Ecological health assessment of Cyprinus carpio and Leiocassis longirostris national aquatic germplasm resources reserve in Huaihe River
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摘要: 评价水域生态健康状况可判别水生态恢复成效，是水环境管理的有效手段。为探究淮河荆涂峡鲤 (Cyprinus carpio)、长吻鮠 (Leiocassis longirostris) 国家级水产种质资源保护区的水生态健康状况，根据2020年浮游植物群落结构的调查结果，结合形态功能群分类法，构建了基于浮游植物生物完整性指数的保护区生态健康评价体系。选择受干扰较小的采样点为参照点，对候选参数进行非参数检验和相关性分析，确定最终的评价参数，采用比值法确定分级评价标准，对保护区水体进行健康评价。结果显示，浮游植物优势功能群演变趋势为III+IV+V (春季)→III+IV+V+VI (夏季)→V+VI (秋季)→IV+V+VI (冬季)，除核心区的优势功能群为III+IV+V+VI外，实验区、涡河和淮河干流优势功能群均为III+IV+V+VI。保护区68.06%的样点评价结果为“一般”及以上，总体水生态健康状况良好，具体表现为冬季优于秋季、夏季次之、春季最差的时间格局，以及淮河干流优于涡河、实验区优于核心区的空间格局。Abstract: Evaluation of water ecological health status helps to judge the effectiveness of water ecological restoration, which is an effective means of water environment management. In order to explore the water ecological health status of Cyprinus carpio and Leiocassis longirostris national aquatic germplasm resources reserve in Huaihe River, according to the survey results of phytoplankton community structure in 2020 and combined with the morphological functional group classification, we constructed the ecological health evaluation system of the reserve based on the biological integrity index of phytoplankton. Besides, we carried out the Mann-Whitney non-parametric test and correlation analysis of the candidate parameters to determine the final evaluation parameters, and used the ratio method to determine the grading evaluation standard for the evaluation of the health status of the reserve water. The results show that the evolution trend of dominant functional groups of phytoplankton was III+IV+V (Spring)→III+IV+V+VI (Summer)→V+VI (Autumn)→IV+V+VI (Winter). Except that the dominant functional groups in the core area were III+ IV+V+VI, the dominant functional groups of the experimental area, the Guo river and the Huaihe River were III+IV+V+VI. 68.06% of the sampling sites in the reserve were evaluated as "average" or above, indicating that the overall water ecological health status was good. Specifically, the temporal pattern of winter was better than autumn, followed by summer, and the worst was in spring; the spatial pattern of Huaihe River mainstream was better than Guohe River, and the experimental area was better than the core area.
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硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria，SRB)在生态系统中是属于土著微生物类群，是兼性厌氧菌，广泛存在于各种环境中，是自然界硫循环中SO42-异化还原的专门承担者，将SO42-还原同时降解有机物获取能量，产物为对周围环境有害的有毒气体H2S。目前，国内外对海洋沉积物中SRB研究多集中在海洋工程、石油勘探、管道铺设等金属防腐方面[1-2]。近年来因病害使国内外海水养殖产量出现大幅度的滑坡，其主要原因是养殖环境恶化，尤其是底质的污染严重，大部分养殖海区投喂天然饵料，饵料系数较高，养殖年限较长，网箱底部堆积大量富含有机物的沉积物，为SRB大量繁殖提供了有利条件，SRB繁殖会产生大量有毒气体H2S，造成水体污染并毒害养殖生物，使养殖水体环境状况进入恶性循环状态。目前，国内外对网箱养殖环境中SRB的相关研究报道不多[3]，因此，开展网箱养殖海区沉积物中SRB生态特性和相关防治是很有必要的。本文通过研究大鹏澳网箱养殖海域的SRB，了解此环境中SRB的生态特性、SRB数量变化，以及SRB与其他环境因子之间的关系，为以后修复养殖水体环境，提高养殖生物产量，实现海水网箱养殖业的可持续发展提供理论依据。
大鹏澳是大亚湾西南部的一个小内湾，水面面积约1 400 km2。20世纪90年代以来，海水网箱养殖得到了迅速发展。目前，网箱养殖区水面面积约有20 km2，养殖网箱约4 200箱，养殖区平均水深4.5 m，污染相对比较严重[4-5]。
1. 材料与方法
1.1 样品采集
2006年11月，在大亚湾大鹏澳网箱养殖海域利用GPS定位5个站点，其中1、2、3号站位于鱼类网箱养殖区，4号站位于浮筏贝类养殖区，5号站作为对照站，采样站点如图 1所示。在每个站用柱状采泥器采集柱状沉积物样品2管，将沉积物置于内径为5 cm的PVC管内并用橡胶塞密封好，其中1管用于测定硫化物、氧化还原电位(oxidation-reduction potential，ORP)和pH，另1管用于测定SRB含量，并清晰标记样品垂直方向，其中柱状沉积物SRB计数按照1 cm层、5 cm层、10 cm层深度进行取样。
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图 1 大鹏澳网箱养殖海域采样站位Figure 1. Sampling stations of fish cage aquaculture area in Dapeng′ao Cove1.2 SRB培养基配方和计数方法
培养基配方为K2HPO4 0.5 g · L-1，NH4Cl 1.0 g · L-1，MgSO4 2.0 g · L-1，Na2SO4 0.5 g · L-1，CaCI2 0.1 g · L-1，酵母膏1.0 g · L-1，乳酸钠4 mL ·L-1依次加入净化陈海水中溶解。调节pH值约为7.0~7.5[6]。密封后用蒸气压力灭菌器121~125℃灭菌15~20 min后冷却至室温。称取硫酸亚铁铵1.2 g，抗坏血酸0.4 g，在无菌箱(室)内均匀地摊在离紫外线灯30 cm处灭菌30 min。在无菌操作下，把硫酸亚铁铵和维生素C溶解于事先准备好的40 mL无菌水中。按每100 mL培养基各加入1.0 mL硫酸亚铁铵溶液和1.0 mL维生素C溶液。
硫酸盐还原菌的计数(本标准适用于工业循环冷却水中硫酸盐还原菌的测定，也适用于原水、生活用水及粘泥中硫酸盐还原菌的测定)采用我国国家标准《工业循环冷却水中硫酸盐还原菌的测定》(GB/T14643.5-1993)规定的MPN法[7]。
1.3 沉积物硫化物、ORP、pH的测定
1.3.1 硫化物的测定
沉积物中硫化物的测定采用《海洋监测规范》[8]中的硫离子选择电极法。取5.00 g混匀的湿样置于50 mL烧杯中，加入20 mL抗氧化络合剂使用液，充分搅拌5 min，静置，待沉积物完全沉淀后，用倾斜法将上清液倒入50 mL量瓶中；再重复2次用15 mL抗氧化络合剂使用液按上述步骤浸取残留的沉积物，合并3次上清液，再用抗氧化络合剂使用液定容至刻度。测定时将上清液移入50 mL烧杯中，插入参比电极和活化后的硫离子选择电极，一边搅拌至读数稳定后记录结果。每次测定后均需用蒸馏水洗涤电极并用滤纸吸干，以备下一样品测定。
1.3.2 ORP的测定
沉积物ORP的测定参照《海洋监测规范》[8]中的电位计法。
1.3.3 pH的测定
沉积物pH的测定按照《海洋监测规范》[8]规定采用复合电极方法。
上述分析仪器为上海雷磁PHSJ-4A实验室pH/ORP测定仪，配有硫离子选择电极、参比电极、氧化还原电极、感温电极和pH复合电极。
2. 数据处理
利用Microsoft Excel对SRB的检出率、含量、变化幅度等按照不同站位、不同层次进行分析，利用数理统计软件SPSS对SRB与硫化物、ORP、pH做相关分析。
3. 结果与讨论
3.1 沉积物中的SRB的数量
2006年11月大亚湾大鹏澳网箱养殖海域沉积物中SRB的数量如表 1所示，沉积物中SRB数量波动范围在900~110 000 ind · g-1之间。
表 1 大鹏澳网箱养殖海域沉积物中SRB的数量Table 1. Content of SRB in cage culture area sediment in Dapeng′ao Coveind · g-1 垂直深度/cm
vertical depth1号站
station 12号站
station 23号站
station 34号站
station 4对照站
control station1 45 000 45 000 110 000 25 000 30 000 5 30 000 4 500 45 000 15 000 15 000 10 11 500 2 500 4 500 900 4 500 图 2显示了各个站位表层沉积物SRB的分布情况，SRB平面分布特征是鱼类网箱区＞对照区＞浮筏贝类区，网箱区的数量明显高于对照区和浮筏贝类区，这可能是由于网箱区内的网箱设置比较密集，饵料主要是冰鲜小杂鱼，残饵和粪便形成的生物沉积，为SRB的生长提供了有利的环境；浮筏贝类区SRB数量最少，可能是由于此区域的养殖生物为太平洋牡蛎，无需投饵，故底部富含有机质的沉积物较少，SRB含量也较少。
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图 2 采样站点表层沉积物SRB的平面分布Figure 2. Plane distribution of SRB in surface layer of sediment各个站位沉积物中SRB的垂直分布如图 3所示，可以明显看出SRB数量的分布特征为1 cm层＞5 cm层＞10 cm层，呈现由上到下逐渐减少的趋势。验证了海洋沉积物中硫酸盐还原菌数量是由上向下逐渐降低的结论[9]，这也与高爱国等[10]在北极楚科奇海调查得到的SRB分布规律相似。
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图 3 沉积物中的SRB的垂直分布Figure 3. Vertical distribution of sediment SRB in the five sampling stations3.2 沉积物中的硫化物
2006年11月大亚湾大鹏澳网箱养殖海域5个站位沉积物中硫化物的含量如表 2所示，其硫化物含量波动范围为372.48~703.98 μg · g-1。
表 2 表层沉积物中SRB与其他环境因子Table 2. The amount of SRB and other factors of surface sediment站位
stationSRB数量
content of SRB硫化物含量/μg·g-1
sulfide content氧化还原电位
ORPpH 1号站 station 1 45 000 529.44 -226.5 8.12 2号站 station 2 45 000 527.76 -270.3 8.18 3号站 station 3 110 000 703.98 -384.5 8.16 4号站 station 4 25 000 372.48 -171.5 8.21 对照站 control station 30 000 445.18 -199.5 8.17 由图 4可以明显看出，鱼类网箱养殖区(1、2、3号站)沉积物中硫化物含量要高于贝类区和对照区，其主要原因是鱼类网箱区需要大量投饵，底部富含有机质，这一环境利于SRB大量繁殖，异化还原硫酸盐形成硫化物；浮筏贝类养殖区的硫化物含量最低，这是因为贝类养殖过程中不需投饵，底部沉积物有机质含量较少；另外，该海域贝类区养殖年限较短，水体底部的溶解氧和pH值均较高，不利于SRB的生长，因此，硫化物含量较低。而对照区的5号站，其硫化物含量相对较高于贝类养殖区，这可能是因为5号站位于大鹏澳湾口，在海流作用下，受网箱区沉积物往湾口外迁移的影响要大于贝类区有关。
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图 4 各采样站点沉积物中硫化物的含量Figure 4. Content of sediment sulfide in the five sampling stations3.3 沉积物中的ORP
各采样站位沉积物的氧化还原电位如表 2所示，其波动范围在-171.5~-384.5 mV之间。图 5显示了2006年11月大亚湾大鹏澳网箱养殖海域5个站位沉积物的ORP平面分布特征。可以看出，鱼类网箱区的ORP要低于贝类区和对照区，其主要原因是由于网箱区残饵和排泄粪便长期积累，网箱区底部富含有机质，微生物分解大量有机质，产生还原性的物质(如：S2-、NH4+、Fe2+等)，从而导致氧化还原电位较低。
3.4 沉积物中的pH
图 6显示了2006年11月大亚湾大鹏澳网箱养殖海域各个站位沉积物的pH值，其特征为网箱区低于对照区和贝类区，影响沉积物pH变化的主要因素是呼吸作用[11]，因为网箱区沉积物的有机质含量高于对照区和贝类区，所以网箱区沉积物中的细菌呼吸作用和有机质在细菌参与下的分解作用相对活跃，导致pH下降。
3.5 SRB与其他因子的相关关系
2006年11月大亚湾大鹏澳网箱养殖海域表层沉积物中SRB含量、硫化物含量、ORP、pH值如表 2所示。利用SPSS对SRB与其他环境因子所做的相关分析结果显示，SRB与硫化物的含量为显著性正相关(R=0.96, P < 0.05，表 3)，这与李培英等[12]研究的浙江至闽北陆架积物硫酸盐还原菌与硫化物的相关关系的结果相一致。由于SRB在沉积物环境中主要电子受体是硫酸盐，当SRB大量存在时就会有更多的还原态的硫化物生成。SRB含量与Eh的关系显示极显著性负相关关系(R=-0.97，P < 0.01，表 3)，这与陈皓文等[13]对北部湾东侧沉积物SRB研究结果相一致。ORP的高低主要取决于沉积物中的DO含量，当沉积物处于严重缺氧时，有机物最终分解为还原态物质，Eh为负值，而厌氧的低氧化还原状态环境适合SRB的大量繁殖，所以这一分析结果与理论相一致。而SRB与pH的关系系数为R=-2.71(P>0.05，表 3)，两者不具有显著性相关关系，由此可以看出，硫化物含量和ORP是反映SRB数量的2个非常重要的指标。
表 3 SRB与其他因子的相关系数Table 3. Correlation between SRB and other chemical factors对子 parallelism 相关系数R correlation coefficient n number of sample P significance factor SRB-硫化物 SRB-sulfide 0.96 5 0.011 SRB-氧化还原电位 SRB-ORP -0.97 5 0.006 SRB-pH -2.71 5 0.611 -
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图 2 浮游植物功能群生物量及密度时空分布
Figure 2. Spatial-temporal distribution of biomass and density of phytoplankton functional groups
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图 3 保护区四季综合营养指数结果
Figure 3. Results of comprehensive nutrition index of reserve in four seasons
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图 4 保护区四季P-IBI评价结果 (左图) 及分区对比 (右图)
Figure 4. P-IBI evaluation results of four seasons (Left) and zoning comparison (Right) in reserve
表 1 候选参数
Table 1 Candidate parameters
参数种类Parametertype 候选参数Candidate parameter 群落多样性Community diversity M1. 藻类物种数 M2. 蓝藻物种数 M3. 硅藻物种数 M4. 隐藻物种数 M5. 绿藻物种数 M6. 非硅藻物种数 M7. Shannon多样性指数 M8. Pielou均匀度指数 M9. Margalef丰富度指数 M10. Simpson多样性指数 群落丰富度Community richness M11. 藻类密度 M12. 蓝藻密度 M13. 硅藻密度 M14. 隐藻密度 M15. 绿藻密度 M16. 非硅藻密度 M17. 藻类生物量 M18. 蓝藻生物量 M19. 硅藻生物量 M20. 隐藻生物量 M21. 绿藻生物量 M22. 非硅藻生物量 群落均匀度Community evenness M23. 蓝藻密度/% M24. 硅藻密度/% M25. 隐藻密度/% M26. 绿藻密度/% M27. 非硅藻密度/% M28. 蓝藻生物量/% M29. 硅藻生物量/% M30. 隐藻生物量/% M31. 绿藻生物量/% M32. 非硅藻生物量/% 形态功能群 Morphology based functional groups M33. I类功能群密度 M34. II类功能群密度 M35. III类功能群密度 M36. IV类功能群密度 M37. V类功能群密度 M38. VI类功能群密度 M39. VII类功能群密度 M40. I类功能群生物量 M41. II类功能群生物量 M42. III类功能群生物量 M43. IV类功能群生物量 M44. V类功能群生物量 M45. VI类功能群生物量 M46. VII类功能群生物量 M47. I类功能群密度/% M48. II类功能群密度/% M49. III类功能群密度/% M50. IV类功能群密度/% M51. V类功能群密度/% M52. VI类功能群密度/% M53. VII类功能群密度/% M54. I类功能群生物量/% M55. II类功能群生物量/% M56. III类功能群生物量/% M57. IV类功能群生物量/% M58. V类功能群生物量/% M59. VI类功能群生物量/% M60. VII类功能群生物量/% 
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表 2 参数数据分析
Table 2 Parameter data analysis
季节 Season 参数 Parameter 最大值 Maximum value 最小值 Minimum value 5%分位数 5% Quantile 95%分位数 95% Quantile 参数赋分公式 Parameter assignment formula 对干扰响应 Response to interference 春季 Spring M7 2.254 0.979 1.026 2.246 M7/2.246 下降 M45 1.732 0.000 0.002 1.213 M45/1.213 下降 M58 0.822 0.029 0.086 0.717 0.822−M58/0.822−0.086 上升 夏季 Summer M28 0.677 0.001 0.027 0.668 M28/0.668 下降 M37 2 366 163.857 47 323.277 67 435.670 1 984 028.394 2 366 163.857−M37/2 366 163.857−67 435.670 上升 M50 0.365 0.018 0.019 0.349 0.365−M50/0.365−0.018 上升 秋季 Autumn M9 1.313 0.618 0.554 1.218 0.313−M9/1.313−0.505 上升 M11 4 571 428.571 1 220 940.550 890 150.843 4 321 561.668 4 571 428.571−M11/4 571 428.571−890 150.843 上升 M15 1 703 637.977 170 363.798 170 363.798 1 590 062.112 1 703 637.977−M15/1 703 637.977−170 363.798 上升 M44 13.294 0.003 0.056 6.643 13.294−M44/13.294−0.056 上升 冬季 Winter M8 0.918 0.294 0.314 0.910 M8/0.910 下降 M9 0.876 0.390 0.394 0.849 0.876−M9/0.876−0.394 上升 M22 0.559 0.006 0.019 0.476 0.559−M22/0.559−0.019 上升 M25 0.444 0.000 0.002 0.338 M25/0.338 下降 M26 0.667 0.082 0.099 0.575 M26/0.575 下降 M43 0.254 0.001 0.001 0.241 0.254−M43/0.254−0.001 上升
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表 3 保护区P-IBI评价标准
Table 3 P-IBI evaluation criteria for reserve
季节 Season 健康 Health 亚健康 Sub-health 一般 General 较差 Worse 极差 Range 春季 Spring >2.64 1.98~2.64 1.32~1.98 0.66~1.32 <0.66 夏季 Summer >2.86 2.14~2.86 1.43~2.14 0.71~1.43 <0.71 秋季 Autumn >3.83 2.87~3.83 1.91~2.87 0.96~1.91 <0.96 冬季 Winter >5.95 4.46~5.95 2.97~4.46 1.49~2.97 <1.49
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表 4 四季P-IBI与环境因子逐步回归
Table 4 Stepwise regression between P-IBI and environmental factors
季节Season 逐步线性回归方程 Stepwise linear regression equation R P F 春季 Spring yP-IBI=−1.464+0.951xTP−0.268xNH3-N 0.914 0.000 38.244 夏季 Summer yP-IBI=2.639−0.304xTP +0.775xNH3-N −1.417xNO2 −-N 0.958 0.000 52.548 秋季 Autumn yP-IBI=−3.044+0.697xTP 0.697 0.001 15.094 冬季 Winter yP-IBI=17.45−0.757xNH3-N 0.757 0.000 21.458
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