任黎華 , 張繼紅 牛亞麗 張義濤 , 李加琦 , 張明亮

(1. 中國水產(chǎn)科學研究院 黃海水產(chǎn)研究所 農(nóng)業(yè)部海洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用重點實驗室, 山東 青島 266071;2. 昆山市水產(chǎn)技術(shù)推廣站, 江蘇 昆山 215300; 3. 山東省海洋資源與環(huán)境研究院 山東省海洋生態(tài)修復重點實驗室, 山東 煙臺 264006)

近幾十年來, 隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖事業(yè)的迅速發(fā)展,其所帶來的環(huán)境影響也逐步受到人們的關(guān)注。以漁場對養(yǎng)殖區(qū)底質(zhì)的影響為例, 越來越多的科研人員對漁場養(yǎng)殖產(chǎn)生的有機廢物帶來的影響進行了相關(guān)研究, 如海水魚類養(yǎng)殖造成的污染的生物影響[1-3],有機物與營養(yǎng)物質(zhì)的富集[4]對初級生產(chǎn)力以及食物網(wǎng)的影響[5-8], 還有對水質(zhì)及底質(zhì)的影響[9-14]。大量的研究證據(jù)均表明, 集約化養(yǎng)殖的殘餌和糞便等養(yǎng)殖廢物, 均對養(yǎng)殖環(huán)境造成了影響。

與漁場養(yǎng)殖相比, 貝類養(yǎng)殖同樣存在著相似問題。多數(shù)的筏式養(yǎng)殖貝類雖然不需要人工投喂餌料,但其高密度養(yǎng)殖大大加速了海水水體中的有機物質(zhì)向海底輸送的速度[15-17]。濾食性貝類耦合了養(yǎng)殖海區(qū)水體與海底生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系[18-19], 大量的生物性沉積物(包括糞便和假糞)會對養(yǎng)殖區(qū)底質(zhì)產(chǎn)生影響。最近的研究主要集中在貽貝、牡蠣等主要養(yǎng)殖種類產(chǎn)生的環(huán)境影響[20-34], 其中, 包括沿繩養(yǎng)殖貽貝的生物沉積作用、貽貝生物沉積物的產(chǎn)生和擴散[20-23]、貽貝生物沉積物對周圍表層沉積物的影響[11,17,24-26]、貽貝生物沉積物對養(yǎng)殖區(qū)底部生物群落的影響[20,27-28]、牡蠣生物沉積作用的年際變化[29]; 牡蠣生物沉積物對泥灘沉積物與生態(tài)的影響[30-32]、牡蠣生物沉積物對養(yǎng)殖區(qū)沉積物有機物的富集作用[33]以及牡蠣生物沉積物的環(huán)境干擾[34]等。在這些研究結(jié)果中, 有些表示未檢查到貝類生物沉積物的相關(guān)影響[26,28], 有些報道認為貝類生物沉積物產(chǎn)生的影響還很小[24,35],多數(shù)則認為貝類的生物沉積物對養(yǎng)殖區(qū)的生態(tài)環(huán)境帶來的顯著的影響。

穩(wěn)定同位素是近年來水域生態(tài)系統(tǒng)研究領(lǐng)域中重要的新興技術(shù)[36], 被認為是檢測海岸帶生態(tài)系統(tǒng)極為有效的工具[37], 在魚類養(yǎng)殖廢物對環(huán)境的影響中應用廣泛[38-41], 如Ye等[38]利用 δ13C對沉積物有機碳的來源進行了定量研究, 然而對貝類生物沉積物的定量研究, 還未見報道。

桑溝灣是中國北方典型的海水養(yǎng)殖海灣, 在該灣中有大量的筏式養(yǎng)殖水域, 長牡蠣是主要的養(yǎng)殖種類之一。在桑溝灣南岸及灣內(nèi)部分水域, 這些筏式養(yǎng)殖區(qū)多以長牡蠣養(yǎng)殖為主。作者在2013年4月選擇了 5個牡蠣養(yǎng)殖場進行養(yǎng)殖區(qū)沉積物的同位素分析, 藉此嘗試對桑溝灣筏式養(yǎng)殖長牡蠣生物沉積物對環(huán)境底質(zhì)影響進行量化研究。

1 材料和方法

1.1 研究時間與地點

樣品采集時間為2013年4月, 采樣地點位于中國山東榮成的桑溝灣 (37°01′～37°09′ N, 122°24′～122°35′ E)。桑溝灣是中國北方典型的海水養(yǎng)殖海灣,海灣面積約140 km2, 平均水深7 m, 主要的養(yǎng)殖方式為筏式養(yǎng)殖。在海灣中部與北部, 多為經(jīng)濟貝類與大型海藻的綜合養(yǎng)殖區(qū)域, 灣外為大型海藻的養(yǎng)殖筏架, 而灣內(nèi)與南岸完全為牡蠣養(yǎng)殖所占據(jù)。在桑溝灣牡蠣養(yǎng)殖區(qū)選擇了5個牡蠣養(yǎng)殖場, 分別為SG 2、SG 3、 SG 4、SG 5、SG 6 (圖 1)。此外, 還選擇了灣外沒有人工養(yǎng)殖的兩個點SG C和SG 1做為對照。SG 7為灣內(nèi)沒有人工養(yǎng)殖的海域, 距離SG 6較為接近, 作為灣內(nèi)的空白對照點。在樣品采集的同時, 通過YSI proplus便攜式多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀測定海區(qū)溫度、鹽度、pH等參數(shù)指標。采樣點水深通過采泥器絞繩上的刻度測定。

圖1 桑溝灣中各采樣點示意圖Fig.1 Map of sampling sites in Sungo Bay, China

1.2 樣品采集

實驗采集的樣品主要包括養(yǎng)殖長牡蠣生物沉積物樣品, 各采樣點底質(zhì)沉積物的樣品, SG 2 與SG 6點設(shè)置沉積物捕集器捕集懸浮顆粒物樣品。樣品的具體采集方式如下:

1.2.1 長牡蠣生物沉積物樣品

從SG 2與SG 6 點取得的養(yǎng)殖長牡蠣, 1 h內(nèi)運回岸上的實驗室, 小心清除其表面的泥沙及附著生物后, 暫養(yǎng)于沙濾過的海水中, 5 h后, 收集長牡蠣生物沉積物樣品。

1.2.2 底質(zhì)沉積物樣品

在各采樣點使用Van Veen抓斗式采泥器采集表層(0～3 cm)沉積物樣品。封存于聚乙烯封口袋后放置于冰盒中, 運回實驗室后–20℃冷凍保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.3 懸浮顆粒物樣品

于SG 2和SG 6點養(yǎng)殖筏架上懸掛實驗室設(shè)計的沉積物捕集器, 捕集器為內(nèi)徑11 cm, 高55 cm的聚乙烯塑料管, 3根管捆為一組, 互為重復。沉積物捕集器放置72 h后取回, 靜置2 h后棄去上清液, 收集到的懸浮顆粒物–20℃冷凍保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 樣品處理

所有的樣品均需在60℃下烘干48 h以上至恒質(zhì)量。使用瑪瑙研缽研磨成粉末。樣品在進行穩(wěn)定同位素分析前需進行酸化處理, 以每0.5 g樣品添加1 N 鹽酸5 mL的比例酸化4 h 以上以去除樣品中的無機碳。酸化中的樣品每小時要搖勻2次, 保證樣品與鹽酸充分接觸, 使反應完全。酸化結(jié)束后, 多余的鹽酸通過低速離心去除后, 再次烘干至恒質(zhì)量, 研磨成粉末待用。

穩(wěn)定碳氮同位素的測定采用 Isoprime穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀(DELTA V Advantage), 外接設(shè)備為Thermo Fisher Scientific, Inc., USA生產(chǎn)元素分析儀(Flash EA1112 HT), 穩(wěn)定同位素豐度按以下公式計算得出:

δ X(‰) = [(R樣品／R標準) –l]×103

其中, X為C或 N, R為13C/12C或15N/14N的相對比率, R標準值為國際標準物質(zhì) PDB的碳同位素比值或標準大氣氮同位素比值。實驗分析結(jié)果的相對誤差 δ13C 為± <0.1‰, δ15N 為± <0.2‰。有機碳氮含量在同位素分析同時得出。

根據(jù)分析所得的穩(wěn)定碳氮同位素數(shù)據(jù), 有機物的來源甄別采用線性混合模型[38,42]:

底質(zhì)貢獻率計算時, 有機物來源確定為 2項時,設(shè) z為 0, 即

其中M代表有機物受體, x、y、z分別代表對M產(chǎn)生有機物影響的來源, f代表各種來源對底質(zhì)有機物的貢獻比例。

2 結(jié)果

各采樣的點的水質(zhì)參數(shù)指標見表1。水溫從SG C到SG 7的升高, 可能與取樣點水深及取樣的先后順序有關(guān)。其中SG C與SG 1為非養(yǎng)殖區(qū)域, 位于桑溝灣灣口外側(cè), 水深約為20 m, 為灣內(nèi)養(yǎng)殖區(qū)的2倍以上, 可以認為其受灣內(nèi)養(yǎng)殖的影響較小。

經(jīng)穩(wěn)定同位素分析獲得各樣品的穩(wěn)定碳氮同位素豐度與元素分析儀分析獲得的有機碳氮含量在表2中列出。

表1 各采樣點水深與水質(zhì)參數(shù)Tab.1 Depth and water condition of each sampling site

表2 采集樣品的穩(wěn)定碳氮同位素豐度與有機碳氮含量Tab.2 δ13C and δ15N values and organic C and N contents of different kinds of samples

從碳氮穩(wěn)定同位素的測定結(jié)果可以看出, 實驗所選取的采樣點沉積物穩(wěn)定碳氮同位素豐度集中于δ13C–22.82‰ ～–21.62‰, δ15N 4.73‰ ～6.21‰。從 SG C與 SG 1 兩個對照點到各養(yǎng)殖點的碳氮同位素呈富集趨勢。兩采樣點SG 2與SG 6的牡蠣生物性沉積物的穩(wěn)定碳氮同位素值相近, 分別為 δ13C:–18.49‰±0.46‰與 –18.76‰±0.16‰; δ15N: 6.53‰±0.09‰與 6.40‰±0.02‰。牡蠣生物性沉積物的碳氮同位素值均高于懸浮顆粒物與采樣點的沉積物。

從沉積物的有機碳氮含量來看, SG 4采樣點有機碳氮含量均處于最高值, 分別為C: 0.92%±0.12%,N: 0.12%±0.04%。最低值出現(xiàn)在SG 7采樣點, 分別為C: 0.14%±0.02%, N: 0.03%±0.00%。而底質(zhì)沉積物的有機碳氮含量均低于懸浮顆粒物質(zhì)中的有機碳氮值。牡蠣生物沉積物的有機碳氮含量在SG 2與SG 6點較為接近, 約為懸浮顆粒物有機碳氮含量的3倍。

根據(jù)SG 2與SG 6樣品穩(wěn)定同位素的測定結(jié)果,分別以SG 1與SG 7的沉積物樣品測定值為對照, 通過穩(wěn)定同位素來源分析圖譜, 對 2個采樣點的有機物來源進行計算, 獲得的分析結(jié)果見圖2。

從圖2中可以看出, SG 2采樣點懸浮顆粒物的δ13C、δ15N值處于由對照SG 1點沉積物、SG 2點沉積物與長牡蠣生物性沉積物的 δ13C、δ15N值所組成的三角形內(nèi)?？梢哉J為他們是SG 2點的懸浮顆粒物有機物來源。通過線性混合模型進行計算, 結(jié)果表明:在SG 2點的懸浮物中, 長牡蠣生物性沉積物貢獻有機物占9.95%, 對照區(qū)沉積物與SG 2區(qū)沉積物貢獻分別為54.19%和35.86%。

圖 2 SG 2與SG 6采樣點沉積物中有機物來源穩(wěn)定碳氮同位素圖譜Fig.2 Dual isotope plots for sediments in SG 2 and SG 6

而在SG 6采樣點的有機物來源圖譜中, 對照點 SG 7沉積物的測定結(jié)果顯示其不能成為 SG 6點的對照區(qū)。且SG 6區(qū)海水懸浮顆粒物也偏出SG 6與SG 7點沉積物與該區(qū)牡蠣生物性沉積物組成的三角形。

根據(jù)線性模型, 以SG 2與SG 6兩個采樣點的長牡蠣生物性沉積物的穩(wěn)定碳同位素的平均值為影響源, 以SG C采樣點沉積物穩(wěn)定碳同位素為空白對照,對桑溝灣海區(qū)的各采樣點養(yǎng)殖長牡蠣生物性沉積物的影響進行估算, 有機物來源對底質(zhì)有機物的貢獻比例計為貢獻率, 結(jié)果見表3。

表3 長牡蠣生物性沉積物對各采樣點沉積物的貢獻率Tab.3 Contribution of biodeposits to sediments of each site

各采樣點的沉積物樣品中, 養(yǎng)殖長牡蠣的生物性沉積物所占得比例估算的結(jié)果為4.06%～28.64%。其中, SG 4點所占的比例最低, 為4.06%。SG 5點與養(yǎng)殖區(qū)外的 SG 1點水平相近, 分別為 8.11%與7.88%。最高值28.64%出現(xiàn)在SG 2點。各采樣點的數(shù)據(jù)計算得出的養(yǎng)殖長牡蠣生物性沉積物貢獻率為13.96% ± 8.62 %。

3 討論與結(jié)論

作為海岸帶系統(tǒng)重要的研究方法之一, 穩(wěn)定同位素在生態(tài)學研究中的應用逐步成熟并日益完善。Vizzini[37]等也通過分析養(yǎng)殖區(qū)域生產(chǎn)者與消費者的穩(wěn)定C、N同位素, 對陸基漁場產(chǎn)生的廢棄有機物的擴散情況進行了評估。Ye等[38]對鮭魚(Salmo salar)養(yǎng)殖場的有機物通過穩(wěn)定同位素δ13C進行了追蹤。在貝類的相關(guān)研究中, Jiang[43]等嘗試定量了不同養(yǎng)殖區(qū)域長牡蠣, 受養(yǎng)殖區(qū)魚類養(yǎng)殖殘餌與糞便影響的情況。這些研究均選擇了明確的有機物源, 在中國北方的海灣中, 大規(guī)模集約化養(yǎng)殖的貝類通過濾食海區(qū)的有機物而產(chǎn)生的大量生物性沉積物的影響與此前的研究存在較大的差異。作者針對中國北方典型海灣桑溝灣大規(guī)模長牡蠣養(yǎng)殖造成的環(huán)境影響進行了初步量化研究。

養(yǎng)殖區(qū)的養(yǎng)殖條件是選擇養(yǎng)殖種類的最重要限制因子之一。在桑溝灣中, 大量的長牡蠣養(yǎng)殖即是養(yǎng)殖條件限制的結(jié)果。漁民在保證收獲的前提下, 對養(yǎng)殖區(qū)進行合理有效的利用, 在靠近灣內(nèi)的區(qū)域, 水深均低于9 m(表1)。長牡蠣成為普遍的養(yǎng)殖對象。然而, 受養(yǎng)殖年限與外源輸入的影響, 各點的長牡蠣養(yǎng)殖生物性沉積物對環(huán)境底質(zhì)的影響也各有差異。以SG 4點為例, 通過δ13C計算得到的生物性沉積物所占得比例僅為最低的 4.06%(表 3)。而從有機C、N的含量來看是所有采樣點中的最高值(表 2)。這可能與該區(qū)域部分集中的魚類養(yǎng)殖網(wǎng)箱有關(guān)[44]。一方面, 養(yǎng)殖網(wǎng)箱減少了養(yǎng)殖區(qū)長牡蠣養(yǎng)殖筏架所占得比例; 另一方面, 魚類養(yǎng)殖產(chǎn)生的大量殘餌和糞便提高了該區(qū)的沉積物有機碳氮含量。

通過SG 2與SG 6兩個點的有機物來源同位素圖譜比較可以發(fā)現(xiàn)。SG 2點可以較好的體現(xiàn)出長牡蠣養(yǎng)殖區(qū)懸浮顆粒物的有機物組成結(jié)構(gòu), 與此前的相關(guān)研究結(jié)果一致[39,43]。而在SG 6點中則未能完成,以SG 7 作為對照點, 其沉積物δ13C和δ15N的值均高于SG 6點, 這說明靠近海岸的SG 7點受到其他因素的影響, 而這個因素有可能同時也影響到SG 6點的懸浮顆粒物。結(jié)合長牡蠣生物性沉積物對各采樣點沉積物的貢獻率的估算結(jié)果來看, SG 7點長牡蠣生物性沉積物貢獻率為 19.69%, 這可能與此處水深較淺, 水流平緩, 適宜懸浮物沉降有關(guān)[7,45-46]。

在大量生物性沉積物沉降速率的研究中, 魚類糞便與殘餌可擴散至400 m[45]; 水深8 m、平均流速5.5 cm/s的貽貝(Mytilus edulis L.)養(yǎng)殖區(qū), 生物沉積物的擴散范圍約為 7～24.4 m[21]; 桑溝灣皺紋盤鮑(Haliotis discus hannai)生物性沉積物約為74～134 m[47]。因此, 大范圍的有機物擴散給采樣點的生物沉積物覆蓋提供了可能。所以在設(shè)定的采樣點內(nèi), SG 1與SG 7兩個采樣點雖然沒有長牡蠣的養(yǎng)殖活動, 但是,就近的牡蠣養(yǎng)殖區(qū)排出的長牡蠣生物性沉積物, 也對這些區(qū)域產(chǎn)生了影響。

實驗通過穩(wěn)定同位素方法量化桑溝灣養(yǎng)殖長牡蠣生物性沉積物對養(yǎng)殖區(qū)沉積物貢獻結(jié)果表明, 在典型的采樣點, 該方法能較準確的量化出各有機物來源的貢獻比例。以SG C點為對照, 其余7個采樣點長牡蠣生物性沉積物有機物貢獻在 4.06%～28.64%, 平均貢獻率為13.96 %± 8.62 %。

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