劉偉,丁君,李潤玲,常亞青
(1.大連海洋大學 農業(yè)部北方海水增養(yǎng)殖重點實驗室,遼寧 大連116023;2.大連理工大學 國家近海和沿岸工程重點實驗室,遼寧大連116024)
2010年中國遭遇了近30年來最嚴重的海冰災害,直接經濟損失高達63.18億元,海水養(yǎng)殖業(yè)的經濟損失占總損失量的95.7%,受損面積達20.8萬hm2[1]。海水養(yǎng)殖區(qū)結冰后環(huán)境因子的變化已引起了廣泛的關注,但對此方面的研究卻較少。目前,國內外對海冰的研究主要集中在海冰特征與海冰動力學[2-4]、冰期營養(yǎng)鹽變化規(guī)律[5-6]和極地地區(qū)海冰特點等方面[7-9],僅見于金海等[10]對刺參養(yǎng)殖池塘環(huán)境因子的周年變化,以及周波等[11]對遼寧省部分越冬養(yǎng)殖池塘的水溫、透明度等進行了調查研究。本研究中,作者于2012年1—2月從結冰期到盛冰期監(jiān)測了黃、渤海沿岸4 口養(yǎng)殖池塘的冰層厚度和冰下水環(huán)境因子的變化,探討結冰期水環(huán)境變化對池塘內養(yǎng)殖生物的影響,旨在了解中國黃、渤海沿岸地區(qū)冬季養(yǎng)殖池塘的環(huán)境生態(tài)狀況,提高養(yǎng)殖水平,并為海冰災害損失評估提供參考。
選擇位于黃海北部、渤海灣沿岸4 處具有代表性的養(yǎng)殖池塘進行監(jiān)測,取樣池塘的基本情況如表1所示。每個池塘分別設進水口、中央和出水口3個采樣點,各采樣點的取樣深度如表2所示,4 個監(jiān)測池塘中,3 #池塘水最深,最深處為448 cm,1#和4#池塘較淺,最淺處分別為106、93 cm。監(jiān)測期間僅3#池塘閘門開約15 cm,與海水交換,其他各塘均無水交換。
養(yǎng)殖池塘的冰期一般從每年12月底至翌年的3月初結束,于2012年1—2月結冰期和盛冰期,采用現(xiàn)場測量法各采樣一次,經冰層鉆眼測定各池塘的冰層厚度以及進水口、中央和出水口冰下不同水層的水溫、鹽度、pH、溶氧(DO)飽和度。用卡尺測量冰層厚度(以下簡稱冰厚),用量繩測量池塘水深,將冰下水體平均分成7 個深度梯度,靠近冰面為第1 層,池塘底部為第7 層。使用RCY鉑電阻數(shù)字測溫儀(北京海納興業(yè)科技公司)測量水溫,使用SYA2-2 型鹽度計(國家海洋技術中心)測量鹽度,使用HI98186 型高精度防水便攜式溶氧測定儀和HI98183 型高精度防水便攜式pH測定儀(HANNA 公司)測量DO和pH。
表1 監(jiān)測養(yǎng)殖池塘的基本情況Tab.1 General parameters in the experimental ponds
表2 結冰期和盛冰期各池塘3 個取樣點的水深Tab.2 The depth of each sampling points in icing and heavily iced ponds
從圖1可見:各池塘結冰期的冰層均較盛冰期薄,結冰期和盛冰期,位于高緯度的1#池塘氣溫最低,分別為-14、-17 ℃,冰層最厚,分別為33.6、53.0 cm;位于低緯度的3#池塘氣溫分別為-8、-10 ℃,冰層最薄,分別為12.4、17.6 cm;2#池塘氣溫分別為-11、-14 ℃,4#池塘氣溫分別為-10 、-12 ℃,這兩個池塘的冰層厚度相差不大,可能與4#池塘有淡水注入、鹽度較低有關。3#池塘冰層較薄不僅與緯度和氣溫有關,還與池塘水較深、有水體交換有關。
圖1 結冰期和盛冰期各池塘3 個采樣點冰層厚度的變化Fig.1 The changes in ice thickness at three sampling points during iced period and heavily iced periods
從圖2可見:各池塘盛冰期冰下水溫高于結冰期,變化幅度也大于結冰期,冰下水溫自表層到底層遞增。結冰期,最高水溫出現(xiàn)在4#池塘,冰下最高水溫為-0.8 ℃,最低水溫出現(xiàn)在1#池塘,冰下最低水溫為-1.8 ℃;結冰期,1#、2#、4#池塘冰下水溫變化較小,平均變幅為0.1 ℃,3#池塘底層水溫變化幅度較大,平均變幅為0.3 ℃。盛冰期,最高水溫出現(xiàn)在4#池塘,冰下最高水溫為2.3℃,最低水溫出現(xiàn)在1#池塘,冰下最低水溫為-1.9 ℃;盛冰期,各養(yǎng)殖池塘均出現(xiàn)溫躍層,但溫躍層的位置不同,1#池塘的溫躍層在30 ~40 cm 處,2#、4#池塘的溫躍層在30 ~45 cm 處,3#池塘的溫躍層在301 ~358 cm 處,3#池塘變化幅度最大,平均變幅為1.1 ℃,1#池塘變化幅度最小,平均變幅為0.4 ℃。
盛冰期各池塘內均形成了溫躍層,這與已報道的養(yǎng)殖池塘冰下海水出現(xiàn)溫躍層的研究結果[12]相吻合。3#池塘溫躍層出現(xiàn)在較深處,與其他池塘出現(xiàn)在中間層有所不同,且3#池塘在結冰期和盛冰期冰下水溫的變化幅度較大,底層水溫較其他池塘也高,這與3#池塘水較深且與海水有交換有關。各養(yǎng)殖池塘冰下水溫不同,這可能與養(yǎng)殖池塘所處地理位置、氣溫、水體交換量和池塘深度有關。
菲律賓蛤仔為廣溫性生物,-3 ℃時21 d 死亡率僅為10%[13]。整個冬季1#池塘底層水溫均在-2 ℃以上,發(fā)現(xiàn)菲律賓蛤仔僅個別死亡,可以推測低溫不會影響蛤仔的生存。刺參生長的適宜水溫為15 ~23 ℃,水溫降至0 ℃時會出現(xiàn)表皮潰爛[14-15]。結冰期,3 個刺參養(yǎng)殖池塘中底層水溫均低于-1.0 ℃,這可能會不同程度地影響刺參的生長。
圖2 結冰期和盛冰期各池塘3 個采樣點水溫隨水層的變化Fig.2 The changes in water temperature with the water layer at three sampling points during iced period and heavily iced periods
從圖3可見:盛冰期各池塘水體的鹽度與變化幅度均高于結冰期;從結冰期到盛冰期,1#池塘水體的鹽度變化幅度最大,平均變幅為4.5 個單位,3#池塘水體的鹽度變化最小,變化幅度僅為0.5 個單位;結冰期和盛冰期,4#池塘水體的鹽度均低于其他池塘;結冰期,2#池塘水體的鹽度最高,為30.9~31.5,4#池塘水體的鹽度最低,為26.4 ~26.8;盛冰期,1#池塘水體的鹽度最高,為33.5 ~34.9,4#池塘水體的鹽度最低,為28.4 ~30.0。
有研究表明,海水的鹽度隨著海水溫度的增加而降低[16-17]。但本研究顯示,養(yǎng)殖池塘中鹽度并沒有隨溫度的增加而降低,這可能與養(yǎng)殖水體較小、結冰后水體鹽度變化不大有關。4#池塘的鹽度較其他池塘低,鹽度平均值為28.1,這是因為4#養(yǎng)殖區(qū)位于河口處,受入海淡水的影響較大;1#池塘結冰期和盛冰期鹽度變化幅度較大,可能與結冰后鹽度的析出有一定關系;而3#池塘中鹽度變化較小,這可能與冰較薄、水較深有關。
菲律賓蛤仔生長適宜鹽度為19.0 ~26.0[13]。1#池塘中鹽度一直高于29.3,池塘中有少量蛤仔死亡,推測冬季海水鹽度的變化會影響菲律賓蛤的生長。刺參生長最適鹽度為27.0 ~31.5[18],當鹽度低于28.0 時會影響刺參生長[19]。4#池塘中雖未發(fā)現(xiàn)刺參大量死亡,但可能會減緩刺參的生長。
從圖4可見:結冰期和盛冰期各池塘pH 的變化相差較大,2#和3#池塘結冰期的pH 值高于盛冰期,但1#和4#池塘各采樣點的pH 變化不一致;從結冰期到盛冰期,3#池塘的pH 變化幅度最大,平均變化0.2 個單位,4#池塘變化幅度最小,平均變化0.1 個單位;結冰期,1#池塘pH 最高,為7.7 ~8.6,4#池塘pH 最低,為7.2 ~7.8;盛冰期,1#池塘pH 最高,為7.4 ~8.4,4#池塘pH 最低,為7.5 ~7.8。
影響海水 pH 變化的因素較為復雜,Gieskeks[20]的研究表明,海水的pH 值隨著溫度的升高而呈線性降低,但本次監(jiān)測結果均沒顯示出此規(guī)律。于金海等[10]報道了冬季刺參養(yǎng)殖池塘中會出現(xiàn)pH 躍層,但本次監(jiān)測顯示,養(yǎng)殖池塘中pH雖然存在變化,但并沒有出現(xiàn)躍層式變化。養(yǎng)殖池塘內pH 的變化受多種因素調控,養(yǎng)殖池塘水體小、缺乏水體交換、養(yǎng)殖生物代謝等均會造成pH變化[21-22]。結冰初期,浮游動、植物受溫度和冰面透光率的影響,養(yǎng)殖池塘中CO2的含量會有所積累,養(yǎng)殖池塘中pH可能出現(xiàn)降低,隨著冬季養(yǎng)殖池塘耐寒優(yōu)勢藻類的生長,光合作用增強,pH升高,但pH 變化受各養(yǎng)殖池塘中生物量和光合作用強度等影響[11]。3#池塘pH 的變化幅度較小且穩(wěn)定,與該池塘有水體交換有關。
適宜菲律賓蛤仔生長的pH 為4.0 ~9.5,適宜刺參生長的pH 為6.0 ~9.0[13-14]。1 個菲律賓蛤仔養(yǎng)殖池塘和3 個刺參養(yǎng)殖池塘在結冰期和盛冰期均在適宜的pH 范圍內,不會對蛤仔和刺參生長造成不利影響。
圖3 結冰期和盛冰期各池塘3 個采樣點鹽度隨水層的變化Fig.3 The changes in salinity with the water layer at three sampling points during iced period and heavily iced periods
圖4 結冰期和盛冰期各池塘3 個采樣點pH 隨水層的變化Fig.4 The changes in pH with the water layer at three sampling points during iced period and heavily iced periods
從圖5可見:各池塘中DO 水平的變化相差較大,但結冰期和盛冰期各養(yǎng)殖池塘中DO 水平都處于近飽和或過飽和狀態(tài);3#池塘從結冰期到盛冰期DO 水平的變化幅度較小,平均變幅為1.1 mg/L,3#池塘DO 水平在同一時期較其他池塘略低。結冰期,1#池塘DO 水平最高,為13.0 ~21.9 mg/L,3#池塘DO 水平最低,為9.7 ~14.0 mg/L;3#池塘DO 水平變化幅度最小,平均變幅為0.4 mg/L;1#、2#和4#池塘進水口1 ~2 層DO 水平隨溫度的升高而降低,其他各層無明顯變化規(guī)律。盛冰期,1#池塘DO 水平最高,為11.2 ~21.2 mg/L,3#池塘DO 水平最低,為11.4 ~14.1 mg/L;2#池塘DO 水平變化幅度最小,平均變幅為0.5 mg/L。結冰期和盛冰期冰層較厚的1#池塘的DO 水平高于其他池塘,可能是因為冰層厚度能抑制氧氣向空氣中溢出的速度;3#池塘的表層DO 水平低于底層,這可能與其冰較薄且有水體交換有關。冬季各池塘DO 水平處于較高水平與已有報道的結果相吻合[10,18,23]。
圖5 結冰期和盛冰期各池塘3 個采樣點DO 隨水層的變化Fig.5 The changes in DO levels with the water layer at three sampling points during iced period and heavily iced periods
影響水中DO 水平的因素較多,如溫度、pH、生物呼吸作用等。有研究發(fā)現(xiàn),水體中的DO 與溫度呈負相關[12],且隨著水深的增加,飽和率下降[23]。本次監(jiān)測結果顯示,3#池塘水較深,其DO水平低于水深較淺的池塘,但其他養(yǎng)殖池塘中DO水平的變化受溫度和水深的影響不明顯,這可能與處于封閉狀態(tài)的池塘光照較弱、浮游生物的種類、數(shù)量及其代謝活動不強有關。3#池塘DO 水平處于近飽和狀態(tài),同一時期的DO 水平較其他養(yǎng)殖池塘略低,但并沒有出現(xiàn)劇烈的變化且能滿足海洋經濟生物生長的要求,這與3#池塘水體較深且有水體交換有關。
各養(yǎng)殖池塘在結冰期和盛冰期的DO 水平一直處于近飽和或過飽和狀態(tài),但均不會對菲律賓蛤仔和刺參的生長造成不利影響。
(1)養(yǎng)殖池塘水體與外界水體的交換對冰層厚度有一定影響。結冰期和盛冰期的冰下水溫變化不一致,盛冰期養(yǎng)殖池塘中會出現(xiàn)溫躍層,不同養(yǎng)殖池塘溫躍層出現(xiàn)的位置和幅度不一致。冰層較厚的池塘從結冰期到盛冰期鹽度變化幅度較大。各池塘pH 變化相差較大。各池塘中DO 水平呈近飽和或過飽和狀態(tài),且受溫度的影響不大。養(yǎng)殖池塘的環(huán)境因子是相互影響和作用的,如果將養(yǎng)殖池塘加深并有少量水體交換,可使池塘中水環(huán)境相對穩(wěn)定,有利于海水養(yǎng)殖生物健康生長。
(2)各養(yǎng)殖池塘溫度變化可能對刺參生長和存活產生一定影響;鹽度變化可能對菲律賓蛤仔的存活產生影響,但不影響刺參的存活;pH和DO的變化均未影響菲律賓蛤仔和刺參的存活。
(3)冬季如有大面積的海冰發(fā)生時,可降低水體交換的頻率,建議每周進行1 ~2次換水,換水量約為總量的1/4。新建養(yǎng)殖池塘的選址應選擇在環(huán)境因子變化幅度較小的位置,養(yǎng)殖池塘的深度可適當增加,以350 ~400 cm 為宜。
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