莱州湾贝类养殖区水质状况调查与评价

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  摘要 [目的]监测莱州湾贝类养殖区水质状况,旨在为海洋环境保护及贝类养殖提供参考。[方法]在2019年5—11月对莱州湾的8个位点进行水质监测,并采用营养指数法、营养状态质量指数法和内梅罗环境综合质量指数法对水质进行评价。[结果]莱州湾水温、盐度和pH分别为12.24~27.04 ℃、29.05‰~30.72‰和7.52~8.22,适宜贝类的养殖;溶解氧和化学需氧量分别为6.55~8.31和1.24~2.25 mg/L,均符合国家二类水质标准;营养盐含量均在贝类养殖的安全范围内;养殖区内细菌数量均在合理范围之内;营养水平和水质评价总体来说该海域较为清洁,但在个别月份营养水平偏高。[结论]莱州湾贝类养殖区水质状况较好,适宜贝类的养殖。
  关键词 贝类养殖区;海水质量;监测;评价;莱州湾
  中图分类号 S949  文献标识码 A
  文章编号 0517-6611(2020)21-0076-04
  Abstract [Objective]The research monitored the water quality of shellfish culture areas in Laizhou Bay,aiming to provide scientific reference for marine environmental protection and shellfish culture.[Method]The water quality of 8 sites in Laizhou Bay was investigated from May to November in 2019.The water quality was evaluated by nutrition index method,nutrition quality index method and Nemerow environmental quality index method.[Result]The water temperature,salinity and pH of Laizhou Bay were 12.24-27.04 ℃,29.05‰-30.72‰ and 7.52-8.22,respectively,which were suitable for shellfish culture.The dissolved oxygen and chemical oxygen demand were 6.55-8.31 mg/L and 1.24-2.25 mg/L,which were accorded with Grade Ⅱ water quality standards.The nutrient contents were all within the safe range of shellfish culture.The number of bacteria in shellfish culture area of Laizhou Bay was within a reasonable range.Generally,the sea area was relatively clean in terms of nutrition level and water quality evaluation,but in some months,the nutrition level was on the high side.[Conclusion]The water quality in Laizhou Bay is pretty good that is suitable for shellfish cultivation.
  Key words Shellfish culture area;Seawater quality;Monitoring;Evaluation;Laizhou Bay
  基金項目 山东省现代农业产业技术体系建设专项(SDAIT-14);山东省重点研发计划(2019GHY112016)。
  作者简介 刘嘉卓(1997—),男,山西运城人,硕士研究生,研究方向:海洋生态。*通信作者,教授,博士,硕士生导师,从事海洋生态研究。
  收稿日期 2020-03-24
  莱州湾位于山东半岛西北部,是国内重要的海水养殖区。由于周边河水携带大量营养盐流入湾内,使得海水中浮游植物大量生长,为贝类提供了大量的食物来源,因此莱州湾一直是传统的贝类养殖区。但随着近几年养殖区的扩大及周边工、农业的发展,莱州湾海水环境污染及海洋生态破坏等问题日益严重,制约了贝类养殖业的发展。为此许多研究者对莱州湾水质进行了评测,如张亮等[1]调查发现莱州湾海域存在严重的富营养化问题;徐艳东等[2]对湾内海水进行检测,结果表明均符合一类海水水质标准,但存在潜在营养化风险;孙丕喜等[3]分析了莱州湾海水中5项化学指标的分布特征及变化,认为莱州湾近海海域存在富营养化现象,容易发生赤潮;赵玉庭等[4]通过分析莱州湾溶解无机氮和活性磷酸盐的含量,认为该海域处于磷限制潜在性富营养水平。这些研究结果表明莱州湾整体处于富营养化状态。该研究以海洋环境保护以及为贝类养殖提供科学参考为目的,在2019年5—11月对莱州湾贝类养殖区的8个位点进行调查研究,检测了水温、盐度、pH、溶解氧、化学需氧量、硝酸盐、氨氮、亚硝酸盐、活性磷、总磷以及细菌数量,并采用营养指数法[5]和营养状态质量指数法[6]对海水营养水平进行评价,采用内梅罗环境综合质量指数法对海水质量进行综合评价。
  1 材料与方法
  1.1 采样位点与时间
  根据莱州湾贝类养殖区的分布,选取招远、龙口及莱州三地的养殖区共8个位点进行采样(图1),每个位点设4个平行采样点,于2019年5—11月每月中旬采集水样,每个采样位点分别采集上下2个水层的水样,混匀后进行检测,最终试验结果取平均值。   1.2 样品采集与检测
  应用有机玻璃采水器采集水样,使用美国奥立龙水质分析仪现场检测水样的水温、盐度、pH及溶解氧,另取水样经无菌冷藏暂存后带回实验室,按照《海洋监测规范》[7]指定方法检测其他化学指标及细菌数量,方法如下:化学需氧量(COD)采用碱性高锰酸钾法测定,硝酸盐(NO3-N)采用镉柱还原法测定,氨氮(NH3-N)采用靛酚蓝分光光度法测定,亚硝酸盐(NO2-N)采用盐酸萘乙二胺分光光度法测定,活性磷(DIP)采用磷钼蓝分光光度法测定,总磷(TP)采用过硫酸钾氧化法测定。弧菌和异养菌数量的检测:将海水适当稀释后分别接种至TCBS选择培养基(培养弧菌)和2116E海洋细菌培养基(培养异养菌),置于25 ℃培养箱内,弧菌和异养菌分别培养2 d和5 d,采用细胞计数法检测细菌数量。
  1.3 评价方法
  1.3.1 营养水平评价。
  采用营养指数法和营养状态质量指数法对海水营养水平进行评价。
  营养指数(E)法的公式如下:
  E=(COD×DIN×DIP×106)/4 500(1)
  式中,COD、DIN和DIP分別为水样中化学需氧量、无机氮和活性磷的实测数据(mg/L)。如果E大于1,则说明水体呈富营养化状态,数值越大,水体富营养化程度越严重[2]。
  营养状态质量指数(NQI)法的公式如下:
  NQI=CODCOD0+TPTP0+TNTN0(2)
  式中,COD、TP和TN分别为水样中化学需氧量、总磷和总氮的实测数据,COD0、TP0和TN0分别为水体中化学需氧量、总磷和总氮的评价标准,其数值分别为3.0、0.03和0.6 mg/L。根据NQI数值将海水营养水平分为三级,数值小于2为贫营养水平,2~3为中营养水平,大于3为高营养水平[6]。
  1.4 相关性分析 为了解海水各项指标之间的相关性,使用SPSS 25.0软件对数据进行分析,根据相关系数的大小判断其相关关系。
  2 结果与分析
  2.1 各环境因子含量变化
  2.1.1 水温、盐度和pH。
  从图2可以看出,2019年5—11月份莱州湾贝类养殖区水体温度、盐度和pH分别为12.24~27.04 ℃、29.05‰~30.72‰和7.52~8.22。其中水温随月份产生明显的改变, 8月水温最高,为27.04 ℃,5、10和11月水温较低,11月最低,为12.24 ℃。盐度和pH在7个月检测期间一直较为稳定,仅呈现小幅度的波动。
   莱州湾贝类养殖区养殖的贝类主要为海湾扇贝,这种扇贝有极强的适应性[9],在温度为10~31 ℃时均能正常生长[10],有研究证明该扇贝在23 ℃下生长速度是14.6 ℃下生长速度的2倍[11]。已有研究证明海湾扇贝幼贝在盐度为21‰~36‰条件下生长较快、存活率较高,在13.2‰~46.4‰正常生长[12]。此外,杨凤等[13]研究认为海湾扇贝幼贝在pH为7.7~8.2的养殖环境下存活率最高。综合上述文献以及该研究结果表明,莱州湾贝类养殖区的水温、盐度和pH均在扇贝适宜生长的范围之内。
  2.1.2 溶解氧和化学需氧量。
  从图2可以看出,莱州湾贝类养殖区海水中的溶解氧和化学需氧量分别为6.55~8.31和1.24~2.25 mg/L。溶解氧是海洋生物体生长发育必不可缺的环境因素,有研究表明当水体呈低氧水平(小于2.0 mg/L)时,贝类的存活率会迅速下降[14]。化学需氧量作为检验水体污染的指标之一,其数值越大表明污染程度越高[15]。根据海水水质二类标准[16],养殖海水的溶解氧不低于5.0 mg/L,化学需氧量应低于3.00 mg/L,因此莱州湾贝类养殖区溶解氧和化学需氧量均处于安全范围内。
  2.1.3 营养盐。
  营养盐是指含氮和磷元素的盐类如无机氮和活性磷等,他们是海洋初级生产者浮游植物生长繁殖的物质基础,对其群落结构和动态有调节作用,因此营养盐的改变可能会引起浮游植物生态结构的变化[17]。海水中无机氮(DIN)包括硝酸盐(NO3-N)、氨氮(NH3-N)和亚硝酸盐(NO2-N)3种形式,其中氨氮和亚硝酸盐含量过高时对贝类有毒害作用,有学者研究证明氨氮含量在0.15 mg/L以下[18]、亚硝酸盐含量在0.1 mg/L以下时不会对贝类造成毒害作用[19]。该研究检测到莱州湾贝类养殖区NO3-N、NH3-N和NO2-N的含量分别为0.055 4~0.260 2、0.008 3~0.087 8和0.007 7~0.041 6 mg/L,其含量分别在5、8和11月达到最大,因此氨氮和亚硝酸盐均不会对贝类造成毒害作用。该研究测得无机氮(DIN)和活性磷(DIP)的含量分别为0.123 4~0.328 5和0.004 9~0.036 8 mg/L,分别在5月和6月达到最高,平均含量分别为0.187 4和0.016 2 mg/L。从平均含量看,DIN和DIP含量分别符合海水一类和二类标准,但在5月DIN含量超过了海水二类标准(0.30 mg/L),在6月DIP含量超过了海水三类标准(0.030 mg/L)[16]。有研究表明,当DIN和DIP分别低于0.080和0.018 mg/L时,会影响浮游植物的生长[20],因此莱州湾贝类养殖区浮游植物的生长可能会受到营养盐的限制。总体来说,莱州湾贝类养殖区氮和磷的含量基本上均处于安全范围内,但由于该养殖区海域磷含量偏低,可能会通过影响浮游植物的生长进而对贝类养殖产生影响,与此同时在个别月份仍需注意氮和磷污染的情况。
  2.1.4 细菌。
  该研究测得弧菌和异养菌数量分别为54.75~2 541.45和102.15~4 179.00 CFU/mL,分别在9月和11月达到最大。弧菌可在10~35 ℃的环境下生存,大多都生活在海水中,在水产养殖中普遍存在[21],有研究表明弧菌是引起贝类发病的主要细菌性病原体[22]。该研究结果显示,莱州湾贝类养殖区整体弧菌数量不高,处于安全范围内,只是在9月份突增,此时应需注意其他海水环境污染因素对贝类养殖的叠加影响。异养菌在养殖水体中能够提高自净能力[23],但当海水环境恶化时,异养菌也会污染贝类。该研究结果显示,莱州湾贝类养殖区整体异养菌数量偏高,但处于合理范围之内,同时也应该注意异养菌的污染情况,以防止其对贝类养殖造成不良影响。   2.2 水质评价
  2.2.1 营养水平评价。
  莱州湾贝类养殖区的营养指数(E)和营养状态质量指数(NQI)如表2所示。根据营养指数(E)来看,L1和L3在5、6和9月,L2在5和6月,L4在6和9月,L5在6月,L6在6、9和11月,L7在5、6、8、9和11月,L8在5、6、9和11月均呈富营养化状态;总体来看,莱州湾贝类养殖区水体多在6和9月呈富营养化状态。根据营养状态质量指数(NQI)来看,L1、L2和L7在5和6月,L3在5、6、9和10月,L4在5月,L5、L6和L8在5、6和9月都为高营养水平,L2、L3在7月,L4和L7在7和10月,L5在10月,L6、L8在7和8月都为贫营养水平;总体来看,莱州湾贝类养殖区在5和6月易出现高营养水平,在8、9、10和11月基本为中营养水平,7月基本为贫营养水平。由于2种评价方法选用的指标不同,导致营养水平评价结果稍有不同,但2种结果均表明莱州湾贝类养殖区在夏秋季易出现高营养水平,已有研究表明莱州湾海域在夏季出现了富营养化现象[24]。因此莱州湾贝类养殖区富营养化问题应该加以重视并采取有效措施,以防止其程度加剧对贝类的养殖造成影响。
  2.2.2 水质综合评价。
  从表3可以看出,莱州湾贝类养殖区各位点pH、DO、COD、DIN和DIP的单因子污染指数(Pi)均小于1,表明該海域基本上均未受到这些因子的污染,符合海水水质二类标准[25]。内梅罗环境综合质量指数法是较为准确全面评价环境质量的方法,该方法对平均值与极值兼顾,在考虑各项化学指标对海水污染状况的同时,又突显对海水污染较为严重的指标[26]。内梅罗综合指数(P)分析结果表明,莱州湾贝类养殖区 L4和L5两地的海水质量等级为1级,达到清洁状态,其他各地的海水质量等级为2级,均为较清洁状态,已有研究报道2017年莱州湾海域的水质类别主要为一、二类海水[26]。总体来说,莱州湾贝类养殖区海水质量较为良好,符合贝类养殖环境质量的一、二类标准[8]。
  2.3 相关性分析
  从莱州湾贝类养殖区各项环境因子之间的相关性(表4)可以看出,莱州湾pH与盐度呈显著的正相关(P<0.05),与总磷和硝酸盐呈显著的负相关(P<0.05);盐度与总磷呈极显著的负相关(P<0.01);溶解氧与总磷和硝酸盐呈显著的正相关(P<0.05);化学需氧量与弧菌呈显著的正相关(P<0.05);总磷与硝酸盐呈显著的正相关(P<0.05)。张亮等[1]分析莱州湾海域各项指标的相关性发现,盐度与无机氮、化学需氧量、磷酸盐均呈现负相关性,并认为该海域的无机氮、化学需氧量、磷酸盐与河流入海有很大的关系。该研究相关性结果表明,化学需氧量对弧菌的影响很大,因此应严加关注莱州湾贝类养殖区污染的程度,防止污染程度严重时弧菌的大量增殖。
  3 结论
  (1)莱州湾贝类养殖区水温、盐度和pH均满足贝类养殖的条件;溶解氧和化学需氧量均处于安全范围内;DIN和DIP平均含量分别符合海水一类和二类标准,适宜贝类的养殖;弧菌和异养菌数量均在贝类养殖的合理范围之内。
  (2)营养指数(E)表明莱州湾贝类养殖区在6月和9月呈富营养化状态,营养状态质量指数(NQI)表明该养殖区在5月和6月易出现高营养水平,水质综合评价结果表明莱州湾海域海水质量总体来说较为清洁。
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