草魚不同混養(yǎng)模式的上覆水、間隙水及沉積物中各形態(tài)碳的分布特征*

熊瑩槐， 王　芳**， 陳　燕， 董雙林， 劉　峰

(1. 中國海洋大學(xué)教育部海水養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266003； 2. 山東省淡水漁業(yè)研究院， 山東 濟(jì)南 250000 )

?

草魚不同混養(yǎng)模式的上覆水、間隙水及沉積物中各形態(tài)碳的分布特征*

熊瑩槐1， 王芳1**， 陳燕1， 董雙林1， 劉峰2

(1. 中國海洋大學(xué)教育部海水養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266003； 2. 山東省淡水漁業(yè)研究院， 山東 濟(jì)南 250000 )

摘要：設(shè)定3種草魚(Ctenopharyngodon idellus)混養(yǎng)模式：草魚、鰱和鳙混養(yǎng)(GSB)，草魚、鰱、鳙和凡納濱對(duì)蝦混養(yǎng)(GSBL)，草魚、鰱、鳙和鯉混養(yǎng)(GSBC)。于2013年4—9月采集不同混養(yǎng)池塘的上覆水和底泥樣品，分析上覆水、表層間隙水及沉積物中各形態(tài)碳的含量及相關(guān)關(guān)系。研究顯示：(1)不同混養(yǎng)池塘表層間隙水中DOC和DIC含量顯著高于上覆水(P<0.05)，DOC和DIC含量在GSB、GSBC組中于8月出現(xiàn)最大值，而在GSBL組中于7月出現(xiàn)最大值；上覆水DOC和DIC含量在不同模式中的變化規(guī)律與表層間隙水基本一致。(2)上覆水和表層間隙水中DOC含量整體均表現(xiàn)為GSBC>GSBL>GSB， DIC含量整體均表現(xiàn)為GSBC>GSB>GSBL，各組間的DOC和DIC含量在8月的差異顯著(P<0.05)；表層沉積物TOC和TIC含量則整體均表現(xiàn)為GSB>GSBL>GSBC，在8、9月各組間TOC差異顯著(P<0.05)，而6、7月GSB組的TIC顯著高于其它2組(P<0.05)。(3)間隙水DOC、DIC和沉積物TOC、TIC垂直分布規(guī)律與養(yǎng)殖模式關(guān)系密切：總體而言，GSB、GSBL組僅在0~2cm變化明顯；GSBC組在0~2和2~4cm均有明顯變化，且2層含量在養(yǎng)殖中后期較接近。(4)上覆水DOC 和DIC含量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；上覆水DOC與表層間隙水DOC呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與表層沉積物TOC也呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著；上覆水DIC與表層間隙水DIC呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，而與表層沉積物TIC呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。間隙水及底泥中各形態(tài)碳含量的垂直分布特征主要受生物擾動(dòng)作用的影響，其次是擴(kuò)散作用。GSBC模式中間隙水及底泥中各形態(tài)碳含量受生物擾動(dòng)作用影響最明顯，GSBL模式次之。

關(guān)鍵詞：主養(yǎng)草魚池塘； 上覆水； 間隙水； 沉積物； DOC； DIC； TOC； TIC

XIONG Ying-Huai, WANG Fang, CHEN Yan, et al. Study on distribution of different carbon forms in overlying and sediment interstitial waters in different grass carp polyculture models [J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(3)： 22-30.

人類排放CO2等溫室氣體導(dǎo)致全球氣溫的升高[1-2]，這已經(jīng)成為人類面臨的主要挑戰(zhàn)。因此，研究各生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程和轉(zhuǎn)化機(jī)理已成為全球變化和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究中的熱點(diǎn)，同時(shí)也是當(dāng)前大型國際合作科學(xué)研究計(jì)劃的核心內(nèi)容[3-4]。目前，國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)海洋碳庫、大氣碳庫以及森林生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)等碳庫進(jìn)行了大量研究[5-11]。盡管淡水水域面積僅占陸地面積的2%，但其在全球碳循環(huán)中的地位極其重要[12-13]。然而，有關(guān)養(yǎng)殖池塘碳循環(huán)方面的研究鮮有報(bào)道。

沉積物-水界面存在的自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物影響著營養(yǎng)物質(zhì)的短暫儲(chǔ)存和釋放[14]，是池塘水體物質(zhì)物理、化學(xué)和生物作用藕合的主要場(chǎng)所[15]。另外，沉積物有機(jī)質(zhì)富集是養(yǎng)殖池塘的重要特征，有機(jī)質(zhì)的分解將驅(qū)動(dòng)營養(yǎng)物質(zhì)的釋放，其主要機(jī)制在于自身的礦化與底層厭氧狀態(tài)的形成[16]，而一定程度的生物擾動(dòng)作用可以充分改變沉積物的物理、化學(xué)和生物特性，影響池塘底部生物群落的結(jié)構(gòu)和演化[17-20]，進(jìn)而影響整個(gè)水體和沉積物間的物質(zhì)平衡。因此，開展養(yǎng)殖池塘沉積物-水界面碳分布特征的研究，探討上覆水與表層間隙水、沉積物中各形態(tài)碳的變化規(guī)律，對(duì)于了解池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)的碳循環(huán)過程有著十分重要的意義。

草魚(Ctenopharyngodonidellus)為典型的草食性魚類，是中國淡水養(yǎng)殖規(guī)模最大的品種，具有飼養(yǎng)技術(shù)簡單、適應(yīng)力強(qiáng)等特點(diǎn)。目前，山東省內(nèi)陸池塘草魚的養(yǎng)殖模式除了傳統(tǒng)的草魚、鰱(Hypophthalmichthysmolitrix)、鱅(Aristichthysnobilis)、鯉(Cyprinuscarpio)等大宗淡水魚類混養(yǎng)外，近幾年還出現(xiàn)了草、鰱、鱅和凡納濱對(duì)蝦(Litopenaeusvannamei)混養(yǎng)模式[21]。但有關(guān)這些混養(yǎng)模式下沉積物-水界面各形態(tài)碳的分布特征研究尚未見報(bào)道。為了更好地了解中國淡水池塘生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程及養(yǎng)殖生物對(duì)碳循環(huán)的影響，本文研究了以草魚為主養(yǎng)品種，3種混養(yǎng)模式下上覆水、表層間隙水及沉積物中各形態(tài)碳含量隨養(yǎng)殖時(shí)間的變化規(guī)律，探討上覆水與表層間隙水、沉積物中碳含量的相關(guān)關(guān)系，以期為未來深入開展淡水池塘碳循環(huán)過程的研究奠定基礎(chǔ)，為更全面的評(píng)價(jià)養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)提供參考。

1材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)池塘與設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)于2013年4—9月在山東省淄博市高青縣水產(chǎn)局示范場(chǎng)進(jìn)行。池塘規(guī)格基本一致，面積為0.25hm2，深度為(1.8±0.5) m。

實(shí)驗(yàn)樣品取自草魚3種養(yǎng)殖模式：草魚、鰱和鳙(GSB)，草魚、鰱、鳙和凡納濱對(duì)蝦(GSBL)，草魚、鰱、鳙和鯉(GSBC)混養(yǎng)。每種養(yǎng)殖模式分別在3口池塘中進(jìn)行，養(yǎng)殖生物的放養(yǎng)情況見表1，草魚、鰱、鳙和鯉于2013年4月中旬放入池塘，凡納濱對(duì)蝦于6月中旬放入。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，共采集6次樣品，每30天為一個(gè)采樣周期。于3種混養(yǎng)模式采集直徑5cm，高度在10~15cm的帶有上覆水的無擾動(dòng)沉積物樣品(采用王友紹等[22]設(shè)計(jì)的無擾動(dòng)沉積物采集器，D=5 cm，H=33cm)，采樣點(diǎn)為池塘一條對(duì)角線上的3個(gè)點(diǎn)，每次采樣點(diǎn)固定不變。

將最表層高度7cm的底泥分為3層：0~2, 2~4及4~7cm。上覆水用Whatman濾膜過濾，上清液加入HgCl2固定，保存于30mL白色玻璃瓶中，在-20℃下冷凍保存待分析。分離后的底泥樣品進(jìn)行恒溫離心(5 000r/min，15min)，間隙水上清液加入HgCl2固定，保存于10mL冷存管中，在-20℃下冷凍保存待分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的底泥經(jīng)風(fēng)干、研磨，過100目篩后干燥保存。

水樣中可溶性無機(jī)碳(DIC)和可溶性有機(jī)碳(DOC)使用TOC分析儀測(cè)定，泥樣中總有機(jī)碳(TOC)和總無機(jī)碳(TIC)使用元素分析儀(Vario ELⅢ，德國)測(cè)定。

表1　不同養(yǎng)殖模式下養(yǎng)殖生物放養(yǎng)情況(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

注： 字母 G、S、B、L、C依次代表草魚、鰱、鳙、凡納濱對(duì)蝦和鯉。

Note: The letters G, S, B, L and C represent grass carp, silver carp, big head,L.vannameiand carp, respectively.

①Breed; ②Ctenopharyngodonidellus; ③Density; ④Individual weight; ⑤Hypophthalmichthysmolitrix; ⑥Aristichthysnobilis; ⑦Litopenaeusvannamei; ⑧Cyprinuscarpio

1.3數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，不同養(yǎng)殖模式上覆水與表層間隙水、沉積物各形態(tài)碳含量做單因素方差分析(One-way ANOVA)，通過Duncan比對(duì)以比較單月內(nèi)不同養(yǎng)殖模式間的差異，方差分析前先進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)。以P<0.05作為差異顯著水平。用Pearson相關(guān)分析法，得到各月上覆水與表層間隙水、沉積物各形態(tài)碳含量之間的相關(guān)系數(shù)，以P<0.01作為極顯著相關(guān)，P<0.05作為顯著相關(guān)。

2結(jié)果

2.1上覆水與間隙水DOC的分布特征

上覆水DOC分布規(guī)律(見圖1)：整體而言，隨著養(yǎng)殖時(shí)間的推移，各組DOC濃度在5—8月呈上升的趨勢(shì)，9月有所下降。養(yǎng)殖初始DOC濃度差異較小，而8月各模式下DOC濃度增加了2~3倍(4月DOC含量為1.58~3.39mg/L，8月DOC含量為4.25~9.33mg/L)。就養(yǎng)殖模式而言，GSB組隨時(shí)間變化趨勢(shì)較為平緩，而GSBL、GSBC組在7、8月上升明顯，且GSBL組于7月出現(xiàn)最大值5.53 mg/L，顯著高于GSB組(P<0.05)；而GSB、GSBC組在8月出現(xiàn)最大值，分別為4.76和9.33mg/L，GSBC組顯著高于其余2組(P<0.05)。

間隙水DOC分布規(guī)律(見圖2)：表層間隙水中DOC濃度均顯著高于上覆水中濃度(P<0.05)；8月各模式中表層間隙水DOC濃度為上覆水的2倍以上，遠(yuǎn)高于上覆水，最高濃度可達(dá)25.68mg/L，而8月各模式中上覆水DOC濃度最高值僅為9.33mg/L。而間隙水中DOC濃度4月最低，8月濃度最高，隨深度增加變化明顯，且遠(yuǎn)高于其余月份。表層間隙水中DOC含量整體均表現(xiàn)為GSBC>GSBL>GSB，且在8月各組間差異顯著(P<0.05)。GSB組的DOC濃度在0~2cm隨養(yǎng)殖時(shí)間而不斷升高，于8月出現(xiàn)最大值10.09mg/L；在2~4cm的變化呈鋸齒狀，隨著時(shí)間先降低后升高；在4~7cm于8月出現(xiàn)最大值13.37mg/L。GSBL組的DOC濃度在0~2cm隨養(yǎng)殖時(shí)間而不斷升高，于7月出現(xiàn)最大值15.31mg/L；在2~4cm于7月出現(xiàn)最大值10.58mg/L；在4~7cm變化呈鋸齒狀，隨著時(shí)間先升高后降低。GSBC組的DOC濃度在0~2cm隨養(yǎng)殖時(shí)間而不斷升高，在8月出現(xiàn)最大值25.68mg/L；在2~4cm也于8月出現(xiàn)最大值26.62mg/L，此層6、7、8月的濃度與0~2cm非常接近；在4~7cm于4、5月的濃度較接近，到6月有所下降，而從7月起呈上升趨勢(shì)，到9月出現(xiàn)最大值20.13mg/L。

(字母GSB，GSBL和GSBC分別代表草魚、鰱、鳙模式，草魚、鰱、鳙、凡納濱對(duì)蝦模式和草魚、鰱、鳙、鯉模式，下同；DOC和DIC數(shù)值用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示(n=3)。The letters GSB, GSBL and GSBC represent grass carp, silver carp, big head model, grass carp, silver carp, big head,Litopenaeusvannameimodel and grass carp, silver carp, big head, carp model respectively, the same below. Values of DOC and DIC are given as means ± SD (n=3).)

圖1不同養(yǎng)殖模式下上覆水中DOC和DIC的分布

Fig.1The dissolved organic and inorganic carbon concentration of the overlying water in different culture models

圖2　不同養(yǎng)殖模式下間隙水中DOC和DIC的分布

2.2 上覆水與間隙水DIC的分布特征

上覆水DIC分布規(guī)律(見圖1)：整體而言，隨著養(yǎng)殖時(shí)間的推移，各組DIC濃度在5—8月呈上升的趨勢(shì)，9月濃度有所下降。養(yǎng)殖初始DIC濃度差異較小，而到8月份各模式下DIC濃度增加了1~2倍(4月DIC含量為38.03~51.90mg/L，8月DIC含量為82.43~104.49mg/L)。就養(yǎng)殖模式而言，GSB、GSBC組隨時(shí)間變動(dòng)趨勢(shì)相似，均在8月出現(xiàn)最大值，分別為95.71和104.49mg/L，GSBC組顯著高于其余2組(P<0.05)；而GSBL組在7月出現(xiàn)最大值91.05mg/L。

間隙水DIC分布規(guī)律(見圖2)：表層間隙水中DIC濃度均明顯高于上覆水中濃度；8月，各模式中表層間隙水DIC濃度與上覆水最接近，8月各模式中上覆水DIC濃度最高值達(dá)到104.49mg/L。此外，間隙水中DIC濃度4月最低，隨深度增加大致呈下降趨勢(shì)；8月濃度最高，隨深度增加變化明顯。表層間隙水中DIC含量整體表現(xiàn)為GSBC>GSB>GSBL，且在8月各組間差異顯著(P<0.05)。GSB組的DIC濃度在0~2cm隨養(yǎng)殖時(shí)間而不斷升高，于8月出現(xiàn)最大值122.72mg/L；在2~4cm的隨養(yǎng)殖時(shí)間而不斷升高，于9月出現(xiàn)最大值99.38mg/L；在4~7cm與2~4cm的變化規(guī)律一致，同樣于9月出現(xiàn)最大值71.20mg/L。GSBL組的DIC濃度在0~2cm于7月出現(xiàn)最大值125.01mg/L；而在2~4和4~7cm分別于8、9月出現(xiàn)最大值90.82和 66.50mg/L。GSBC組的DIC濃度在0~2和2~4cm隨養(yǎng)殖時(shí)間而不斷升高，分別于8月出現(xiàn)最大值136.02和121.76mg/L，且2層各月份的濃度非常接近，尤其在8月；在4~7cm隨養(yǎng)殖時(shí)間而不斷升高，于9月出現(xiàn)最大值94.51mg/L。

2.3 沉積物TOC的分布特征

沉積物TOC分布規(guī)律(見圖3)：各模式表層沉積物TOC含量4月最低，范圍在3.04~5.60mg/g；9月含量最高，范圍在10.97~16.60mg/g，含量增加了2倍左右。表層沉積物TOC含量整體均表現(xiàn)為GSB>GSBL>GSBC，且在8、9月差異顯著(P<0.05)。GSB組的TOC含量在0~2cm隨養(yǎng)殖時(shí)間而不斷升高，于9月出現(xiàn)最大值16.60mg/g；在2~4cm各月間無明顯變化，范圍在5.02~6.02mg/g；在4~7cm各月間含量接近，范圍在3.25~4.21mg/g。GSBL組的TOC含量在0~2cm隨養(yǎng)殖時(shí)間而不斷升高，于9月出現(xiàn)最大值11.27mg/g；在2~4cm層各月間無明顯變化，范圍在2.14~3.18mg/g；在4~7cm各月間含量接近，范圍在1.85~2.47mg/g。GSBC組的TOC含量在0~2和2~4cm隨養(yǎng)殖時(shí)間而不斷升高，分別于9月出現(xiàn)最大值10.97 和9.65mg/g，且2層各月份的含量非常接近；在4~7cm于5、6月均呈下降趨勢(shì)，到7月有所上升，于8月出現(xiàn)最大值5.99 mg/g。

圖3　不同養(yǎng)殖模式下沉積物中TOC和TIC的分布

2.4 沉積物TIC的分布特征

沉積物TIC分布規(guī)律(見圖3)：實(shí)驗(yàn)期間不同養(yǎng)殖模式下表層沉積物TIC含量變化范圍為9.56~22.10mg/g。表層沉積物TIC含量整體均表現(xiàn)為GSB>GSBL>GSBC，且GSB組在6、7月顯著高于其余2組(P<0.05)。GSB組的TIC含量在0~2cm隨養(yǎng)殖時(shí)間而不斷下降，于8月達(dá)到最小值14.89mg/g；在2~4cm變化規(guī)律與0~2cm一致，于8月出現(xiàn)最小值14.81mg/g；在4~7cm于4、5月含量接近，在6月呈下降趨勢(shì)，到9月出現(xiàn)最小值15.24mg/g。GSBL組的TIC含量在0~2cm隨養(yǎng)殖時(shí)間而不斷下降，于7月出現(xiàn)最小值11.16mg/g；在2~4cm前期無明顯變化，而在8月明顯下降，出現(xiàn)最小值13.04mg/g；在4~7cm于4月出現(xiàn)最大值19.49mg/g，5、6月呈下降趨勢(shì)，在6月出現(xiàn)最小值14.37mg/g，到7、8月呈上升趨勢(shì)，而在9月又有所下降。GSBC組的TIC含量在0~2和2~4cm隨養(yǎng)殖時(shí)間而不斷下降，分別于8月出現(xiàn)最小值9.56 和10.91mg/g，且2層在養(yǎng)殖中后期的含量較接近；在4~7cm與0~2cm的變化規(guī)律也基本一致，于8月出現(xiàn)最小值14.41mg/g。

2.5上覆水與表層間隙水、沉積物各形態(tài)碳含量的相關(guān)性

各月份上覆水與表層間隙水、沉積物各形態(tài)碳含量之間的相關(guān)分析結(jié)果見表2。

從表2可以看出，上覆水DOC 和DIC含量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；上覆水DOC與表層間隙水DOC呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與表層沉積物TOC也呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著；上覆水DIC與表層間隙水DIC呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，而與表層沉積物TIC則呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表2　Pearson相關(guān)系數(shù)

注： *P<0.05顯著相關(guān)，**P<0.01極顯著相關(guān)。*P<0.05 significant correlation，**P<0.01 extremely significant correlation.

①Correlation coefficient;②DOC of the overlying water; ③DIC of the overlying water; ④DOC of the interstitial water; ⑤TOC of the sediments; ⑥D(zhuǎn)IC of the interstitial water; ⑦TIC of the sediments ; ⑧DIC of the overlying water

3討論

3.1 上覆水、表層間隙水和沉積物中各形態(tài)碳含量的變化分析

本實(shí)驗(yàn)中，草魚3種養(yǎng)殖模式表層沉積物TOC均在9月達(dá)到最高，為10.97~16.60mg/g，與已有的報(bào)道一致[23]，說明草魚投餌養(yǎng)殖池塘，殘餌、糞便等有機(jī)碎屑的富集導(dǎo)致TOC含量的增加。而9月上覆水和表層間隙水中DOC含量較小，在水溫較高的7、8月(32~34℃)出現(xiàn)較大值，這是因?yàn)镈OC基本由腐殖質(zhì)和棕黃酸組成[24]，主要是由水生生物分解、分泌生成，除了受有機(jī)碳分解的影響外，還受水體中浮游植物的濃度及生長變化的影響[25]，而較高的水溫有利于微生物的活動(dòng)、藻類的分解和生產(chǎn)，在夏季會(huì)有一個(gè)增加的過程[26]。

7、8月表層沉積物中的TIC含量較低，達(dá)到9.56~15.53mg/g，而上覆水和表層間隙水中DIC含量較高，范圍分別為82.33~104.49和96.76~136.02mg/L。上覆水DIC含量與表層間隙水DIC呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與表層沉積物TIC則呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。這種各形態(tài)碳含量的變化可能是表層沉積物分解及環(huán)境理化因子改變的結(jié)果。據(jù)李學(xué)剛等[27]報(bào)道，TIC的主要成分為碳酸鹽， 可劃分為5種形態(tài)，其中NaCl相結(jié)合能力最弱，NH3·H2O相和NaOH相在堿性環(huán)境中能被溶出的無機(jī)碳。由此推測(cè)，在養(yǎng)殖池塘弱堿性的環(huán)境下，TIC含量的降低主要是NaCl相和NH3·H2O相無機(jī)碳的溶出，尤其在7、8月，隨著水溫升高(在8月出現(xiàn)最大值34℃)，pH不斷下降(在8月出現(xiàn)最小值，范圍在7.96~8.13)以及DO范圍在3.26~4.05mg/L，均促進(jìn)了TIC的溶出。

而9月表層沉積物中的TIC含量又有所回升，達(dá)到12.02~18.99 mg/g。這可能與鈣質(zhì)生物碎屑的沉降積累有關(guān)[28]。另外，TIC含量的上升與本實(shí)驗(yàn)中TN含量(數(shù)據(jù)待發(fā)表)變化一致，有研究表明沉積物氮含量的增加也可能會(huì)使NH3·H2O和NaOH相無機(jī)碳含量增加，其通過氨化和硝化作用促使碳酸鹽沉淀溶解平衡發(fā)生移動(dòng)[29]。從環(huán)境因子來看，在9月，由于溫度下降(25℃)，pH上升(8.37~8.52)，及DO升高(4.93~5.63mg/L)，制約了TIC的溶出，導(dǎo)致溶出量小于積累量，進(jìn)而出現(xiàn)TIC含量回升。

綜上所述，不同混養(yǎng)模式下上覆水、表層間隙水和沉積物中各形態(tài)碳含量之間有著密切關(guān)系。根據(jù)分析，可推測(cè)上覆水DOC 和DIC含量具有一定的同源性，且相互促進(jìn)。表層間隙水不斷積累DOC的同時(shí)向上覆水釋放；表層沉積物TOC的分解作用小于沉積作用，但對(duì)上覆水DOC含量的增加仍有一定促進(jìn)作用。表層間隙水不斷積累DIC的同時(shí)向上覆水釋放；表層沉積物TIC是上覆水DIC的來源之一。

3.2 上覆水、間隙水和沉積物中各形態(tài)碳含量的差異分析

沉積物的垂直變化呈現(xiàn)明顯沉降、降解、堆積三階段的分布特征[32-34]，沉降和降解階段各項(xiàng)指標(biāo)的波動(dòng)會(huì)受到底棲動(dòng)物擾動(dòng)的影響，生物擾動(dòng)既可以增大氧化層的下滲深度，也會(huì)把某些還原性的化合物從沉積物還原帶垂直輸送到氧化帶，或把有機(jī)物含量豐富的新近沉積物顆粒垂直輸送到沉積物深層，或排出一些酸性新陳代謝產(chǎn)物，改變沉積物的pH[35-36]。有研究表明，大型底棲動(dòng)物對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解主要通過翻動(dòng)顆粒，致使基質(zhì)暴露，增加表面積，增強(qiáng)有機(jī)質(zhì)的分解作用；其還能通過攝食、排泄和分泌，刺激細(xì)菌生長，增強(qiáng)再礦化作用[37]。因此，在養(yǎng)殖池塘配養(yǎng)底棲生物，將極大地影響物質(zhì)的再循環(huán)和埋藏速率[38-41]，加快由擴(kuò)散速率限制的反應(yīng)速度[42-43]。

本實(shí)驗(yàn)中，GSBL和GSBC模式分別配養(yǎng)凡納濱對(duì)蝦和鯉，其對(duì)沉積物有一定程度的擾動(dòng)作用，加速了有機(jī)質(zhì)的分解，所以整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期GSBL和GSBC模式表層沉積物TOC含量都低于GSB模式。另外，GSBL模式中的凡納濱對(duì)蝦在池塘底部主要進(jìn)行爬行活動(dòng)，爬行對(duì)底質(zhì)的擾動(dòng)深度據(jù)推測(cè)大約在0~2cm[44]；而GSBC模式中的鯉主要通過游動(dòng)進(jìn)行活動(dòng)，游動(dòng)對(duì)底質(zhì)的擾動(dòng)深度集中在1~5cm左右[45]。由此可見，鯉對(duì)底質(zhì)擾動(dòng)作用比凡納濱對(duì)蝦大，所以整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期GSBC模式表層沉積物TOC含量都低于GSBL模式；尤其在7、8月，鯉和凡納濱對(duì)蝦活動(dòng)都較活躍，對(duì)沉積物的擾動(dòng)作用較大，所以GSBC和GSBL模式表層沉積物TOC的積累量較少。同時(shí)，還表現(xiàn)在養(yǎng)殖中后期GSBC模式沉積物TOC含量在0~2和2~4cm層的含量接近。

另外，表層間隙水和上覆水DOC的含量整體上表現(xiàn)為GSBC模式最高，GSBL模式次之，GSB模式最低，這是由于擾動(dòng)作用不僅促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的分解生成DOC，而且使沉積物更為疏松，有利于間隙水中溶解物垂直方向上的遷移。因此，GSBC模式不僅在0~2cm的DOC含量高，且在上覆水和2~4cm的含量也較高；而GSBL模式由于凡納濱對(duì)蝦擾動(dòng)深度較淺，制約了間隙水中DOC向下的遷移，含量僅在0~2cm層較高，但仍利于向上覆水釋放。

表層間隙水和上覆水DIC含量整體表現(xiàn)為GSBC>GSB>GSBL，而表層沉積物TIC含量整體表現(xiàn)為GSB>GSBL>GSBC，表明擾動(dòng)作用對(duì)TIC的分解并不起到主導(dǎo)作用，其受理化環(huán)境的影響更大，但在垂直遷移上仍具一定影響。因此，間隙水DIC和沉積物TIC垂直分布特征與間隙水DOC和沉積物TOC一致。

4結(jié)論

(1)上覆水、間隙水及沉積物中各形態(tài)碳含量隨著養(yǎng)殖的進(jìn)行呈一定的動(dòng)態(tài)變化。

(2)上覆水DOC 和DIC含量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；上覆水DOC與表層間隙水DOC呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與表層沉積物TOC也呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著；上覆水DIC與表層間隙水DIC呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，而與表層沉積物TIC則呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

(3)間隙水及底泥中各形態(tài)碳含量的垂直分布特征主要受生物擾動(dòng)作用的影響，其次是擴(kuò)散作用。GSBC模式中間隙水及底泥中各形態(tài)碳含量受生物擾動(dòng)作用影響最明顯，GSBL模式次之，這是由于鯉對(duì)沉積物的擾動(dòng)作用較凡納濱對(duì)蝦大。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉篤正. 中國的全球變化與可持續(xù)發(fā)展研究 [J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 1999, 14(4): 317-318.

Ye D Z. Global change and sustainable development research in China [J]. Advance in Earth Sciences, 1999, 14(4): 317-318.

[2] Plass G N. The carbon dioxide theory of climatic change [J]. Tellus, 1956, 8(2): 140-154.

[3]劉文新. 地球的新陳代謝: 了解碳循環(huán) [J]. 人類環(huán)境雜志, 1994, 23(1): 4-12.

Liu W X. The metabolism of the earth: Understanding of the carbon cycle [J]. AMBIO, 1994, 23(1): 4-12.

[4]Vitousek P M. Beyond global warming: ecology and global change [J]. Ecology, 1994, 75(7): 1861-1876.

[5]Barnola J M, Raynaud D, Lorius C, et al. Vostok ice core provides 160, 000-year record of atmospheric CO2[J]. Nature, 1987, 329(1): 408-414.

[6]Chappellaz J, Barnola J M, Raynaud D, et al. Ice-core record of atmospheric methane over the past 160, 000 years [J]. Nature, 1990, 345(6271): 127-131.

[7]Mahowald N, Kohfeld K, Hansson M, et al. Dust sources and deposition during the last glacial maximum and current climate: A comparison of model results with paleodata from ice cores and marine sediments [J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 1999, 104(D13): 15895-15916.

[8]Friedli H, L?tscher H, Oeschger H, et al. Ice core record of the13C/12C ratio of atmospheric CO2in the past two centuries [J]. Nature, 1986, 324(6094): 237-238.

[9]Raynaud D, Jouzel J, Barnola J M, et al. The ice record of greenhouse gases [J]. Science, 1993, 259(5097): 926-934.

[10]莊亞輝, 李長生, 高拯民. 復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)元素循環(huán) [M]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 1996.

Zhuang Y H, Li Z S, Gao Z M . Compound ecosystem elements cycle [M]. Beijing: China Environmental Science Press, 1996.

[11] 方精云, 位夢(mèng)華. 北極陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)與全球溫暖化 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 1998, 18(2): 113-121.

Fang J Y, Wei M H. Carbon cycle in the arctic terrestrial ecosystems in relation to the global warming [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 1998, 18(2): 113-121.

[12]Cole J J, Prairie Y T, Caraco N F, et al. Plumbing the global carbon cycle: Integrating inland waters into the terrestrial carbon budget [J]. Ecosystems, 2007, 10(1): 172-185.

[13]Einsele G, Yan J, Hinderer M. Atmospheric carbon burial in modern lake basins and its significance for the global carbon budget [J]. Global and Planetary Change, 2001, 30(3): 167-195.

[14]吳豐昌, 萬國江, 蔡玉蓉, 等. 沉積物-水界面的生物地球化學(xué)作用 [J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 1996, 11(2): 191-197.

Wu F C, Wan G J, Cai Y R， et al. Biogeochemical processes at the sediment-water interface [J]. Advance in Earth Sciences, 1996, 11(2): 191-197.

[15]Anderson M A, Rubin A J. Adsorption of Inorganics at Solid-Liquid Interfaces [J]. Soil Science, 1982, 133(4): 257-258.

[16]劉華麗, 曹秀云, 宋春雷, 等. 水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘沉積物有機(jī)質(zhì)富集的環(huán)境效應(yīng)與修復(fù)策略 [J]. 水生態(tài)學(xué)雜志, 2011, 32(6): 130-134.

Liu H L, Cao X Y, Song C L， et al. Environmental effects of organic matter enrichment and restoration strategy in sediment of aquaculture ponds [J]. Journal of Hydroecology, 2011, 32(6): 130-134.

[17]Aller R C. Bioturbation and remineralization of sedimentary organic matter: effects of redox oscillation [J]. Chemical Geology, 1994, 114(3): 331-345.

[18]Aller R C. Quantifying solute distributions in the bioturbated zone of marine sediments by defining an average microenvironment [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1980, 44(12): 1955-1965.

[19]Wheatcroft R A, Jumars P A, Smith C R, et al. A mechanistic view of the particulate biodiffusion coefficient: step lengths, rest periods and transport directions [J]. Journal of Marine Research, 1990, 48(1): 177-207.

[20]Kostka J E, Gribsholt B, Petrie E, et al. The rates and pathways of carbon oxidation in bioturbated saltmarsh sediments [J]. Limnology and Oceanography, 2002, 47(1): 230-240.

[21]張振東, 王芳, 董雙林, 等. 草魚、鰱魚和凡納濱對(duì)蝦多元化養(yǎng)殖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究 [J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2011, 41(7): 60-66.

Zhang Z D, Wang F, Dong S L， et al. A preliminary study on structural optimization in polycultural systems ofCtenopharyngodonidelluswithHypophthalmichthysmolitrixandLitopenaeusvannamei[J]. Periodical of ocean university of China: natural science edition, 2011, 41(7): 60-66.

[22]王友紹, 徐繼榮. 一種無邊界擾動(dòng)的單管沉積物采樣器: 中國, 200410026847.3 [P]. 2004-04-13.

Wang Y S, Xu J R．A single pipe sediment sampler with noboundary perturbation: China, 200410026847.3 [P]. 2004-04-13.

[23]劉朋. 草魚不同混養(yǎng)系統(tǒng)有機(jī)碳, 氮和磷收支及變動(dòng)的初步研究[D]. 青島: 中國海洋大學(xué), 2012.

Liu P. A preliminary study on budget and variation of organic carbon, nitrogen and phosphorus of grass carp in different polyculture systems [D]. Qingdao: Ocean University of China, 2012.

[24]Hope D, Billett M F, Cresser M S. A review of the export of carbon in river water: fluxes and processes [J]. Environmental Pollution, 1994, 84(3): 301-324.

[25]楊頂田, 陳偉民. 長江下游湖泊中可溶性有機(jī)碳的時(shí)空分布 [J]. 環(huán)境污染與防治, 2004, 26(4): 275-277.

Yang D T, Chen W M. The temporal and spatial distribution of dissolved organic carbon in lakes at the lower reach of Chang jiang River [J]. Environment Pollution and Control, 2004, 26(4): 275-277.

[26]Ford T E, Ford S A, Lock M A, et al. Dissolved organic carbon concentrations and fluxes along the Moisie River, Quebec [J]. Freshwater Biology, 1990, 24(1): 35-42.

[27]李學(xué)剛. 近海環(huán)境中無機(jī)碳的研究[D]. 青島: 中國科學(xué)院海洋研究所, 2004.

Li X G. Studies on inorganic carbon in offshore environments [D]. Qingdao: Institute of Marine Research, Chinese Academy of Sciences, 2004.

[28]楊作升, 范德江, 郭志剛, 等. 東海陸架北部泥質(zhì)區(qū)表層沉積物碳酸鹽粒級(jí)分布與物源分析 [J]. 沉積學(xué)報(bào), 2002, 20(1): 1-6.

Yang Z S, Fan D J, Guo Z G， et al. Distribution of the carbonate clast size and the provenance analyses of the surface sediments in the northern East China Sea [J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2002, 20(1): 1-6.

[29]王曉亮. 黃河口無機(jī)碳輸送行為研究[D]. 青島: 中國海洋大學(xué), 2005.

Wang X L. A study of transportation behaviors of inorganic carbon in Huanghe Estuary [D]. Qingdao: Ocean University of China, 2005.

[30]DeFries R S, Malone T F. Global Change and Our Common Future: Papers from a Forum [M]. Washington, DC: National Academy Press, 1989.

[31]類延斌, 姚檀棟, 張恩樓, 等. 羌塘高原湖水δ13CDIC值特征及影響因素分析 [J]. 湖泊科學(xué), 2011, 23(5): 673-680.

Lei Y B, Yao T D, Zhang E L， et al. Characteristics of δ13CDICvalue in lakes on Qiangtang Plateau and its affected factors [J]. Journal of Lake Sciences, 2011(5): 673-680.

[32]Ruttenberg K C. Development of a sequential extraction method for different forms of phosphorus in marine sediments [J]. Limnology and Oceanography, 1992, 37(7): 1460-1482.

[33]Jensen H S, McGlathery K J, Marino R, et al. Forms and availability of sediment phosphorus in carbonate sand of Bermuda seagrass beds [J]. Limnology and Oceanography, 1998, 43(5): 799-810.

[34]Koch M S, Benz R E, Rudnick D T. Solid-phase phosphorus pools in highly organic carbonate sediments of northeastern Florida Bay [J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2001, 52(2): 279-291.

[35]Jensen H S, Thamdrup B. Iron-bound phosphorus in marine sediments as measured by bicarbonate-dithionite extraction [J]. Hydrobiologia, 1993, 253(1-3): 47-59.

[36]Herbert R A. Nitrogen cycling in coastal marine ecosystems [J]. FEMS Microbiology Reviews, 1999, 23(5): 563-590.

[37]Aller R C, Rude P D. Complete oxidation of solid phase sulfides by manganese and bacteria in anoxic marine sediments [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1988, 52(3): 751-765.

[38]Ferreira T O, Otero X L, Vidal-Torrado P, et al. Effects of bioturbation by root and crab activity on iron and sulfur biogeochemistry in mangrove substrate [J]. Geoderma, 2007, 142(1): 36-46.

[39]Wheatcroft R A. Time-series measurements of macrobenthos abundance and sediment bioturbation intensity on a flood-dominated shelf [J]. Progress in Oceanography, 2006, 71(1): 88-122.

[40]Mulsow S, Boudreau B P, Smith J A. Bioturbation and porosity gradients [J]. Limnology and Oceanography, 1998, 43(1): 1-9.

[41]Smith C R, Pope R H, DeMaster D J, et al. Age-dependent mixing of deep-sea sediments [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1993, 57(7): 1473-1488.

[42]Henderson G M, Lindsay F N, Slowey N C. Variation in bioturbation with water depth on marine slopes: A study on the Little Bahamas Bank [J]. Marine Geology, 1999, 160(1): 105-118.

[43]Chakrabarty D, Das S K. Bioturbation-induced phosphorous release from an insoluble phosphate source [J]. Biosystems, 2007, 90(2): 309-313.

[44]郭永堅(jiān). 草魚與凡納濱對(duì)蝦復(fù)合養(yǎng)殖池塘沉積物—水界面營養(yǎng)鹽動(dòng)態(tài)研究[D]. 青島: 中國海洋大學(xué), 2011.

Guo Y J. Study on Dynamics of Nutrients Across sediment-water interface in composite culture pond of grass carp (Ctenopharyngodonidellus) and shrimp (Litopenaeusvannamei) [D]. Qingdao: Ocean University of China, 2011.

[45]鐘大森, 王芳, 王春生, 等. 不同密度下的鯉魚擾動(dòng)作用對(duì)沉積物-水界面硝化, 反硝化和氨化速率的影響 [J]. 水生生物學(xué)報(bào), 2013, 37(6): 1103-1111.

Zhong D S, Wang F, Wang C S, et al. Effect on the bioturbation of carps in different density on denitrification , nitrification and nitrate ammonification rates on sediment-water interface [J]. Acta Hydrobiologica Sinica， 2013, 37(6): 1103-1111.

責(zé)任編輯朱寶象

Study on Distribution of Different Carbon Forms in Overlying and Sediment

Interstitial Waters in Different Grass Carp Polyculture Models

XIONG Ying-Huai1, WANG Fang1, CHEN Yan1, DONG Shuang-Lin1, LIU Feng2

(1.The Key Laboratory of Mariculture， Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266003, China; 2.Freshwater Fisheries Research Institute of Shandong Province, Jinan 250000, China)

Abstract:Overlying water and sediment samples were collected from grass carp (Ctenopharyngodon idellus) experimental ponds set at different culture models from April to September,2013.The characteri-stics of temporal-spatial distribution and correlation of carbon in overlying water, interstitial water of surface layer and sediment were analyzed. Three polyculture systems were studied, which included (1) GSB (grass carp, silver carp Hypophthalmictuthys molitrix and bighead carp Aristichthys nobilis), (2) GSBL (grass carp, silver carp, bighead carp and white shrimp Litopenaeus vannamei), and (3) GSBC (grass carp, silver carp, bighead carp and common carp Cyprinus carpio). The results showed that the concentrations of dissolved organic carbons (DOC) and dissolved inorganic carbons (DIC) in the interstitial water of surface layer were significantly higher than those in overlying water (P<0.05). DOC and DIC were all the highest in August for GSB and GSBC, but in July for GSBL. The trend of those in the overlying water was similar to that in the interstitial water of surface layer during farming time. In different culture models, the content of DIC in the interstitial water of surface layer and overlying water ranged from GSBC to GSB and GSBL, and that of DOC from GSBC to GSBL and then to GSB. The contents of DIC and DOC were significantly different among treatments in August (P<0.05). As to total organic carbon (TOC) and total inorganic carbon (TIC) in the sediment of surface layer, the distributions were ranged from GSB to GSBL and then to GSBC. The content of TOC was significantly different among treatments in August and September (P<0.05). And the content of TIC in the GSB were significantly higher than others in June and July (P<0.05). TOC in sediment of surface layer was all the highest in September for three models,but TIC were the lowest in July for GSBL and in August for GSB and GSBC.There was no significantly differe-nce in 2~4cm and 4~7cm for GSB and GSBL, except for GSBC in 2~4cm. The correlation analysis results demonstrated that DOC in overlying water was positively correlated with DIC in overlying water (P<0.01) and DOC in the interstitial water of surface layer (P<0.01), but negatively with TIC in the sediments (P<0.01). In addition, the results demonstrated a positive relationship of DIC in overlying water with that in the interstitial water of surface layer (P<0.01), but a negative relationship with TIC in the sediment of surface layer (P<0.01). Various types of carbon vertical distributions in interstitial water and sediment were mainly affected by bioturbation, followed by the diffusion. The bioturbation was the most significant in GSBC, secondly in GSBL. The reason was that the bioturbation of carp was even deeper than that of shrimp. Grass carp is considered as an economically important aquaculture species in China with the largest production. And reasonable cultivation model is the key to obtain higher economic benefit in grass carp ponds. At present, the study has not been reported on carbon cycle in the grass carp ponds, and this study provided a basis for the further research of carbon cycle in polyculture ponds.

Key words:grass carp polyculture pond; overlying water; interstitial water; sediment; dissolved organic carbon; dissolved inorganic carbon; total organic carbon; total inorganic carbon

DOI:10.16441/j.cnki.hdxb. 20150013

中圖法分類號(hào)：S96

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5174(2016)03-022-09

作者簡介：熊瑩槐(1990-)，男，碩士生。E-mail：xiongyinghuai@163.com**通訊作者:E-mail：wangfang249@ouc.edu.cn

收稿日期：2015-01-26；

修訂日期：2015-05-12

*基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2014CM042)；廣西海洋生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放性課題項(xiàng)目(GLMBT-201402)資助

引用格式：熊瑩槐， 王芳， 陳燕， 等. 草魚不同混養(yǎng)模式的上覆水、間隙水及沉積物中各形態(tài)碳的分布特征[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2016, 46(3)： 22-30.

Supported by Shandong province Natural Science Found Project (ZR2014CM042)；Open Project of Guangxi Key Laboratory for Marine Biotechnology (GLMBT-201402)