楊俊麗，吳 雪，李希磊，崔龍波

( 煙臺大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山東 煙臺 264005 )

萊州灣位于渤海南部，山東半島西北部，面積69 000 km2，是黃、渤海漁業(yè)生物的主要產(chǎn)卵場、棲息地和傳統(tǒng)漁場[1]。由于黃河、小清河等眾多河流的注入，以及萊州灣沿岸城市化、工業(yè)化和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致大量陸源污染物輸入萊州灣，再加上扇貝養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的自我污染，使得萊州灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)的環(huán)境污染問題日益突出[2]。沉積物作為氮、磷、碳等生源要素重要的“源”與“匯”，沉積物內(nèi)源的釋放對污染水體的修復(fù)具有一定的抑制作用，從而使環(huán)境污染問題進(jìn)一步惡化[3]，因此，對沉積物中氮、磷、碳等生源要素的研究具有重要意義。此外，異養(yǎng)細(xì)菌作為海洋生態(tài)環(huán)境的重要分解者，其含量的變化對海洋生態(tài)環(huán)境的物質(zhì)循環(huán)起著重要作用?；【?Vibrio)作為扇貝、魚、蝦等海洋生物的主要致病菌之一，同樣也是海洋(特別是養(yǎng)殖區(qū))生態(tài)環(huán)境研究不可缺少的一部分。而近年來，對萊州灣表層沉積物的研究較多，但多集中在沉積物重金屬[4-5]，對總磷、總氮、總有機(jī)碳以及硫化物等指標(biāo)研究較少，特別是對該海域養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物的研究較少。筆者根據(jù)萊州灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)的養(yǎng)殖狀況，選擇扇貝養(yǎng)殖傳統(tǒng)地區(qū)萊州市和招遠(yuǎn)市的4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)，對其表層沉積物pH、氧化還原電位、硫化物、總磷、總氮、總有機(jī)碳以及細(xì)菌(弧菌和異養(yǎng)細(xì)菌)等8個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了檢測，分析了不同養(yǎng)殖區(qū)各檢測指標(biāo)的異同、月際變化規(guī)律以及各指標(biāo)間的相互關(guān)系，并采用有機(jī)污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)法對其進(jìn)行了評價(jià)，以期為扇貝健康養(yǎng)殖提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 采樣時(shí)間與地點(diǎn)

2015年4—11月，每月中旬采樣一次，采樣地點(diǎn)位于萊州灣東側(cè)的4個(gè)傳統(tǒng)扇貝養(yǎng)殖區(qū)(筏式養(yǎng)殖)，分別命名為1#、2#、3#、4#(圖1)，每個(gè)養(yǎng)殖區(qū)設(shè)置4個(gè)平行采樣點(diǎn)。1#～4#養(yǎng)殖區(qū)平均水深分別為10～12 m、7.5～9 m、7～8 m和12 m，1#養(yǎng)殖區(qū)的底質(zhì)為泥沙底，其余為泥質(zhì)底。

1.2 樣品采集與分析

使用Ekman-Binge/Lenz采泥器(德國HYDRO-BIOS公司)采集表層0～2 cm的沉積物，現(xiàn)場用美國奧立龍便攜式分析儀(520M-01A)測定pH及氧化還原電位；取適量沉積物于玻璃瓶中，用于測定總磷、總氮、總有機(jī)碳；取適量沉積物于充氮?dú)獠蓸哟?，用于測定硫化物；用滅菌的不銹鋼小勺采集沉積物于無菌采樣袋中，用于測定異養(yǎng)細(xì)菌和弧菌。

圖1 沉積物采樣點(diǎn)位置

按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》[6]規(guī)定的方法進(jìn)行試驗(yàn)操作與分析。其中總磷的測定采用高氯酸—硫酸消解法(HClO4-H2SO4法)，總氮的測定采用凱氏定氮法，總有機(jī)碳的測定采用重鉻酸鉀氧化—還原容量法，硫化物的測定采用亞甲基藍(lán)分光光度法，異養(yǎng)細(xì)菌和弧菌的計(jì)數(shù)采用平板計(jì)數(shù)法，其采用的培養(yǎng)基分別為2116E海洋細(xì)菌培養(yǎng)基和硫代硫酸鹽檸檬酸鹽膽鹽蔗糖瓊脂選擇培養(yǎng)基。

1.3 評價(jià)方法

采用有機(jī)污染指數(shù)法[7]來衡量扇貝養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物是否遭受有機(jī)污染：

A=MTOC×MON

MON=MTN×95%

式中，A為有機(jī)污染指數(shù)，MTOC為有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，MON為有機(jī)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，MTN為總氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 沉積物有機(jī)指數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

注：括號內(nèi)為所屬的環(huán)境質(zhì)量類型.

目前，國內(nèi)外對海洋沉積物環(huán)境評價(jià)尚缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本研究采用內(nèi)梅羅環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)指數(shù)[8]對養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物進(jìn)行評價(jià)(表2)：

式中，P為內(nèi)梅羅綜合指數(shù)，Pmax為參數(shù)中最大的污染指數(shù)，Pi為某污染因子的污染指數(shù)，Ci為某污染因子的實(shí)測含量，Ci0為某污染因子的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(總氮和總磷的Ci0分別選用550、600 mg/kg[9]；總有機(jī)碳和硫化物的Ci0采用一類海洋沉積物標(biāo)準(zhǔn)，分別為2.0%和300 mg/kg)。

表2 扇貝養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 萊州灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)沉積物各種指標(biāo)的含量及其變化

2.1.1 pH和氧化還原電位

4—11月1#～4#養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物的pH變化分別為7.54～8.30、7.17～7.97、7.29～7.56和7.28～7.59(圖2)，總體呈中性—弱堿性，氧化還原電位的變化分別為-287.10～-170.30、-360.90～-296.90、-368.30～-319.20 mV和-363.50～-326.20 mV(圖3)，根據(jù)Chien[10]的判定標(biāo)準(zhǔn)，4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)的底泥均處于高度還原態(tài)。其中1#養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物的pH和氧化還原電位明顯高于其他3個(gè)養(yǎng)殖區(qū)，且變化幅度較大。

2.1.2 總氮、總磷和總有機(jī)碳

4—11月1#～4#養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物中總氮的變化分別為0.038～0.897、0.079～0.706、0.103～0.716 mg/g和0.055～0.776 mg/g(圖4)，均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異性，其中8月和9月含量最高，為0.605～0.897 mg/g。此外，2#養(yǎng)殖區(qū)總氮含量的變化幅度較其他3個(gè)養(yǎng)殖區(qū)略小，該養(yǎng)殖區(qū)為貝參混養(yǎng)，而其他3個(gè)養(yǎng)殖區(qū)只養(yǎng)殖了扇貝，刺參的養(yǎng)殖或許會對貝類養(yǎng)殖的排泄物具有一定吸收作用。相比總氮的變化，總磷無明顯的季節(jié)差異性，但養(yǎng)殖區(qū)之間差異較大，含量變化分別為0.130～0.340、0.236～0.401、0.300～0.496 mg/g和0.340～0.554 mg/g(圖5)。4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)沉積物中總有機(jī)碳變化分別為0.029%～0.201%、0.079%～0.445%、0.085%～0.264%和0.054%～0.530%(圖6)，呈現(xiàn)隨著月份逐漸增加的趨勢，但不明顯。

圖2 pH月份變化趨勢

圖3 氧化還原電位月份變化趨勢

圖4 總氮月份變化趨勢

圖5 總磷月份變化趨勢

2.1.3 硫化物

4—11月1#～4#養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物的硫化物變化分別為4.43～49.54、1.66～168.97、8.61～129.60 mg/kg和7.56～184.11 mg/kg(圖7)，均低于沉積物二類標(biāo)準(zhǔn)(300 mg/kg)，適用于海水養(yǎng)殖[11]。除1#養(yǎng)殖區(qū)硫化物含量較低且較穩(wěn)定之外，其他3個(gè)養(yǎng)殖區(qū)呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，且9月含量最高。

圖6 總有機(jī)碳月份變化趨勢

圖7 硫化物月份變化趨勢

2.1.4 異養(yǎng)細(xì)菌和弧菌

4—11月1#～4#養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物中異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量的變化分別為1.43×103～1.25×104、6.67×102～1.55×104、3.00×102～8.20×104cfu/g和1.63×103～5.40×104cfu/g(濕質(zhì)量，圖8)。3#和4#養(yǎng)殖區(qū)在4—10月異養(yǎng)細(xì)菌的數(shù)量與1#、2#養(yǎng)殖區(qū)相近且數(shù)量較穩(wěn)定，但到11月數(shù)量驟然增加到原來的5～6倍。

4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物中弧菌數(shù)量的變化分別為0.50～1.64×103、1.85×101～1.99×103、0.50～3.90×103cfu/g和0.50～2.30×103cfu/g(濕質(zhì)量，圖9)。在4月和5月4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)弧菌數(shù)量極少或未檢出，而6月3#和4#養(yǎng)殖區(qū)、7月1#和2#養(yǎng)殖區(qū)弧菌數(shù)量出現(xiàn)最高值，表明6月或7月可能是弧菌的繁殖季節(jié)。

圖8 異養(yǎng)細(xì)菌月份變化趨勢

圖9 弧菌月份變化趨勢

2.2 表層沉積物碳-氮-磷耦合研究

總有機(jī)碳與總氮的比值在某種程度上可以反映有機(jī)質(zhì)的來源，一般水生生物為2.8～3.4，藻類為5～14，高等植物為14～23[6]。1#～4#養(yǎng)殖區(qū)總有機(jī)碳與總氮的比值表現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異性，7—9月總有機(jī)碳與總氮的比值較小，為1.85～6.33，表明沉積物有機(jī)質(zhì)主要來源于水生生物，而其他月份主要來源于藻類(表3)。

沉積物中總氮和總磷含量及其比值通常是沉積物溶出、釋放及水中總氮和總磷聚集、沉積兩種動態(tài)過程的綜合反映[12]，總氮與總磷的比值在某種程度上還能反映海洋的富營養(yǎng)化狀態(tài)。由表3可見，1#～4#養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物總氮與總磷的比值在7—9月明顯偏高，特別是1#養(yǎng)殖區(qū)，但與一些發(fā)生富營養(yǎng)化養(yǎng)殖區(qū)的總氮與總磷的比值(數(shù)值)相比，仍略為偏低，表明這些養(yǎng)殖區(qū)營養(yǎng)程度較低，赤潮發(fā)生的可能性也較低。

表3 沉積物的總有機(jī)碳/總氮和總氮/總磷

2.3 表層沉積物有機(jī)污染評價(jià)

采用有機(jī)污染指數(shù)法對4個(gè)扇貝養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物有機(jī)污染狀況進(jìn)行評價(jià)(表4)，根據(jù)沉積物有機(jī)指數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表1)和表4中的數(shù)據(jù)作出判斷：(1)4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)中表層沉積物的有機(jī)污染指數(shù)均低于0.05，均屬于標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級，處于清潔狀態(tài)；(2)相比有機(jī)指數(shù)來說，有機(jī)氮污染值得注意，除了4月、5月和6月處于清潔狀態(tài)之外，4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)在其他月均表現(xiàn)出不同程度的有機(jī)氮干擾，其中8月和9月最嚴(yán)重，盡管尚未達(dá)到有機(jī)污染水平；4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)受有機(jī)氮的污染程度依次為1#>4#>3#>2#。

表4 萊州灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)沉積物有機(jī)污染評價(jià)

2.4 表層沉積物綜合質(zhì)量評價(jià)

采用內(nèi)梅羅環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)指數(shù)法對萊州灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物進(jìn)行評價(jià)，其各評價(jià)因子污染指數(shù)和表層沉積物綜合質(zhì)量指數(shù)見表5。由表5可知，1#～4#養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物中的硫化物、總有機(jī)碳和總磷在4—11月的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)均<1，符合一類沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，表明這4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)沉積物未受到這3種評價(jià)因子的污染。然而4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)沉積物中的總氮污染狀況不容樂觀，如1#養(yǎng)殖區(qū)在7—9月、2#養(yǎng)殖區(qū)在8—10月以及3#和4#養(yǎng)殖區(qū)在8月和9月總氮的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)均>1，表明這4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)在這些月中受到總氮不同程度的污染。不同扇貝養(yǎng)殖區(qū)在同一時(shí)間以及同一養(yǎng)殖區(qū)在不同時(shí)間的沉積物綜合質(zhì)量差異較明顯，其中4—6月綜合質(zhì)量較好，大部分為1級，處于良好水平，而7—10月大部分處于3～4級，達(dá)到輕度污染甚至中度污染水平?？傮w來看，萊州灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物質(zhì)量基本上符合扇貝養(yǎng)殖環(huán)境Ⅰ類區(qū)或Ⅱ類區(qū)的要求(表2)，適合用于扇貝養(yǎng)殖。然而，要注意7—10月對這些養(yǎng)殖區(qū)的保護(hù)，特別注意氮元素的輸入。

表5 萊州灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物各評價(jià)因子污染指數(shù)和綜合質(zhì)量指數(shù)

3 討 論

3.1 扇貝養(yǎng)殖區(qū)沉積物pH和氧化還原電位的特點(diǎn)

pH和氧化還原電位是反映沉積物環(huán)境良好與否的重要指標(biāo)，它們直接影響著沉積物(及孔隙水)中元素的地球化學(xué)行為、自生礦物的形成和轉(zhuǎn)化以及成巖作用進(jìn)程等[13]。本研究表明，萊州灣不同扇貝養(yǎng)殖區(qū)的pH和氧化還原電位的變化分別為7.33～8.30 mV和-368.30～-170.30 mV，呈中性—弱堿性，處于高度還原態(tài)，且1#養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物的pH和氧化還原電位明顯高于其他3個(gè)養(yǎng)殖區(qū)，且變化幅度較大，說明pH和氧化還原電位的大小與底質(zhì)類型有關(guān)。相比青島及周邊海區(qū)[14]，萊州灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)的電位值總體表現(xiàn)較低。劉冉等[15]對仿刺參(Apostichopusjaponicus)池塘的研究表明，底泥長期處于還原化狀態(tài)，會促進(jìn)還原性細(xì)菌的生長，加速水中氧氣的消耗，增加還原性物質(zhì)的積累，轉(zhuǎn)而進(jìn)一步降低底泥氧化還原電位，形成惡性循環(huán)，影響仿刺參的生長。本研究區(qū)域?yàn)闇\海筏式扇貝養(yǎng)殖區(qū)，扇貝生長在離海底較遠(yuǎn)水層，加之海洋比池塘的流通性大，且自身具有調(diào)節(jié)功能，所以扇貝的生長受氧化還原電位的影響較小。

3.2 扇貝養(yǎng)殖區(qū)沉積物總氮、總磷和總有機(jī)碳的特點(diǎn)

海洋沉積物是營養(yǎng)物質(zhì)積累和間歇性再生的重要場所，沉積物營養(yǎng)物質(zhì)中總氮、總磷和總有機(jī)碳可通過與上覆水間的相互作用實(shí)現(xiàn)在沉積物—海水之間的轉(zhuǎn)換，所以沉積物中總氮和總磷的含量在一定程度上可以反映水體的富營養(yǎng)化程度[6]。本研究結(jié)果表明，4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物中總氮、總磷和總有機(jī)碳含量在4—11月的變化分別為0.038～0.897 mg/g、0.131～0.554 mg/g和0.029%～0.560%，其中總氮含量在7—9月最高，具有明顯的季節(jié)性，主要可能與該時(shí)期浮游生物繁殖與消亡旺盛、氮的釋放增加有關(guān)，總磷整體變化不大，而總有機(jī)碳呈逐漸增加趨勢，可能與扇貝養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的生物沉淀有著密切的關(guān)系。相比天津環(huán)渤海海域表層沉積物含量(總氮為0.7～1.5 mg/g，總磷為0.7～1.0 mg/g)[16]，該研究海域的總氮和總磷的含量處于較高水平，而與萊州灣表層沉積物含量[總氮為(0.3±0.2) mg/g，總有機(jī)碳為(0.24±0.17)%][17]相當(dāng)。

3.3 扇貝養(yǎng)殖區(qū)沉積物硫化物的特點(diǎn)

硫化物含量的高低是衡量海洋底質(zhì)環(huán)境優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在厭氧環(huán)境及硫酸鹽還原菌的作用下，會加速沉積物中硫化物的生成，同時(shí)產(chǎn)生大量的硫化氫，而硫化氫的溶解又會進(jìn)一步消耗海水中的溶解氧，使環(huán)境更加惡化，進(jìn)而直接或間接影響扇貝的生存和生長[18]。有研究表明，當(dāng)硫化物含量達(dá)到400～1500 mg/kg時(shí)，耗氧速率達(dá)到最大，而大于1700 mg/kg，沉積物環(huán)境基本處于無生物狀態(tài)[19]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物中硫化物的含量變化為1.66～184.11 mg/kg，1#養(yǎng)殖區(qū)含量較其他3個(gè)養(yǎng)殖區(qū)穩(wěn)定，說明硫化物含量受底質(zhì)類型的影響，另外2#～4#養(yǎng)殖區(qū)在8月和9月含量較高，而此時(shí)海水溫度也較其他月份高，符合溫度越高、硫化物形成速度越快的特點(diǎn)，與楊慶宵等[11]的研究較一致。

3.4 扇貝養(yǎng)殖區(qū)沉積物異養(yǎng)細(xì)菌和弧菌的特點(diǎn)

異養(yǎng)細(xì)菌能分解有機(jī)質(zhì)，對海洋沉積物的礦化以及水域環(huán)境的改善起著至關(guān)重要的作用，其含量的多少在一定程度上可以反映海洋環(huán)境的污染程度?；【囚~類、扇貝等海洋生物的條件性致病菌，對我國扇貝養(yǎng)殖造成了巨大的損失。本研究結(jié)果表明，4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物中異養(yǎng)細(xì)菌和弧菌數(shù)量變化分別為3.0×102～8.2×104cfu/g(濕質(zhì)量)和0.5×103～7.9×103cfu/g(濕質(zhì)量)，明顯低于象山港大黃魚(Pseudosciaenacrocea)網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)[21]和粵東深澳灣養(yǎng)殖區(qū)[22]的含量，整體處于較低水平，并未對扇貝養(yǎng)殖造成危害，但應(yīng)注意6月和7月對弧菌數(shù)量的監(jiān)測，防止弧菌的大量繁殖，減少弧菌病產(chǎn)生的幾率。

4 結(jié) 論

(1)4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物整體呈中性—弱堿性，屬于高度還原態(tài)；硫化物含量波動較大，但均在扇貝養(yǎng)殖環(huán)境安全范圍內(nèi)，其數(shù)值的大小受溫度的影響較大；異養(yǎng)細(xì)菌和弧菌數(shù)量相比其他海域的養(yǎng)殖區(qū)，均處于較低水平，對貝類養(yǎng)殖的危害均較小，但應(yīng)注意6月和7月對弧菌的檢測；總磷和總有機(jī)碳的含量均在扇貝養(yǎng)殖安全范圍之內(nèi)，而總氮在7—10月出現(xiàn)不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象，應(yīng)特別注意扇貝養(yǎng)殖期間對氮元素的輸入。

(2)有機(jī)污染評價(jià)表明，4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)中表層沉積物處于清潔狀態(tài)，雖在7—10月受到有機(jī)氮沾污，但未達(dá)到污染狀態(tài)。

(3)表層沉積物綜合質(zhì)量評價(jià)表明，雖然1#和4#養(yǎng)殖區(qū)在8月和9月達(dá)到中度污染水平，但總體均符合貝類養(yǎng)殖環(huán)境1類區(qū)或2類區(qū)的要求，總體環(huán)境質(zhì)量良好。

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