東營河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測及評價

李翠翠，王 璠，宋志珍，周 紅，谷 晶，王 華，楊國軍，霍忠明，閆喜武

(大連海洋大學水產(chǎn)與生命學院，遼寧省貝類良種繁育工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116201)

東營河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)位于渤海灣南岸黃河三角洲近岸海域，是我國主要的灘涂貝類生產(chǎn)區(qū)。但是，隨著區(qū)域經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化的發(fā)展，近岸海域水質(zhì)出現(xiàn)富營養(yǎng)化[1]。2009年東營河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)被劃定為東營市河口淺海貝類生態(tài)國家級海洋特別保護區(qū)的“環(huán)境整治區(qū)”，采取多種綜合治理措施進行海域生態(tài)環(huán)境保護和修復。目前，有關(guān)渤海海域水環(huán)境的研究包括渤海海域營養(yǎng)鹽時空分布[2-3]、水體富營養(yǎng)評價[4]、營養(yǎng)鹽變化及發(fā)展趨勢分析[5-6]等，研究熱點區(qū)域包括萊州灣[7]、遼東灣[8]及黃河口海域[9]?！?020年中國海洋生態(tài)環(huán)境狀況公報》指出，我國近岸海域主要超標物質(zhì)為無機氮(DIN)和磷酸鹽(PO4-P)，其中遼東灣和黃河口近岸海域出現(xiàn)劣四類海水。為此，有必要對東營河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)的水質(zhì)進行監(jiān)測與評價。

本研究在2020—2021年對東營河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)海域進行了4個航次的調(diào)查，對海水水溫、pH、鹽度、溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)、氨態(tài)氮(NH3-N)、亞硝酸態(tài)氮(NO2-N)、硝酸態(tài)氮(NO3-N)和無機磷(DIP)進行監(jiān)測，并采用內(nèi)梅羅環(huán)境質(zhì)量綜合評價指數(shù)(P)、營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(E)以及有機污染評價指數(shù)(A)對其水環(huán)境質(zhì)量狀況進行評價，旨在為該區(qū)的貝類養(yǎng)殖和環(huán)境保護提供基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 站位布設

如圖1所示，根據(jù)東營河口區(qū)附近的貝類養(yǎng)殖區(qū)的分布狀況，本次調(diào)查在灘涂和淺海區(qū)域各設置了3個平行調(diào)查站位。其中T1、T2和T3站點位于灘涂區(qū)(漲潮時水深1.0～1.5 m)；Q1、Q2和Q3站點位于淺海區(qū)(水深7～14 m)。

1.2 采樣與檢測方法

本研究分別于2020年12月和2021年3月、6月、10月進行了4個航次的調(diào)查，均在大潮日的高潮時進行采樣。每批次樣品的采集均在同一個高潮時內(nèi)完成。利用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(YSI)對水溫、pH和DO進行了現(xiàn)場測定。另取水樣低溫冷藏帶回實驗室，按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》方法對水樣的鹽度、NO3-N、NO2-N、NH3-N、DIP和COD等理化指標進行測定與分析。每個水樣均重復測定3次，取其平均值進行比較分析和數(shù)理統(tǒng)計。

1.3 評價方法

1.3.1 水質(zhì)綜合評價

采用單因子評價指數(shù)法、內(nèi)梅羅環(huán)境質(zhì)量綜合評價指數(shù)法對河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)狀況進行分析評價，計算公式如下所示：

(1)

(2)

式(1)為單因子評價指數(shù)計算公式，其中：Pi為某污染因子的污染指數(shù)；Ci為第i項污染物的監(jiān)測值；Si為第i項污染物海水水質(zhì)二類標準評價值；評價指數(shù)Pi>1，表明該水質(zhì)參數(shù)超過了規(guī)定的水質(zhì)標準，已經(jīng)不能滿足使用功能的要求。式(2)為內(nèi)梅羅環(huán)境綜合指數(shù)計算公式，P為內(nèi)梅羅綜合指數(shù)；Pmax為所測污染指標中最大的污染指數(shù)值。

如表1所示，根據(jù)內(nèi)梅羅環(huán)境質(zhì)量綜合評價指數(shù)(Nemero environmental composite quality index，P)評價標準對養(yǎng)殖區(qū)的水質(zhì)進行綜合的分析和評價。

表1 貝類養(yǎng)殖環(huán)境質(zhì)量分級標準[10]Tab.1 Environmental quality grading criteria for shellfish culture [10]

1.3.2 營養(yǎng)水平評價

營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(Trophic state index，E)[11]是目前常用于我國近岸海域富營養(yǎng)化評價的方法之一，該方法以海域環(huán)境狀況為依據(jù)，計算公式如下：

E=(COD×DIN×DIP×106)/4 500

(3)

式(3)中：COD、DIN和DIP分別為水樣中化學需氧量、無機三氮(NH3-N、NO2-N、NO3-N)和無機磷的實測濃度(mg/L)。營養(yǎng)指數(shù)(E)≥1表示水體呈富營養(yǎng)化狀態(tài)，E<1則表示水質(zhì)正常。

1.3.3 有機污染評價

有機污染評價指數(shù)法(Organic pollution assessment index，A)根據(jù)DO、COD、DIN和DIP等4項指標的污染指數(shù)來判斷水質(zhì)狀況，綜合考慮了海水的有機污染和無機污染指標，因此其能綜合反映海水水質(zhì)的整體狀況[12]。計算公式如下：

(4)

式(4)中，COD、DIN和DIP分別為水體中各自的實測數(shù)據(jù)，CODB、DINB和DIPB分別為水體中COD、DIN和DIP的評價標準。根據(jù)A值將海水污染水平分為6級：A<0為水質(zhì)良好；0≤A<1為水質(zhì)較好；1≤A<2為開始受到污染；2≤A<3為輕度污染；3≤A<4為中度污染；A≥4為嚴重污染。

2 水質(zhì)監(jiān)測與評價

2.1 河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)的季節(jié)變化

2.1.1 環(huán)境因子的季節(jié)變化

河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)海水的溫度、鹽度、pH、DO和COD的變化如表2所示。養(yǎng)殖區(qū)海域表層海水平均水溫隨著季節(jié)的變化而變化，變化范圍為1.40～27.90℃；鹽度呈明顯的季節(jié)性變化但差距不大，6月和12月的鹽度相對較高，3月和10月的鹽度較低，變化范圍為25.00～35.50；pH基本隨水溫的升高而降低，在一定范圍內(nèi)波動，pH變化范圍為7.46～8.68，波動范圍不明顯。本次調(diào)查測得河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)的DO為5.33～13.54 mg/L，其中10月DO值最高，6月最低。COD為0.56～2.49 mg/L，在12月、3月以及6月3個調(diào)查航次中表現(xiàn)為濃度較低且變化平穩(wěn)，而在10月驟然升高。

2.1.2 營養(yǎng)鹽的季節(jié)變化

東營河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)主要營養(yǎng)鹽監(jiān)測結(jié)果見表3，增養(yǎng)殖區(qū)DIN及其組分NH3-N、NO2-N和NO3-N的濃度分別為0.006～0.726、0.003～0.139、0.001～0.163、0.002～2.490 mg/L。增養(yǎng)殖區(qū)NH3-N的濃度為0.003～0.139 mg/L，表現(xiàn)為10月最高、其他月份濃度相近的特征。本次調(diào)查NO2-N的濃度范圍為 0.001～0.163 mg/L，表現(xiàn)為10月最高、6月次之、3月和6月最低的季節(jié)特征。NO3-N 和 DIN 濃度表現(xiàn)為10月最高、12月和3月次之、6月最低的季節(jié)特征。增養(yǎng)殖區(qū)DIP濃度在4次調(diào)查中均處于較低水平，濃度為0.001～0.010 mg/L。從平均濃度看，增養(yǎng)殖區(qū)的DIP符合海水一類標準，同時，增養(yǎng)殖區(qū)的NH3-N和DIN在12月、3月以及6月的濃度均符合海水一類標準，但在10月二者均出現(xiàn)超標現(xiàn)象。

表3 東營河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)主要營養(yǎng)鹽的變化Tab.3 Change of main nutrient salt in shellfish culturing areas of Dongying River estuary

2.2 水質(zhì)綜合評價

2.2.1 水質(zhì)綜合評價

河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)中各評價因子污染指數(shù)和海水質(zhì)量指數(shù)如表4所示。在河口貝類養(yǎng)殖海域中，pH、DO、COD和DIP的評價指數(shù)Pi均小于1，均符合海水水質(zhì)二類標準，但灘涂區(qū)在10月的DIN評價指數(shù)為1.16，超出海水水質(zhì)二類標準，說明灘涂區(qū)在10月時受到了DIN的污染。淺海區(qū)在12月、3月、6月、10月等4次調(diào)查月份中的海水質(zhì)量等級均為1～2 級，總體處于較好水平；而灘涂區(qū)在10月的海水質(zhì)量等級為3級，水質(zhì)一般，其他調(diào)查月份為1～2級，處于較清潔或清潔狀態(tài)。整體來看，河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)海域海水質(zhì)量良好，個別月份出現(xiàn)DIN污染現(xiàn)象，但均符合海水水質(zhì)標準一類區(qū)或二類區(qū)貝類養(yǎng)殖環(huán)境的要求。

表4 東營河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)海水質(zhì)量綜合評價Tab.4 Comprehensive evaluation of seawater quality in shellfish enrichment areas of Dongying River estuary

2.2.2 水體營養(yǎng)水平與有機污染評價

河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)海域灘涂區(qū)和淺海區(qū)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(E)和有機污染評價指數(shù)(A)如表5所示。養(yǎng)殖海域各站位在4個調(diào)查航次的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(E)均小于1，均未達到富營養(yǎng)化狀態(tài)，其中灘涂區(qū)T1站位在10月的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(E)接近于1，有富營養(yǎng)化趨勢。因此，在10月時應注意對灘涂區(qū)養(yǎng)殖貝類的保護。從有機污染評價指數(shù)(A)來看，河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)海域在12月與3月時水體環(huán)境水質(zhì)評價良好；養(yǎng)殖海域的淺海區(qū)站位Q1、Q2以及灘涂區(qū)的T1、T2、T3在6月與10月時的有機污染指數(shù)(A)均介于0～1之間，水質(zhì)環(huán)境為較好，其余則為良好。

表5 東營河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(E)和有機污染評價指數(shù)(A)Tab.5 Trophic state index (E)and organic pollution assessment index (A)in shellfish enrichment areas of Dongying River estuary

3 討論

3.1 環(huán)境因子的季節(jié)變化分析

東營河口及近海潮間帶灘涂是埋棲性貝類的主要棲息場所，本次調(diào)查的養(yǎng)殖區(qū)位于東營的馬新河入?？谔?，養(yǎng)殖區(qū)主要出產(chǎn)文蛤和四角蛤蜊等經(jīng)濟貝類。其中，文蛤?qū)購V溫和廣鹽性灘涂埋棲性雙殼貝類，研究表明文蛤稚貝生長的溫度和鹽度范圍分別為7.0～35.4℃、7.3～38.7[13]，同時在低溫-5.5℃下文蛤仍可正常存活。本次調(diào)查監(jiān)測到養(yǎng)殖區(qū)6個站位水體水溫和鹽度的變化分別是1.40～27.90℃、25.00～35.50，均在文蛤生長適宜范圍內(nèi)。此外，楊杰青等[14]發(fā)現(xiàn)文蛤最適生長的pH為7.7～8.7。本研究結(jié)果表明河口養(yǎng)殖區(qū)的pH(7.93～8.48)較為穩(wěn)定，且在養(yǎng)殖貝類適宜生長范圍之內(nèi)。海水pH變化與海水中無機碳平衡體系密切相關(guān)，而該平衡與溫度、鹽度、壓力、無機碳平衡體系各組分含量變化密切相關(guān)。當溫度升高時，由于電離常數(shù)增大，導致海水pH降低；同時，當降水及地表徑流流入導致海水鹽度下降時，離子強度變小，海水中碳酸的表觀電離常數(shù)變小，導致海水的pH下降。因此，監(jiān)測區(qū)夏季pH降低的原因，可能是受季節(jié)和水溫的影響，其次是受降水量和黃河徑流量等因素的影響[15]。DO是水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中影響?zhàn)B殖生物存活和生長的關(guān)鍵環(huán)境因子，本次調(diào)查測得河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)的DO變化趨勢與前人報道的大遼河口的變化趨勢一致[16]。本次調(diào)查養(yǎng)殖區(qū)的COD隨季節(jié)變化趨勢與2010年調(diào)查結(jié)果相似，但測定的COD值相比2010年明顯降低。COD是傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測中反映海水有機質(zhì)的重要參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)COD與DIN有顯著正相關(guān)關(guān)系，過高的COD易使海水出現(xiàn)富營養(yǎng)化，從而引發(fā)赤潮，最終對養(yǎng)殖對象產(chǎn)生危害[17]。根據(jù)海水水質(zhì)二類標準，養(yǎng)殖水體的DO應在5.0 mg/L以上，COD小于3.00 mg/L。本研究海域DO濃度均在海水養(yǎng)殖安全范圍之內(nèi)，而COD濃度除10月灘涂區(qū)的監(jiān)測點外，其他站位的COD濃度均符合水質(zhì)標準。因此，應注意養(yǎng)殖區(qū)秋季海水的有機污染狀況以及COD濃度變化，特別是近海灘涂區(qū)。同時，研究發(fā)現(xiàn)COD與赤潮浮游植物濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系[18]，因此在COD濃度升高時，養(yǎng)殖區(qū)需加強對海水中浮游植物的跟蹤監(jiān)測。

3.2 營養(yǎng)鹽的季節(jié)變化分析

營養(yǎng)鹽是浮游植物生長繁殖的營養(yǎng)因子，而浮游植物又是多種貝類的餌料來源。因此，海洋中營養(yǎng)鹽的濃度與分布會間接影響貝類的生長與繁殖，適量的營養(yǎng)鹽可以促進浮游植物的生長，同時也為貝類提供充足的餌料，而過量的營養(yǎng)鹽可能導致赤潮發(fā)生[19]。本次調(diào)查養(yǎng)殖區(qū)NH3-N的濃度變化特征與2010年相比略有不同，這可能與當?shù)亟涤炅俊⒑Ｓ颦h(huán)流速度、浮游動物的排泄、有機物分解，以及氮元素的氨化及硝化作用的程度等因素有關(guān)[20-21]。由于NO2-N是氮元素氧化還原的中間價態(tài)，NO2-N濃度變化可能與海水溫度有關(guān)，適宜水溫使細菌生命活動較為活躍，也會導致氮元素硝化作用和反硝化作用增強。同時，海水中NH3-N和NO2-N濃度過高會對各種海洋生物產(chǎn)生毒害作用[22]。研究證明，NH3-N≤0.15 mg/L[23]、NO2-N≤0.1 mg/L不會對貝類造成毒害作用[24]。相關(guān)研究表明，過量的氮輸入會導致水體酸化、生態(tài)系統(tǒng)富營養(yǎng)化以及產(chǎn)生毒性等副作用，危害水生生物的生長繁殖，對養(yǎng)殖產(chǎn)生不利的影響[25-26]。2010年姜歡歡[27]對渤海近岸的7個貝類增殖區(qū)進行了水質(zhì)監(jiān)測與評價分析，發(fā)現(xiàn)該養(yǎng)殖區(qū)域水體富營養(yǎng)化，其中DIN和PO4-P濃度超標；劉瀾鼎等[28]于2017—2019年對煙臺養(yǎng)馬島貝類養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)進行了監(jiān)測分析，結(jié)果顯示養(yǎng)殖區(qū)水體營養(yǎng)鹽含量符合國家養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)標準，但海域水質(zhì)處于氮限制的貧營養(yǎng)化水平；何榮等[29]于2014年對渤海西部海域的天津漢沽貝類增養(yǎng)殖區(qū)的環(huán)境進行了監(jiān)測與綜合評價，研究顯示養(yǎng)殖區(qū)營養(yǎng)鹽超標，水體嚴重富營養(yǎng)化；姜磊[30]于2015—2018年對黃河三角洲近岸海域海水生態(tài)環(huán)境進行了連續(xù)4年的跟蹤調(diào)查，并分析了變化趨勢，研究結(jié)果表明DIN、COD和PO4-P是黃河三角洲近岸海域水質(zhì)主要污染物，DIN和PO4-P濃度整體均呈上升趨勢。研究表明，當DIN和DIP分別低于0.080、0.018 mg/L時，會影響浮游植物的生長[31]，若養(yǎng)殖區(qū)海水中DIP濃度相對偏低，其可能成為該區(qū)域浮游植物生長繁殖的限制因子，使得浮游植物對磷濃度變化比較敏感。因此，一旦大量排污和大量徑流輸入等，將導致磷濃度增加，可能會促使養(yǎng)殖區(qū)浮游植物大量繁殖生長，甚至引發(fā)赤潮[32]。總體來說，河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)氮磷平均濃度基本上雖處于安全濃度范圍內(nèi)，但養(yǎng)殖區(qū)秋季的NH3-N和NO2-N以及DIN濃度均超出海水水質(zhì)二類標準，同時該養(yǎng)殖區(qū)海域DIP一直處于低濃度狀態(tài)，可能會限制浮游植物的正常生長，對貝類養(yǎng)殖區(qū)產(chǎn)生影響，因此應特別注意對秋季養(yǎng)殖區(qū)氮、磷濃度陸源輸入量的跟蹤監(jiān)測，防止其對貝類產(chǎn)生毒害作用，影響?zhàn)B殖容量和經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

1)東營河口貝類養(yǎng)殖區(qū)的DO、COD、DIN和DIP均符合養(yǎng)殖生物的海水水質(zhì)標準。

2)內(nèi)梅羅環(huán)境質(zhì)量綜合評價指數(shù)表明，河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)污染評價等級均為較清潔或清潔狀態(tài)，海水質(zhì)量良好，總體符合海水水質(zhì)標準一類區(qū)或二類區(qū)貝類養(yǎng)殖環(huán)境的要求。

3)富營養(yǎng)化指數(shù)評價和有機污染指數(shù)評價分析表明，東營河口貝類增養(yǎng)殖區(qū)水域水質(zhì)整體處于良好狀態(tài)，且在海水養(yǎng)殖環(huán)境標準范圍內(nèi)，但應注意秋季養(yǎng)殖區(qū)DIN的輸入。