茂名市海水养殖尾水污染综合评价研究

刘太胜, 杨波, 何宁, 寇杰锋, 孙凯峰,*

茂名市海水养殖尾水污染综合评价研究

刘太胜1, 杨波2,3, 何宁3, 寇杰锋2, 孙凯峰2,*

1. 广东药科大学, 广州 510006 2. 生态环境部华南环境科学研究所, 广州 510535 3. 宜春学院, 宜春 336000

以茂名市东部沿海的工厂化、土塘、网箱三种海水养殖类型为调查对象, 对比不同养殖类型、养殖阶段尾水中主要污染物化学需氧量(COD)、无机氮(DIN)以及活性磷酸盐(DIP)等含量变化, 利用内梅罗综合指数()、富营养化指数()、营养状态质量指数()等开展尾水污染状况的综合评价。结果表明, 主要污染物浓度均值呈工厂化养殖>网箱养殖>土塘养殖的趋势, 工厂化养殖尾水主要污染物均超过《海水养殖尾水排放要求》一级排放限值。养殖尾水主要污染物浓度随养殖时间延长而增加, 工厂化养殖尾水DIN含量在成体期比幼苗期增加了22.51倍。养殖尾水的值、值以及值均处于重度及以上污染状等级, 存在显著的富营养化问题。高密度连片海水养殖尾水直接排放是周边邻近海域氮磷污染的重要来源。

海水养殖; 污染物; 内梅罗综合指数; 营养状态质量指数

0 前言

《2020年渔业统计年鉴》显示我国海水养殖面积和产量分别为204万ha和2031万t, 分别比1980年增加近15倍和47倍[1]。海水养殖规模和产值的快速增长, 促进了海洋经济的发展, 我国也成为世界第一的海水养殖大国[2]。然而, 海水养殖业粗放式快速增长的状况下, 围海养殖、滩涂高位池养殖等造成了海岸生物、滩涂湿地和植被的破坏; 大量未经处理的养殖尾水直接排放入海, 造成氮磷污染物、养殖药物和有机质等的累积, 引发海水水质富营养化、海洋生物多样性降低, 局部海域海洋生态系统退化显著[3-5]。养殖尾水无机、有机氮磷污染物输入的不平衡, 也导致了局部海域营养盐组成和比例的失衡, 影响海洋浮游生物、底栖生物群落结构、组成, 甚至诱导有毒有害赤潮、绿潮、褐潮等生态灾害的暴发[6-9]。

本文以海水养殖尾水中污染物种类和含量为调查对象, 选取广东茂名沿海的工厂化和土塘南美白对虾养殖尾水, 以及临近的鱼类网箱养殖区开展水质监测, 重点关注养殖尾水中化学需氧量(COD)、无机氮(DIN)以及活性磷酸盐(DIP)等指标, 采用内梅罗综合评价指数、营养质量状态指数等系统评估不同养殖方式、养殖阶段(7d内的幼体和二月龄成体)的养殖尾水污染程度和富营养化水平,为科学评估、制定海水养殖尾水污染物排放标准提供数据支撑。

1 材料和方法

1.1 监测点位布设

2018年7月18日和19日, 在广东省茂名市东部沿海地区, 选取该区域同一孵化池孵化的幼苗分别养殖在池塘和工厂化养殖池; 以及同一孵化池孵化、且分别在池塘和工厂化养殖池条件下成长为2月龄虾的池塘和工厂化养殖池。共布设工厂化养殖、土塘、网箱养殖区13个站位, 其中1#—3#站位为工厂化养殖; 11#—13#站位为网箱养殖; 其余站位为土塘养殖; 工厂化、土塘养殖每个站位各采集3口养殖池, 邻近海水网箱养殖区布设左中右采样站位各3个水样, 采样站位信息及分布见图1。

1.2 监测和评价方法

本次调查采用现场水质分析仪, 测定了水温、盐度、pH、溶解氧等测定指标, 同时采集水样测定COD、DIN以及DIP等指标, 依据《海洋监测规范: 海水分析》(GB17378.4—2007)相关规定进行分析测定。

参考茂名市近岸海域环境质量功能区划的要求, 调查区域的养殖尾水应符合一级排放要求, 因此, 本次评价标准采用《海水养殖水排放要求》的一级标准[10]评估超标情况, 并计算综合污染指数。

图1 监测站位分布图

Figure 1 Distribution of sampling stations

1.2.1 综合污染指数评价[11]

式中为内梅罗综合指数,max、avg分别为各指标单因子污染指数i的最大值与各评价因子的平均值。具体等级划分标准见表1。(注: 单因子指数公式:P=C/S;i指第污染物的污染指数;i指第污染物的实测浓度;S指第污染物在《海水养殖水排放要求》一级标准中限值)

1.2.2 富营养化指数法[11]

式中表示富营养化指数。评价指标: 若≥1, 则水体呈富营养化状态。当 1≤≤3, 水体轻度富营养化; 3<≤9, 中度富营养化;>9, 重度富营养化。

1.2.3 营养状态质量指数法

式中为营养状态质量指数;COD、DIN、DIP分别为COD、DIN、DIP的测量浓度;′COD、′DIN、′DIP分别为COD、DIN、DIP在《海水养殖水排放要求》一级标准中的限值。评价分级参考《海洋生态环境监测技术规程》(2002), 即>3为富营养化水平;在2—3之间为中营养化水平;<2为贫营养化水平。

2 结果和分析

2.1 海水养殖污染因子调查

2.1.1 COD的分布特征

COD在工厂化养殖尾水中的浓度范围是23.02—36.49 mg·L–1, 均值为30.88 mg·L–1, 与《海水养殖水排放要求》一级标准(下同)限值10 mg·L–1相比, 超标率为100%。土塘中COD的变化范围是10.39—27.65 mg·L–1, 均值为18.99 mg·L–1, 超标率为100%。工厂化养殖尾水COD浓度高于土塘养殖。网箱养殖区COD的变化范围是7.86—23.86 mg·L–1, 均值为17.82 mg·L–1, 超标率66.67%(表2)。从养殖阶段上看, 工厂化养殖、土塘养殖幼苗尾水COD均值仅为二月龄成虾尾水均值的66.14%和62.64%, 幼苗尾水COD浓度低于二月龄成虾。

2.1.2 DIN的分布特征

工厂化养殖尾水中DIN浓度范围为0.56—13.17 mg·L–1, 均值为8.97 mg·L–1, 超标率100%。DIN组成中氨氮最大百分比65.01%, 硝氮最大百分比62.85%, 亚硝氮最大百分比41.16%。土塘养殖尾水中DIN浓度范围为0.25—0.76 mg·L–1, 均值为0.47 mg·L–1, 超标率28.57%。DIN组成中氨氮占比均值达到63.38%。网箱养殖区水体DIN浓度范围为0.94—0.98 mg·L–1, 均值为0.96 mg·L–1, 超标率100%, 氨氮占比均值达到59.57%(表2)。

从养殖阶段上看, 工厂化和土塘养殖幼苗尾水DIN范围为0.29—0.76 mg·L–1, 均值为0.54 mg·L–1, 氨氮占比均值达到67.26%; 二月龄成虾尾水DIN范围为0.25—13.17 mg·L–1, 均值为5.50 mg·L–1。工厂化养殖幼苗尾水中DIN浓度均值仅为二月龄成虾浓度均值的4.26%, 但土塘养殖幼苗尾水中DIN浓度均值超出二月龄成虾浓度均值的37.12%。不同养殖类型尾水DIN组分构成上呈现出工厂化养殖尾水硝氮占比高、土塘养殖尾水氨氮占比高的特点(图2)。

2.1.3 DIP的分布特征

工厂化养殖尾水中DIP浓度范围是0.06—0.71 mg·L–1, 均值为0.49 mg·L–1, 超标率100%。土塘养殖尾水中DIP浓度范围是0.02—0.12 mg·L–1, 均值为0.05 mg·L–1, 超标率42.86%。工厂化养殖尾水DIP 浓度高于土塘养殖。网箱养殖区水体中DIP浓度范围是0.11—0.20 mg·L–1, 均值为0.17 mg·L–1, 超标率100%(表2)。

表1 基于内梅罗综合指数的水质质量评价等级

图2 各监测站位DIN浓度和组成情况

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

工厂化养殖、土塘养殖幼苗尾水DIP均值仅为二月龄成虾尾水均值的13.70%和49.06%, DIP浓度随着养殖时间延长呈现了显著增加的趋势。从养殖阶段上看, 幼苗尾水DIP浓度范围是0.02— 0.012 mg·L–1, 均值为0.06 mg·L–1, 超标率为60%。二月龄成虾尾水DIP浓度范围为0.02—0.71 mg·L–1, 均值为0.31 mg·L–1, 超标率60%。

2.2 养殖尾水污染状况综合评价

2.2.1 单因子指数和内梅罗综合污染指数评价

海水养殖尾水污染状况的i值和值评估显示, 不同养殖模式中, COD、DIN和DIP的单因子指数最高值均出现在工厂化养殖, DIN污染程度最高, 土塘和网箱养殖尾水DIN 的i值均低于2.5, 且保持相对稳定; 除个别站位(6#、7#)值处于中度污染、重度污染外, 其余站位均属于严重污染。土塘养殖尾水评估结果显示, 除4#和5#外, DIN的i值均小于<1, 符合《海水水质标准》二类水标准, 然而DIP的i值站位超标率76.92%, 是土塘养殖最主要的污染因子(表3)。

从养殖周期来看, 幼苗期的i值范围介于1—3之间, 其COD、DIN和DIP污染程度不高, 且DIP是最主要污染因子。二月龄成虾期, 除8#、9#、10#站位DIN的i小于1, 其余站位和指标均大于1, 且DIP的i值最高, DIP是最主要的污染因子。工厂化和土塘养殖成虾尾水COD、DIN和DIP单因子评价指数均值分别是幼苗期的1.70倍、10.26倍、5.24倍; 内梅罗综合污染指数上成虾尾水值均值是幼苗均值的4.65倍。

表2 不同养殖方式养殖尾水COD、DIN和DIP浓度变化(mg·L–1)

注: 表格中均值数据采用平均值±标准偏差。

表3 单因子质量评价指数(Pi)和内梅罗综合评价指数(P)评价结果

注: 1#—3#站位为工厂化养殖; 11#—13#站位为网箱养殖; 其余站位为土塘养殖。

2.2.2 富营养状态评价

各监测站位值介于64—120162之间, 均已显著超过富营养化评价标准值(=1), 且远高于重度富营养化阈值(=9), 养殖尾水富营养化程度极高。值评估结果显示, 各监测站位值范围介于3.3—54.4之间, 均超过3.0的富营养化阈值, 工厂化养殖尾水富营养化程度最高, 土塘最低(表4)。从生长周期来看, 幼苗期尾水的和均值分别为287.8、5.3, 显著低于二月龄成虾尾水的44650.0、25.7, 即随着养殖时间延长尾水富营养化程度显著增加。

3 讨论

3.1 海水养殖尾水污染状况综合分析

广东省南美白对虾养殖具有养殖密度高、周期短、投饵量大等特点。然而, 由于养殖污染物处理处置设施建设滞后, 养殖尾水中污染物超标排放情况普遍, 本文调查的鸡打港网箱养殖区海水DIN、DIP污染指数范围分别为1.9—2.0、4.4—5.8, 与2003和2004年茂名水东湾海水养殖海域监测结果相比, DIN污染指数无显著变化, DIP污染指数均值增加到了1.5倍; 网箱养殖区水质综合污染指数范围介于3.5—4.7之间, 均值为4.03, 分别比2003年和2004年增加了56%和42%[12]。土塘养殖尾水污染物单因子指数总体低于工厂化养殖, 这一结果在其他区域的调查中也得到证实[13,14]。不同养殖类型尾水的综合污染指数均值变化情况表明, 工厂化养殖最高, 其次是网箱养殖, 土塘养殖最低。

南美白对虾养殖尾水污染物浓度随着养殖时间延长而增加的原因主要是, 随着虾体生长, 单体摄食量逐渐增加, 但体重增长率相对稳定或呈微弱的下降趋势, 因此, 饲料被摄食后大部分随粪便等代谢物排至水中, 引起有机污染物富集, 经微生物分解, 溶解态污染物大量释放, 颗粒态污染物沉积在底质中, 并进一步累积[15]。此外, 陆域土塘养殖尾水污染物浓度低于工厂化养殖, 主要原因是其进水水质、环境变化等的人为控制较弱, 养殖密度、投饵等相对较少, 且土塘周边有水生植物和塘内藻类通过光合作用也能够吸收部分的氮磷营养物质[16,17]。

3.2 养殖尾水的富营养化及危害分析

采用富营养化指数、营养状态质量指数对本次调查的养殖尾水进行评估, 均存在重度及以上的富营养化问题, 养殖尾水的直接排放, 必将影响该区域的海洋生态环境质量。养殖尾水富营养化的主要原因是养殖饵料的大量投喂, 有研究显示, 以饲料形式输入的氮和磷在水体中总量占比分别达91.76%—93.68%和94.55%—96.97%, 而最终随养殖尾水排出的氮和磷占比达到24.63%—54.52%和23.03%—59.02%[13]。

此外, 半封闭海湾的网箱养殖, 因养殖区水动力条件相对平缓, 残饵和粪便等不易扩散, 大部分沉积在网箱底部, 造成近岸海域沉积物的污染物超量富集, 进而影响底栖生物的生物质量和底栖生态系统的正常运行, 甚至造成底栖生物的大量死亡[18]。网箱养殖引起的水质富营养化为藻类的生长繁殖提供了必需的营养物质, 然而, 有毒有害藻类赤潮、藻毒素的释放等对水生动物的生长发育带来不利影响, 甚至引起死亡, 最终影响生态系统结构和功能的稳定[4,8]。

3.3 海水养殖污染的分类管控对策

当前, 南美白对虾养殖仍采用高密度、高投饵的传统养殖模式, 依靠人工增氧、大量换水来维持水质, 大量携带残饵、粪便以及氮磷污染物的养殖尾水直排入海极易造成邻近滩涂、海域环境污染[19]。另外, 近海网箱、筏架养殖设施直接影响海域的水动力条件, 使海流速度降低, 一定程度上加速了颗粒态污染物的沉降富集以及水质溶解氧的降低, 引起水质基本要素的退化[7]。本次调查结果表明, 工厂化养殖和网箱养殖主要污染物COD、DIN和DIP的浓度和超标率均高于土塘养殖, 需要优先关注。一方面需要重视养殖模式的优化、养殖污染防治设施的建设; 另一方面, 应以养殖尾水受纳海域的环境承载力和生态系统自净能力为基础, 严格管控海水养殖空间布局, 降低养殖密度和投饵强度、投喂频率等, 推进养殖尾水处理设施建设并规范化运行, 减缓海水养殖尾水污染物直接排放引起的海水水质富营养化等突出问题[20,21]。

表4 富营养状态指数(E)和营养质量指数(NQI)评价结果

注: 1#—3#站位为工厂化养殖; 11#—13#站位为网箱养殖; 其余站位为土塘养殖。

海水养殖尾水的处理技术方面, 利用微藻进行废水处理能够降低能耗, 同时兼顾尾水氮和磷的再次利用, 具有较好的环境效益[22]。和特氏杜氏藻()对养殖尾水中DIN和DIP的48h去除率达到 90%以上; 大型藻类羊栖菜()具有快速吸收氮磷、易于打捞以及较高的食用和药用价值, 成为海水养殖尾水受纳区域配套栽种的优先选择生物[23]。聚球藻属(sp.)、甲基杆菌属(sp.)等生物为主体构建的生物浮床也能够有效改善养殖环境中的微生态平衡, 降低水体富营养化水平[24]。综合现有海水养殖尾水污染防治技术, 建议在海水养殖生产过程中, 因地制宜推广鱼-虾混养、虾-贝混养技术, 提高饵料转化率, 同时, 配套栽种大型藻类或构建生物浮床, 增强区域水体的自净功能和环境承载力[22-25]。

4 结论

(1) 以单因子污染指数评价, DIP是调查区域海水养殖尾水中污染最高的因子, 其污染指数在76.92%的站位中高于其他因子, DIN和COD浓度与《海水养殖水排放要求》一级排放要求和《海水水质标准》二类标准限值相比, 超标率均为100%; 以综合污染指数评价, 养殖尾水值均处于重度及以上状况, 工厂化养殖尾水均值达到36.6, 呈显著的富营养水平。

(2) 养殖尾水污染物污染程度随时间延长呈现增加的趋势, 工厂化和土塘养殖成虾尾水中COD、DIN和DIP单因子评价指数浓度均值分别是幼苗期的1.70倍、10.26倍、5.24倍; 成虾尾水P值均值是幼苗均值的4.65倍。

(3) 海水养殖尾水污染防治, 应以区域海洋生态环境承载力为基础, 合理规划养殖空间布局, 科学设置养殖密度和投饵量, 配套建设养殖尾水生物利用工程, 推广循环水养殖模式, 大幅削减污染物入海量。

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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 Іstandards 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

刘太胜, 杨波, 何宁. 茂名市海水养殖尾水污染综合评价研究[J]. 生态科学, 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

中央级公益性科研院所基本科研项目(PM-zx703-201904-128; PM-zx126-202004-136); 江西省教育厅科技项目(GJJ170916)

刘太胜(1976—), 男, 山东潍坊人, 硕士, 实验员, 主要从事动物生理生态相关研究, E-mail: 317439940@qq.com

孙凯峰, 男, 博士, 副研究员, 主要从事海洋生态学研究, E-mail: sunkaifeng@scies.org