2024, Vol. 48
文章信息
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- SUN Yanqing, DING Yuzhu, LIANG Guangjin, LIU Jia, XU Yingjiang, LI Jiawei, SHI Liang, WANG Jing, ZHAO Nan, XUE Jinglin, HAN Dianfeng. 2024.
- 荣成海带养殖区营养盐结构及时空分布特征
- Nutrient structure and temporal and spatial distribution characteristics of kelp aquaculture areas in Rongcheng
- 海洋科学, 48(7): 68-77
- Marine Sciences, 48(7): 68-77.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20240130002
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文章历史
- 收稿日期：2024-01-30
- 修回日期：2024-05-11
2. 山东省海藻遗传育种与栽培技术重点实验室, 山东东方海洋科技股份有限公司, 山东 烟台 264003
2. Provincial Key Laboratory of Genetic Improvement & Efficient Culture of Marine Algae of Shandong, Shandong Oriental Ocean Sci-Tech Co., Ltd., Yantai 264003, China
荣成位于山东半岛最东端, 三面环海, 是中国海带产业最集中、规模最大的县级市[1], 具有“中国海带之乡”的美誉[2]。荣成沿海由荣成湾、爱莲湾、桑沟湾等数个大大小小的海湾组成, 全部用于海水养殖。据《2022年山东渔业统计年鉴》[3]报道, 2022年山东海带产量为230 498 t, 荣成市海带产量为176 988 t, 占山东海带总产量的76.8%。荣成海带养殖方式主要为浮筏式养殖, 每年11月至次年6月进行海上养殖。在海带生长过程中, 氮、磷等营养盐起到了重要作用, 但天然海水中浓度较低且易被浮游藻类生长繁殖所消耗, 因此常成为限制海带生长的限制性营养盐。
海带养殖过程中氮、磷的限制会影响海带组织成分的积累, 进而影响海带的正常生长[4], 海区营养盐浓度过高或过低时, 都可能导致病害的发生[5, 6]。氮、磷营养盐作为一项关键的海水水质指标, 是海洋生物生长、繁殖所必须的重要成分, 其浓度水平和结构变化不仅会引起海洋初级生产力的变化, 影响海带生长, 也会对生态环境产生相应的影响[7-9]。因此, 海水中营养盐浓度水平也常用于反映近岸海域潜在污染情况。
基于营养盐对海带生长的重要作用及海带产业在荣成市经济发展中的重要地位, 本文选取了3个海湾对荣成海带养殖区海带养殖全过程海水中营养盐情况进行监测, 通过对海水中营养盐结构和时空分布特征进行分析, 以期掌握荣成海带养殖区环境状况和营养盐变化规律, 为海带养殖和海洋生态环境保护提供技术支撑。
1 材料与方法 1.1 样品的采集和分析调查采样人员于2022年11月(秋季)、2023年2月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)在荣成市荣成湾鑫城山养殖区、爱莲湾寻山养殖区和桑沟湾泉海养殖区进行采样(图 1), 每个海带养殖区根据离岸距离各采集3个站位, 其中, A1、B1、C1为低区, A2、B2、C2为中区, A3、B3、C3为高区。监测项目主要包括活性磷酸盐(PO4-P)、活性硅酸盐(SiO3-Si)、氨氮(NH4-N)、亚硝酸盐(NO2-N)、硝酸盐(NO3-N)和无机氮(DIN)。调查和分析方法按照《海洋监测规范第4部分: 海水分析》[10]、《海洋调查规范第4部分: 海洋化学要素调查》[11]等相关要求进行。其中, 活性磷酸盐采用磷钼蓝分光光度法测定; 活性硅酸盐采用硅钼黄法测定; 氨氮采用次溴酸盐氧化法测定; 亚硝酸盐采用萘乙二胺分光光度法测定; 硝酸盐采用锌-镉还原法测定; 无机氮为氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐浓度之和。
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| 图 1 荣成海带养殖区调查站位 Fig. 1 Location of sampling stations in Rongcheng kelp aquaculture areas |
采用单因子污染指数法对调查海域营养盐(DIN、PO4-P)进行评价。依据《海水水质标准》[13]的第一、二类海水水质标准作为参照, 计算公式如下:
式中: St为第t类污染物的污染指数; Ct为第t类污染物的实测值; C0为第t类污染物的标准值。St ≤ 1时, 表明该站位水质符合该类标准; St > 1时, 表明该站位水质不符合该类标准; St值越大表示污染越严重。
1.2.2 营养盐结构及限制特征本文采用杨东方[14]提出的关于营养盐限制的判断方法, 对荣成海带养殖区海水中营养状况进行评价, 即营养盐限制因子的确定必须同时满足绝对限制法和相对限制法, 具体方法如表 1所示。根据郭卫东等[15]基于潜在性富营养化的概念, 参照海水水质标准对调查海域海水水质进行潜在性富营养化程度评价, 具体营养级划分原则如表 2所示。
| 限制因子 | DIN/(μmol/L) | PO4-P/(μmol/L) | SiO3-Si/(μmol/L) | N∶P | Si∶N | Si∶P |
| DIN | 1 | — | — | < 10 | > 1 | — |
| PO4-P | — | 0.1 | — | > 22 | — | > 22 |
| SiO3-Si | — | — | 2 | — | < 1 | < 10 |
| 级别 | 营养级 | DIN/(μmol/L) | PO4-P/ (μmol/L) | N∶P |
| Ⅰ | 贫营养 | < 14.28 | < 0.97 | 8 ~ 30 |
| Ⅱ | 中度富营养 | 14.28 ~ 21.41 | 0.97 ~ 1.45 | 8 ~ 30 |
| Ⅲ | 富营养 | > 21.41 | > 1.45 | 8 ~ 30 |
| ⅣP | 磷限制中度富营养 | 14.28 ~ 21.41 | — | > 30 |
| ⅤP | 磷中等限制潜在性富营养 | > 21.41 | — | 30 ~ 60 |
| ⅥP | 磷限制潜在性富营养 | > 21.41 | — | > 60 |
| ⅣN | 氮限制中度富营养 | — | 0.97 ~ 1.45 | < 8 |
| ⅤN | 氮中等限制潜在性富营养 | — | > 1.45 | 4 ~ 8 |
| ⅥN | 氮限制潜在性富营养 | — | > 1.45 | < 4 |
利用SPSS 20分析软件对实验数据进行单因子方差分析(One-way ANOVA)和多重比较(Duncan), P < 0.05时具有显著性差异, 用Origin 2021对海带养殖区海水中营养盐浓度进行绘图。
2 结果与分析 2.1 荣成海带养殖区营养盐时空分布特征 2.1.1 DIN时空分布特征由图 2可知, 同一养殖区不同季节海水中DIN质量浓度变化较大, 鑫城山海带养殖区和寻山海带养殖区均呈现冬季浓度最高, 秋季次之, 夏季最低的趋势; 泉海海带养殖区DIN浓度则表现为春、秋季高于冬、夏季。相同季节不同养殖区及同一养殖区不同位置处海水中DIN水平也存在一定差异。秋季, 3个养殖区间海水中DIN浓度差异不大(P > 0.05), 在6.5~11.1 μmol/L, 最高浓度出现在泉海海带养殖区。从养殖区内各站位看, 鑫城山海带养殖区和寻山海带养殖区海水DIN浓度均呈低区 > 中区 > 高区, 泉海海带养殖区中区DIN浓度最高。冬季, DIN浓度最高在鑫城山海带养殖区, 其次是寻山海带养殖区, 泉海海带养殖区最低。具体来看, 鑫城山和寻山海带养殖区DIN最高浓度均为高区, 泉海海带养殖区DIN浓度最高在低区。春季, 各养殖区间海水中DIN浓度水平与冬季相反, 泉海海带养殖区最高, 鑫城山海带养殖区最低, 最低浓度在鑫城山海带养殖区高区, 寻山和泉海海带养殖区内3个站位之间DIN浓度无显著差异(P > 0.05); 夏季, 各养殖区海水中浓度均处于全年最低水平, 且同一养殖区内3个站位间DIN浓度基本一致(P > 0.05), 在2.26~3.10 μmol/L。
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| 图 2 海带养殖区DIN(无机氮)浓度时空分布 Fig. 2 Regional distributions of DIN(inorganic nitrogen) in kelp aquaculture areas during four seasons from November 2022 to July 2023 |
PO4-P的时空分布特征如图 3所示, 在监测的3个海带养殖区内海水中PO4-P浓度最高值均出现在秋季, 寻山海带养殖区和泉海海带养殖区PO4-P浓度最低值出现在夏季, 鑫城山海带养殖区PO4-P浓度最低值出现在冬季。秋季, 3个海带养殖区间PO4-P浓度没有显著差异(P > 0.05), 浓度在0.48~0.77 μmol/L。鑫城山海带养殖区和泉海海带养殖区内各站位间PO4-P浓度随离岸距离的增加略有升高; 寻山海带养殖区内低区PO4-P浓度最高, 为0.77 μmol/L。冬季, 养殖区内海水PO4-P浓度大致呈中区、高区大于低区, 其中寻山海带养殖区内PO4-P浓度最高, 鑫城山和泉海两个养殖区间PO4-P浓度差异不大。春季, 各养殖区间PO4-P浓度相差不大, 浓度范围在0.17~0.29 μmol/L, PO4-P浓度最高站位均出现在高区。夏季鑫城山海带养殖区海水PO4-P浓度最高, 最高浓度为低区0.27 μmol/L, 其次是寻山海带养殖区, PO4-P浓度在0.07~0.16, 泉海海带养殖区PO4-P浓度最低。
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| 图 3 海带养殖区PO4-P(活性磷酸盐)浓度时空分布 Fig. 3 Regional distributions of PO4-P(active phosphate) in kelp aquaculture areas during four seasons from November 2022 to July 2023 |
监测区域海水中SiO3-Si浓度的季节变化特征如图 4所示, 从图中可以看出鑫城山、寻山海带养殖区SiO3-Si浓度呈秋季 > 冬季 > 春季 > 夏季, 泉海海带养殖区SiO3-Si浓度在冬、春、夏3个季节间没有显著差异(P > 0.05)。秋季, 3个海带养殖区内海水中SiO3-Si浓度范围在8.17~10.5 μmol/L, 最高值出现在寻山低区, 各养殖区间SiO3-Si浓度没有显著差异(P > 0.05); 冬季, 养殖区内海水中SiO3-Si浓度范围在4.70~10.3 μmol/L, 最高值出现在鑫城山高区站位, 3个养殖区内海水中SiO3-Si浓度各有差异; 春季, 鑫城山海带养殖区海水中SiO3-Si浓度最高, 其次是寻山海带养殖区, 泉海海带养殖区浓度最低, 最高浓度出现在鑫城山低区站位; 夏季, 不同养殖区内各站位SiO3-Si浓度均呈现出低区 > 中区 > 高区, 其中寻山海带养殖区内SiO3-Si浓度最低。
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| 图 4 海带养殖区SiO3-Si(活性硅酸盐)浓度时空分布 Fig. 4 Regional distributions of SiO3-Si(active silicate) in kelp aquaculture areas during four seasons from November 2022 to July 2023 |
依据《海水水质标准》[13]对监测的9个站位在4个季节中无机氮和活性磷酸盐指标进行单因子污染指数评价, 结果见表 3。由表 3可知, 仅1个站位在冬季DIN浓度超过海水水质二类标准, 其余站位在春、夏、秋、冬4个季节DIN和PO4-P浓度均符合二类水质标准。冬季, 有5个站位DIN浓度超过一类标准, 2个站位PO4-P浓度超过一类标准; 秋季有8个站位PO4-P浓度超过一类标准; 春季和夏季所有站位DIN和PO4-P的污染指数均小于1, 符合一类海水水质标准。这表明虽然监测站位属于水产养殖区, 但养殖生产过程中DIN和PO4-P在春、夏两季均处于较低水平, 海水营养盐污染程度较低。
| 季节 | 标准 | St(DIN) | 超标站位数/个 | St(PO4-P) | 超标站位数/个 |
| 秋季 | 一类 | 0.455~0.779 | 0 | 0.993~1.593 | 8 |
| 二类 | 0.303~0.519 | 0 | 0.497~0.797 | 0 | |
| 冬季 | 一类 | 0.144~1.974 | 5 | 0.330~1.036 | 2 |
| 二类 | 0.096~1.316 | 1 | 0.156~0.518 | 0 | |
| 春季 | 一类 | 0.190~0.562 | 0 | 0.350~0.600 | 0 |
| 二类 | 0.127~0.375 | 0 | 0.175~0.300 | 0 | |
| 夏季 | 一类 | 0.159~0.217 | 0 | 0.134~0.548 | 0 |
| 二类 | 0.106~0.145 | 0 | 0.067~0.274 | 0 |
本研究监测的9个站位均属于海水养殖区, 海水符合第二类水质指标即可达到标准。其中, 根据《威海市海洋功能区划(2013—2020年)》要求, 桑沟湾泉海海带养殖区低区取样站位位于褚岛周边藻类水产种质资源保护区, 该区域海水水质应不劣于一类标准。本次监测结果显示, 秋季泉海海带养殖区3个取样站位海水PO4-P污染指数在1.120~1.207, 超过海水一类标准, 其他季节该养殖区内海水中DIN和PO4-P均满足要求。
2.3 荣成海带养殖区营养盐限制因子的确定及潜在富营养化程度评价荣成海带养殖区4个季节中营养盐浓度及比值见表 4。结果表明, 各养殖区N/P比在13.66~108.45, Si/P比在14.98~84.29, Si/N在0.38~2.33。根据杨东方关于养盐限制判断方法, 泉海海带养殖区夏季PO4-P浓度为0.07±0.01 μmol/L, 低于营养盐绝对限制法中规定的最低阈值0.1 μmol/L, 且N/P和Si/P均大于22, 海水呈现磷限制。此外, 春季寻山海带养殖区和泉海海带养殖区、冬季鑫城山海带养殖区海水中PO4-P浓度虽高于最低阈值, 但N/P和Si/P均大于22, 呈PO4-P相对限制。此外, 其他养殖区均未出现营养盐的限制。
| 站位 | 季节 | DIN | PO4-P | SiO3-Si | N∶P | Si∶N | Si∶P | 营养级 | 绝对限制因子 | 相对限制因子 |
| 鑫城山 | 秋季 | 7.93±1.61 | 0.57±0.02 | 9.28±0.69 | 13.91 | 1.17 | 16.28 | Ⅰ | ||
| 冬季 | 21.69±5.82 | 0.20±0.05 | 8.15±1.87 | 108.45 | 0.38 | 40.75 | ⅥP | P | ||
| 春季 | 3.60±0.92 | 0.21±0.03 | 7.36±0.33 | 17.14 | 2.04 | 35.05 | Ⅰ | |||
| 夏季 | 2.92±0.21 | 0.21±0.05 | 4.95±1.02 | 13.90 | 1.70 | 23.57 | Ⅰ | |||
| 寻山 | 秋季 | 8.06±0.81 | 0.59±0.16 | 8.84±1.45 | 13.66 | 1.10 | 14.98 | Ⅰ | ||
| 冬季 | 14.60±2.05 | 0.46±0.06 | 7.30±0.73 | 31.74 | 0.50 | 15.87 | ⅣP | |||
| 春季 | 5.65±0.31 | 0.25±0.03 | 6.04±0.50 | 22.60 | 1.07 | 24.16 | Ⅰ | P | ||
| 夏季 | 2.37±0.10 | 0.12±0.05 | 4.05±0.42 | 19.75 | 1.71 | 33.75 | Ⅰ | |||
| 泉海 | 秋季 | 9.32±1.64 | 0.57±0.02 | 8.84±0.44 | 16.35 | 0.95 | 15.51 | Ⅰ | ||
| 冬季 | 2.77±0.79 | 0.18±0.03 | 5.04±0.59 | 15.39 | 1.82 | 28.00 | Ⅰ | |||
| 春季 | 7.92±0.13 | 0.22±0.03 | 5.13±0.52 | 36.00 | 0.65 | 23.32 | Ⅰ | P | ||
| 夏季 | 2.53±0.18 | 0.07±0.01 | 5.90±0.56 | 36.14 | 2.33 | 84.29 | Ⅰ | P | P |
根据郭卫东提出的海水潜在性富营养化评价模式, 对3个海带养殖区海水进行营养级划分, 结果见表 4。从表 4中可以看出, 各养殖水域营养水平较低, 春、夏、秋3个季节中监测区域海水营养盐结构均为贫营养级; 冬季, 鑫城山海带养殖区海水营养盐结构为磷限制潜在性富营养, 寻山海带养殖区海水营养盐结构为磷限制中度富营养, 泉海海带养殖区海水均呈贫营养。
3 讨论 3.1 营养盐时空分布特征从营养盐季节变化看, 各海带养殖区内营养盐浓度的季节变化特征受海带养殖活动影响, 与海带的生长周期有关。春季, 气温逐渐回暖, 除浮游植物外, 海带生长旺盛, 吸收海水中大量的DIN和PO4-P等营养盐, 从而导致海水中营养盐浓度的降低。此外, 大规模的海带养殖也限制了海水的交换, 海流流速降低, 减少了养殖区内营养物质的补充[16-18]。5—7月, 海带陆续收获, 伴随着表层海水水温升高, 光照适宜, 藻类等浮游植物大量繁殖, 对营养盐进行了持续的消耗吸收而陆源补充较少, 导致海水中DIN和PO4-P浓度进一步下降。秋季, 海带养殖导致的海水交换限制消失, 水团强烈混合, 海水的水平交换能力和垂直交换能力都得到增强, 促使营养物质从底层沉积物中释放并上涌至表层[19, 20]。同时, 贝类等养殖活动在10月达到最高生物量, 贝类、鱼类通过排泄所释放的营养物质也进入水体中, 使海水中营养盐浓度增高[21, 22]。冬季, 北半球太阳辐射明显减弱, 海水温度低, 水中浮游生物对营养盐的吸收量减少。SiO3-Si浓度的季节变化与DIN、PO4-P相似, 但与之不同的是, 尽管夏季浮游植物生长旺盛, 消耗了大量SiO3-Si, 但海水中SiO3-Si浓度仍保持一定的水平。这可能是因为硅作为保守性营养元素, 受养殖活动的影响较小, 且其主要来源是地质岩石的侵蚀以及风化作用[23]。
从水平分布上看, 各海带养殖区海水中营养盐的差异与该海区的养殖模式和洋流调节有关。夏季海带收获后, 海水中浮游植物集中繁殖, 造成了营养盐的大量消耗[24], 各养殖区海水中营养盐浓度呈现不同情况。鑫城山海带养殖区内海水中PO4-P浓度随离岸距离的增加而降低, 受人类生产生活影响较大; 寻山海带养殖区高区靠近近海非养殖海区, 海水交换能力优于低区和中区, PO4-P浓度相对较高; 泉海海带养殖区位于桑沟湾湾口南侧, 湾内构建的多营养层次综合养殖模式使海水始终维持了较低营养盐水平[21, 25]。秋季, 海水交换能力增强, 渤海南部沿岸流对荣成海域的影响加强[26], 使各海带养殖区间营养盐浓度差异并不显著。海带的海上养殖自11月中下旬挂苗至次年5、6月收获[27], 期间随着海带的生长, 海水的交换能力逐渐减弱, 冬季来自外海海流的营养物质不能深入养殖区内部, 各养殖区内营养盐均表现为距岸越远, 浓度越高。春季, 泉海海带养殖区海水中DIN浓度显著高于鑫城山海带养殖区和寻山海带养殖区, 这可能与桑沟湾贝类养殖过程中饵料的投放有关[28]。
3.2 营养盐结构分析海带生长、发育过程需要多种元素共同参与, 其中碳构成了其基本结构, 氮、磷两种元素则在细胞发育、光合作用等过程中发挥着重要作用。在某些情况下, 磷可能会对海带生长产生一定的影响, 然而, 氮是其生长过程中最主要的限制的因素之一[16, 29]。从养殖区海水中营养盐的监测结果看, 在海带生长周期内, 营养盐浓度基本满足海带的生长需要。从海水潜在性富营养化等级看, 鑫城山海带养殖区和寻山海带养殖区在春、夏、秋3季海水营养水平较低, 水质较好; 而冬季海水存在潜在性富营养化, 此现象可能与季节变化导致的养殖区内水生生物的习性有关, 冬季水温低, 海带及浮游生物对营养盐的需求有所降低[30-32]。桑沟湾泉海海带养殖区内海水营养水平始终保持在较低水平, 主要限制因素以春、夏季磷限制为主, 这与桑沟湾内实行的多营养层次的综合养殖模式有关, 在促进养殖生产, 提高生产效能的同时, 又保障了区域的生态环境和水产养殖业的可持续发展[25]。
4 结论本研究对荣成3个海带养殖区海水中营养盐进行了春、夏、秋、冬4个季节的调查, 调查结果显示, 仅鑫城山养殖区高区在冬季水质超过海水水质二类标准, 其余所有站位海水中无机氮、无机磷浓度均符合海水水质二类标准。从监测区域营养状况看, 除冬季个别站位存在潜在性富营养化外, 春、夏、秋3个季节中监测区域海水营养盐结构均为贫营养级。营养结构分析表明, 仅泉海养殖区在夏季出现了海水磷限制, 其余养殖区均未出现营养盐限制。
海带养殖区海水营养盐含量变化情况与海带生长周期密切相关, 随季节发生变化。海水中DIN水平冬季最高, 秋季次之, 春夏季最低; PO4-P和SiO3-Si变化情况基本一致, 从高到低依次为秋季、冬季、春季、夏季。从水平分布上看, 各海带养殖区营养盐水平与养殖结构和外界海水交换有关, 秋季各养殖区营养盐水平基本一致, 其余季节各站位由于海区养殖结构的不同呈现不同的营养盐水平。
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