基于浮标监测的连云港近海紫菜养殖区水环境特征

2020-09-10吴亚楠李昱蓉卢霞孙美萍卢高丽

海洋开发与管理 2020年4期

关键词：浮标

吴亚楠李昱蓉卢霞孙美萍卢高丽

摘要：为促进海洋渔业经济的健康可持续发展，文章以连云港高公岛附近的紫菜养殖区为研究区域，利用海洋环境综合监测浮标实时监测水环境和气象数据，采用定性和定量相结合的方法，分析紫菜养殖区海域的水温、电导率、水压、溶解氧浓度、pH值、盐度、叶绿素浓度和浊度等水环境因子的统计和变化特征及其相关性，在此基础上分析气象条件对水环境因子的影响。研究结果表明：研究区域的水温和盐度适宜紫菜养殖，浊度属于强变异性;水温和电导率整体呈逐渐升高的趋势，溶解氧浓度和pH值呈逐渐降低的趋势，其他水环境因子呈波动状态;水压的变化与气压具有一致性，水体未受到溶解氧和酸碱污染;水温与电导率之间存在较强的正相关性，水温与溶解氧浓度和pH值之间存在较强的负相关性，pH值与叶绿素浓度和盐度之间存在较强的正相关性;气象条件对水环境因子存在一定的影响，海上大风导致水体浊度陡增。

关键词：紫菜养殖;浮标;海水环境;海洋气象;海洋监测

Abstract：In order to promote the healthy and sustainable development of marine fishery economy，this paper took the porphyra aquaculture area near Gaogong Island of Lianyungang as the research area，used the comprehensive monitoring buoy of marine environment to monitor the water environment and meteorological data in real time.By using the method of qualitative and quantitative analysis，the statistical and changing characteristics of water environmental factors such as water temperature，conductivity，water pressure，dissolved oxygen concentration，pH，salinity，chlorophyll concentration and turbidity in the porphyra aquaculture area and their correlation were analyzed.On this basis，the influence of meteorological conditions on water environmental factors was analyzed.The results showed that the water temperature and salinity in the study area were suitable for porphyra aquaculture.The turbidity was strongly variable; the overall water temperature and conductivity were gradually increasing，the dissolved oxygen concentration and pH were gradually decreasing，and other water environmental factors were fluctuating.The change of water pressure was consistent with that of air pressure，and the water body was not polluted by dissolved oxygen and acid and alkali.There was a strong positive correlation between water temperature and conductivity，a strong negative correlation between water temperature and dissolved oxygen concentration and pH，and a strong positive correlation between pH and chlorophyll concentration and salinity.Meteorological conditions had a certain impact on water environment factors.The sea gale caused the water turbidity to increase sharply.

Key words：Porphyra aquaculture，Buoy，Seawater environment，Marine meteorology，Marine monitoring

0 引言

海洋環境监测是了解海洋环境质量的重要手段，对于海洋环境保护和海洋资源开发具有重要意义。传统的监测方法须利用测量船实地进行海水采样再进行分析，而区别于传统的监测方法，海洋浮标具有自动、长期和连续收集海洋环境资料的能力，且不受恶劣环境的影响，在无法实施人工监测时仍能有效工作[1-2]。海洋浮标技术始于20世纪40年代末至50年代初[3]，国内外学者已利用海洋浮标进行一系列的研究，证明其可操作性和稳定性。Schmidt等[4]设计适用于近岸水产养殖场和海滨浴场的低成本监测浮标，用来监测近岸海水的物理、化学和生物环境变化，从而探讨近岸水产养殖的环境变化特征;戴洪磊等[5]概述截至2014年我国黄海、渤海、东海和南海海域以及极地海域布设海洋浮标的情况，包括浮标的用途、种类和海洋环境监测参数等信息;陈旭阳等[6]利用海洋监测浮标研究赤潮发生前后实时监测数据的变化，为赤潮预警提供科学参考;李天深等[7]利用海洋浮标数据探讨水华发生前后水环境因子的变化。

目前利用海洋浮标研究紫菜养殖区水环境变化特征的相关文献较少，现有文献大多采用传统手段获取数据，难以实现实时在线监测的目标，给环境监测和评价带来一定的局限性。殷小琴等[8]采用传统采样方法对2014—2016年江苏如东紫菜增养殖区的水质监测数据进行分析和评价，研究结果表明水体温度、盐度和pH值适合紫菜生长，但因石油类和砷含量逐年增加，活性磷酸盐含量超出一类海水水质标准，水质开始被污染;张晓昱等[9]利用传统方法对连岛附近紫菜养殖区的海水环境质量进行评价，研究结果表明2012—2016年海域环境质量逐渐改善，适宜继续养殖紫菜，且紫菜可吸收和利用水体中的无机氮和磷酸盐，可对海洋环境进行原位生物修复。

本研究以连云港高公岛附近的紫菜养殖区为研究区域，通过海洋环境综合监测浮标获取实时监测的水环境和气象数据，利用定性和定量相结合的方法，分析紫菜养殖区水环境因子的统计和变化特征及其相关性，在此基础上分析气象条件对水环境因子的影响。基于浮标的近海紫菜养殖区水环境动态监测有利于海洋管理部门和养殖户掌握紫菜养殖区水环境和气象数据的实时变化情况，促进海洋渔业经济的健康可持续发展。

1 研究区域和数据

1.1 研究区域

连云港位于南、北气候交界区域，气候适宜，降雨丰沛，年降雨量为850～1 080 mm，年平均气压为1 025.2 hPa，受波浪、台风和海雾的影响较小。连云港近岸海域位于老黄河三角洲北侧，是在海洋动力下侵蚀而形成的半封闭海域，即海州湾。海州湾面积约为876.39 km2，主要功能包括港口运输、捕捞养殖和旅游观光[10]。连云港近岸水质受航道运输、陆源排污和海水养殖等的影响，主要污染物为重金属和石油类[11-12]。

本研究的具体区域位于连云港高公岛附近海域的紫菜养殖区。高公岛是连云港重要的紫菜养殖基地之一：2017年高公岛紫菜产业园的紫菜养殖面积达1万hm2，鲜菜产量达10万t;紫菜交易所场内成交11.4亿张，成交额近8亿元[13]。

1.2 数据获取和处理

2019年3月14日，在连云港连云区高公岛附近的紫菜养殖区投放HNF 1.5-Ⅱ监测浮标，投放位置为34°43′20.88″N、119°30′37.40″E。浮标搭载德国Lufft气象传感器（Lufft WS 500-UMB）和美国海鸟水质多参数仪（Sea-Bird Coastal Hydro CAT-EP），实时监测紫菜养殖区的气象和水环境，每30 min记录1组数据，并通过移动卫星通信RGPS传输到监控中心。本研究主要选择2019年3月15日0時至4月15日23时30分的监测数据，开展水环境因子的变化特征分析。其中，水环境数据主要包括水温、电导率、水压、溶解氧浓度、pH值、盐度、叶绿素浓度和浊度，气象数据主要包括气压、温度、湿度和风速。

采用SPSS 23.0软件对水环境因子（水温、电导率、水压、溶解氧浓度、pH值、盐度、叶绿素浓度和浊度）进行统计分析，获取水环境因子的统计信息;进行Pearson相关系数的双侧检验分析，确定水环境因子之间的相互作用机制;利用Excel软件制图，分析水环境因子的变化特征[14]。

2 水环境因子特征

2.1 统计特征

研究区域紫菜养殖区水环境因子的数据统计如表1所示。

紫菜养殖区的水温为8.40℃～15.73℃，平均值为11.43℃;盐度为28.68～29.81，平均值为29.44，标准差为0.19，变化总体不明显。商兆堂等[15]的研究结果表明，江苏沿海养殖条斑紫菜放苗的适宜水温为12℃～17℃（16℃左右最适宜），大藻体生长发育的适宜水温为3℃～5℃，成叶期生长发育的适宜水温为3℃～8℃，最后收割的水温不宜超过20℃。条斑紫菜的适盐范围较广，在盐度为13～33的海水中均能生长[16]。因此，从水温和盐度的条件看，该海区适宜养殖条斑紫菜。

紫菜养殖区的电导率为31.25～37.30 mS/cm，平均值为33.77 mS/cm;水压为2.20～5.60 kPa，平均值为4.20 kPa，标准差为0.60 kPa，变化较小;浊度为6.95～459.76 NTV，平均值为34.71 NTV，标准差为47.68 NTV，变化较大，存在不稳定性;叶绿素浓度为0.58～5.89 μg/L，平均值为1.57 μg/L;溶解氧浓度为7.94～10.03 mg/L，平均值为9.02 mg/L，均超过一类海水水质标准（6 mg/L）[17]，但不会对紫菜的生长产生明显影响;pH值为8.56～8.73，平均值为8.64，标准差为0.03，变化较小，通常pH值为7.8～8.5较适合紫菜生长，该海区的pH值略高[8]。

综上所述，该紫菜养殖区的水压、溶解氧浓度、pH值和盐度的变化较小，较为稳定;浊度的变化最大，可能是受大风浪的影响，导致流速改变或海底泥沙上浮，从而影响海水的浊度。

变异系数为数据的标准差与平均值的比值，用来定量分析水环境因子的波动程度，可较为客观地反映不同量纲的水环境因子之间的相对重要程度[18]。连云港近海紫菜养殖区的水环境因子的变异系数由小到大依次为pH值、盐度、电导率、溶解氧浓度、水温、水压、叶绿素浓度、浊度。其中，pH值、盐度、电导率和溶解氧浓度属于弱变异性（变异系数<10%），水温、水压和叶绿素浓度属于中等变异性（10%≤变异系数≤100%），浊度属于强变异性（变异系数>100%）。

2.2 变化特征

2.2.1 水温和电导率

紫菜养殖区水温和电导率的变化特征如图1所示。

由图1可以看出：水温基本随当时当地气温的升降而波动，整体呈现逐渐升高的趋势，且均在20℃以下，适宜紫菜的最后收割;电导率的变化趋势与水温基本相同，整体呈现逐渐升高的趋势，同时验证电导率与水温具有正相关性。

在日变化曲线中，水温通常呈现“一峰一谷”型，最高值出现在12：00—15：00，最低值则出现在日出前后。

2.2.2 水压

紫菜养殖区水压和气压的变化特征如图2所示。

由图2可以看出，水压的变化与气压具有一致性。大气气压随大气高度的变化而变化，通常阴天的大气湿度大、密度小，气压比晴天低，研究期内天气保持阶段性稳定的状态。水压的日变化约为3 kPa，变化较小，对紫菜生长的影响不大。

2.2.3 溶解氧浓度

溶解氧浓度与海-气交换、水温、盐度、氧的生化循环、生物活动、有机质浓度及其降解率有关，是评价海水环境质量的重要指标。紫菜养殖区溶解氧浓度的变化特征如图3所示。

由图3可以看出，溶解氧浓度有平缓下降的趋势，这是由于溶解氧浓度与水温呈负相关关系。由于春季水温较低，浮游生物的消耗较少，溶解氧浓度始终符合一类海水水质标准。受日照影响，溶解氧浓度的日变化约为0.25 mg/L，波动程度较小。

根据溶解氧的特点，采用内梅罗指数（N.L.Nemerow）评价溶解氧污染指数，计算公式为：

当Pi<0.5时，表明水体未受到该因子污染。根据溶解氧浓度的一类海水水质标准（6 mg/L），经计算，紫菜养殖区的Pi =0.25，因此该海域未受到溶解氧污染。

2.2.4 pH值

紫菜养殖区pH值的变化特征如图4所示。

由图4可以看出，pH值整体呈现下降的趋势，且日变化的幅度不明显。全球海水表层pH值的平均值约为8.2，变化范围通常为7.3～8.5。研究区域的pH值为8.56～8.73，略高于全球海水表层的平均值，表明紫菜养殖可能对海水酸碱度有一定的影响。

2.2.5 叶绿素浓度

紫菜养殖区叶绿素浓度的变化特征如图5所示。

由图5可以看出，叶绿素浓度在3月17—20日逐渐升高，于3月20日达到最大值后下降并逐渐平稳，于4月9日出现小波峰后逐渐降低，且日变化范围逐渐减小（0.4～4.0 μg/L）。在紫菜的收成期，随着紫菜的成熟，海水的叶绿素浓度基本趋于稳定。叶绿素浓度逐渐降低表明紫菜养殖可增加海水中浮游生物的生物量。

2.2.6 浊度

浊度是表征水体中悬浮物浓度的指标，是重要的水质参数之一。紫菜养殖区浊度的变化特征如图6所示。

由图6可以看出，水体浊度除4月9日和10日出现较大波动外，其余时段均保持稳定，约有75%的值低于平均值34.71 NTV。水体浊度的陡增很可能是由于海水中泥沙含量增加。

2.2.7 盐度

海水中含有多种盐类，盐度是海水含盐量的标度，许多海洋现象和过程都与盐度的变化和分布有关。盐度间接影响生物的代谢活动和渗透压，因此盐度不宜过高或过低，保持稳定为宜。紫菜养殖区盐度的变化特征如图7所示。

由图7可以看出，盐度的波动较稳定，约有33%时间的日变化较大，但变化范围也在1.0之内。盐度在近岸受潮流影响较大的区域通常呈现潮流周期的变化[19]。

2.3 水环境因子之间的相关性

紫菜养殖区的水温、电导率、水压、溶解氧浓度、pH值、叶绿素浓度、浊度和盐度之间的相关性分析结果如表2所示。

由表2可以看出：水温与电导率之间存在较强的正相关性，相关系数达0.987，表明海水的电导率随水温升高而升高的变化比较明显;水温与溶解氧浓度和pH值之间存在较强的负相关性，相关系数分别为-0.837和-0.716，表明随着水温的升高，海洋生物的呼吸作用会消耗氧气和释放大量二氧化碳，从而降低溶解氧浓度和pH值;溶解氧浓度与pH值之间存在较强的正相关性，相关系数为0.816;pH值与叶绿素浓度和盐度之间存在较强的正相关性，相关系数分别为0.527和0.432，这是由于盐度直接影响海水酸碱度，叶绿素浓度也直接反应海水中浮游植物的生物量和动态变化[20]。

2.4 气象条件对水环境因子的影响

除水环境条件适宜外，气象条件也是影响紫菜养殖的重要因素，主要包括气温、大风、降雨和雾[21]。

利用搭载在海洋环境综合监测浮标上的Lufft气象传感器，在研究期内获取气象数据。研究区域气温的平均值为11.595℃，与水温的平均值11.430℃相差0.165℃。过大或过小的降雨量不仅影响海水盐度的变化，而且会成为紫菜病变的诱发因子[22];研究区域降雨量的平均值为14.272 mm，盐度的变化也较稳定，因此降雨量没有影响海水盐度的变化，适合紫菜收成。连云港地区的大雾天氣较少，且3-4月为紫菜的收成期，大雾对紫菜生长及其品质的影响较小。

研究区域风速的平均值为0.5 m/s，最大值为1.3 m/s，最小值为0.1 m/s。风浪会造成海底淤泥搅动，导致海水中悬浮物含量增加，从而影响海水浊度的变化[23]。紫菜养殖区风速和浊度的变化特征如图8所示。

图8 风速和浊度的变化

由图8可以看出，浊度与风速的变化趋势相近，且风速存在2个峰值，浊度在对应时段也存在2个峰值，表明大风天气对海水浊度的影响很大。经查阅气象资料，2个峰值时段的海上大风约为7级。

3 结语

本研究利用海洋环境综合监测浮标，获取连云港高公岛附近紫菜养殖区的水环境和气象数据，分析水环境因子的统计和变化特征及其相关性，并分析气象条件对水环境因子的影响。连云港高公岛附近紫菜养殖区的水温和盐度适宜紫菜养殖;水温和电导率整体呈逐渐升高的趋势，溶解氧浓度和pH值呈逐渐降低的趋势，其他水环境因子呈波动状态;气象条件对水环境因子存在一定的影响，海上大风使海水中的悬浮物含量增加，导致水体浊度陡增。

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