述性統計值采用算術平均值±標準差(Mean±SD)表示。

2 結果與分析

2.1 欽州灣近岸網箱養殖期水質因子的分布

欽州灣近岸網箱養殖期間水質因子的分布如表1所示,T為25.10-30.54 ℃,平均值為(27.40±2.17) ℃,在養殖高峰期顯著高于養殖投苗期和收成期(P<0.05),表、底層變化不明顯,非養殖區略高于網箱區;DO為5.03-6.70 mg/L,平均值為(5.91±0.46) mg/L,時間上變化顯著,在養殖收成期出現高值,表層含量略低于底層,養殖期間的DO含量均符合水產養殖區執行的第二類海水水質標準(>5 mg/L);pH值為7.27-8.19,平均值為7.78±0.25,時間上變化顯著,在養殖投苗期出現高值,表、底層無顯著變化(P>0.05);S為20.59-28.43,平均值為24.91±2.37,分布特征與pH相似,在養殖高峰期的表、底層海水中有顯著差異(P<0.05),出現分層現象。

表1 欽州灣網箱養殖期水質因子的分布(平均值±標準差)

2.2 欽州灣近岸網箱養殖期水體磷的分布

欽州灣近岸網箱養殖期水體磷的分布見圖2。TDP含量為14.61-42.79 mg/L,平均值為(33.28±10.65) mg/L;DIP含量為7.28-43.01 mg/L,平均值為(19.90±9.50) mg/L;DOP含量為4.42-29.06 mg/L,平均值為(13.38±6.70) mg/L。水體中DIP含量較高,說明DIP是水體TDP的主要賦存形態。在養殖投苗期TDP和DIP最高值出現在J4站點,最低值出現在J2和J1站點的底層海水中;DOP最高值出現在J1站點的底層海水中。在養殖高峰期TDP含量分層明顯,表層海水含量基本都高于底層,其中J4站點的TDP和DOP含量較高。在養殖收成期各站點磷含量變化較小,其中TDP和DIP最高值出現在J4站點,DOP最高值出現在J2站點的表層海水中。養殖投苗期和養殖高峰期DIP含量符合第二類海水水質標準(≤0.030 mg/L),但在養殖收成期DIP含量僅符合第三類海水水質標準(0.030-0.045 mg/L)。從時間上看,欽州灣近岸網箱養殖期水體TDP含量呈逐漸上升趨勢,隨著養殖濃度逐漸升高;從區域上看,網箱區與非養殖區磷的分布較為一致,表層海水的TDP和DIP含量均大于底層,DOP含量在表、底層海水中變化不明顯。

圖2 網箱養殖期近岸水體磷的分布

氮磷比(N/P)是水環境的重要指標,按照Redfield定義的浮游植物生長利用DIN與DIP的比值關系(16∶1),N/P低于16表明藻類的生長受氮限制,N/P高于16表明是受磷限制[19]。欽州灣間網箱養殖期水體中N/P分布如圖3所示,可以發現N/P變化趨勢有一定的差異性,在養殖投苗期和收成期水體的N/P低于Redfield比值,表明該區域的氮磷污染較輕,發生富營養化的概率較低;在養殖高峰期有超過一半站點的N/P大于Redfield比值,為磷限制狀態。

2.3 欽州灣近岸網箱養殖期表層沉積物磷的分布

表層沉積物中粒度的粗細能影響磷等有機質含量的富集能力,有機質含量隨著沉積類型的不同呈現出明顯的區域性差異[20]。欽州灣網箱養殖期表層沉積物的鹽度(S)、含水率及粒度組成分布如圖4(a)所示。沉積物鹽度為1.57-6.51,平均值為4.54±1.97,呈網箱區>非養殖區、養殖高峰期>養殖投苗期>養殖收成期的分布特征,沉積物中的鹽度顯著低于海水鹽度(P<0.05)。沉積物含水率為22.2%-57.3%,平均值為(43.9±13.4)%,分布特征與鹽度一致。沉積物粒度的組成中黏土所占百分比含量平均值為(48.1±24.9)%,粉砂平均值為(37.2±16.1)%,砂平均值為(14.7±30.0)%,其中網箱區的黏土平均值為(58.2±15.2)%,粉砂平均值為(41.4±14.6)%;非養殖區的砂平均值為(71.9±13.1)%,粉砂平均為(20.4±9.8)%。根據Shepard歸類法[21]得到的粒度組成三元相圖如圖4(b)所示,網箱養殖投苗期所有站點均表現為黏土質粉砂,高峰期和收成期大部分站點表現為粉砂質黏土,F站點表現為粉砂質砂,說明粒度結構組成在養殖期間發生變化,網箱區砂質含量所占比例低,非養殖區砂質含量高,可能與箱體的阻擋及養殖生物產生的有機體及殘餌等細顆粒組分的堆積有關。

圖3 網箱養殖期近岸水體中N/P分布(S:表層;B:底層)

圖4 網箱養殖期表層沉積物鹽度、含水率和粒度組成分布及三元相圖

欽州灣近岸網箱養殖期表層沉積物磷的分布見圖5。TP含量為183.87-850.62 mg/g,平均值為(512.25±181.21) mg/g;IP含量為92.99-560.29 mg/g,平均值為(326.25±136.42) mg/g;OP含量為66.45-290.45 mg/g,平均值為(186.00±51.63) mg/g。IP含量在時間上表現為養殖高峰期略高于養殖收成期和投苗期,無顯著變化(P>0.05),均在F站點出現最小值,J3站點出現最大值,各站點含量的分布基本一致。OP含量在時間上分布特征與IP一致,各站點含量的分布無明顯規律。TP含量的分布特征與IP一致,均在F站點出現最小值,J3站點出現最大值。整體上看網箱區的IP占比較高,說明IP是網箱區表層沉積物磷的主要賦存形態。

欽州灣近岸網箱養殖表層沉積物PEI值如圖6所示。PEI值為0.31-1.42,平均值為0.85±0.30,網箱區與非養殖區PEI平均值分別為0.97±0.20和0.39±0.14,在時間上呈養殖高峰期(0.99±0.33)>養殖收成期(0.81±0.30)>養殖投苗期(0.76±0.29)的分布特征。養殖高峰期的網箱區有一半站點PEI>1,J3站點在養殖期間PEI指數均大于1,說明沉積環境已經出現輕度磷污染,但底棲生物仍可承受,表明高密度的網箱養殖活動使得總磷在表層沉積物中過度積累并形成污染,從而對海洋生態環境造成危害。

圖5 網箱養殖期表層沉積物磷的分布

圖6 網箱養殖期表層沉積物PEI的分布

3 討論

3.1 影響欽州灣近岸網箱養殖期水體磷分布的因素

海水中磷的主要來源包括大陸徑流帶來的巖石風化物質、有機質腐解產物、排入河流的廢棄物、大氣沉降及人類活動,磷在海洋中進行著大范圍的遷移和循環[22]。欽州灣近岸網箱養殖區水體TDP和DIP的濃度呈隨時間逐漸上升、表層海水高于底層海水的特征,這與勞齊斌等[12]、溫玉娟等[23]對欽州灣營養鹽分布特征分析結果一致。與近40年欽州灣水體DIP濃度歷史(圖7)相比,可以看出欽州灣水體DIP濃度呈增長趨勢,近五年以來已超過第一類海水水質標準(<0.015 mg/L),介于二、三類水質標準之間。通常近海高濃度的DIN與DIP主要同人類活動有關的陸源排放有關,其中DIP主要來源于水產養殖活動[30]。有研究表明欽州灣外灣DIN和DIP的季節變化主要受內灣輸入影響,河-海混合是影響其空間分布的主要因素,外海沉積物再懸浮過程是影響DIP季節上空間變化的重要因素[31]。本研究的采樣站點位于欽州灣外海區域,水深在10 m左右,較靠近防城港工業區,網箱密集,養殖生物量大,且欽州灣外灣水質受沿岸排污及毗鄰外海水體交換的共同影響[11]。欽州灣近岸網箱養殖期水體磷與水環境因子的Pearson相關性分析(圖8)結果顯示,在養殖期間DIP均與鹽度呈顯著負相關,表明陸源輸入對欽州灣的磷含量產生重大影響。內灣輸入和養殖活動的影響使得水體污染物濃度升高,海水的層化現象可能會導致表層和底層海水的交換減緩,從而導致較高濃度的TDP和DIP滯留在較淺的深度中,使得其在表層海水濃度較高。研究發現DIP可通過海洋浮游植物或細菌吸收同化后轉為DOP[32],欽州灣近岸網箱養殖海域DOP的濃度分布特征為7月顯著高于5月和10月(P≤0.05),7月DOP與DIP含量呈顯著的負相關(r=-0.67,P≤0.05,圖8),進一步說明兩者之間存在一定的轉化關系。欽州灣海域的葉綠素a (Chl-a)濃度季節變化特征為夏季>春季>冬季>秋季[33],與DOP含量分布特征一致,這可能導致7月海水處于磷限制狀態,雖然7月和10月養殖生物產生的有機質相對較多,但潮流的運動使得有機質不斷擴散并在沉積環境和水環境中發生遷移轉化而被生物利用。網箱區與非養殖區的水體磷濃度分布特征一致,且濃度差別不大,這可能與網箱區與非養殖區水體磷的來源一致有關;但隨著養殖活動的深入,網箱區的磷濃度高于非養殖區,表明大規模的餌料輸入會導致水體營養鹽濃度升高。水體發生富營養時TDP的臨界濃度為20 mg/L[1],各站位的TDP含量均已超過臨界濃度范圍,這說明本研究區域已經達到富營養水平,其水質受到一定程度的污染,存在一定的生態風險。雖然網箱養殖布置在較深的區域,但欽州灣海底地形較平坦,坡度小,水流較弱,隨著養殖活動的高度集約化,水體中磷等營養鹽含量會隨之升高。

圖7 近40年欽州灣水體DIP濃度的變化[12,23,24-29]

3.2 欽州灣近岸網箱養殖期表層沉積物磷的分布特征

表層沉積物的磷含量與含水率、粒度等屬性有一定的關系[34],欽州灣近岸網箱養殖期表層沉積物中磷的分布與Dan等[35]的研究結果一致,低于啞鈴灣網箱養殖區的調查結果[36],說明欽州灣近岸網箱養殖區表層沉積物中的磷污染較輕。將沉積物中磷的組成與含水率、粒度進行Pearson相關性分析(圖9),發現在養殖投苗期TP與含水率呈極顯著的正相關性,與黏土呈顯著正相關,與砂呈顯著負相關;OP與黏土呈極顯著正相關,與砂呈極顯著負相關。養殖高峰期的TP、IP與含水率呈顯著正相關。養殖收成期OP與含水率和黏土呈顯著正相關,與砂呈顯著負相關。上述結果說明磷主要集中在高黏土、低砂質、高含水率的沉積物中,可能是因為粒徑小的顆粒比表面積大,更容易吸附磷和附著生物碎屑等有機物質。養殖投苗期和高峰期的表層沉積物中OP、IP與TP存在顯著的正相關關系,且IP與TP存在極顯著的正相關關系,表明沉積物中磷在來源上具有較好的一致性。

圖8 網箱養殖期近岸水體中的磷與環境因子相關性分析

沉積物與水體進行磷交換的過程包括磷酸鹽的沉淀和溶解、磷顆粒的沉降與再懸浮、溶解態磷的吸附、解吸以及磷的生物循環等[37]。水體溶解氧含量是影響底泥-水界面營養物質遷移轉化的重要因素[38,39]。欽州灣網箱養殖的投餌集中在5-11月,7月魚類代謝活動較強,處于養殖高峰期,大量殘餌和排泄廢物等有機質產生沉降作用,并且有機質降解消耗溶解氧;10月水溫下降,魚類生長放緩,投餌料逐漸減少,有機污染物沉積量減少,海水中溶解氧含量變大,風浪對沉積物的遷移也有一定的影響,強風浪容易擾動表層沉積物。海洋表層沉積物的再懸浮作用會引起生源要素在海水和沉積物中的再分配,在河流入海、淺海區等人類關系密切的地區再懸浮現象更為明顯[40]。網箱區表層沉積物TP含量是非養殖區的兩倍以上,與黃顯兵等[41]研究結果相似。網箱區人類活動頻繁,養殖生物量大,箱體會減弱水體的交換能力,因此污染物會在箱體周圍大量堆積;非養殖區水深較淺,光照和溶氧充足,磷的遷移轉化速率相對較高[42]。

3.3 表層沉積物磷污染評價分析

欽州灣網箱養殖期表層沉積物的磷污染評價結果表明該區域已達到一定的污染級別,但還在安全級別的范圍內,與Dan等[35]在欽州灣的調查相差不大,與羅昭林等[43]在流沙灣外灣養殖區的結果一致。非養殖區的PEI<1,說明該區TP污染程度不明顯。

圖9 網箱養殖期近岸表層沉積物中磷與含水率、粒度的相關性分析

本研究中的網箱養殖區主要分布在欽州灣外灣的西部,欽州灣余流是東進西出的氣旋式環流,灣外較為清潔的水流可將東部養殖殘余的磷等營養鹽帶入西側,而且規模化網箱養殖在一定程度上會阻礙水流交換及養殖廢物的自然凈化,殘餌沉積在網箱底部附近不易擴散,將直接導致養殖區底部沉積物中磷含量增加。養殖活動規模的擴大和沿岸工、農業的發展等經濟活動都會在一定程度上增加沉積物TP的負荷,增大欽州灣海域的富營養化風險。為防止和減輕海水養殖自身污染,需采取一定的調控對策,比如對網箱養殖區域進行科學規劃,合理確定養殖容量及密度,優化網箱養殖結構,調整養殖布局,改進投餌技術,提高飼料利用率等。

4 結論

欽州灣近岸網箱養殖期水體中的磷含量周期性和垂直變化明顯,隨著養殖的進行磷含量不斷升高,在養殖投苗期各站點的DIP含量均滿足二類海水水質標準,但在養殖收成期已超標,網箱區較非養殖區水質更差;內灣輸入和養殖活動對水體磷含量影響顯著,DIP是TDP的主要賦存形態;大部分站點在養殖高峰期出現磷限制狀態。欽州灣近岸網箱養殖水體的TDP濃度總體上已達到富營養化水平。表層沉積物的磷含量在養殖高峰期出現較大值,在養殖投苗期含量最低,網箱區的含量高于非養殖區,IP是TP的主要賦存形態,各形態磷在來源上具有較好的一致性。表層沉積物中PEI值表明,盡管欽州灣網箱養殖活動尚未對沉積環境造成嚴重污染,但養殖活動規模的擴大和沿岸工農業的發展會加重表層沉積物磷的負荷,從而增大水體富營養的風險。為避免磷營養鹽含量過高引起的大規模養殖病害等危害的發生,需采取一定的調控對策探尋欽州灣網箱生態養殖新模式,從而有助于防止欽州灣水質進一步惡化,保護海洋環境生態健康,更好建設“藍色海灣”。