2018,
Vol. 27
2. 上海海洋大学 港航生态安全研究中心, 上海 201306
船舶压载水是维持船体平衡，保障船舶航行安全的重要压舱物[1]，现已成为海洋外来生物入侵的主要载体之一[2-4]。为防控船舶压载水造成的生物入侵问题，国内外学者对到港船舶携带的浮游生物、微生物等进行了相关研究[5-11]。
海洋是开放的生态系统，生态状况受多方面环境因素的影响，形成了相应的海洋生物群落。天然海域海水进入压载舱后，水体环境发生了巨大变化，如缺乏光照、由流动性水体变为相对静止的水体、悬浮物逐渐沉降、与外界气体交换被阻隔等，形成了特殊的新生态系统。原海水中水生生物势必随之发生了相应演变。水体由开放的海洋环境进入黑暗封闭的压载舱环境后，其环境因子发生了哪些具体变化，其在压载舱中如何随压载时间而演变，又是如何影响水体生物群落的生态状况，目前尚没有具体的研究报道。本研究通过岸基模拟压载试验，系统分析了压载前后以及压载过程中的水体环境的变化规律，为进一步研究船舶压载水环境的变化对压载水生物影响，以及船舶压载水生物入侵的防控提供理论基础。
1 材料与方法模拟实验于2016年夏季和冬季在上海海洋大学船舶压载水检测实验室岸基试验基地进行。实验舱舱容600 m3，为全封闭钢筋混凝土结构，仅在舱体上部设有直径为100 cm的闭合式人孔。舱体内壁刷有船舱专用防腐漆，舱体壁不透光，且隔热性较好，受外界气温变化的影响小。实验前对舱体进行彻底清洗。通过模拟压载水加载操作过程，加载洋山港海域海水至实验舱。
加载前采集洋山港海域自然海水样本，加载后分别于第0，1，5，10，15和30天进行样品采集，第0天为加载完成当天，作为实验起始。现场使用WTW Multi 3430多参数水质分析仪测定水样pH、盐度(Sal)、温度(T)和溶解氧(DO)。亚硝酸盐(NO2-N)、铵盐(NH4-N)、硝酸盐(NH3-N)和磷酸盐(PO4-P)样品加入千分之二体积的三氯甲烷，总氮(TN)和总磷(TP)加入1.0 mL 50%硫酸溶液，样本置于冰盒内返回实验室，并采用CleverChem Anna-G全自动间断化学分析仪测定水体营养盐指标。
测定数据采用均值±标准差(Mean±SD)表示实验数据的数字特征。压载前后各实验点水质指标的差异比较采用配对样本t检验，显著性水平设置为0.05。数据处理采用统计软件SPSS 19.0，采用GraphPad Prism 5.0绘图。
2 结果与分析 2.1 光照强度自然海域光照强度大，压载舱是一个密封的环境，舱体内黑暗、无光照。水体由海洋压载入模拟舱后，进入了黑暗无光照的环境，水体表面的光照度在海面和压载舱中发生了巨大变化(图 1)。
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图 1 模拟压载实验过程中光照强度变化趋势
Fig. 1 Changes of light intensity during the simulation ballasting experiment
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夏季温度的变化范围是22.3~28.0 ℃，温度的明显变化发生在第1天，与原海水相比下降5.1 ℃，差异显著(t=72.501，P=0.000)。此后水温随外界环境气温逐步上升，第30天水温较1 d发生显著变化(t=-7.633，P=0.017)。冬季温度变化范围是9.9~12.8 ℃，压载后温度保持稳定，至第30天出现变化，水温较15 d下降1.6 ℃，并未产生显著差异(t=1.535，P=0.265, 图 2)。冬季天气监测情况表明，环境温度在第15天至30天时间段骤降，夜间气温低于0 ℃，可能由此引起舱内温度波动。
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图 2 模拟压载过程中温度变化趋势
Fig. 2 Changes of temperature during the simulation ballasting experiment
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夏季实验中盐度的变化范围是13.2~13.4，基本保持稳定，未有明显变化发生。冬季实验中盐度变化范围在20.6~21.1，变化范围较小，无显著差异(图 3)。冬季洋山港海域盐度水平明显高于夏季，是由于夏季长江和钱塘江等径流大量涌入，导致盐度明显下降，冬季各径流减少，盐度增加[12]。
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图 3 模拟压载过程中盐度变化趋势
Fig. 3 Changes of salinity during the simulation ballasting experiment
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pH在夏季试验中的变化范围是8.257~8.296，并未发生显著性变化(图 4)。冬季实验中，pH保持平稳，变化范围在7.816~7.871之间，无显著差异性变化。
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图 4 模拟压载过程中pH变化趋势
Fig. 4 Changes of pH during the simulation ballasting experiment
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夏季实验期间溶解氧的变化范围为7.68~8.21 mg/L，压载期间溶解氧呈下降趋势，30 d时水体溶解氧较原海水发生显著变化(t=14.552，P=0.005，图 5)，但仍保持在较高水平。冬季压载水中溶解氧变化范围为11.02~11.73 mg/L，在压载过程中未发生显著变化。
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图 5 模拟压载过程中溶解氧变化趋势
Fig. 5 Changes of DO during the simulation ballasting experiment
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夏季实验中浊度的变化范围为1.05~51.32 NTU，浊度变化在第5 d前下降趋势明显。原海水加载进入实验舱的过程中浊度已开始下降，第0天时浊度较原海水降低10.81 NTU，此时变化差异不显著(t=2.617，P=0.120)；随后，第1天水体浊度较第0天下降18.16 NTU，差异显著(t=5.566，P=0.031)；第5天水体浊度持续下降，较第1天降低13.53NTU，发生显著变化(t=8.686，P=0.013)(图 6)。此后水体浊度保持平稳。冬季实验中水体浊度的变化范围为0.73~290.81 NTU，压载期间浊度呈下降趋势。海水加载完成后，水体浊度已发生显著变化，第0天压载水浊度较原海水(t=26.143，P=0.001)差异极显著；第1天压载水浊度较原海水(t=23.094，P=0.002)差异极显著；第5天压载水浊度较原海水(t=38.598，P=0.001)差异极显著(图 6)。经过前5天的显著下降，此后水体浊度保持稳定，在第5天至30天的压载期间不发生显著变化。
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图 6 模拟压载过程中浊度变化趋势
Fig. 6 Changes of turbidity during the simulation ballasting experiment
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夏季实验中悬浮物的变化范围为0.049~0.156 g/L，压载期间呈下降趋势。第0天较原海水下降0.039 g/L，变化显著(t=8.182，P=0.015)；第1天再次降低0.039 g/L，下降显著(t=5.671，P=0.030)，此后保持稳定。冬季实验中悬浮物的变化范围为0.019~0.412 g/L，压载期间呈下降趋势。冬季实验中悬浮物主要变化发生在第1天，此时水体悬浮物较原海水下降0.318 g/L，波动极其显著(t=88.197，P=0.000)。随后，在第5天水体悬浮物含量再次显著降低(t=12.625，P=0.006)，降低至0.029 g/L。5 d后水体悬浮物含量保持稳定，无显著变化(图 7)。
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图 7 模拟压载过程中悬浮物变化趋势
Fig. 7 Changes of TSS during the simulation ballasting experiment
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夏季实验中总氮的变化范围为0.088~2.511 mg/L，呈先降低后上升的变化趋势。第5 d前总氮含量持续降低，第0天较原海水降低0.411 mg/L，此时差异显著(t=38.064，P=0.003)，第1天较第0天显著(t=35.068，P=0.001)下降0.292 mg/L，第5天与第1天保持平稳，第10天较第5天显著上升(t=6.514，P=0.023)至1.297 mg/L。第15天发生波动变化，呈显著性降低(t=12.250，P=0.007)。第30天水体总氮浓度上升达到最大值(2.511 mg/L)，较第15天发生显著变化(t=-31.734，P=0.001)。硝酸盐含量变化范围为0.478~1.091 mg/L，压载期间显著变化发生在第5天和第10天。第5天前水体硝酸盐含量保持稳定，无显著变化发生，第5天时发生显著性降低(t=16.540，P=0.004)，第10天持续下降至0.498 mg/L，较第5天差异显著(t=8.66，P=0.013)。此后硝酸盐含量保持稳定。氨氮浓度的变化范围为0.011~0.070 mg/L。海水加载进入实验舱后(第0天)氨氮浓度发生显著性下降(t=9.948，P=0.010)，降至0.011 mg/L。随后在第5天有所上升，但并无显著表现(t=-3.254，P=0.083)，此后压载至第30天均无显著变化发生。亚硝酸盐浓度变化范围为0.006~0.086 mg/L，第0天时较原海水显著降低(t=13.732，P=0.005)，此后维持在较低浓度水平，无显著变化。
冬季实验中总氮的变化范围为0.867~1.419 mg/L，压载期间波动较为平稳，仅10 d时浓度有所下降(0.867 mg/L)，较原海水差异极显著(t=-75.100，P=0.000)，此后上升至与原海水保持一致水平(图 8)。硝酸盐在冬季实验中的变化范围为0.232~0.685 mg/L，压载期间显著变化发生在第1天、第10天和第30天。其中，第1天较第0天显著降低(t=34.270，P=0.001)，随后在第5天显著升高至最大值(t=-47.096，P=0.000)，达到0.685 mg/L。第10天再次显著降低(t=54.930，P=0.000)，较第5天下降0.453 mg/L。随后在第15天显著上升(t=-247.400，P=0.000)，最后在第30天显著降低至0.265 mg/L(t=145.706，P=0.000)。亚硝酸盐变化范围为0.002~0.003 mg/L，氨氮变化范围为0.243~0.314 mg/L，亚硝酸盐和氨氮浓度无明显起伏，压载期间未有显著变化发生。
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图 8 模拟压载过程中氮素变化趋势
Fig. 8 Changes of nitrogen during the simulation ballasting experiment
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夏季实验中总磷浓度的变化范围为0.083~0.205 mg/L，第0天、第1天均保持稳定，无显著变化，第5天时显著增加达到最高值(t=-352.000，P=0.000)。此后不断下降，在第10天和第15天均发生显著变化。其中第10天总磷浓度较第5天下降0.083 mg/L，差异极显著(t=13.645，P=0.005)；第15天较第10天下降0.079 mg/L，差异极显著(t=20.867，P=0.002)；实验进行到第30天时总磷浓度上升，与第15天水体总磷浓度差异显著(t=-7.591，P=0.017)。正磷酸盐浓度变化范围为0.015~0.058 mg/L，表现出先上升后降低的变化趋势。第0天较原海水无显著变化，第1天发生显著性增长(t=-6.755，P=0.021)；第5天迅速降低0.036 mg/L，较第1天变化极显著(t=5.455，P=0.000)，第5天至第15天期间无显著变化，第30天水体正磷酸盐浓度较第15天显著上升(t=-8.575，P=0.013)至0.038 mg/L。
冬季实验中总磷浓度变化范围为0.023~0.141 mg/L，压载过程中呈明显下降趋势。第0天时海水加载完成未发生显著变化，第1天时水体总磷浓度发生显著降低(t=140.512，P=0.000)，较第0天减少0.093 mg/L。第5天水体总磷浓度较第1天下降0.035 mg/L，变化显著(t=26.500，P=0.001)。此后压载期间水体总磷浓度维持在较低水平，无显著变化(图 9)。正磷酸盐浓度变化范围为0.002~0.022 mg/L，表现出先下降后上升的变化趋势。第0天保持稳定，第1天起显著下降(t=13.000，P=0.006)，第5天降至最低值0.002 mg/L，较第1天差异显著(t=4.000，P=0.057)。此后的压载期间，水体正磷酸盐浓度无显著变化发生。
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图 9 模拟压载过程中磷素变化趋势
Fig. 9 Changes of phosphorus during the simulation ballasting experiment
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与自然海域相比，压载舱内光照条件发生巨大变化，舱门关闭后处于完全黑暗状态，这是由于压载舱的密闭性结构所导致的。光是浮游植物的光合作用的关键影响因子，黑暗、密闭的压载舱影响着压载水浮游植物种类组成和存活[13-15]。
压载舱中的水温基本稳定，但外界气温变化幅度大时，也会出现波动。夏季，由于模拟压载舱内太阳照射不到，自然海域气温高于模拟压载舱，导致海水加载到压载舱后第1天就发生显著的温度降低，其后则基本保持不变。冬季自然环境温度与压载舱温度基本一致，压载后水温变化不明显，但在后期气温急剧下降时，尽管舱体采用钢筋混凝土结构，具有一定的隔绝性，外界剧烈的温度变化仍对压载舱水体产生一定程度的影响。据相关报道，当船舶跨越不同的纬度带时，外界温度的剧烈变化会对压载水中浮游生物的存活造成极大影响[9, 16-17]。因而在海洋上航行的远洋船舶，在从低温到高温或高温到低温跨越温度变化巨大的海域时，外界的温度变化会影响到密封舱体中的压载水水温，并影响到压载水生物的生态状况[18-19]。
压载水加载后，溶解氧虽有消耗，但仍保持在较高水平，满足生物生存的需要，尤其是受到温度的影响，冬季的溶解氧更高。由于压载对大型生物容易造成机械性损伤致死，压载水中多为小型浮游生物，所以耗氧量低，且随生物丰度的不断降低，溶解氧含量波动减弱[20-21]。因此，溶解氧并非压载舱内生物存活的限制因子。
浊度和总悬浮物明显下降，且在较短的压载时间内完成大幅沉降，压载水处于相对静止的状态，海水加载进入舱体后大颗粒悬浮物质快速沉降，小型颗粒物质随着压载时间的延长继续沉降。悬浮颗粒物中含有机碳、有机氮、碳水化合物、蛋白质等有机成分，并对无机氮、磷营养盐具有吸附作用。压载水中悬浮物含量的降低意味着作为食物的有机碎屑沉降至低水层，表、中层生活的浮游生物不断失去该部分食物来源，但可能有利于处于底层的生物。浊度和悬浮物的变化极有可能影响着压载水中浮游生物的存活情况。
水体总氮含量在经过30 d压载后较原海水未发生明显变化。夏季，压载前5天总氮含量逐渐下降，此后波动上升。冬季，水体总氮含量基本保持稳定。压载前期由于存活生物的代谢消耗，总氮含量有所下降。随着浮游生物死亡后，细胞逐渐破裂，自溶释放的溶解有机质中含有大量较高活性的碳水化合物和氨基酸[22]。这些溶解态的有机质具有活性及生物可利用性，绝大部分被微生物利用降解。在压载舱黑暗的水体条件下，异养细菌对于溶解有机质的降解起主要作用[23]。夏季，水体存活生物数量较多，压载前期总氮含量下降趋势更为明显；同时，由于夏季较高的温度，微生物表现出更为高效的降解能力，使得压载后期总氮含量迅速上升。
在夏季模拟压载过程中，总磷含量发生剧烈波动，经过30 d后仍高于原海水。结合压载水实船调查发现，压载水中细菌的丰度会出现不降反升的情况，并且异养细菌为主要优势类群[24-25]。此类群细菌发挥的降解作用以及浮游植物的自溶解行为，使得水体中营养物质的含量保持在一定范围。冬季，由于温度较低，微生物降解能力受到影响，总磷含量在压载后期虽表现出逐渐上升的变化趋势，但仍然低于原海水。因此，尽管压载舱是一个完全封闭的载体，营养盐无法得到外来的补充，但是在经过长时间压载后，压载水中营养盐的含量依然能够满足浮游生物的生长需求，一旦压载水排载，浮游生物获得光照等其他条件后将大量繁殖，对目的港口造成生物入侵。
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