發布時間：2021-05-17所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:陸源排污和海水養殖等經常造成近海富營養化。選用大型海藻或大型海藻與貝類組成的復合生態系統開展富營養化海區生態修復，在介紹富營養化海區特征及治理方法的基礎上，分析不同修復生物及其組合對不同富營養化海區的適宜性。結果表明，貝類不宜單獨作為
摘要:陸源排污和海水養殖等經常造成近海富營養化。選用大型海藻或大型海藻與貝類組成的復合生態系統開展富營養化海區生態修復，在介紹富營養化海區特征及治理方法的基礎上，分析不同修復生物及其組合對不同富營養化海區的適宜性。結果表明，貝類不宜單獨作為修復生物;大型海藻可以有效吸收水中的溶解無機氮(DIN)、溶解無機磷(DIP)，提高溶解氧(DO)濃度，是良好的富營養化海區修復生物。貝藻復合生態系統適宜在營養鹽和顆粒物含量較高的海區開展生態修復。針對兩種典型的富營養化海區(網箱養殖區、污水排放區)，制定不同的生態修復技術和策略，介紹不同修復技術的修復生物品種選擇、修復時間、養殖筏架、密度控制、操作方法與實施效果等，具有較好的應用前景，可為富營養化海區的生態修復研究與實踐提供參考。
關鍵詞:海洋生物學;富營養化;生態修復;貝類;大型海藻
養殖污水和陸源污水中含有大量的溶解性無機營養鹽，包括硝酸鹽-氮(NO-3-N)、亞硝酸鹽-氮(NO-2-N)、銨氮(NH+4-N)和活性磷酸鹽-磷(PO3-4-P)等[1-2]，若未經處理直接排出將會嚴重污染周圍的水體環境[3-4]，導致水體富營養化、赤潮暴發、水質惡化、水體缺氧，魚類和其他水生生物大量死亡[4-6]。并進一步導致海區生境衰退、生物多樣性減少[7]，海洋生態系統恢復力受到損害，制約沿海地區可持續發展。
傳統富營養化的治理方法很多，例如噴灑高嶺土、化學除藻、機械過濾等[8-10]，但由于海洋面積巨大和海水的流動性等原因，海域的富營養化工程治理難度很大，采用生態修復的方法是治理近海富營養化的一個現實可行的辦法。該辦法操作簡便，一般不會造成二次污染，有的修復生物還有一定的經濟價值，具有良好的實用性和推廣應用前景。大型海藻對富營養化海域的生態修復得到廣泛應用[11-12]，如Saberi等(2020)將帚狀江蘺(Gracilariaedulis)和張氏江蘺(G.changii)混養在蝦池中，發現帚狀江蘺能去除72.5%的NH4+-N和71.0%的NO-3-N，張氏江蘺能去除58.8%的NH+4-N和56.8%的NO-3-N[13];湯坤賢等(2003)跟蹤監測八尺門海區赤潮的消亡過程，指出細基江蘺繁枝變種(G.tenuistipitatavar.liui)可以加速中肋骨條藻(Skeletonemacostatum)赤潮的消亡，避免赤潮消亡后水體出現缺氧狀態，減輕赤潮對環境的損害[14]�？O江蘺(G.salicornia)[15]、細基江蘺(G.tenuistipitata)[16-17]、龍須菜(G.lemaneiformis)[18-19]和海帶(Laminariajaponica)[20-21]等都被報道具有修復富營養化海區的潛能。
不同的海區富營養化原因、污染來源、主要污染因子、水文動力、環境條件等不同，不同的修復生物適宜的生長季節、生長習性、養殖筏架也不同。所以，實施近海富營養化的生態修復，應該根據具體的情況，采用不同的生態修復技術與策略。
本研究重點對兩種典型的富營養化海區(網箱養殖區和污水排放區)的生態修復技術進行總結，提出不同富營養化海區的生態修復策略，旨在為富營養化海區生態修復提供參考。
1富營養化海域的一般特征
富營養化是指氮、磷等營養物質含量過高導致藍細菌、微藻和其他浮游生物惡性繁殖，導致水質下降的現象。其主要特征是海水中含有高濃度的無機或(和)有機營養物質。近幾十年來，各種人為活動加速了近岸海域的營養物質輸入，改變了水體的營養成分，使有機物(特別是藻類)在水域中快速累積，并造成一系列不良影響，其最具代表性的即是赤潮的暴發。赤潮是典型的海洋浮游微藻密集聚集體，這些浮游微藻大量繁殖時會把海水染成紅色，有時也會把海水變成棕色、橙色，甚至略帶綠色。它們有的能產生天然毒素，如短裸甲藻毒素[22-23]，能在多種不同營養級的海洋生物中累積[24-25]，殺死大量魚類，污染牡蠣等濾食性貝類，使它們無法食用。赤潮的浮游微藻產生的神經毒素也會影響鳥類、海洋哺乳動物和海龜等，并最終危害人類健康[26-27]。
2修復生物的適宜性分析
2.1貝類
貝類對營養鹽中氮(N)的利用是貝類在海域生態修復中起到的作用之一，這種作用有學者稱之為貝類生物萃取[22，28]。海水中無機氮和某些有機氮被浮游植物同化，浮游植物被貝類過濾和消耗，海水中的氮就轉移到貝類組織中。當貝類養殖收獲時，水體中的氮就能被去除，即通過貝類養殖收獲從海洋環境中去除營養鹽來減輕營養鹽過量對海洋環境的影響[22，28]，同時也緩解了富營養化所造成浮游植物生物量的積累導致水體透明度降低的問題[29]。
但是，貝類不宜單獨作為修復生物。貝類的排泄和呼吸將增加NH+4-N的濃度和降低溶解氧(DO)的濃度，排泄的糞便和假糞還能造成底質污染，對環境也有不利的一面。此外，大多數貝類雖然有較強的耐污染和耐低氧能力，但直接面對大量城鎮污水沖擊時，容易造成大量的死亡并引發更加嚴重的生態災害。
2.2大型海藻
大型海藻在海洋初級生產者中扮演著重要的角色，它們生長周期長且具有較高的生長率，能通過光合作用吸收固定水體中的C、N、P等元素來合成自身物質，同時向水體釋放氧氣。當海域中營養鹽含量較高時，即使光照不足，大型海藻也能迅速高效地將大量的營養鹽儲存在其氮庫中，以備在合適光照下快速生長[30]。在富營養化海區中適量養殖大型海藻，利用大型海藻在生長過程中大量吸收水體中C、N、P等營養物質的特性，是防治海水富營養化，抑制赤潮生物生長，改善沿海生態環境的有效措施之一。
目前，國內外很多學者將大型海藻應用于典型富營養化海域的生態修復，取得了良好的修復效果。Msuya等(2006)在坦桑尼亞桑的巴爾島將網石莼(Ulvareticulata)作為一種低成本且環境友好的生物濾器應用于網箱養殖海域中營養鹽的去除，發現網石莼能去除養殖區65%的溶解無機氮(DIN)，平均去除效率達6.5g/(m2·d);能去除33%的溶解無機磷(DIP)，平均去除效率為0.3g/(m2·d);此外，水中DO的濃度也得到了大幅度的提高(從5.6mg/dm3提高到13.4mg/dm3)，pH也從7.8上升到了8.4[31]。Marinho-Soriano等(2009)通過在蝦池污水中養殖龍須菜來評估其生物修復能力，發現龍須菜在4h內能去除59.5%的NH+4-N、49.6%的NO-3-N和12.3%的PO3-4-P，每公頃龍須菜平均每年能吸收0.309t總氮(TN)和0.024t總磷(TP)，同時抑制水體中浮游植物的量，降低水中葉綠素a(Chl-a)濃度，防止赤潮暴發[32]。Liu等(2016)比較了長莖葡萄蕨藻(Caulerpalentillifera)和菊花心江蘺(G.lichevoides)在養殖污水中的修復效果，結果表明長莖葡萄蕨藻和菊花心江蘺具有很高的營養吸收能力，長莖葡萄蕨藻會選擇優先吸收NO-3-N，對NO-3-N的吸收效率為7.43～50.43μmol/(g·h)(濕重)，而菊花心江蘺會選擇優先吸收NH+4-N，對NH+4-N的吸收效率為10.27～14.14μmol/(g·h)(濕重)[33]。帚狀江蘺、張氏江蘺和條斑紫菜(Porphyrayezoensis)[13，34]也被認為具有良好的營養鹽去除效果。
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筆者曾選用江蘺屬(Gracilaria)的龍須菜和菊花心江蘺開展生態修復研究，結果表明，江蘺具有較大的光飽和點以及光飽和產氧率，菊花心江蘺的光飽和點約為20000lx，光飽和產氧率約為2.7mg/(g·h)[35-36]。江蘺對DIN、DIP具有很強的吸收能力，且濃度越大吸收速率也越大。因此，大型海藻能抵御較重污染的沖擊，有效吸收水中的營養鹽，是海水富營養化比較理想的修復生物。但大型海藻對顆粒物的去除效果較差。因此，大型海藻多適用于營養鹽主要以溶解態存在的富營養化海區。
2.3貝藻復合生態系統
貝類和大型海藻之間存在直接和間接的互利作用。貝藻混養環境效益和經濟效益顯著，如趙素芬等(2017)將雜色鮑(Haliotisdiversicolor)與細基江蘺繁枝變種混養在一起，發現鮑魚的成活率大大提高，養殖水體中N、P營養鹽不升反降，凈化了鮑魚的生長環境[37];白凱強等(2017)指出紫貽貝(Mytilusedulis)和披針形蜈蚣藻(Grateloupialanceolata)按濕重比2∶1混養在一起時能達到最高的經濟效益[38]。貝類和大型海藻組合能同時吸收水中的溶解性營養鹽和微藻、碎屑等顆粒物質，對污染物的吸收存在互補關系;大型海藻還能吸收貝類的排泄物，光合作用產生的氧能減輕貝類呼吸導致DO濃度的下降，貝類能控制浮游植物的密度維持一定的范圍，避免發生赤潮。因此，如果形成合理的配比和適宜的密度，貝類和大型海藻之間是一種良好互利合作關系，能有效去除水中的各種污染物，對于有多種污染物輸入的海區(如有陸源城鎮污水或養殖污水排放的近岸海區)是一種比較理想的生態修復組合。貝藻復合生態系統主要適用于有陸源污染物(如城鎮污水或養殖污水)排放的海區或浮游植物密度較大的海區。
3富營養化海域生態修復策略
3.1網箱養殖區的生態修復技術與策略
海水網箱養殖區的特點是網箱養魚導致海水中DIN、DIP等營養鹽濃度升高，DO濃度下降，網箱下方底泥也受到污染，底泥中的污染物釋放加重了養殖區的污染。正常情況下魚類的生長受到影響，特殊情況下，如不利的天氣條件、發生赤潮、“泛底”等可能造成養殖區魚類的大面積死亡。
3.1.1修復生物的選擇網箱養殖區的生態修復僅能選用大型海藻，不能選用貝類。大型海藻根據本地的條件一般需要選用兩種，一種適應高溫季節，一種適應低溫季節，這樣可以對同一網箱養殖區實施全年不間斷的生態修復。福建等南方沿海高溫季節的大型海藻首選種是適宜夏季—秋季生長的脆江蘺(G.chouae)、菊花心江蘺，也可以選用麒麟菜(Eucheumamuricatum)等其它適宜夏季生長的大型海藻;低溫季節的首選種是適宜冬季—春季生長的龍須菜。
3.1.2網箱養殖修復區大型海藻適宜養殖筏架的選擇養殖筏架主要根據大型海藻的品種和修復區的海況確定。菊花心江蘺的養殖筏架一般采用特制的養殖網箱(圖1)，在風浪較大的海區也可以使用一種封閉式的網袖。龍須菜、脆江蘺養殖根據海況一般選用繩架結構吊養筏架(圖2)，適宜海水較深、潮差較大的海區;在海水較淺、潮差較小的海區，也可以選用竹架結構的筏架[34]。
3.1.3網箱養殖區的生態修復方法①低溫季節，修復生物選用龍須菜。龍須菜采用繩子夾苗，掛于筏架的方式吊養，初始養殖密度約為22.5t/hm2。吊養筏架布設于養魚網箱周圍，吊養筏架最好與養魚網箱間隔穿插排布，也可以利用網箱養殖區周圍的淺水區進行布置。龍須菜分別在放苗后一個半月和3個月時收割一次，收割時苗繩上仍保留約15cm長的龍須菜作為種苗繼續繁殖，也可以一次性收獲。大約每年4—5月份收獲全部的龍須菜。②高溫季節，修復生物主要選用菊花心江蘺、脆江蘺。脆江蘺的養殖方式同龍須菜，菊花心江蘺一般用特制的網箱或網袖養殖。網箱養殖的方法是將江蘺養殖網箱掛于竹架結構的養殖筏架上或網箱養殖區中的養魚網箱架下，箱底距水面約0.7～1.0m。網箱養殖的菊花心江蘺將江蘺直接撒到水中，自然沉降到網箱底部，養殖密度約為7.5t/hm2。網箱底播的江蘺一般每15d采收一次，為保障修復效果，采收后網箱中江籬的生物密度應保持7.5t/hm2。
3.2污水排放海區的生態修復
3.2.1修復對象修復對象主要為受一般的有機工業(如水產品加工、蔬菜加工)廢水、城鎮生活污水和養殖污水等污染的海水。
3.2.2修復生物的選擇選用由貝類和大型海藻組成的貝藻復合生態系統。貝類可以選擇耐污能力和凈化能力較強的貽貝，在距離污水排放口較遠的區域也可以用耐受能力較差的牡蠣等貝類。大型海藻一般是適宜吊養的藻類，如龍須菜、脆江蘺、石莼等，在特定的條件下也可以是適宜底播的藻類，如菊花心江蘺、細基江蘺繁枝變種等。
3.2.3貝類與大型海藻養殖筏架的選擇龍須菜等大型海藻的養殖筏架一般用繩架結構的吊養筏架，海況條件允許時也可使用竹架結構的吊養筏架。貝類的養殖筏架在海水較深的地方大多采用繩架結構的吊養筏架(圖2)。海水較淺的海區一般采用圖3所示的木架結構吊養筏架，主繩固定在木樁上，貝類種苗直接掛在主繩上。
3.2.4貝藻復合生態系統的構建與管理①貝藻復合生態系統的生物布置。為了抵御污染物對貝藻復合生態系統的沖擊，特別是低濃度的DO和高濃度的氨氮對貝類的傷害，貝藻復合生態系統的第一部分必須是大型海藻，經過大型海藻區提高海水中的DO濃度和降低氨等有害物質的濃度后，再進入貝類修復區，然后再依次通過若干組的大型海藻、貝類修復區，最后排出系統之前也必須經過大型海藻修復區，這樣可以保證排出系統的海水是高DO濃度、低營養鹽濃度的海水，維護周圍海區良好的環境狀況。②構建貝藻復合生態系統。貝類和大型海藻呈平行的層狀排布，層的方向與排入系統的海水流向垂直，大型海藻修復區與貝類修復區相間布設，污染海水排入系統的第一部分為大型海藻修復區，最后排出之前最好也為大型海藻修復區。③系統管理。龍須菜的養殖密度和管理方法參照“3.1.3”。污水排放口附近不宜布置修復生物，距離排污口較近的區域修復生物也應保持較低的密度。貝類的初始養殖密度約為3.75t/hm2。福建一帶貝類養殖6～7個月之后開始部分收獲，保持其生物量與藻類生物量的比在0.5～1.5之間，最好不超過藻類的生物量。一般8個月至1a全部收獲，為了保持持續的修復能力，采收時最好保留少部分的成品貝類，使之與新掛的貝苗一起形成較大的生物量，并在新的苗種逐漸長大的過程中不斷采收。
3.3討論
3.3.1生態修復效果分析江蘺在陽光下的產氧率一般大于2.1mg/(g·h)，而魚類的耗氧率一般是0.1～0.5mg/(g·h)[38-40]，江蘺的產氧率是魚類耗氧率的幾倍至十幾倍。因此，利用江蘺與魚、蝦等經濟動物進行生態養殖，只需較少數量的江蘺便可保證養殖水體中氧的供需平衡，可減少因缺氧導致動物死亡的可能性;江蘺對營養鹽的吸收速率是魚類排泄速率的幾倍或相當，如果要使網箱養殖區的營養鹽能得到有效吸收，防止水體富營養化，江蘺的數量要再多些。正常情況下，魚類的重量為江蘺的數倍時，可以維持網箱養殖DO的供需平衡，避免發生缺氧死魚，并緩解水體的富營養化程度。但具體的比例應根據養魚的品種、大小和海況等情況來確定。
貝藻復合生態系統能有效去除水中的各種污染物，如DIN、DIP以及浮游植物、細菌等微生物和其它顆粒物;修復后的環境達到良好的狀態，還能有效抑制藻華的發生;各種修復生物和貝藻復合生態系統對糞大腸菌群均有較好的去除作用。因此，貝藻復合生態系統對受陸源污染的海水的修復效果顯著，有助于保護近海環境，維護海洋生態系統的良性循環。
3.3.2修復生物的利用修復生物是具有較好經濟價值的海洋生物，修復生物收獲后有多種利用途徑。一般用于以下方面:①貝類、大型海藻以鮮品直接出售供人們食用;②大型海藻江蘺可以作為鮑魚的新鮮餌料;③加工成貝類、海藻的罐頭、干品或冷凍食品;④江蘺可以作為生產瓊脂的工業原料;⑤可以從大型海藻中提取某些活性物質，如藻膽蛋白、海藻多糖等;⑥貝類、大型海藻可以作為生產飼料的原料;⑦大型海藻干品可以作為保水材料等。在正常的自然海區，修復生物產品基本均能滿足以上的使用需求，但在城鎮污水排放海區的貝藻復合生態系統中，污水首先排入區域的貝類和大型海藻的生物質量(如糞大腸菌群指標)可能無法滿足某些使用需求，大型海藻使用前先用干凈的海水或自來水沖洗，可以有效地降低藻體表面的微生物數量;貝類可以采用貝類凈化技術[41]，也可將貝類轉移到干凈的海區養殖一段時間，其體內的糞大腸菌群等指標便會很快下降。
4結論與展望
(1)大型海藻可以有效吸收水中的DIN、DIP，提高DO濃度，對富營養化海域有良好的修復效果，不同的環境條件與不同的季節應采用不同的修復生物。在同一海區可采用不同生長季節的大型海藻，組成全年不間斷的修復。
(2)貝類可以有效吸收水中的顆粒物和浮游植物，但不宜單獨作為修復生物，貝類和大型海藻組成的貝藻復合生態系統對污水排放海區具有良好修復效果。
(3)為達到較好的修復效果，應根據海區條件選用合適的養殖筏架，控制適宜的修復生物密度，采取有效的修復管理辦法。特別是貝藻復合生態系統，應控制合理的貝類與不同藻類配比和密度。
(4)修復生物在提供良好生態環境效益的同時也能提供較好的經濟效益。但與其它魚、蝦養殖相比，大型海藻和貝類養殖經濟效益較低，管理部門可以通過政策或生態補償資金引導，促進大型海藻等修復生物的養殖。
(5)貝類可以把碳永久固定在貝殼中，大型海藻通過光合作用吸收水中的CO2，包括貝類呼吸作用釋放的CO2，可以在貝藻養殖區形成一個海洋碳匯區，貝藻養殖對推動我國藍色碳匯的發展有重要作用。
(6)富營養化海域生態修復研究技術已日趨成熟，今后應加強相關生態修復技術標準建設、實用技術總結與推廣應用方面的工作。——論文作者：湯坤賢1，2，3，范祥1，2，3，李和陽1，2，3，馬勇1，2，3，張飛1，2，3，孫元敏1，2，3
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