大连市金州海带养殖区理化因子动态及营养状况评价

柴成林,袁洪梅,张瑜,王晔,杨凤,孙丕海、2(.大连海洋大学水产与生命学院,辽宁大连6023;2.大连海洋大学海珍苗种培育基地,辽宁大连6023)

大连市金州海带养殖区理化因子动态及营养状况评价

柴成林1,袁洪梅1,张瑜1,王晔1,杨凤1,孙丕海1、2
(1.大连海洋大学水产与生命学院,辽宁大连116023;2.大连海洋大学海珍苗种培育基地,辽宁大连116023)

为调查海带Laminaria japonica养殖区的水质状况,选取大连市金州正明寺和登沙河两个典型海带养殖区,以及登沙河附近排污口海区,研究了海带养殖期间各理化因子的动态,并对水质进行了评价。结果表明:在水温为(5.90依5.10)益、透明度为(1.2依0.4)m、pH为8.12依0.09、溶解氧(DO)饱和度> 90%的条件下,海带生长良好,养殖中后期无机氮(DIN)和可溶性活性磷(DIP)明显下降;单因子污染指数法评价表明,3个海区的DO、CODMn、pH均符合国家二类水质标准,DIN、DIP含量在养殖前期超标,最高达四类或超四类海水水质;综合营养状况评价表明,两养殖海区均属贫营养水体,主要表现为氮限制,而污水口海区为富营养水体,DIN含量高,呈较严重的磷限制;有机污染指数评价表明,登沙河水质良好率为80%,正明寺为60%,污水口为40%,因此,养殖中后期按照合适的氮磷比例适当施肥将对海带生长有利。本研究结果可为完善海带的健康养殖技术、评价海带养殖的生态作用以及海区的合理开发利用提供参考。

海带养殖;理化因子;水质评价

海带Laminaria japonica又名昆布、江白菜,隶属于褐藻门、褐藻纲、海带目、海带科、海带属,主要分布于中国北部沿海及朝鲜、日本和俄罗斯,以及太平洋沿海海域[1]。海带是一种具有食用、药用和保健价值的大型经济藻类[2-3],占中国海藻类养殖产量的64.6%[4]。目前,关于海带的研究主要集中在遗传育种[4]、疾病防治[5]、生理生态[6-7]和加工技术等方面[8]。

大连市金州区海域盛产海带,登沙河和正明寺海区是当地主要的海带养殖区。近年来,两养殖区多次出现越冬期海带大量腐烂死亡现象,给当地的养殖业造成了巨大的经济损失。研究表明,病害和环境因子不适是导致海带生长异常甚至死亡的主要原因。环境因子如温度、光强、营养盐浓度等会影响海带的光合作用,进而对其生长发育产生影响[9-13]。目前,关于海带养殖区理化因子及营养状况的系统研究报道甚少。为此,本研究中选取登沙河海带养殖区和附近排污口,以及正明寺海带养殖区为研究对象,系统地研究了海带养殖期间海水理化因子的时空分布,并对其水质状况进行评价,旨在明确该海区的水环境状况,为查明海带腐烂死亡的病因以及完善海带健康养殖技术,评价海带养殖的生态作用及海区的合理开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 采样点及采样时间

本试验中,在大连市金州登沙河和正明寺海带养殖区的高排区、中排区和低排区分别设3个采样点,考虑到登沙河附近的排污口可能对养殖海区水质产生影响,另在污水口海区设1个采样点,共7个采样点。

采样时间重点选在海带主要养殖期(2014年12月—2015年5月),另外于2015年10月—2016年1月,补充测定了海带养殖前期的水质状况。采样频率为每半个月至1个月采样1次。采样时间为每天9:00~11:00。

1.2 方法

1.2.1 理化指标的采集与测定养殖区水质监测指标包括水温、溶解氧(DO)、pH、盐度、透明度、化学耗氧量(CODMn)、无机氮(DIN,包括总铵态氮、硝酸态氮、亚硝酸态氮)、可溶性活性磷(DIP)等。除特殊说明外,全部样品的采集、预处理和保存均按照《海洋监测规范》[14]进行。用多功能水质分析仪(美国产YSI)现场测定温度、DO、盐度和pH;分别采用透明度盘、碱性高锰酸钾法、磷钼蓝分光光度法、次溴酸盐氧化法、奈乙二胺分光光度法、锌镉还原法[15],测定透明度、CODMn、DIP、总氨、亚硝酸态氮、硝酸态氮含量。1.2.2水质评价方法

(1)单因子污染指数和超标率。水质评价方法采用单因子污染指数法[16],以二类海水水质标准[17]为评价标准值(表1)。调查期间,有1次测定的评价指数Pi>1时,就说明该水质参数超过了水质标准。超标率(Re)计算公式为

其中:ne为超标次数;n为某指标监测总次数。

(2)富营养化指数(E)评价。计算公式[18]为

E=COD伊DIN伊DIP伊106/4500。

其中:E为富营养化指数;COD为化学需氧量(mg/L);DIN为总无机氮(mg/L);DIP为可溶性活性磷(mg/L)。

(3)潜在性富营养化营养级。以N/P<8为氮限制,N/P>30为磷限制[19]。

(4)水质有机污染指数(A)评价。计算公式[20]为

其中:A为有机物污染指数;CODi、DINi、DIPi、DOi分别为化学需氧量、无机氮、可溶性活性磷和溶解氧的实测值;COD0、DIN0、DIP0、DO0为相应的二类海水水质标准值。

表1 部分海水水质分级类别限值[17]Tab.1Water quality classification[17]mg/L

1.3 数据处理

试验数据采用Excel 2007进行分析处理。结果用平均值依标准差表示,并进行T检验,显著性水平为0.05。

图1 温度随时间变化曲线Fig.1Changing curve of water tem perature w ith date

2 结果与分析

2.1 各理化因子随时间的变化

2.1.1 水温、盐度和透明度从图1可见:海带养殖期间,各检测区最低温度均出现在1月初至2月初,登沙河海区平均温度为(2.06依0.21)益,正明寺海区平均温度为(2.59依0.52)益,污水口水温波动幅度较大,最低为-1.70益;整个养殖期间(2014年12月—2015年5月),登沙河、污水口和正明寺海区的平均温度分别为(6.16依5.35)、(5.43依7.15)、(6.41依5.14)益,范围分别为(1.90~16.2)、(-1.70~16.7)、(1.93~15.7)益。3个海区间总体平均温度无显著性差异(P> 0.05)。

从图2可见:登沙河海区与污水口的盐度随时间变化的规律相近,分别在1月9日和3月13日有两次较明显下降,正明寺海区盐度则相对稳定;登沙河、污水口、正明寺海区的平均盐度分别为31.57依0.49、31.26依0.71、31.75依0.32。盐度总体较平均,正明寺与污水口海区的总体平均盐度有显著性差异(P<0.05),其他区域间无显著性差异(P>0.05)。

从图3可见:随着时间的推移,各养殖海域的透明度出现明显波动,但3个海区总体平均透明度无显著性差异(P>0.05);登沙河、污水口、正明寺海区的平均透明度分别为(123依52)、(75依39)、(126依30)cm。

图2 盐度随时间的变化曲线Fig.2Changing curve of water salinity levelw ith date

图3 透明度随时间的变化曲线Fig.3Changing curve of Secchi disk transparency lev-el w ith date

图4pH随时间的变化曲线Fig.4Changing curve of pH level w ith date

图5DO随时间的变化曲线Fig.5Changing curve of DO level w ith date

图6CODMn随时间的变化曲线Fig.6Changing curve of CODMnlevel w ith date

2.1.2pH、DO和CODMn从图4可见:养殖期间pH相对稳定;登沙河、污水口、正明寺的平均pH分别为8.06依0.11、8.09依0.19、8.11依0.09。

从图5可见,3个海区的DO含量在5月和10月较低,登沙河、污水口、正明寺海区的平均DO含量分别为(9.21依1.78)、(10.17依2.58)、(9.46依1.70)mg/L。

从图6可见:CODMn在养殖前期(秋冬季)较低,春季较高;登沙河、污水口、正明寺海区的平均CODMn含量分别为(0.739依0.201)、(0.812依0.271、(0.663依0.155)mg/L,污水口的CODMn值略高,总体平均含量无显著性差异(P>0.05)。

2.1.3DIN和DIP从图7可见:随着养殖时间的推移,登沙河与正明寺两个养殖区的DIN含量越来越低,海带苗较小的养殖前期(2014年11月—2015年2月),平均DIN含量分别为0.217、0.202 mg/L,养殖中后期(3月—5月)分别仅为(0.028依0.03)、(0.04依0.01)mg/L;整个调查期间,登沙河、正明寺、污水口海区的平均DIN含量分别为(0.154依0.143)、(0.144依0.102)、(0.395依0.191)mg/L。污水口的平均DIN含量极显著高于养殖区(P<0.01),是养殖区的1.9~2.3倍,而两养殖区的DIN含量无显著性差异(P> 0.05)。

从图8可见:养殖中后期(3—5月),各区DIP含量相对较低,其他时间相对较高;登沙河、正明寺、污水口海区平均DIP含量分别为(0.017依 0.012)、(0.024依0.014)、(0.020依0.013)mg/L。登沙河的DIP含量一直低于正明寺,两海区总体平均DIP含量有显著性差异(P<0.05)。

2.2 理化指标的垂直分布

从表2可见:登沙河和正明寺养殖区表层与底层的pH和盐度几乎没有差异,DO和DIN含量均为表层大于底层,水温、COD和DIP含量均为底层大于表层,但是统计检验均不显著(P>0.05);污水口的浮冰溶解后盐度为2.5,pH底层较水表层低,DIN和COD含量底层较水表层高。

图7DIN随时间的变化曲线Fig.7Changing curve of DIN level w ith date

图8DIP随时间的变化曲线Fig.8Changing curve of DIP level w ith date

表2 海带养殖区理化因子的垂直分布Tab.2The vertical distribution of physical and chem ical factors in the kelp farm ing areas

表3 海带养殖区主要水化学参数的含量范围Tab.3The content range of themain chem ical parameters in the kelp culture area

2.3 单因子污染指数及超标率

从表3可见:3个海区DO、COD、pH值均符合国家二类海水水质标准,甚至达到一类水质标准(如登沙河);DIN和DIP含量在养殖前期(10月至翌年1月)均有不同程度的超标。根据单因子污染指数计算得到,登沙河海区DIN值超标率为20%(2015-11-30和2016-01-14),达到四类水质标准,DIP值超标率为10%(2015-01),达到三类水质标准;正明寺海区DIN值超标率为10%(2015-11-30),达到三类水质标准,DIP值超标率为20%(2015-01-09和2015-01-23),达超四类海水水质标准;污水口DIN值超标率为70%,达超四类海水水质标准,DIP值超标率为10%,达到四类海水水质标准。

2.4 富营养化指数、N/P和有机污染指数

从表4可见:两个养殖海区富营养水质出现率均为10%,中营养出现率均为40%,贫营养出现率均为50%,总体平均为贫营养型水体;污水口总体平均为富营养型。

海带养殖期间,登沙河和正明寺海区均为氮限制,出现率分别为60%和70%,污水口氮限制出现率为10%,磷限制出现率为40%。两个养殖海区的平均A值均<1,属于良好水质;污水口属较好水质。

表4 海带养殖区的富营养化指数(E)、N/P值和有机污染指数(A) Tab.4Eutrophication index(E),N/P value and organic pullution index(A)in the kelp culture areas

3 讨论

3.1 海带养殖区理化因子的变化规律

海带是喜冷性大型藻类,位于黄海的大连市金州海带养殖区,海带养殖一般是从11月开始夹苗,至7月份收获完毕。本试验中,对夹苗前(2015年10月)、养殖前期(2014年12月—2015年2月,2016年11月—12月)和养殖中后期(2015年3月—5月)理化因子的监测结果表明,在水温为(5.90依5.10)益、盐度为31.48依0.59、透明度为(1.2依0.4)m、pH为8.12依0.09、DO饱和度> 90%的条件下,登沙河与正明寺养殖区的海带生长良好,获得丰收。说明两个海区的理化因子状况适合海带的生长。

随着养殖时间的推移,各海区DIN和DIP值逐渐下降(图7、图8),中后期(3月—5月)平均DIN含量比养殖前期(10月至翌年2月)降低了80%~87%,DIP降低了64%~83%。其中DIN的变化规律与史华明等[21]报道的北黄海DIN随季节变化规律(冬季>秋季>春季>夏季)一致,与王年斌等[22]报道的黄海北部河口区DIN变化规律(早春低,春末和夏季高,秋季低)不同。

导致春季养殖海区氮、磷含量明显下降的原因,可能是处于生长旺季海带的吸收和春季硅藻等浮游植物的大量繁殖。大量研究表明,海带等大型藻类对海水具有一定的生物修复作用[23-26],吴益春等[26]在研究海带对富营养化水体的生物修复作用时发现,海带能够明显吸收无机氮。郭记龙等[27]报道,北黄海近岸浮游植物以春季最多,夏季明显减少,秋季更低。污水口的DIN含量较高并与养殖区呈相近的变化规律,说明外来氮源的进入也可能对养殖区的DIN含量产生影响。但是污水口的DIP含量却较低,可能与海区水浅(1~2m)、风浪大,导致悬浮物多(透明度比两个养殖海区低)、DIP被吸附有关[28]。

目前,耗氧有机物是中国各类水体的主要污染物质。与DIN和DIP变化规律相反,3个海区的CODMn表现为养殖前期较低,中后期升高,10月以后又下降的趋势(图5)。登沙河、污水口和正明寺海区养殖中后期CODMn含量分别是前期的127%、133%和144%。引起水中CODMn变化的原因众多,包括外来有机物的输入,水中原有浮游植物的衰败,水生动物的排泄、植物的分泌和动植物老化死亡残骸腐烂分解等。养殖中后期CODMn的升高,不排除海带在生长旺季向外分泌有机物的作用。但是整个养殖期间CODMn的绝对值(中后期平均值0.8 mg/L)一直远低于一类海水水质标准(2 mg/L),各个月份间的CODMn值无显著性差异(P<0.05),说明目前的养殖规模下,海带养殖未使CODMn明显升高。

随着养殖时间的推移,水温(图1)和DO (图5)呈现出明显相反的变化规律,即水温低时DO含量高,水温高时DO含量低,且一直处于近饱和状态(饱和度>92%),表现出较典型的贫营养型水体特征[28](表2)。

3.2 海带养殖区的营养状况评价

综合单因子污染指数和超标率、富营养化指数E、潜在富营养化营养级(N/P)和有机污染指数A的评价结果可见,海带养殖前期(10月至翌年1月)水质较差,主要超标物质为DIN和DIP,DIN最高含量达四类海水水质标准(图7,登沙河海区2015年11月30日,DIN=0.450 mg/L),DIP最高含量达超四类海水水质标准(图8,正明寺海区, 2015年1月23日,DIP=0.053 mg/L),除2014年12月28日外,均为中营养甚至富营养型水体(表4)。而海带生长旺盛的养殖中后期(3月—5月)氮磷含量没有超标,达二类海水水质标准,均为贫营养型水体。

2015年中国环境状况公报[29]数据显示,黄海近岸海水二类水质出现率为59.1%,渤海近岸海水二类水质出现率为57.1%,黄渤海主要污染指标均为无机氮。与之比较,本试验中所调查海带养殖区的一、二类海水水质出现率均为70%,两海区的水质良好率和较好率均达90%,轻度污染率只有10%(表4)。说明所调查海区海带养殖期间的水质状况好于黄渤海的总体水平。

研究表明,当海带藻体在氮素供应过多而缺磷时,含氮物质代谢就会失调[30],鞠清等[31]认为, N/P值为8可能是海带胚孢子萌发的最适比例。钱鲁闽等[32]研究认为,当培养水体中N/P值为10时,大型海藻对磷吸收速率最高。而本研究中潜在富营养化营养级评价结果表明(表4),两海带养殖区均为氮限制,尤其是在海带生长中后期氮限制特别明显。因此,从提高海带产量的角度出发,养殖中后期(春季)按照合理的氮、磷比例施肥将促进海带的生长。

通过本次调查也表明,大连市登沙河和正明寺两海区海带病害的发生与水质无关。

[1]纪明侯.海藻化学[M].北京:科学出版社,2004.

[2]赖晓芳,沈善瑞.海带多糖生物活性的研究进展[J].生物技术通讯,2003,14(5):436-438.

[3]Zvyagintseva TN,Shevchenko NM,Chizhov A O,etalWater-sol-uble polysaccharidesofsome far-eastern brown seaweeds.Distribu-tion,structure,and their dependence on the developmental condi-tions[J].Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 2003,294(1):1-13.

[4]金振辉,刘岩,张静,等.中国海带养殖现状与发展趋势[J].海洋湖沼通报,2009(1):141-150.

[5]唐学玺,杨震,黄健,等.褐藻酸降解菌感染对海带抗氧化酶活性的影响[J].水产学报,2001,25(5):424-427.

[6]刘泳.高温胁迫对海带生长的影响及其作用机理的初步探讨[D].青岛:中国海洋大学,2004.

[7]黄健,唐学玺,段德麟,等.不同光照条件下海带体内各种化合物的含量及光合作用和呼吸作用的变化[J].海洋科学,2002, 26(4):55-58.

[8]王文亮,王守经,宋康,等.中国海带资源的功能及其开发利用研究[J].农业工程技术(农产品加工业),2008(4):40-41.

[9]朱明远,吴荣军,李瑞香,等.温度对海带幼孢子体生长和光合作用的影响[J].生态学报,2004,24(1):22-27.

[10]Mizuta H,Ogawa S,Yasui H.Phosphorus requirement of the spo-rophyte of Laminaria japonica(Phaeophyceae)[J].Aquatic Bot-any,2003,76(2):117-126.

[11]Ozaki A,Mizuta H,Yamamoto H.Physiological differences be-tween the nutrient uptakes of Kjellmaniella crassifolia and Lami-naria japonica(Phaeophyceae)[J].Fisheries Science,2001,67 (3):415-419.

[12]吴荣军,朱明远,李瑞香,等.海带(Laminaria japonica)幼孢子体生长和光合作用的N需求[J].海洋通报,2006,25(5): 36-42.

[13]徐智广,吴海一,孙福新,等.不同氮源加富对海带生长、光合固碳和氮吸收特性的影响[J].水产学报,2016,40(4):577-584.

[14]国家海洋局.GB17378.1-2007海洋监测规范第1部分:总则[S].北京:中国标准出版社,2008.

[15]雷衍之.养殖水环境化学实验[M].北京:中国农业出版社,2006.

[16]鲍永恩,黄水光.海洋环境质量评价刍议[J].海洋环境科学, 1996,15(3):1-9.

[17]国家环境保护局,国家海洋局.GB 3097-1997海水水质标准[S].北京:环境科学出版社,2004.

[18]邹景忠,董丽萍,秦保平.渤海湾富营养化和赤潮问题的初步探讨[J].海洋环境科学,1983,2(2):41-54.

[19]郭卫东,章小明,杨逸萍,等.中国近岸海域潜在性富营养化程度的评价[J].台湾海峡,1998,17(1):64-70.

[20]李巧香,周永召,李鹏山.夏季三亚湾近岸海域海水水质状况分析与评价[J].海洋湖沼通报,2010(3):100-106.

[21]史华明,王丽莎,石晓勇.北黄海溶解无机氮组成、分布及季节变化特征[J].中国海洋大学学报,2009,39(S):207-211.

[22]王年斌,马志强,薛克,等.黄海北部河口海域无机氮含量的分布动态与环境质量评价[J].大连水产学院学报,2003,18 (4):282-286.

[23]杨宇峰,费修绠.大型海藻对富营养化海水养殖区生物修复的研究与展望[J].青岛海洋大学学报,2003,33(1):53-57.

[24]毛玉泽,杨红生,王如才.大型藻类在综合海水养殖系统中的生物修复作用[J].中国水产科学,2005,12(2):225-231.

[25]汤坤贤,游秀萍,林亚森,等.龙须菜对富营养化海水的生物修复[J].生态学报,2005,25(11):3044-3051.

[26]吴益春,郝云彬,祝世军,等.海带对富营养化水体的生物修复效果与固碳能力[J].中国渔业质量与标准,2015,5(4): 35-39.

[27]郭记龙,于小惠,李春霖,等.北黄海近岸浮游植物群落特征季节性变化[J].湖北农业科学,2014,53(6):1281-1285, 1300.

[28]雷衍之.养殖水环境化学[M].北京:中国农业出版社,2004.

[29]2015年中国环境状况公报(摘录)[J].环境保护,2016,44 (11):43-51.

[30]索如瑛,刘德厚,田铸平.海带养殖[M].北京:农业出版社, 1988.

[31]鞠青,王悠,刘素,等.不同氮、磷配比人工海水对海带胚孢子早期发育的影响[J].应用生态学报,2009,20(8):1947-1951.

[32]钱鲁闽,徐永健,王永胜.营养盐因子对龙须菜和菊花江蓠氮磷吸收速率的影响[J].台湾海峡,2005,24(4):546-552.

An assessment of the dynam ics of physical and chem ical factors and trophic status in kelp culture area in coastal Jinzhou,Dalian

CHAICheng-lin1,YUAN Hong-mei1,ZHANG Yu1,WANG Ye1,YANG Feng1,SUN Pi-hai1,2
(1.College of Fisheries and Life Science,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.Seafood Seedling Breeding Base,Dalian Ocean Univer-sity,Dalian 116023,China)

The dynamics of physical and chemical factorswas studied in two typical kelp Laminaria japonica culture areas at Zhengmingsiand Dengshahe in Jinzhou aswell as the sewage outletnear the Dengshahe and thewater qual-ity was assessed in those regions in order to clarify the water quality of kelp culture areas.The results showed that the kelps grew well at water temperature of(5.90依5.10)益,Secchi disk transparency of(1.2依0.4)m,pH 8.12依0.09,and dissolved oxygen(DO)saturation>90%,with significantly lower levels of inorganic nitrogen (DIN)and soluble active phosphors(DIP)in themiddle and late cultivation period.Assessment by single factor pollution indexmethod revealed that the levels of DO,CODMnand pH in the three coastal areaswere in accordance with the national second-classwater quality standard,the DIN and DIP levels being excessive in the early cultiva-tion period,and thewater quality reachng or exceeding the criterion of the forth-class seawater.In the comprehen-sive trophic status,the poor trophic water body was found in the two sea cultivation areas,with nitrogen limit,eu-trophic water body at sewagemouth area,and high DIN level due to phosphorus limit.The evaluation of the organic pollution index indicated that80%of the water quality was good at the Denshahe,60%at Zhengmingsi,and only 40%at sewage outlet.It can be inferred that the kelp has good growth atappropriate fertilization during the cultiva-tion period according to the appropriate ratio of nitrogen to phosphorus.The findings provide a reference for perfec-ting the healthy breeding technology of kelp,accurate evaluation of the ecological effect of kelp farming and the ra-tional exploitation and utilization of the sea areas.

kelp culture;physical and chemical factor;water quality assessment

S968.42

A

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2017.03.014

2095-1388(2017)03-0342-07

2017-01-09

登沙河湾海带裙带菜死亡原因调查及应对研究(0703-14074001)

柴成林(1991—),男,硕士研究生。E-mail:995344185@qq.com

孙丕海(1959—),男,高级工程师。E-mail:dlsph@aliyun.com