施用底改制劑對(duì)2種底質(zhì)池塘間隙水水質(zhì)的短期影響

董貫倉(cāng)，杜興華 (山東省淡水漁業(yè)研究院，山東 濟(jì)南 250013 山東省淡水水產(chǎn)遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250117)

譚圣延 (山東省濟(jì)寧市利民漁業(yè)專業(yè)合作社，山東 濟(jì)寧 272061)

楊海峰 (山東省濟(jì)寧市任城區(qū)漁業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，山東 濟(jì)寧 272008)

孫魯峰 (山東省淡水漁業(yè)研究院，山東 濟(jì)南 250013 山東省淡水水產(chǎn)遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250117)

靳坤 (山東省濟(jì)寧市任城區(qū)漁業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，山東 濟(jì)寧 272008)

作為我國(guó)當(dāng)前主要漁業(yè)生產(chǎn)方式,淡水池塘養(yǎng)殖因過(guò)度追求高產(chǎn)往往導(dǎo)致氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累[1，2]。但人們?cè)谳^多關(guān)注養(yǎng)殖水體富營(yíng)養(yǎng)化及其調(diào)控防治的同時(shí)，對(duì)底泥物質(zhì)富集及釋放治理的關(guān)注不足。已有研究表明，封閉式養(yǎng)殖池塘中54%～77%的氮和72%～89%的磷富集到池塘沉積物中[3]。而沉積物中的氮磷又會(huì)通過(guò)分子擴(kuò)散和濃度梯度進(jìn)入水體[4]，并且沉積物內(nèi)源氮磷占據(jù)池塘水體氮磷來(lái)源相當(dāng)?shù)谋壤齕5]，從而造成對(duì)養(yǎng)殖水體的潛在威脅。因此，加強(qiáng)池塘底質(zhì)的調(diào)控管理是保持良好養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境的重要環(huán)節(jié)。

生石灰因清塘效果好、價(jià)格便宜及簡(jiǎn)單易操作等優(yōu)勢(shì)而曾廣泛應(yīng)用于清塘處理[6]，但目前因人工成本增加、尾水排水受限等原因，其使用受到一定限制。伴隨水產(chǎn)養(yǎng)殖的生態(tài)、綠色、高效和可持續(xù)發(fā)展，底質(zhì)改良劑被廣泛應(yīng)用并成為水產(chǎn)養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展的重要標(biāo)志[7]。但在漁業(yè)生產(chǎn)中，為追求即時(shí)底改效果及降低人工成本，常存在過(guò)量施用底改制劑的操作，而其實(shí)施效果、潛在影響及所需輔助措施尚不得而知。同時(shí)，間隙水作為池塘中連接沉積物與上覆水進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)鹽交換的重要媒介，其不同形態(tài)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在沉積物-水界面氮循環(huán)系統(tǒng)中扮演重要角色[8]。此外，由于不同類型的底質(zhì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的儲(chǔ)存和釋放以及表面微生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成的差異，對(duì)養(yǎng)殖水體及養(yǎng)殖生物的影響不同[9，10]。為此，該研究選取傳統(tǒng)的生石灰和新興的化學(xué)性底質(zhì)改良劑，分別針對(duì)沙質(zhì)及泥質(zhì)2種底質(zhì)類型的養(yǎng)殖池塘，以底質(zhì)與水體營(yíng)養(yǎng)交換中間環(huán)節(jié)的間隙水為研究對(duì)象進(jìn)行了短期的跟蹤監(jiān)測(cè)并進(jìn)行比較分析，以期為優(yōu)化淡水池塘養(yǎng)殖過(guò)程中的底質(zhì)調(diào)控措施提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在山東省濟(jì)寧市任城區(qū)2處沙質(zhì)底和泥質(zhì)底的0.67hm2養(yǎng)殖池塘中進(jìn)行，平均水深1.3m，主養(yǎng)草魚(yú)并套養(yǎng)少量鯉魚(yú)、鰱魚(yú)和鳙魚(yú)。每池塘分別設(shè)置8個(gè)4m×4m×2.5m的雙面涂塑高密度聚乙烯編織布圍隔，間距為2m。試驗(yàn)用底改制劑中，生石灰購(gòu)自濟(jì)寧建材市場(chǎng)，經(jīng)碾壓至直徑0.5cm以內(nèi)的顆粒；底質(zhì)改良劑采用市售化學(xué)性底質(zhì)改良劑，主要成分為過(guò)硫酸氫鉀復(fù)合鹽和增效劑等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)底質(zhì)改良劑建議量與加倍量(WN、WD)和生石灰常規(guī)量與加倍量(GN、GD)等4個(gè)底改處理并應(yīng)用于泥質(zhì)和沙質(zhì)2種底質(zhì)池塘(見(jiàn)表1)，并于底改制劑投放前(0h)及其后的1、2、4、8、24h共采樣6次。

表1 不同試驗(yàn)處理底改制劑施用情況

1.3 樣品采集與測(cè)定

用自制采泥器采集表層10cm以上的底泥樣品，每圍隔隨機(jī)采集3處底泥后混合并進(jìn)行離心(8000r/min，10min)，取間隙水上清液，使用多功能水質(zhì)分析系統(tǒng)和紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì)Pharo 300(Merck，德國(guó))及其配套檢測(cè)試劑進(jìn)行氨氮、亞硝氮、總氮、總磷含量和化學(xué)需氧量(COD)等指標(biāo)的檢測(cè)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)整理使用Office Excel 2010軟件，單因素方差分析(ANOVA)及Duncan多重比較采用SPSS 21.0軟件，并以P<0.05作為差異顯著性水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 底改前2種底質(zhì)池塘的水體與間隙水水質(zhì)狀況

2處池塘的養(yǎng)殖水體與間隙水水質(zhì)狀況見(jiàn)表2。由表2可知，2種底質(zhì)養(yǎng)殖水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量均較高，除泥質(zhì)底水體COD屬地表水V類水質(zhì)外，各水體氨氮、總氮、總磷質(zhì)量濃度和COD均屬地表水劣V類水質(zhì)，并且沙質(zhì)底水體中氨氮、總氮和總磷質(zhì)量濃度顯著低于泥質(zhì)底(P<0.05)，沙質(zhì)底水體亞硝氮質(zhì)量濃度和COD顯著高于泥質(zhì)底(P<0.05)；同時(shí)，2種底質(zhì)池塘間隙水中多數(shù)營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度較水體更高，其中僅沙質(zhì)底間隙水中總磷質(zhì)量濃度和COD比水體稍低，并且沙質(zhì)底間隙水氨氮、總磷質(zhì)量濃度和COD顯著低于泥質(zhì)底(P<0.05)，沙質(zhì)底間隙水亞硝氮質(zhì)量濃度顯著高于泥質(zhì)底(P<0.05)。

表2 2種底質(zhì)池塘的水體與間隙水水質(zhì)狀況

2.2 底改后2種底質(zhì)池塘的間隙水水質(zhì)變化情況

1)氨氮 施用底改制劑后，除沙質(zhì)底SWN處理間隙水氨氮質(zhì)量濃度呈現(xiàn)逐步下降趨勢(shì)外，各處理間隙水氨氮質(zhì)量濃度先稍下降后顯著上升并再次下降至初始質(zhì)量濃度及以下(見(jiàn)圖1)。其中，沙質(zhì)底間隙水氨氮質(zhì)量濃度除SWN處理呈逐步下降趨勢(shì)外，其余處理均先于2h降至較低水平后逐步上升至8h較高水平再于24h逐步下降，至試驗(yàn)?zāi)㏒WN、SWD、SGN和SGD處理氨氮質(zhì)量濃度分別為(5.17±1.00)mg/L、(5.88±0.02)mg/L、(9.29±0.24)mg/L和(7.59±0.13)mg/L，其中生石灰處理較底質(zhì)改良劑處理的氨氮質(zhì)量濃度偏高；在泥質(zhì)底池塘中，底質(zhì)改良劑處理于1～2h及生石灰處理于2～4h降至較低水平后均于8h達(dá)到較高水平并于24h逐步下降，至試驗(yàn)?zāi)㎝WN、MWD、MGN和MGD處理氨氮質(zhì)量濃度分別為(6.52±0.20)mg/L、(8.00±0.02)mg/L、(6.29±0.11)mg/L和(7.58±0.37)mg/L，加倍施用量處理的氨氮質(zhì)量濃度在試驗(yàn)?zāi)┢摺?/p>

2)亞硝氮 試驗(yàn)期間，2種底質(zhì)池塘的間隙水亞硝氮質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)不同(見(jiàn)圖2)。沙質(zhì)底間隙水亞硝氮質(zhì)量濃度呈現(xiàn)波動(dòng)并逐漸上升趨勢(shì)，至試驗(yàn)?zāi)㏒WN、SWD、SGN和SGD處理亞硝氮質(zhì)量濃度分別為(0.038±0.003)mg/L、(0.082±0.010)mg/L、(0.042±0.001)mg/L和(0.068±0.006)mg/L，并且加倍施用量處理的亞硝氮質(zhì)量濃度在試驗(yàn)?zāi)┢撸荒噘|(zhì)底間隙水亞硝氮?jiǎng)t整體呈波動(dòng)并逐步下降趨勢(shì)，至試驗(yàn)?zāi)㎝WN、MWD、MGN和MGD處理亞硝氮質(zhì)量濃度分別降至(0.034±0.003)mg/L、(0.029±0.003)mg/L、(0.014±0.000)mg/L和(0.041±0.001)mg/L，不同底改制劑和施用量間變化趨勢(shì)基本一致。

3)總氮 試驗(yàn)期間，各處理間隙水總氮質(zhì)量濃度先顯著上升后顯著下降(見(jiàn)圖3)，且除SWN處理外均在8h時(shí)具有顯著較高的總氮質(zhì)量濃度。沙質(zhì)底間隙水總氮質(zhì)量濃度均先上升后逐步下降，至試驗(yàn)?zāi)㏒WN、SWD、SGN和SGD處理總氮質(zhì)量濃度分別為(8.41±0.08)mg/L、(12.81±1.13)mg/L、(25.81±2.06)mg/L和(15.92±1.49)mg/L，并且加倍施用量在8h時(shí)具有明顯較高的總氮質(zhì)量濃度；泥質(zhì)底間隙水總氮質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)與沙質(zhì)底基本一致，但其在8h時(shí)均較高且加倍施用量更高，并且此時(shí)底質(zhì)改良劑不同施用量處理間差異更大，至試驗(yàn)?zāi)㎝WN、MWD、MGN和MGD處理總氮質(zhì)量濃度均顯著降低，分別為(11.37±0.73)mg/L、(13.74±0.86)mg/L、(11.69±0.46)mg/L和(16.13±0.86)mg/L。

4)總磷 試驗(yàn)期間，間隙水中總磷質(zhì)量濃度波動(dòng)變化趨勢(shì)不一(見(jiàn)圖4)。沙質(zhì)底間隙水總磷質(zhì)量濃度呈波動(dòng)而無(wú)明顯規(guī)律；泥質(zhì)底間隙水總磷質(zhì)量濃度則呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，試驗(yàn)?zāi)㎝WN、MWD、MGN和MGD處理總磷質(zhì)量濃度分別下降至(2.58±0.32)mg/L、(2.56±0.49)mg/L、(1.79±0.30)mg/L和(2.41±0.09)mg/L。

5)COD 試驗(yàn)期間，2種底質(zhì)池塘的間隙水COD多呈波動(dòng)上升趨勢(shì)(見(jiàn)圖5)。沙質(zhì)底各處理間隙水COD基本呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，至試驗(yàn)?zāi)㏒WN、SWD、SGN和SGD處理COD分別為(47.75±1.81)mg/L、(58.48±0.62)mg/L、(56.66±0.44)mg/L和(52.16±4.65)mg/L，不同底改制劑和施用量間變化趨勢(shì)基本一致；泥質(zhì)底中，底質(zhì)改良劑處理間隙水COD雖波動(dòng)但無(wú)明顯規(guī)律，生石灰處理則呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，但不同施用量間無(wú)明顯差異，至試驗(yàn)?zāi)㎝WN、MWD、MGN和MGD處理COD分別為(49.02±2.82)mg/L、(45.43±1.73)mg/L、(59.72±1.72)mg/L和(59.95±2.04)mg/L。

3 討論

在池塘系統(tǒng)中，底質(zhì)與水體共同組成養(yǎng)殖生物的生活空間，并共同組成了池塘內(nèi)物質(zhì)能量循環(huán)系統(tǒng)且影響著水體的環(huán)境狀況[11]。同時(shí)，不同底質(zhì)類型具有不同的理化特性，越小顆粒的底泥比表面積越大并具有更強(qiáng)的吸附能力[12]。而3種典型的養(yǎng)殖池塘底質(zhì)中，沙質(zhì)底多貧瘠而漏水漏肥，黏土質(zhì)底易肥且保持長(zhǎng)久，粉沙土質(zhì)底則介于兩者之間[13]。該研究中，除沙質(zhì)底間隙水的總磷質(zhì)量濃度和COD外，2種底質(zhì)的間隙水中多數(shù)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量濃度顯著高于水體(P<0.05)，表明了底泥特別是沉積淤泥具有較高的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)富集能力；同時(shí)，沙質(zhì)底間隙水氨氮、總磷質(zhì)量濃度和COD顯著低于泥質(zhì)底，僅亞硝氮質(zhì)量濃度顯著高于泥質(zhì)底(P<0.05)，表明了泥質(zhì)底具有更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累。同時(shí)，不同底質(zhì)的養(yǎng)殖池塘中，沙質(zhì)、粉沙土質(zhì)和黏土質(zhì)底質(zhì)的保持肥力能力依次增強(qiáng)[13]，表明了不同底質(zhì)釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能力的差異。魏嵐等[14]研究認(rèn)為底泥內(nèi)源氮磷的釋放與底泥機(jī)械組成有關(guān)，其中總氮和總磷釋放量與底泥黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)，且總氮的釋放量與底泥砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，細(xì)顆粒底泥氮磷釋放是上覆水體氮磷的主要來(lái)源。在該研究中，除沙質(zhì)底間隙水亞硝氮持續(xù)升高而泥質(zhì)底波動(dòng)下降、沙質(zhì)底間隙水總磷波動(dòng)但無(wú)顯著變化而泥質(zhì)底波動(dòng)下降外，2種底質(zhì)間隙水氨氮、總氮質(zhì)量濃度和COD的變化趨勢(shì)基本一致。該研究中不同類型底質(zhì)的間隙水主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)基本一致，可能與該研究主要跟蹤了底改制劑施用前期的間隙水急劇變化過(guò)程以及底改制劑對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放的干擾有關(guān)。此外，底泥營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放還受溫度、pH、溶解氧、動(dòng)力條件、上覆水營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度等諸多因素的影響[15]，因而不同類型底質(zhì)在不同改良措施下?tīng)I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放及其對(duì)水環(huán)境的長(zhǎng)期影響有待進(jìn)一步研究。

同時(shí)，底質(zhì)作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的富集庫(kù)，影響著養(yǎng)殖池塘的水體環(huán)境乃至直接影響?zhàn)B殖生物[10，16]。因此，底質(zhì)改良成為淡水池塘養(yǎng)殖的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，而定期施用底改制劑則是有效改善底質(zhì)環(huán)境的重要途徑。生石灰是養(yǎng)殖池塘日常清塘、消毒等管理傳統(tǒng)用環(huán)保藥物，遇水變成碳酸鈣能使淤泥變得松軟，改善底泥通氣條件，加速底泥有機(jī)質(zhì)分解，釋放出淤泥吸附的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素[17]；復(fù)合過(guò)硫酸氫鉀復(fù)合鹽消毒劑作為第五代最新型改底產(chǎn)品，施用后具有松動(dòng)底質(zhì)、使解毒后的殘餌等微粒懸浮形成有機(jī)絮團(tuán)等功能[18]。該研究中，在不同底質(zhì)池塘施用2種底改制劑后，在沙質(zhì)底池塘生石灰處理間隙水氨氮質(zhì)量濃度在試驗(yàn)?zāi)└哂诘踪|(zhì)改良劑，在泥質(zhì)底池塘底質(zhì)改良劑處理間隙水氨氮質(zhì)量濃度于1～2h及生石灰處理于2～4h降至較低水平，在泥質(zhì)底池塘底質(zhì)改良劑處理間隙水COD稍波動(dòng)而生石灰處理則波動(dòng)上升，除上述差異外，間隙水主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)基本一致，這可能與兩者均為松動(dòng)底質(zhì)、加速沉積有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放的化學(xué)作用方式有關(guān)[17，18]。

此外，受原材料購(gòu)置及人工投入等多方面因素制約，當(dāng)前淡水池塘養(yǎng)殖較少進(jìn)行清塘處理，往往以新型底質(zhì)改良劑取代傳統(tǒng)的生石灰進(jìn)行底質(zhì)調(diào)控，而且為追求即時(shí)效果時(shí)常盲目加大底改制劑的施用量。唐紹林[19]針對(duì)養(yǎng)殖生產(chǎn)中化學(xué)性底質(zhì)改良劑的使用指出，一些改底劑可促進(jìn)“底皮”上浮而將底部有機(jī)質(zhì)帶入水體，并建議于養(yǎng)殖前中期開(kāi)始使用且中后期應(yīng)于晴天進(jìn)行；同時(shí)，其長(zhǎng)期大劑量的使用容易抑制藻類繁殖，甚至?xí)鸬撞可锷L(zhǎng)受阻和底質(zhì)的板結(jié)。該研究中，在泥質(zhì)底池塘中，生石灰和底質(zhì)改良劑在不同施用量下均促進(jìn)了總氮和COD等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)自沉積物向間隙水的釋放，且不同底改制劑施用量下間隙水主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)基本一致，可能與泥質(zhì)底具有較強(qiáng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸附和緩沖能力有關(guān)[12，13]；在沙質(zhì)底池塘中，雙倍施用生石灰進(jìn)一步降低了間隙水氨氮質(zhì)量濃度，并導(dǎo)致了亞硝氮、總氮質(zhì)量濃度和COD的升高，雙倍施用底質(zhì)改良劑則導(dǎo)致了間隙水亞硝氮、總氮質(zhì)量濃度和COD的升高，可見(jiàn)加倍施用顯著提升了沙質(zhì)底間隙水主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量濃度，對(duì)促進(jìn)沉積物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放的作用更為明顯。而底質(zhì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的急劇釋放，可能會(huì)導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)鹽由沉積物大量涌入上覆水體，短時(shí)間造成池塘水體環(huán)境系統(tǒng)的不穩(wěn)定[20]，因而沙質(zhì)底池塘應(yīng)采用稍低的底改制劑施用管理并配合合理的水環(huán)境調(diào)控措施。由此可見(jiàn)，池塘養(yǎng)殖的底改過(guò)程可依據(jù)生產(chǎn)實(shí)際選擇化學(xué)性底質(zhì)改良劑或生石灰，并建議參考推薦量或常規(guī)量施用底改制劑，而且在底改制劑施用的同時(shí)應(yīng)輔助做好水環(huán)境調(diào)控措施。