桑溝灣長牡蠣生物沉積物對環(huán)境底質(zhì)影響的同位素證據(jù)

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(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)廢物帶來的影響進(jìn)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(jī)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(jī)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(kuò)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(jī)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(bào)道認(rèn)為貝類生物沉積物產(chǎn)生的影響還很小[24,35],多數(shù)則認(rèn)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(rèn)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(yīng)用廣泛[38-41], 如Ye等[38]利用 δ13C對沉積物有機(jī)碳的來源進(jìn)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(bào)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(gè)牡蠣養(yǎng)殖場進(jìn)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(jìn)行量化研究。

1 材料和方法

1.1 研究時(shí)間與地點(diǎn)

樣品采集時(shí)間為2013年4月, 采樣地點(diǎn)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(jì)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(gè)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(gè)點(diǎn)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(diǎn)。在樣品采集的同時(shí), 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(biāo)。采樣點(diǎn)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(diǎn)示意圖Fig.1 Map of sampling sites in Sungo Bay, China

1.2 樣品采集

實(shí)驗(yàn)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(diǎn)底質(zhì)沉積物的樣品, SG 2 與SG 6點(diǎn)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(diǎn)取得的養(yǎng)殖長牡蠣, 1 h內(nèi)運(yùn)回岸上的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(yùn)回實(shí)驗(yàn)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(diǎn)養(yǎng)殖筏架上懸掛實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)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(fù)。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(jìn)行穩(wěn)定同位素分析前需進(jìn)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(jī)碳。酸化中的樣品每小時(shí)要搖勻2次, 保證樣品與鹽酸充分接觸, 使反應(yīng)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(jì)算得出:

δ X(‰) = [(R樣品／R標(biāo)準(zhǔn)) –l]×103

其中, X為C或 N, R為13C/12C或15N/14N的相對比率, R標(biāo)準(zhǔn)值為國際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) PDB的碳同位素比值或標(biāo)準(zhǔn)大氣氮同位素比值。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果的相對誤差 δ13C 為± <0.1‰, δ15N 為± <0.2‰。有機(jī)碳氮含量在同位素分析同時(shí)得出。

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

底質(zhì)貢獻(xiàn)率計(jì)算時(shí), 有機(jī)物來源確定為 2項(xiàng)時(shí),設(shè) z為 0, 即

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

2 結(jié)果

各采樣的點(diǎn)的水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)見表1。水溫從SG C到SG 7的升高, 可能與取樣點(diǎn)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(rèn)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(jī)碳氮含量在表2中列出。

表1 各采樣點(diǎn)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(jī)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(shí)驗(yàn)所選取的采樣點(diǎn)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(gè)對照點(diǎn)到各養(yǎng)殖點(diǎn)的碳氮同位素呈富集趨勢。兩采樣點(diǎn)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(diǎn)的沉積物。

從沉積物的有機(jī)碳氮含量來看, SG 4采樣點(diǎn)有機(jī)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(diǎn), 分別為C: 0.14%±0.02%, N: 0.03%±0.00%。而底質(zhì)沉積物的有機(jī)碳氮含量均低于懸浮顆粒物質(zhì)中的有機(jī)碳氮值。牡蠣生物沉積物的有機(jī)碳氮含量在SG 2與SG 6點(diǎn)較為接近, 約為懸浮顆粒物有機(jī)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(gè)采樣點(diǎn)的有機(jī)物來源進(jìn)行計(jì)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(diǎn)懸浮顆粒物的δ13C、δ15N值處于由對照SG 1點(diǎn)沉積物、SG 2點(diǎn)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)。可以認(rèn)為他們是SG 2點(diǎn)的懸浮顆粒物有機(jī)物來源。通過線性混合模型進(jìn)行計(jì)算, 結(jié)果表明:在SG 2點(diǎn)的懸浮物中, 長牡蠣生物性沉積物貢獻(xiàn)有機(jī)物占9.95%, 對照區(qū)沉積物與SG 2區(qū)沉積物貢獻(xiàn)分別為54.19%和35.86%。

圖 2 SG 2與SG 6采樣點(diǎn)沉積物中有機(jī)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(diǎn)的有機(jī)物來源圖譜中, 對照點(diǎn) SG 7沉積物的測定結(jié)果顯示其不能成為 SG 6點(diǎn)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(diǎn)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(gè)采樣點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)養(yǎng)殖長牡蠣生物性沉積物的影響進(jìn)行估算, 有機(jī)物來源對底質(zhì)有機(jī)物的貢獻(xiàn)比例計(jì)為貢獻(xiàn)率, 結(jié)果見表3。

表3 長牡蠣生物性沉積物對各采樣點(diǎn)沉積物的貢獻(xiàn)率Tab.3 Contribution of biodeposits to sediments of each site

各采樣點(diǎn)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(diǎn)所占的比例最低, 為4.06%。SG 5點(diǎn)與養(yǎng)殖區(qū)外的 SG 1點(diǎn)水平相近, 分別為 8.11%與7.88%。最高值28.64%出現(xiàn)在SG 2點(diǎn)。各采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)算得出的養(yǎng)殖長牡蠣生物性沉積物貢獻(xiàn)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(xué)研究中的應(yīng)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(fèi)者的穩(wěn)定C、N同位素, 對陸基漁場產(chǎn)生的廢棄有機(jī)物的擴(kuò)散情況進(jìn)行了評估。Ye等[38]對鮭魚(Salmo salar)養(yǎng)殖場的有機(jī)物通過穩(wěn)定同位素δ13C進(jìn)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(diǎn)為例, 通過δ13C計(jì)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(jī)C、N的含量來看是所有采樣點(diǎn)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(jī)碳氮含量。

通過SG 2與SG 6兩個(gè)點(diǎn)的有機(jī)物來源同位素圖譜比較可以發(fā)現(xiàn)。SG 2點(diǎn)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(jī)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(diǎn)中則未能完成,以SG 7 作為對照點(diǎn), 其沉積物δ13C和δ15N的值均高于SG 6點(diǎn), 這說明靠近海岸的SG 7點(diǎn)受到其他因素的影響, 而這個(gè)因素有可能同時(shí)也影響到SG 6點(diǎn)的懸浮顆粒物。結(jié)合長牡蠣生物性沉積物對各采樣點(diǎn)沉積物的貢獻(xiàn)率的估算結(jié)果來看, SG 7點(diǎn)長牡蠣生物性沉積物貢獻(xiàn)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(kuò)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(kuò)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(jī)物擴(kuò)散給采樣點(diǎn)的生物沉積物覆蓋提供了可能。所以在設(shè)定的采樣點(diǎn)內(nèi), SG 1與SG 7兩個(gè)采樣點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)結(jié)果表明, 在典型的采樣點(diǎn), 該方法能較準(zhǔn)確的量化出各有機(jī)物來源的貢獻(xiàn)比例。以SG C點(diǎn)為對照, 其余7個(gè)采樣點(diǎn)長牡蠣生物性沉積物有機(jī)物貢獻(xiàn)在 4.06%～28.64%, 平均貢獻(xiàn)率為13.96 %± 8.62 %。

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