生態(tài)綜合養(yǎng)殖池塘氮磷沉積研究

黃紅宣，胡雪怡，吳維鵬，李倨瑩

(1．漳州衛(wèi)生職業(yè)學院藥學系，福建 漳州 363000;2．廈門大學海洋與地球?qū)W院，福建 廈門 361102;3．廈門大學環(huán)境與生態(tài)學院，福建省海陸界面生態(tài)環(huán)境重點實驗室，濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，福建 廈門 361102)

0 引言

生態(tài)綜合養(yǎng)殖 (Integrated Multi-Trophic Aquaculture，IMTA)把投餌養(yǎng)殖品種和非投餌養(yǎng)殖品種混養(yǎng)在同一系統(tǒng)中，充分利用水體空間和生態(tài)位;能夠最大限度地利用投入系統(tǒng)中的營養(yǎng)物質(zhì)和能量，從而實現(xiàn)養(yǎng)殖效率或生產(chǎn)效率的最大化，以及養(yǎng)殖環(huán)境影響的最小化 (實現(xiàn)原位生態(tài)修復)[1]．生態(tài)養(yǎng)殖模式通過利用生物不同的生態(tài)位來增加養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的結構和空間層次性，從而減少對環(huán)境的負面影響，實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展．

氮 (N)、磷 (P)收支能夠揭示水體中重要營養(yǎng)物質(zhì)氮、磷的來源和歸宿，是評價養(yǎng)殖池塘中氮和磷的重要性、轉化效率及養(yǎng)殖污染程度的有效方法[2－6]．在以縊蟶(Sinonovacula constrzcta)為主的生態(tài)綜合養(yǎng)殖池塘中，縊蟶的生物沉積作用 (biodeposits)能夠?qū)︷B(yǎng)殖系統(tǒng)的營養(yǎng)鹽循環(huán)產(chǎn)生重要影響．Jordon[7]在對England鹽沼地瀉湖的貽貝種群的N收支情況的研究中發(fā)現(xiàn)貽貝吸收濾食顆粒氮的一半，另一半顆粒氮作為糞便 (faecalpellets)和假糞 (pseudofaecal)沉積下來;Kuenzler[8]研究了Georgia潮間帶鹽澤區(qū)貽貝種群磷的收支情況，結果表明種群內(nèi)大部分磷 (94%)形成糞便，最終以生物沉積方式沉積于底泥中．國內(nèi)專門對縊蟶生物沉積及養(yǎng)殖池塘氮磷沉積的研究較少．

本研究通過測定以縊蟶為主的生態(tài)綜合養(yǎng)殖池塘沉積物中的N、P含量和海水界面通量，并利用室內(nèi)模擬實驗估算出縊蟶生物沉積作用所產(chǎn)生的N、P，同時運用N、P平衡方程，分析沉積作用在池塘N、P輸出中所占的比例以及沉降導致池塘沉積物中N、P的累積可能給生態(tài)綜合養(yǎng)殖帶來的影響，為進一步探究提高養(yǎng)殖過程中N、P利用率的方法提供科學依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 實驗過程

實驗選用位于云霄漳江口南岸的中漳水產(chǎn)公司的養(yǎng)殖池塘．采樣池塘面積S池=0.5 hm2，水深50～60 cm，采樣期間水溫19～25℃、鹽度18～26．兩口池塘為一個養(yǎng)殖組 (如圖1所示)，養(yǎng)殖周期約為240 d，分貝類養(yǎng)殖池 (B池)和餌料藻類培育池 (A池)．在B池養(yǎng)殖縊蟶，在A池養(yǎng)殖凡納濱對蝦(Litopenaeus vannamei)和羅非魚 (Oreochromis niloticus aureus)．每天向A池投放對蝦飼料和小雜魚，同時投入碳酸氫銨和過磷酸鈣，用于培養(yǎng)餌料藻類．待A池水體成濃黃褐色后，將富含藻類的海水由B池排入A池，B池重新納入海水，待B池水色變澄清即大部分藻類被縊蟶攝食后，將B池水通過水渠排入海區(qū)，對B池進行干露．

圖1 生態(tài)綜合養(yǎng)殖池塘結構模式圖Fig.1 The structure of IMTA ponds

1.2 實驗方法

1)池塘底泥采集

于2012年3月中旬至5月底共90 d進行3次采樣．分別在A池和B池的4個角及池塘中央選取合適位置，分別設立為采樣點，標上編號，用長500 mm、內(nèi)徑90 mm的自制PVC采樣管在每個樣點四周1 m2范圍內(nèi)采集底泥—池塘水原樣，底泥采集深度約40 cm，將柱狀樣按深度10、20、30、40 cm切割成10 cm的樣段，每個樣段冷凍干燥研磨混勻后待測．

2)自然沉降沉積物采集

在A、B池選擇適當位置放一定數(shù)量的用玻璃培養(yǎng)皿制成的面積為78.5 cm2的沉積物捕集器，使捕集器底部正好接觸底泥表面，放置24 h后取出，將捕集器中采集到的沉積物用Milli－Q水沖洗過濾到濾紙膜上，用冷凍干燥器干燥后稱重測定．

3)底泥及沉積物總氮 (total nitroger，TN)、總磷 (total phosphorus，TP)的測定

底泥及沉積物樣品用冷凍干燥器干燥．凍干后的樣品用瑪瑙研缽研磨后過100目篩，低溫保存，待分析[9]．TN測定將低溫保存的樣品用蒸餾水脫鹽在烘箱中 (70℃)烘干后研磨成粉過60目分樣篩[10]，用元素分析儀 (Elementar Vario EL III)測定TN．TP采用酸熔一鉬銻抗分光光度法分析[11]．

4)上覆水與間隙水采集和測定

在藻類池和貝類池分別選取一個池水攪動較小的采樣點，將自制聚丙烯柱式采泥器垂直插入底泥中取底泥15 cm左右，靜止后用虹吸法分離出上覆水．底泥按照5、10、15 cm的深度分割成3個樣段，每個樣段切割成2 cm裝入離心管中，以5000 r/min離心20 min，虹吸法吸取上清液即為間隙水樣品．用Milli－Q將間隙水和上覆水稀釋后進行NH4+－N，NO2－－N，NO3－－N和PO43－－P的測定分析，方法參照《海洋調(diào)查規(guī)范第4部分:海水化學要素調(diào)查 《(GB12763.4—2007)》[12]．

5)沉積物－海水界面擴散通量分析方法

沉積物海水界面氮、磷營養(yǎng)鹽的通量估算采用Fick第一定律[13]:F=φ×DS(?Ci/?x)，DS=φnD0(φ〈0.7時，n=1;φ≥0.7時，n=2)，其中，F(xiàn)為沉積物－海水界面營養(yǎng)鹽擴散通量 (μmol·m－2·d－1)，φ表示沉積物孔隙度，?Ci/?x為界面濃度梯度，一般可用某一深度處間隙水與上覆水濃度差C/x估算，DS為總擴散系數(shù)，D0為理想溶液的擴散系數(shù)．

6)縊蟶生物沉積作用所產(chǎn)生的氮、磷測定

取養(yǎng)殖池內(nèi)一定數(shù)量的縊蟶用人工海水反復沖洗后稱重，再放入一只裝滿過濾海水 (0.45 μm醋酸纖維脂膜過濾)的塑料桶中，塑料桶直徑為30 cm、高為50 cm．放置一晝夜后取出縊蟶，取200 mL桶中水過濾到經(jīng)450℃馬弗爐灼燒的GF/F膜上，收集沉積物用蒸餾水脫鹽并烘干 (65℃，60～72 h)測定TN、TP．貝類池中縊蟶生物量的估算:在池中隨機選取4個位點，取樣范圍大小為30 cm、深度為40 cm，稱重及計算按照《海洋監(jiān)測規(guī)范 (GB 17378.7－1998)》[14]規(guī)定的方法進行．

2 實驗結果

2.1 藻類池、貝類池的沉積速度以及自然沉降一晝夜累積的N、P

沉積物捕獲器面積為S捕=78.5 cm2，實驗期內(nèi)A池沉積物捕獲器24 h累積沉積物平均為m沉A=0.35 g，B池沉積物捕獲器24 h累積沉積物平均為m沉B=0.11 g．則A池沉積速度為44.59 g·m－2·d－1;B池沉積速度為14.01 g·m－2·d－1．測定總磷時取處理后沉積物0.5 g用超純水稀釋至100 mL，獲得A池數(shù)據(jù)為CA=1.5 g/m3，B池數(shù)據(jù)為CB=0.9 g/m3．元素分析儀測得A池沉積物總氮的質(zhì)量分數(shù)ωA=0.086%，B池沉積物總氮的質(zhì)量分數(shù)ωB=0.037%．則A、B池自然沉降24 h累積的N、P:

2.2 藻類池、貝類池底泥TN、TP含量的垂直分布

3、4月TN、TP含量的測定值，取平均值后計算得養(yǎng)殖池塘不同深度氮、磷含量變化．由圖2可知藻類池中底泥的TN、TP含量在10～40 cm呈現(xiàn)隨著深度的增加而增加的趨勢，貝類池底泥中TN、TP含量則未出現(xiàn)此種趨勢．

2.3 沉積物－海水界面氮、磷的擴散通量

擴散通量計算用Fick第一定律，其中池塘孔隙度用實際測量的值，φ=0.5，NO3－－N，NO2－－N，NH4+－N，PO34－－P在理想溶液25℃下的擴散系數(shù)分別為19.9 ×10－6，19.1 ×10－6，19.8 ×10－6，7.45 ×10－6cm2·s－1[15]，由于水土界面物質(zhì)交換主要發(fā)生在沉積物表層0 ～10 cm 范圍內(nèi)[16]，?Ci/?x根據(jù)沉積物0 ～10 cm間隙水的平均濃度與上覆水濃度之差代替微分估算，采用Fick第一定律計算得養(yǎng)殖組一天的N、P釋放量為 (見表1):試驗期內(nèi) (90 d)池塘沉積物底泥通過擴散向上

層池水輸入的N，P分別為:m氮釋總=197．250×90≈17753 (g)，m磷釋總=16．150 ×90≈1453(g)．

圖2 養(yǎng)殖池塘底泥沉積物總氮總磷含量Fig.2 TN and TP of sediments in two ponds

表1 養(yǎng)殖池塘沉積物－海水界面擴散通量Tab．1 The sediment－ water interface diffusion flux of two ponds(mg·m －2·d －1)

2.4 貝類池縊蟶活動一晝夜累積的N、P

經(jīng)測定，貝類池的縊蟶活動一晝夜生物沉積量 (干品，包括殼)為5.88 mg/g，年沉積量約為2.12 g/g．縊蟶生物沉積作用產(chǎn)生的沉積物總磷質(zhì)量比為1.00 mg/g，總氮質(zhì)量比為4.20 mg/g，即氮的0.42%和磷的0.1%(質(zhì)量分數(shù))．貝類池縊蟶總生物量經(jīng)過估算為6.89×105g，則貝類池縊蟶活動一晝夜累計的N、P分別mSN=1.70×104mg，mSP=4.05×103mg．0.5 hm2的縊蟶90 d可產(chǎn)生約364.5 kg的糞便和假糞 (干品)，含有N、P分別為1.53 kg和0.36 kg．

2.5 養(yǎng)殖組在實驗期間N、P凈沉積量

養(yǎng)殖組實驗期間 (90 d)N、P凈沉積量MN、MP分別為

根據(jù)生態(tài)綜合養(yǎng)殖池塘的管理模式得出一個養(yǎng)殖周期N、P物質(zhì)平衡模式可表示為:化肥+飼料+幼苗+動力輸入+底泥釋放+其他=成體收獲+底泥沉積+動力輸出+其他．

實驗期間定期向藻類池內(nèi)投入氮肥和磷肥，期間還向水體中投放飼料，估算出90 d水體中的N、P總輸入見表2，實驗期間凈沉積量MN、MP占N、P輸出量 (質(zhì)量)的2.2%和5.8%．

表2 養(yǎng)殖池塘N、P輸入Tab．2 The input of N and P in two ponds(kg·hm－2)

3 討論

3.1 藻類池與貝類池底泥沉積物N、P的來源分析及分布

沉積物中N和P的形態(tài)分布受多種因素的影響，有時甚至幾種環(huán)境因素會共同產(chǎn)生作用．而隨著深度的改變，控制N和P形態(tài)的關鍵因子會發(fā)生變化，也有報道說其中沉積速率的影響顯著[17]．據(jù)文獻 [18－20]，在沉積物表層，無機N和P的含量一般都隨著深度的增加而增加，在次表層則一般趨于穩(wěn)定或變化較小，而有機N和P的垂直分布情況正好相反，并且隨著深度的增加，這種對應的分布性更趨明顯．本實驗養(yǎng)殖場藻類池與貝類池的使用年限均已超過20年．由于定期向藻類池投入無機氮肥和磷肥，大量的無機氮、磷透過沉積滲漏作用滲漏到底泥中，使藻類池中底泥N、P逐年累積，而池塘表層沉積物的N、P通過擴散作用擴散到上覆水中又通過每天的換水排水流失，從而使池塘表層沉積物N、P含量較低，底泥的N、P含量在10～40 cm呈現(xiàn)隨著深度的增加而增加的趨勢．貝類池由于每年投放縊蟶苗和收獲成體縊蟶時都是人工下池作業(yè)，再加上周期性的人為翻曬底泥及縊蟶的生物活動，使得貝類養(yǎng)殖池底泥上下攪動比較劇烈，N、P含量隨深度變化無規(guī)律．

3.2 縊蟶生物排泄作用對養(yǎng)殖池塘N、P循環(huán)的影響

濾食性雙殼貝類具有很強的濾食能力，它們能夠從水體中過濾或通過水動力學攝食大量細小的顆粒物質(zhì) (如浮游藻類、微生物、貝類幼蟲和中型浮游動物及其他碎屑)，然后對食物進行篩選并最終以糞和假糞的形式沉積下來．有研究表明從濾食性雙殼貝類排出的糞便和假糞被粘膜分泌的粘液粘在一起，比沒有粘在一起的顆粒物沉積速度明顯要快[21]．本實驗組測定表明實驗期內(nèi)貝類池的縊蟶活動一晝夜生物沉積 (干品，包括殼)為5.88 mg/g，年沉積量約為2.12 g/g，含有N 0.42%和P 0.1%(質(zhì)量分數(shù))，0.5 hm2的縊蟶90 d可產(chǎn)生約364.5 kg的糞便和假糞 (干品)，含有N、P分別為1.53 kg和0.36 kg．國外對貽貝的生物沉積有較多報道，Kautsky＆Evans[22]在北Baltic海對貽貝生物沉積速率的測定結果顯示每克包括殼重的貽貝每年生物沉積為1.76 g，這與本實驗對于縊蟶的測定結果相近;Jaramillo等[23]用現(xiàn)場測定法對南智利Queule河口灣潮下帶貽貝Choromytilus chorus和M.chilensis(密度為250～300 ind/m2，殼高75～90 mm)每年的平均生物沉積速率分別為271和234 g·m－2·a－1(干品)，前者生物沉積物中含22%有機物、6.4%C和0.3%N，后者含有機質(zhì)21%、C 6.0%和N 0.4%(質(zhì)量分數(shù))．本實驗生物沉積物中的N、P含量均高于上述報道，分析可能是養(yǎng)殖池塘投放過多肥料及飼料導致的．

濾食性貝類的生物沉降使養(yǎng)殖水域具備了營養(yǎng)滯留機制，減少了養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)顆粒物的外移[24]，大量的沉降物構成了豐富的營養(yǎng)物庫，經(jīng)礦化作用和再懸浮后又可重新進入水體營養(yǎng)鹽循環(huán)．然而這種營養(yǎng)滯留機制卻沒有得到有效的利用．以本實驗養(yǎng)殖池塘為例，貝類池每天納入排出藻類池水兩次，通過礦化作用和再懸浮后進入水體的營養(yǎng)鹽N以NO3－－N、NO2－－N、NH4+－N為主，P則以PO43－－P為主，這些營養(yǎng)鹽通過擴散作用進入上覆水，隨后通過水交換直接排入海區(qū)，不僅造成了這些生源要素的浪費，還加劇了養(yǎng)殖區(qū)海水的富營養(yǎng)化．

4 結論

在本研究中，生態(tài)綜合養(yǎng)殖池塘試驗期內(nèi)N、P凈沉積量分別為6061.5 g和3411 g，分別占N、P總輸出的2.2%和5.8%(質(zhì)量分數(shù))．貝類池試驗期內(nèi)可產(chǎn)生約364.5 kg的糞便和假糞 (干品)，其中含有N、P分別為1.53 kg和0.36 kg．藻類池中底泥的N、P含量呈現(xiàn)隨著深度的增加而增加的趨勢，而貝類池底泥中N、P含量則未出現(xiàn)此種趨勢，分析是由于縊蟶的養(yǎng)殖管理方式導致的．雖然生態(tài)綜合養(yǎng)殖模式在一定程度上提高了N、P的利用率，但從測定數(shù)據(jù)中可以看出藻類池和貝類池底泥中的N、P含量都較大且在沉積物－水體界面發(fā)生遷移轉化．試驗期內(nèi)池塘沉積物底泥中的N、P通過擴散向上層池水輸入分別達17.753 kg和1.454 kg，這些營養(yǎng)物質(zhì)在貝類池短暫停留后最終幾乎全通過水渠直接排入養(yǎng)殖區(qū)的近海中．由于海水養(yǎng)殖區(qū)大多位于近岸灘涂或港灣，水交換條件差，富含N、P的養(yǎng)殖廢水很容易造成局部海洋環(huán)境的惡化，還很可能導致赤潮的發(fā)生，威脅養(yǎng)殖生物的安全．因此，探索出能夠更高效利用N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的養(yǎng)殖模式，通過盡可能地提高N、P利用率來降低養(yǎng)殖成本，減少養(yǎng)殖污染是進一步研究的重點．在實踐中可根據(jù)實際情況，科學地選擇不同養(yǎng)殖品種進行組合，并對富含營養(yǎng)物質(zhì)的養(yǎng)殖廢水再次合理利用，真正達到生態(tài)綜合養(yǎng)殖的目的和效果．

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