大亚湾深水网箱养殖海域表层沉积物碳、氮、磷分布特征及污染评估*

葛伟宏,王兴强,苏家齐,朱长波

(1.江苏海洋大学 海洋科学与水产学院,江苏 连云港 222005; 2.中国水产科学研究院 南海水产研究所,广东 广州 510300)

0 引言

海域沉积物是一种完整的信息载体,能够全面反映海洋生态系统中的生物信息和理化数据,并且能够捕捉到自然因素和人为因素对环境的影响[1]。此外,海域沉积物中的有机物能够提供有效的指示信息,对其进行检测分析可以帮助人们更好地了解当前海域的环境状况[2]。海域沉积物吸收了大量的有机物,这些物质会在矿化作用的过程中被转化成无机盐,然后通过海水与沉积物界面的交换释放到水体中,参与水体的再循环,成为海域水体重要的环境因素[3]。碳、氮和磷作为沉积物中重要的表征元素,常被用于环境质量的评价[4]。研究海域沉积物中总有机碳(total organic carbon,TOC)、总氮(total nitrogen,TN)和总磷(total phosphorus,TP)的含量及其分布规律,有助于专家学者更好地了解海域水体的生态系统以及水体质量状况,对于评估海洋初级生产力、有机质来源、有机物污染状况等具有重要意义[5-6]。

随着水产养殖技术的发展,网箱养殖逐渐得到大规模应用,由此所造成的污染问题给海洋底质及水环境带来了极大威胁,也给水产养殖业的持续发展造成了不良影响。为了更好地了解海洋营养盐的变化趋势,并且更准确地评价海域的生态环境质量状况,需要对表层沉积物中的总有机碳(TOC)、总氮(TN)和总磷(TP)进行测定与分析[5]。近年来,大亚湾海域的网箱养殖规模不断扩大,同时环境问题也受到越来越多的关注。学者们开展了大量的研究,利用沉积物的污染评估来揭示深水网箱养殖对环境的影响[7]。随着2022年粤港澳流动渔民深海网箱养殖产业园的初步建成,更多的深水网箱投入使用。检测对应海域沉积物,了解当前模式下水质状况,可以为大亚湾海域的生态环境保护提供基础数据。本文通过对2021年到2022年大亚湾深水网箱养殖区的表层沉积物的总有机碳、总氮和总磷的含量与时空分布特征进行研究分析,试图更清晰地了解大亚湾海域的环境状况,掌握深水网箱养殖对环境的影响,从而更好地指导大亚湾的网箱养殖并实现科学合理规划。

1 调查区域与方法

1.1 调查区域

大亚湾(114°29′42″～114°49′42″E,22°31′12″～22°50′00″N),位于广东省中部、珠江口东侧,是一个亚热带山地溺谷半封闭型海湾(见图1)。大亚湾深水网箱主要分布于深圳大鹏澳、惠东圣告岛等海域。大鹏澳位于大亚湾西南部,为半封闭型溺谷湾,平均水深约7 m,被列为广东沿岸二类海水增养殖区。大鹏澳深水网箱养殖区位于大鹏澳湾口处,共有HDPE C43型深水网箱80口,2015年投产使用。深水网箱在南北方向呈三排排列,直径13 m,网衣深6 m,为圆形双浮管升降式抗风浪网箱。大鹏澳深水网箱主养品种为卵形鲳鲹(Trachinotusovatus),另有1～2箱黄斑篮子鱼(Siganusoramin)和花鲈(Lateolabraxmaculatus),卵形鲳鲹养殖周期为每年5月至11月,黄斑篮子鱼为每年10月至次年3月,花鲈全年均有养殖。

图1 大亚湾深水网箱养殖调查区域Fig.1 Survey area of deep water cage aquaculture in Daya Bay

圣告岛位大亚湾东南、惠东县双月湾南,其南侧1.2 km的小星山岛是大亚湾最大岛屿。2020年,广东省农业农村厅批准惠州创建粤港澳流动渔民深海网箱养殖省级现代农业产业园。网箱养殖产业园圣告岛基地位于圣告岛西北海域,水深大于15 m,增加了周长60～90 m深水网箱50口,周长40～50 m深水网箱60口,周长150 m宽体休闲网箱2口。至2022年8月,圣告岛深水网箱养殖区有1座休闲渔业综合体验平台,以及80余口深水网箱,主要养殖卵形鲳鲹及大黄鱼(Larimichthyscrocea)和日本黄姑鱼(Argyrosomusjaponicus)等石首鱼科鱼类。

1.2 采样位置

在2021年10月和2022年 5月、6月和8月对大鹏澳深水网箱养殖海域进行了表层沉积物采样调查(2021年12月至2022年4月受新冠疫情影响,无法出海采样)。采样海域共设置3个区域,包括网箱区(即养殖区,1,2,3站位)、外围区(网箱外0.1 km,4,5,6站位)和非养殖区(即对照区,网箱外10～15 km,7,8,9站位)[7]。采样站位点1～6位置如图2所示,7～9站位因距离养殖区较远,未在图中标注。2022年5月与6月,受新冠疫情影响,采样船只无法进入未申请水域(对照区),因此2022年5月与6月仅完成养殖区以及外围区的样品采集。

图2 大鹏澳调查站位示意图Fig.2 Schematic diagram of survey stations in Dapeng Bay

2021年11月和2022年 5月、6月和8月对圣告岛-小星山深水网箱海域进行采样调查(2021年12月至2022年4月受新冠疫情影响,无法出海采样)。采样海域共设置3个区域,包括网箱区(即养殖区,1,2,3站位)、外围区(网箱外0.1 km,4,5,6站位)和非养殖区(即对照区,网箱外10～15 km,7,8,9站位)[7]。采样站位点1～6如图3所示,7～9站位因距离养殖区太远,未在图中标注。

图3 圣告岛-小星山调查站位示意图Fig.3 Schematic diagram of the survey stations in Shenggao Island-Xiaoxing Mountain

1.3 检测方法

沉积物样品的采集按照《海洋监测规范》(GB 17378—2007),使用采泥器采集表层沉积物。采集的沉积物样品置于恒温(60 ℃)下烘干至恒重,然后研磨并过100目筛,保存于干燥器中以备分析[8]。表层沉积物总有机碳含量采用热导法测定,总氮和总磷含量采用过硫酸钾氧化法测定[9]。

1.4 研究方法

使用单因子污染指数法(Pi)和内梅罗综合污染指数法(PN),通过表层沉积物中总有机碳、总氮和总磷含量的检测,可以准确地评估出调查区域表层沉积物的污染程度。

单因子污染指数计算公式为

(1)

式中:Pi为沉积物中评价因子i的污染指数,Ci为实际测定值,Cs为评价标准值[10-11]。评价标准值为沉积物具有最低级别生态毒性效应时总有机碳、总氮和总磷的质量分数,分别为1%,0.055%和0.06%。

内梅罗综合污染指数计算公式为

(2)

式中,PN为内梅罗综合污染指数,Pi即式(1)中的单因子污染指数,Pmax为单因子污染指数中的最大值[10-11]。内梅罗综合污染指数(PN)与污染程度的对应关系如表1所示。

表1 内梅罗综合污染指数与污染程度的关系Table 1 Relationship between the Nemero comprehensive pollution index and the degree of pollution

2 结果

2.1 大鹏澳深水网箱海域表层沉积物总有机碳、总氮、总磷的分布特征及生态风险评价

大鹏澳水域深水网箱养殖区、外围区、对照区表层沉积物总有机碳、总氮、总磷的平均含量见表2。2021年10月大鹏澳海域各区之间沉积物总氮含量无显著差异(P>0.05),总有机碳、总磷含量在养殖区、外围区、对照区呈递减趋势。养殖区总有机碳含量与外围区和对照区差异显著(P<0.05),养殖区与外围区总磷含量与对照区差异显著(P<0.05)。2022年5月与6月,养殖区沉积物总有机碳、总磷高于外围区但无显著差异(P>0.05)。2022年8月,养殖区、外围区、对照区表层沉积物总有机碳、总氮、总磷的平均含量无显著差异(P>0.05)。

表2 大鹏澳深水网箱海域表层沉积物总有机碳、总氮、总磷含量(平均值±标准差)Table 2 Total organic carbon, total nitrogen and total phosphorus content of surface sediment in Dapeng Bay deep water cage sea area (mean±SD)

大鹏澳深水网箱养殖区、外围区、对照区表层沉积物总有机碳、总氮、总磷的单因子污染指数见图4。

a 2021年10月

b 2022年5月

c 2022年6月

d 2022年8月图4 大鹏澳深水网箱海域表层沉积物总有机碳、总氮、总磷单因子指数Fig.4 Single factor index of total organic carbon, total nitrogen, and total phosphorus in surface sediment of Dapeng Bay deep water cage sea area

2022年5月大鹏澳各站位总有机碳单因子污染指数范围为1.31～1.70,总磷单因子污染指数为1.55～2.83,这表明养殖区和外围区海域均处于轻度污染状态。2022年6月大鹏澳各站位总有机碳单因子污染指数范围为1.20～1.41,总磷单因子污染指数为1.44～2.67,表明养殖区和外围区均处于污染状态。2022年8月大鹏澳各站位总氮单因子污染指数范围为1.58～3.96,总有机碳单因子污染指数范围为0.58～1.52,总磷单因子污染指数为1.07～2.15,表明调查区域各站位区均处于污染状态。

大鹏澳海域表层沉积物的内梅罗综合污染指数及污染程度见表3。

表3 大鹏澳深水网箱海域表层沉积物内梅罗综合污染指数和污染程度Table 3 Nemero comprehensive pollution index and quality status of surface sediment in Dapeng Bay deep water cage sea area

该海域表层沉积物2022年5月平均梅罗综合污染指数最低(1.66),为轻度污染,2022年8月最高(2.59),为中度污染,表明海域受网箱养殖周期影响明显。指数整体表现为养殖巅峰(8月)>养殖末期(10月)>养殖前中期(6月)>养殖初期(5月)。

2.2 圣告岛-小星山深水网箱海域表层沉积物总有机碳、总氮、总磷的分布特征及生态风险评价

对大亚湾圣告岛-小星山水域深水网箱养殖区、外围区、对照区表层沉积物进行采样调查,得到其总有机碳、总氮、总磷的平均含量如表4所示。2021年11月,圣告岛-小星山深水网箱海域养殖区、外围区和对照区表层沉积物总磷含量呈现出递减的趋势,但无显著差异(P>0.05)。2022年5月,在圣告岛-小星山水域,深水网箱养殖区的总磷含量高于对照区,但没有显著差异(P>0.05)。2022年6月,在圣告岛-小星山水域,深水网箱养殖区总氮、总磷的含量高于对照区,但也没有显著差异(P>0.05)。2022年8月,对圣告岛-小星山水域深水网箱养殖区、外围区和对照区表层沉积物的采样调查发现,三个区域的总有机碳、总氮、总磷的平均含量均无显著差异(P>0.05)。

表4 圣告岛-小星山深水网箱海域表层沉积物总有机碳、总氮、总磷含量(平均值±标准差)Table 4 Total organic carbon, total nitrogen, total phosphorus in surface sediment from Shenggao Island-Xiaoxing Mountain deep water cage sea area (mean±SD)

圣告岛-小星山水域深水网箱养殖区、外围区、对照区表层沉积物总有机碳、总氮、总磷的单因子污染指数如图5所示。2021年11月各调查站位总磷单因子污染指数范围为1.97～4.07,总氮单因子污染指数范围为0.07～0.11,总有机碳单因子污染指数范围为0.07～0.11;2022年5月各站位总磷单因子污染指数范围为1.33～1.67;2022年6月各站位总磷单因子污染指数范围为1.36～3.66,总氮单因子污染指数范围为0.43～2.69。

a 2021年11月

b 2022年5月

c 2022年6月

d 2022年8月图5 圣告岛-小星山深水网箱海域表层沉积物总有机碳、总氮、总磷单因子指数Fig.5 Single factor index of TOC, TN and TP in surface sediment of Shenggao Island-Xiaoxing Mountain deep water cage sea area

圣告岛-小星山海域各站位表层沉积物内梅罗综合污染指数见表5。2021年11月,圣告岛-小星山海域内梅罗综合污染指数为1.65～3.21。其中,7号、8号站位的内梅罗综合污染指数分别为1.89和1.65,为轻度污染,3号、5号、6号和9号站为中度污染,2号站为重度污染。2022年5月,圣告岛-小星山水域内梅罗综合污染指数为1.05～1.31,表明各站位均处于轻度污染状态。2022年6月圣告岛-小星山海域内梅罗综合污染指数为1.12～3.06。其中,1号站内梅罗综合污染指数最高,为重度污染,6号和9号站位其次,分别为2.28和2.18,表明沉积物为中度污染,其他各站为轻度污染。2022年8月,圣告岛-小星山水域内梅罗综合污染指数为1.55～2.24,1～5号站内梅罗综合污染指数均小于2,为轻度污染,6～9号站为中度污染。

表5 圣告岛-小星山深水网箱海域表层沉积物内梅罗综合污染指数和污染程度Table 5 Nemero comprehensive pollution index and pollution status of surface sediment of Shenggao Island-Xiaoxing Mountain deep water cage sea area

3 讨论

3.1 大亚湾表层沉积物中总有机碳、总氮、总磷的综合污染评价分析

调查发现,大亚湾圣告岛-小星山海域2021年11月根据平均综合污染指数显示处于中度污染状态,2022年5月、6月、8月处于轻度污染状态,其中5月平均综合污染指数低于6月和8月,这应该与5月养殖强度较弱,且6月、8月和11月随着鱼体的生长摄食投饵逐渐增强有关[12-14]。圣告岛-小星山海域表层沉积物中总磷和总氮含量受养殖活动的影响显著,5月总氮和总磷的含量均为最低。大鹏澳海域2021年10月、2022年6月和2022年8月根据平均综合污染指数显示处于中度污染状态,而2022年5月平均综合污染指数处于轻度污染状态,这与圣告岛-小星山平均综合污染指数与时间的关系趋势一致。

调查海域的内梅罗综合污染指数总体上春季(5月)底质质量状况最好,夏季(6月和8月)底质质量状况次之,秋季(10月和11月)底质质量状况最差,这应该与春季为养殖初期,夏季为养殖巅峰期,秋季为养殖末期有关[15-16]。在调查期间大鹏澳海域各季度的平均内梅罗综合污染指数均高于圣告岛-小星山海域,这应该是圣告岛-小星山海域养殖年限较短,并且距海岸更远的缘故,表明离岸更远的海域具有更好的自净化能力,深水网箱养殖相对于传统网箱养殖对环境的影响更小。

3.2 大亚湾与国内其他海湾表层沉积物中总有机碳、总氮、总磷的比较

大亚湾与国内其他海湾表层沉积物中总有机碳、总氮、总磷的比较见表6。研究海域表层沉积物总有机碳、总氮、总磷含量分布特征相似,总体上表现为大鹏澳海域略高于圣告岛-小星山海域,同时养殖区表层沉积物总氮和总磷含量总体上高于非养殖区。与国内其他海域比较,大亚湾表层沉积物总有机碳、总氮、总磷含量处于较低水平[17-20]。与南澳岛养殖海域相比,大亚湾养殖海域总氮含量略低,总有机碳显著高于南澳岛,总磷含量要明显低于南澳岛养殖海域;与柘林湾养殖海域相比,大亚湾养殖海域总氮和总磷含量较低,总有机碳含量数值相近;大亚湾养殖海域总氮和总磷含量远低于桂山岛养殖海域,总有机碳含量略低于桂山岛养殖海域[21]。这应该是由于柘林湾养殖区的养殖规模更大、养殖时间更早,而桂山岛近岸海域位于人类活动密集、交通航运发达的珠江口区域,这些区域渔业养殖和交通运输等人类活动强度均高于研究海域[21-22]。可见,大亚湾深水网箱养殖对于表层沉积物总有机碳、总氮、总磷的含量无明显影响。

表6 大亚湾与国内其他海域表层沉积物总有机碳、总氮、总磷的含量Table 6 Content of total organic carbon, total nitrogen and total phosphorus in surface sediment of Daya Bay and other domestic sea area

4 总结

通过对大亚湾深水网箱海域接近一个年度的跟踪监测,探讨了深水网箱养殖对表层沉积物中总有机碳、总氮、总磷的影响,最后得出以下结论:在调查期间,大鹏澳海域各季度的平均内梅罗综合污染指数均高于圣告岛-小星山海域,且均为养殖前初期(5月)低于养殖期(6月和8月)和养殖末期(10月和11月),这和养殖投食量逐渐增加有关。综上可得,圣告岛-小星山深水网箱养殖海域水质环境优于大鹏澳,这得益于圣告岛-小星山离岸更远,水体更广阔,水动力强,养殖年份更短。