韦章良，韩红宾，于克锋，丁平真，胡　明，霍元子，何培民



三沙湾盐田港养殖海域沉积物中的有机碳、氮和磷

韦章良1，2，3，韩红宾1，2，3，于克锋1，2，3，丁平真1，2，3，胡明1，2，3，霍元子1，2，3，何培民1，2，3

（1.上海海洋大学 水产与生命学院，上海 201306； 2.上海海洋大学 水域环境生态上海高校工程研究中心，上海 201306； 3.上海海洋大学 海洋科学研究院，上海 201306）

摘要：于2012年8月（夏季）、11月（秋季）和2013年2月（冬季）、5月（春季）共4个航次对三沙湾盐田港养殖海域表层沉积物组成成分及其变化趋势进行调查分析，并采用单因子污染指数（Pi）对沉积物质量进行评价。结果表明不同功能区沉积物中有机氮（TN）、总磷（TP）和有机碳（OC）含量差异显著（P<0.05），TN和TP含量4季变化范围分别是0.15～1.39 g/kg和0.11～1.08 g/kg，平均值分别为（0.89±0.36）g/kg和（0.56±0.26）g/kg。OC含量在1.00～14.71 g/kg之间，平均值为（8.26±3.78）g/kg。各站位沉积物中TN污染指数4季变化范围为0.25～2.53，4季超标率分别为67%、81%、80%和90%； 各站位TP污染指数4季变化范围为 0.18～2.63，4个季节超标率分别为35%、80%、40%和51%； 各季节 OC含量均未超标；OC/N原子比全年变化范围在 8.4～10.3之间，平均值为 8.9±0.6。较弱的水流交换条件和海水养殖，特别是海水网箱养殖，是造成沉积物污染的主要原因，开展多营养层次的综合养殖模式是促进盐田港海水养殖可持续发展的有效途径。

关键词：盐田港； 封闭海湾； 沉积物； 网箱养殖； 大型海藻

［Foundation： Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean，No.201205009-5； National Science and Technology Support Program，No.2012BAC07B03］

海洋沉积物是海洋各种生源要素重要的“源”与“汇”，其各种组成成分和分布在一定程度上制约着该海域海洋生物的生长和发育［1-2］。大量的沉积物有机质为底栖异养细菌提供了有利的生存条件［3］。受污染的沉积物不仅直接危害底栖生物，其中蓄积的污染物在适当的环境条件下会释放到水体中，进一步危害到水生生态系统甚至人类健康［4］。外源污染物输入后在水动力的推动下在不同功能区域产生沉降，沉积物在物理、化学和生物综合作用下，以不同形态的营养物质循环到水环境中［5］。近年来，我国海水网箱养殖活动给人们带来了可观的经济效益，但随着网箱养殖数量和密度的增加，使得养殖海域环境逐渐恶化［6］。过度投饵使得网箱及周围海底的沉积物中有机质、重金属和硫化物等含量逐渐增加［7］，给养殖活动和生态环境造成严重威胁。网箱养殖过程产生的沉积物有机质在一定条件下通过间隙水和上覆水之间的交换作用，增加了养殖水体的营养盐含量［8］，可能诱发赤潮灾害的频繁爆发［9］。

三沙湾位于福建省东北部，是我国著名的“大黄鱼之乡”。福建省拥有我国最大的牡蛎养殖区，2008年牡蛎养殖面积占全省养殖面积的 27.23%，仅霞浦县养殖区年产量就有 5.13×108t［10］。近年来，随着海水养殖业迅速发展，海水养殖网箱数量和规模不断增大。盐田港是三沙湾重要港湾组成之一，受海域周围陆地地形及岛屿的屏障作用，湾内海水与外界交换周期较长［11］。由于缺乏合理的规划和科学的养殖方法，使得盐田港海域生态系统逐渐退化，严重影响了养殖经济效益［12］。

本文于2012年—2013年对三沙湾盐田港养殖海域沉积物进行采样调查。分析在各个季节不同养殖区域沉积物质量特征与变化趋势，并对沉积物的污染状况进行评价，为今后改善养殖海域水体质量、合理规划养殖模式和防治养殖区病害提供基础资料。

1　材料与方法

1.1研究海域概况

调查期间，三沙湾盐田港主要养殖的是大黄鱼（Pseudosciaena crocea）和长牡蛎（Crassostrea gigas），鱼类网箱养殖规模为 1.15×104个网箱，养殖周期为2～3 a，主要投喂饵料是冰鲜小杂鱼，鱼类年产量约为1500 t，长牡蛎养殖规模是3.37 km2。大型海藻龙须菜（Gracilaria lemaneiformis）和海带（Laminaria japonica）根据季节更替轮换栽培。龙须菜栽培主要从9月份至来年2月份，栽培面积约为72.44 km2； 海带在12月底至次年5月份大规模栽培，调查期间栽培面积约为181.89 km2。

1.2采样站位与方法

本研究分别于 2012年夏季（8月）、秋季（11月）和2013年冬季（2月）、春季（5月）共4个航次对福建省三沙湾盐田港（119.76°E～119.83°E，26.72°N～26.84°N）10个站位沉积物进行采样调查（图1），监测指标包括沉积物中总氮（TN）、总磷（TP）和有机碳（OC）含量。其中，1号站位位于非养殖区，3站位位于长牡蛎养殖区，4号站位在网箱养殖区，2号和5～10号站位分别位于大型海藻栽培区。

样品采集、贮存和运输均按照《海洋监测规范》（GB17378.5-2007）中相关要求进行。沉积物样品的采集使用Ekman Grab抓斗式采泥器，采集表层0～3 cm样品，用聚乙烯封口袋封存，迅速储存到低温冰箱中待用。分析前将样品经冷冻干燥机干燥后去除各种杂质，用粉碎机研磨成粉末，四分法取样过 80目尼龙筛并储藏于干燥器中备用。沉积物样品中OC的测定使用重铬酸钾氧化-分光光度法（GB17378.5-2007），相对标准偏差为 1.0%； TN的测定使用过硫酸钾氧化法，相对标准偏差为5.0%，TP的测定是使用钼酸铵分光光度法，相对标准偏差为 2.0%（GB12763.4-2007）。

1.3评价方法

根据国家海洋局发布的《海水增养殖区监测技术规程》，用单因子评价模式对沉积物中碳、氮、磷含量进行评价。评价公式如下：

Pi= Ci/Ci0

式中，Pi指单因子污染指数，为第i种污染因子的污染指数； Ci为实测污染因子i的浓度； Ci0为实测污染因子i的评价标准。

图1　盐田港调查站位图Tab.1　Temporal variations in the content of TN in each functional area

文中对沉积物中TN和TP的评价标准，应用“第二次全国海洋污染基线调查技术规程”中指定沉积物的标准，即TN为550 mg/kg，TP是600 mg/kg； 对有机碳（OC）的评价标准，应用《海洋沉积物质量》（GB18668-2002）（国家质量监督检验检疫总局，GB18668-2002 中华人民共和国海洋沉积物质量）中I类沉积物的标准进行污染物状况评价，1.0作为OC是否对环境产生污染的基本分界线［13］。

1.4数据处理

沉积物所有数据用 Excel 2007进行处理，数据均用平均值±标准误表示； 应用 SPSS13.0软件对调查数据进行单因素方差分析（ANOVA），当P<0.01时为差异极显著，当 P<0.05为差异显著； 应用 Surfer 8.0软件对调查的站位和相关数据进行作图。

2　结果

2.1TN含量的时空变化

调查期间，盐田港水域表层沉积物中的TN含量变化范围为0.15～1.39 g/kg，年平均值为（0.89± 0.36）g/kg（表1）。春季与其余3个季度TN含量差异显著（P<0.05），明显低于其它 3个季节，均值为（0.73±0.29）g/kg； 其余 3个季度之间差异均不显著（P>0.05），变化范围在 0.88～0.98 g/kg之间，平均值为（0.95±0.43）g/kg。

表1　各功能区总氮含量的季节变化Tab.1　Temporal variations in the content of TN in each functional area

同一季节不同站位之间TN差异极显著（P<0.01），全年中位于盐田港内测的1号和2号监测站位TN低于其余各监测站位（图 2）。春季，湾内上游区域的贝类养殖区TN比平均值高出0.21 g/kg，其它3个季节TN较之网箱养殖区略有降低。网箱养殖区的沉积物4季均有较高含量的TN，在夏季TN含量高达1.38 g/kg；与3号、4号海产经济动物养殖区相比，全年大型海藻养殖区沉积物TN含量明显降低，春季位于海藻养殖区的2号站位含量仅为0.35 g/kg。在夏季，位于湾口交汇处的站位TN含量较其他季节明显增加，海藻栽培区的 5号和 6号站位比春季高出 0.68 g/kg和0.38 g/kg。

图2　总氮含量的四季分布图（g/kg）Fig.2　The horizontal distribution of TN in different seasons（g/Kg）

2.2TP含量的时空变化

在全年调查中，盐田港养殖水域表层沉积物中的 TP含量变化范围为 0.11～1.08 g/kg，年平均值为（0.56±0.26）g/kg。夏季与其余三个季度TP含量的差异显著（P<0.05），夏季的 TP含量最高，平均值为（0.75±0.55）g/kg； 而其余3个季度之间的差异均不显著（P>0.05），变化范围为 0.43～0.58 g/kg（表 2），平均值为（0.49±0.12）g/kg。

同一季节不同站位之间 TP的含量差异极显著（P<0.01），海产经济动物养殖区沉积物 TP含量显著高于海藻栽培区和空白海区（图3）。网箱养殖区全年都处于较高水平，年均值为（0.87±0.21）g/kg，其中，夏季4号站位达到全年中的最高值 1.08 g/kg； 牡蛎养殖区年平均值TP含量较网箱养殖区低15%。大型海藻栽培区TP含量季节变化显著，夏季临近鱼类网箱养殖区的5号站位沉积物中TP含量较其他6个海藻栽培区站位偏低。空白海区全年TP含量比其他功能海区都偏低，在秋季，1号站TP含量位仅占该季节平均值的23.45%。

表2　各功能区总磷含量的季节变化Tab.2　Temporal variations in the content of TP in each functional area

图3　总磷含量的四季分布图（g/kg）Fig.3　The horizontal distribution of TP in different seasons（g/kg）

2.3OC含量的时空变化

盐田港水域表层沉积物中的 OC含量变化见表3。全年沉积物中OC含量变化范围为1.00～14.71 g/kg，年平均值为（8.26±3.78）g/kg。春季和其余3个季度的OC含量的差异均显著（P<0.05），OC含量最低，平均值仅为（5.74±2.04）g/kg； 其余3个季度之间的差异均不显著（P>0.05），变化范围是7.24-9.49 g/kg，平均值是（8.48±0.45）g/kg。

在春季的 1号站位 OC含量最低，值为（1.50± 0.82）g/kg； OC最高值出现在夏季的 9号站位，为14.7 g/kg。牡蛎养殖区沉积物中年平均 OC含量为（10.13±3.40）g/kg，高于网箱养殖区的（10.05±4.45）g/kg和海藻栽培区的（9.51±4.59）g/kg，空白对照区OC含量最低，年平均值仅为（1.62±2.64）g/kg。入海口的空白对照区四季OC含量均显著低于平均值，年平均含量为总体均值的 32%。网箱养殖区、牡蛎养殖区和海藻栽培区4个季节变化范围在7.82～12.32 g/kg之间，显著高于空白对照区的1.00～3.12 g/kg（图4）。

沉积物中的 OC/N在一定程度上体现了有机物来源的差异性。盐田港养殖海域表层沉积物的OC/N变化于 8.4～10.3之间，平均值为 8.9±0.6，表明沉积物中有机质的主要以内源为主，即海洋浮游动植物和大型海藻，还有部分水生生物，陆源有机质对该养殖海域的影响较小。

表3　各功能区有机碳含量的季节变化Tab.3　Temporal variations in the content of OC in each functional area

表4　沉积物中TN和TP的单因子污染指数（Pi）Tab.4　Single factor pollution indices of nitrogen and phosphorus in sediment（Pi）

2.4沉积物的污染评价

图4　有机碳含量的四季分布图（g/kg）Fig.4　The horizontal distribution of OC in different seasons（g/kg）

根据单因子评价方法得到盐田港监测站位沉积物中TN、TP的污染指数见表4。从结果可以看出，沉积物中TN的污染指数变化范围为0.25～2.53。4次调查中各个季度的超标率分别达到了67%、81%、80 % 和 90%，表明除了春季以外，沉积物中氮的污染严重。沉积物TP的污染指数变化范围为0.18～2.63，4个季度的超标率分别为35%、80%、40 %和51%，表明夏季盐田港沉积物中磷污染严重，秋季和冬季污染较小，而在春季沉积物中的TP对环境不构成污染。各功能区全年污染指数均值分布特征与TN一致。全年每个站位的沉积物中 OC污染指数均小于 1，即OC含量水平较低，没有构成污染。

3　讨论

不同海域对氮、磷等营养元素的环境容量有所区别，黄海和东海沉积物中TN背景值为0.47 g/kg，TP背景值为0.42 g/kg［14］。根据本文研究，盐田港沉积物中的氮和磷的污染指数已经超标，造成这种现象的主要原因是水产养殖，较弱的水流交换条件使得沉积污染物易富集。盐田港属于封闭型海湾，溶解无机氮和溶解无机磷处于高度富营养化水平，快速发展的养殖活动和不合理的布局是主要原因［11］。过分密集的网箱布局严重阻挡水流，养殖水体与外海的水交换受到限制。养殖向水体输入的废物大大超过了水体的自净能力，造成病害频发［15］。网箱养殖区和牡蛎养殖区处于盐田港的湾内，水流交换量相对下游的海藻栽培区差，沉积物容易富集，这可能也是导致这两个功能区沉积物中TN和TP持续偏高的原因。胡明等［12］调查时发现，盐田港养殖海域海水营养状态质量指数NQI月平均值在3.47～7.32之间，已处于严重的富营养化状态，造成该海域浮游植物长期大量生长、繁殖，加之大型海藻大规模栽培时也有腐烂和残留，而网箱养殖投喂饵料多为海产冰鲜小杂鱼，所造成的残饵、粪便、代谢产物和其它水生生物残体常年积累，因此，沉积物中OC/N原子比偏低。

密集的海水网箱养殖产生大量的以悬浮碎屑形式存在的颗粒有机物质，主要包括投喂的残饵和养殖鱼类产生的粪便［16］。王肇鼎等［17］对大鹏澳网箱养殖研究时认为网箱放养密度、水温及网箱内外水交换条件与养殖海域水体的富营养化程度相关。现阶段，该海区网箱养殖一般是投喂小杂鱼饵料，人工配合饲料使用率较低。研究表明，海水网箱养殖投喂的饵料被鱼类摄食同化一般不到 30%，其他部分多以残饵、鱼类排泄物和代谢废物等形式进入海洋环境中［18-19］，造成底泥中营养元素的富集。网箱养殖源有机质的水平位移最多可达 400 m，养殖废物是养殖水域沉积物有机污染的主要来源［20］。双壳贝类养殖一般靠自然饵料，不需要人工投饵，但长年大规模养殖的贝类产生的生物沉积物将聚积于海底，改变了表层沉积物的数量和质量，进而影响底栖生物群落的生存和生长，甚至导致养殖海域贝类的大批死亡［21］。Kuatsky N等在日本广岛牡蛎养殖区研究牡蛎排泄量在200 m2的筏架上生长10个月所排粪和假粪干重可达19.3 t［22］。

盐田港春季多为雨季，是全年径流最大的季节，湾内、外水体交换量加大［23］，沉积颗粒物随水流动，不易富集，且春季水温升高，微生物分解活动加剧，会导致沉积物中有机质含量的减少，养殖海域沉积物中总氮和总磷含量偏高，除入海口的空白对照区沉积物含量较低，其它三个功能区含量较高且分布比较均匀。夏季鱼类生长迅速，生命代谢旺盛，投饵和排泄物比其它季节增加，使该海域水体富营养化程度增加，产生的溶解性无机氮和无机磷为浮游植物的生长提供重要来源［24］，且夏季为大型海藻栽培间歇期，为赤潮的爆发提供可能［25］。三沙湾海域年平均风速可达 3.2 m/s，夏季和初秋台风盛行，盐田港水深较浅，大风浪搅动海底沉积物，沉积物通过再悬浮过程中的再矿化及营养物颗粒有机物与水体的混合作用，有利于浮游植物的吸收和细菌吸附［26］。再悬浮稳定沉积后氮、磷元素在生物、pH和DO等环境因子作用下发生形态转化，向下沉积或者释放到水体中，以满足大型海藻生长的需要［27］。

开展多营养层次综合养殖（Integrated Multi-trophic Aquaculture，IMTA）可实现系统内营养物质的高效利用，在减轻环境压力的同时，使系统具有较高的容纳量和食物产出能力。Chopin等［28］进行大西洋鲑、贻贝及海带的综合养殖研究结果表明，综合养殖区海带生长速率增加了46%，贻贝增加了50%。长牡蛎能够有效地利用鲈鱼养殖过程中产生的残饵和粪便等有机废物，混养区牡蛎的生长速度远高于非混养区［29］。以大型海藻为基础的综合养殖生态系统已逐步发展和完善，利用大型海藻和养殖动物在生态位上的互补性，即应用双壳贝类滤食颗粒污染物，再通过大型海藻吸收去除溶解性营养盐［30-31］。盐田港大规模栽培的龙须菜和低温大型海带具有季节上的互补性，对该海域养殖环境起到一定的调控作用。然而，如何合理的布局养殖网箱，建立科学的综合养殖匹配模式，将是今后研究的主要方向。

4　结论

通过对三沙湾盐田港养殖海域表层沉积物时空分布规律特征的研究，并对沉积物质量进行评价，分析了沉积物中TN、TP和OC的主要来源及其控制因素，指出开展综合养殖是该海域可持续发展的有效途径。主要结论如下：

（1）盐田港沉积物中TN和TP平均含量为0.15～1.39 g/kg和0.11～1.08 g/kg，4个季节沉积物中氮磷污染严重，内源负荷高。网箱养殖区和牡蛎养殖区位于海湾内部，相对于下游的海藻栽培区水流交换条件差，残饵、粪便等其它代谢产物易富集，污染尤其突出。

（2）沉积物中4季OC含量均未超标，年平均值为（8.26±3.78）g/kg。全年各站位OC/N平均值低于10，养殖水体的富营养化促进浮游动植物和海藻大量生长、繁殖，网箱养殖投喂产生的残饵和生物残体分解，表现出沉积物中有机质多为内源污染物。

（3）盐田港较差的水动力条件和长期的海产经济动物养殖活动是造成该海域沉积物有机质污染的主要原因，合理布置养殖网箱，利用大型海藻和养殖动物在生态位上的互补性，科学的开展多营养层次综合养殖是实现该养殖海域可持续发展的重要途径。

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（本文编辑： 康亦兼）

The content of carbon，nitrogen and phosphorus in the surface sediment at the mariculture area in the enclosed Sansha Bay

WEI Zhang-liang1，2，3，HAN Hong-bin1，2，3，YU Ke-feng1，2，3，DING Ping-zhen1，2，3，HU Ming1，2，3，HUO Yuan-zi1，2，3，HE Pei-min1，2，3
（1.College of Fisheries and Life Sciences，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China； 2.Water Environment and Ecology Engineering Center of Shanghai Institute of Higher Education，Shanghai 201306，China； 3.Marine Scientific Research Institute，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China）

Received: Nov.5，2015

Key words:Yantian Bay； Enclosed bay； Sediment； Cage fish farming； Macroalgae

Abstract:An investigation has been carried out into the environmental quality of sediment in the enclosed Yantian bay，located inside the Sansha Bay，from August 2012 to July 2013.Testing was carried out at ten sampling sites，which were evenly distributed in different mariculture functional areas，during four different research trips.The single factor contaminant index（Pi）methodology was used to evaluate the environmental quality of sediment.The results showed that the concentration of total nitrogen（TN），total phosphorus（TP）and organic carbon（OC）varied significantly between different seasons（P<0.05）.The concentration of TN ranged from 0.15 to 1.39 g/Kg and the concentration of TP ranged between 0.11 to 1.08 g/Kg.The concentration of OC was in the range of 1.00 to 14.71 g/Kg with an average value of（8.26±3.78）g/Kg，and was found to be the highest in the oyster aquaculture area.The OC concentration in the macro-algae aquaculture area was lower than in the fish cage area，but higher than that in the control area.The Piof TN was 1.23，1.84，1.56 and 1.67 in spring，summer，autumn and winter，respectively.The con-centration of TN in the sediment exceeded the first class standard for marine sediment quality for fisheries in China by 67 %，81 %，80 % and 90 % in every season.The Piof TP ranged from 0.18 to 2.63 during the period of study.Based on the Piresult，the concentration of TP exceeded the first class standard for marine sediment quality for fisheries in China by 35 %，80 %，40 % and 51 % in spring，summer，autumn and winter，respectively.For all four seasons，the concentration of OC was lower than the first class standard for marine sediment quality for fisheries in China.The results detailed in this study indicate that the poor hydrological exchange and mariculture，especially the cage fish farming，have heavily polluted the sediment environment in the Yantian bay.The spatiotemporal change of TN，TP and OC appeared to be related to the mariculture mode.Macro-algae showed high bioextraction efficiencies with nutrients and were able to balance the nutrient produced by marine aquatic animal farming in an Integrated Multi-trophic Aquaculture（IMTA）system.

中图分类号：Q944.6

文献标识码：A

文章编号：1000-3096（2016）03-0077-10

doi：10.11759/hykx20151105002

收稿日期：2015-11-05； 修回日期： 2016-02-23

基金项目：国家海洋公益性行业科研专项（201205009-5）； 国家科技支撑计划课题（2012BAC07B03）

作者简介：韦章良（1989-），男，安徽合肥人，硕士研究生，研究方向为海水养殖生态学； Email： 315907746@qq.com； 霍元子，通信作者，副教授，Email： yzhuo@shou.edu.cn