樟湖庫(kù)灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖對(duì)底層水體氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽變化的影響

曾 濤

(福建省淡水水產(chǎn)研究所，福建 福州 350002)

氮(N)、磷(P)是水生系統(tǒng)最重要的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖的可持續(xù)生產(chǎn)能力具有顯著影響。網(wǎng)箱養(yǎng)殖的投餌、排泄和同化等過程，大量N、P 等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在養(yǎng)殖區(qū)域沉積物中大量積累，通過沉積物-水界面交換作用再次活化，使底層水體成為“二次污染”的內(nèi)源[1]，尤其在細(xì)菌分解未吸收利用餌料中大量有機(jī)物過程中，導(dǎo)致底層水處于厭氧狀態(tài)，加速養(yǎng)殖區(qū)域水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程，給養(yǎng)殖業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重影響[2]。樟湖庫(kù)灣位于南平市延平區(qū)樟湖鎮(zhèn)東南方向，是一個(gè)相對(duì)封閉的庫(kù)灣，灣內(nèi)四季風(fēng)平浪靜，水質(zhì)優(yōu)良，初級(jí)生產(chǎn)力高，適合發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖。目前已有對(duì)樟湖庫(kù)灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖水域中水體N的各種形態(tài)分布特征及時(shí)空變化的研究[3]，但對(duì)網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)底層水體中N和P營(yíng)養(yǎng)鹽的含量變化特征及水體營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的研究還未見報(bào)道。深入研究該庫(kù)灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖底層水體氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的變化特征，評(píng)價(jià)水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化程度，為庫(kù)灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)的物質(zhì)平衡和養(yǎng)殖容量的優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這對(duì)庫(kù)灣水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 采樣位點(diǎn)及采樣方法

在樟湖庫(kù)灣設(shè)置3個(gè)采樣站位，分別為S1、S2、S3，站位分布如圖1，網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)分別為S1、S2，其中S1為常規(guī)投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域；S2為不投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域；S3為對(duì)照點(diǎn)(非養(yǎng)殖區(qū))，該點(diǎn)位近五年無(wú)網(wǎng)箱養(yǎng)殖。網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)主要以小型浮式框架型網(wǎng)箱養(yǎng)殖漁排為主，每組漁排由12～18個(gè)規(guī)格為6 m×10 m的養(yǎng)殖網(wǎng)箱構(gòu)成，常年養(yǎng)殖漁排數(shù)達(dá)15～20組，春季放苗，冬季收獲，網(wǎng)箱中每年放養(yǎng)魚苗的時(shí)間和數(shù)量大致相同。投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)養(yǎng)殖的品種主要為草魚，每個(gè)網(wǎng)箱養(yǎng)殖數(shù)量為3 000尾，養(yǎng)殖所用飼料主要為人工配合飼料，總氮(TN)和總磷(TP)含量分別為4.52%和0.34%，日投飼量約為魚體重的3%～10%。不投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)主要養(yǎng)殖品種為花白鰱，每個(gè)網(wǎng)箱養(yǎng)殖數(shù)量為150尾，不進(jìn)行任何人工飼料投喂。

于2018年4月(春季)、7月(夏季)和10月(秋季)共采樣3次。樟湖庫(kù)灣養(yǎng)殖水域水深范圍在13～20 m，不同季節(jié)采樣點(diǎn)水深見表2，用采水器在距離表層底泥0.5 m處采集底層水樣，現(xiàn)場(chǎng)用塞氏盤法測(cè)量透明度(SD)，并用 YSI 多功能分析儀(美國(guó)Alpkem公司)測(cè)定距表層底泥0.5 m處的水溫、pH 和溶解氧(DO)。每個(gè)采樣點(diǎn)采集水樣 4 瓶，其中，2 瓶為聚乙烯塑料瓶，1 瓶為棕色玻璃瓶。水樣采集后，一瓶聚乙烯塑料瓶加入硫酸調(diào)節(jié)pH小于1，用于TP測(cè)定；1瓶聚乙烯塑料瓶加入硫酸調(diào)節(jié)pH為1～2，用于TN、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)測(cè)定；棕色玻璃瓶加入碳酸鎂懸濁液，用于葉綠素a(Chl-a)測(cè)定；每個(gè)樣點(diǎn)采集3次平行水樣，所采水樣貼好標(biāo)簽后，儲(chǔ)存于裝有冰袋的保存箱中，送回實(shí)驗(yàn)室分析。

1.2 分析測(cè)定方法

1.3 水體營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

本文選取CODMn、TP、TN、Chl-a和SD共5項(xiàng)參數(shù)，以Chl-a作為基準(zhǔn)參數(shù)，采用營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI和綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑)對(duì)樟湖庫(kù)灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖底層水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：TLI(∑)﹤30為貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；30≤TLI(∑)≤50為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；TLI(∑)﹥50為富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；50﹤TLI(∑)≤60為輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；60﹤TLI(∑)≤70為中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；TLI(∑)﹥70為重度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。在同一營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下，指數(shù)值越高，其營(yíng)養(yǎng)程度越重。

營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI計(jì)算公式為：

TLI(Chl-a)=10(2.500+1.086In Chl-a)

(1)

TLI(TP)=10(9.436+1.624In Chl-a)

(2)

TLI(TN)=10(5.453+1.694In Chl-a)

(3)

TLI(SD)=10(5.118-1.941In Chl-a)

(4)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661In Chl-a)

(5)

式(1)～(5)中：Chl-a單位為μg/L；透明度SD單位為m；其他指標(biāo)單位為mg/L。

綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑)計(jì)算公式如下：

(6)

式(6)中：TLI(∑)為綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；TLI(j)代表第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

以Chl-a作為基準(zhǔn)參數(shù)，則第j種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重計(jì)算公式為：

(7)

式(7)中：rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)Chl-a的相關(guān)系數(shù)；m為評(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)。

表1 中國(guó)湖泊(水庫(kù))部分參數(shù)與Chl-a的相關(guān)關(guān)系Tab.1 The correlation between Chl-a and other parameters of lakes/reservoirs in China

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0、EXCEL 2007和Origin Pro 8.0軟件統(tǒng)計(jì)和分析及作圖，站位圖采用Suffer 8.0軟件進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果

2.1 網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)水體環(huán)境因子的季節(jié)變化

網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)與對(duì)照區(qū)底層水溫、pH、DO和Chl-a的季節(jié)變化見表2。由表2可以看出，投餌和不投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)的水體溫度季節(jié)平均值分別為25.8℃和26.0℃，略低于對(duì)照區(qū)水溫(26.1℃)，夏季水溫明顯高于其他季節(jié)，但同一季節(jié)養(yǎng)殖區(qū)和對(duì)照區(qū)之間水體溫度差異不大。底層水體pH與水溫季節(jié)變化趨勢(shì)相似，夏季最高、其次是春季、秋季最低；夏季投餌和不投餌養(yǎng)殖區(qū)水體pH分別顯著高于對(duì)照區(qū)1.14和0.57個(gè)單位(P<0.05)，但在春季和秋季水體pH與對(duì)照區(qū)沒有顯著差異(P>0.05)。養(yǎng)殖區(qū)DO的濃度變化范圍為3.13～6.78 mg·L-1，兩種養(yǎng)殖方式在不同季節(jié)對(duì)底層水DO的影響較小，對(duì)照區(qū)DO的濃度變化范圍為4.81～5.37 mg·L-1；從季節(jié)變化來(lái)看，養(yǎng)殖區(qū)春季DO濃度高于其他2 個(gè)季節(jié)，秋季最低，對(duì)照區(qū)春季DO顯著低于網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)(P<0.05)，但夏季和秋季DO高于網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)。網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)和對(duì)照區(qū)在不同季節(jié)的SD沒有差異變化，均呈現(xiàn)從春季到秋季降低的趨勢(shì)。網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)底層水體中COD的季節(jié)變化趨勢(shì)與SD一致，且在春季和夏季略高于對(duì)照區(qū)，但差異不明顯(P>0.05)，表明網(wǎng)箱養(yǎng)殖對(duì)該水域的高錳酸鹽指數(shù)影響程度較輕，尚未形成有機(jī)污染。對(duì)照區(qū)Chl-a的濃度變化范圍為11.8～30.4 μg·L-1，養(yǎng)殖區(qū)Chl-a的濃度變化范圍為9.1～35.8 μg·L-1；從季節(jié)變化來(lái)看，養(yǎng)殖區(qū)Chl-a濃度呈現(xiàn)夏季最高、其次為春季、秋季最低的特點(diǎn)，對(duì)照區(qū)夏季和秋季Chl-a濃度顯著高于春季(P<0.05)，此外，對(duì)照區(qū)春季和夏季Chl-a濃度低于養(yǎng)殖區(qū)，但秋季Chl-a濃度顯著高于養(yǎng)殖區(qū)(P<0.05)。

表2 樟湖庫(kù)灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)底層水體環(huán)境因子季節(jié)變化Tab.2 Seasonal variation in environmental parameters in bottom water of cage culture in Zhanghu reservoir bay

2.2 網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)水體氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的季節(jié)變化

表3 樟湖庫(kù)灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)底層水體氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽季節(jié)變化Tab.3 Seasonal variation of nitrogen and phosphate nutrients in bottom water of cage culturein Zhanghu reservoir bay

2.3 網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化程度評(píng)價(jià)

樟湖庫(kù)灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)依據(jù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)底層水體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。由表4可以看出，在單因子狀態(tài)指數(shù)中，TN、TP的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)最高，網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)底層水體TN、TP的TLI(∑)值均大于70，處于重度富營(yíng)養(yǎng)水平。除SD外，TN、TP、CODMn和Chl-a四個(gè)單因子營(yíng)養(yǎng)指數(shù)在不同季節(jié)均高于對(duì)照區(qū)。從3個(gè)調(diào)查季節(jié)的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)來(lái)看，網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)底層水體綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑)在不同季節(jié)均高于對(duì)照區(qū)，其中投餌和非投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)春季和夏季均處于重度富營(yíng)養(yǎng)水平，秋季處于中度富營(yíng)養(yǎng)水平，而對(duì)照區(qū)3個(gè)季節(jié)底層水體均處于中度富營(yíng)養(yǎng)。

表4 樟湖庫(kù)灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)底層水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 The comprehensive evaluation results of eutrophic status in the bottom water of cage culturein Zhanghu reservoir bay

3 討論

本研究針對(duì)樟湖庫(kù)灣投餌和不投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)的底層水質(zhì)與對(duì)照區(qū)進(jìn)行比較和討論，得出該庫(kù)灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖對(duì)水環(huán)境的影響。網(wǎng)箱養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的殘餌、排泄物等進(jìn)入水體后，除部分被水體微生物轉(zhuǎn)化為可利用的可溶態(tài)氮磷外，大部分沉積養(yǎng)殖區(qū)底層，在外界環(huán)境因子和生物作用下發(fā)生分解，其產(chǎn)物會(huì)導(dǎo)致底層水體pH值和DO濃度下降[5]。但在樟湖庫(kù)灣投餌和不投餌網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)水體pH夏季明顯高于對(duì)照區(qū)(P<0.05)，而溫度、DO與對(duì)照區(qū)的差異不大(P>0.05)，說(shuō)明庫(kù)灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖會(huì)增加底層水體pH，對(duì)水體溫度和DO的影響較小。這主要是由于在網(wǎng)箱養(yǎng)殖過程中，大量的殘餌和養(yǎng)殖魚類的代謝廢物等在網(wǎng)箱區(qū)底層水體積累，使得水中含有大量的氮磷營(yíng)養(yǎng)元素，導(dǎo)致葉綠素a含量明顯高于對(duì)照區(qū)(P<0.05)(表2)，水體中大量的藻類吸收水中二氧化碳，放出氧氣，導(dǎo)致水中pH升高，增加溶解氧，但當(dāng)富營(yíng)養(yǎng)化水平過高時(shí)(表4)，過度繁殖的藻類會(huì)引起水中溶解氧濃度迅速下降[6]。水體環(huán)境因子的季節(jié)變化結(jié)果表明，養(yǎng)殖區(qū)與對(duì)照區(qū)葉綠素a和pH夏季明顯高于其他季節(jié)(P<0.05)，這與水體中浮游植物的繁殖消長(zhǎng)的季節(jié)變化規(guī)律和對(duì)無(wú)機(jī)氮源的吸收有關(guān)。相關(guān)研究結(jié)果表明，夏季養(yǎng)殖水體和海域水體葉綠素a顯著高于其他季節(jié)，且與pH呈顯著正相關(guān)[5，7]。此外，養(yǎng)殖區(qū)在夏季由于魚類排泄物和殘餌等有機(jī)養(yǎng)分相對(duì)比較豐富，所以葉綠素a含量明顯高于對(duì)照區(qū)(P<0.05)(表2)。CODMn是反映水體中有機(jī)及無(wú)機(jī)可氧化物質(zhì)污染的重要指標(biāo)，本研究結(jié)果表明，網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)與對(duì)照區(qū)在不同季節(jié)底層水體與對(duì)照區(qū)變化差異不大，且呈現(xiàn)從春季到秋季逐漸降低的趨勢(shì)，這說(shuō)明網(wǎng)箱養(yǎng)殖活動(dòng)尚未在底層水體形成有機(jī)污染，可能是由于網(wǎng)箱養(yǎng)殖過程中不同季節(jié)投放餌料規(guī)律產(chǎn)生的有機(jī)廢物大部分以大顆粒態(tài)形式沉降到底泥中，殘存于水體中的那部分則可能在異氧細(xì)菌及浮游動(dòng)植物的作用下被快速消耗，降低了水體中有機(jī)物濃度，進(jìn)而導(dǎo)致CODMn呈現(xiàn)季節(jié)降低趨勢(shì)[8]。

網(wǎng)箱養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的有機(jī)廢物的分解產(chǎn)物(含N、P等)進(jìn)入水中，沉降到下層水體會(huì)增加發(fā)生水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)[15]。根據(jù)TP、TN、CODMn、Chl-a和SD等5項(xiàng)指標(biāo)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI和綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑)的評(píng)價(jià)方法，評(píng)價(jià)結(jié)果表明，樟湖庫(kù)灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)底層水體除了SD外，TLI值大小依次為TP>TN>CODMn>Chl-a，其中TLI(TP)和TLI(TN)最大，在不同季節(jié)均超過70，屬于重度富營(yíng)養(yǎng)，TLI(Chl-a)在48～64之間，屬于輕度和中度富營(yíng)養(yǎng)，但各指標(biāo)的TLI值在不同季節(jié)均高于對(duì)照區(qū)，這說(shuō)明網(wǎng)箱養(yǎng)殖活動(dòng)會(huì)加重底層水體富營(yíng)養(yǎng)化程度，影響底層水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因子是TN和TP。季節(jié)的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑)營(yíng)養(yǎng)化水平結(jié)果顯示，春季和夏季網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)屬于重度富營(yíng)養(yǎng)，到秋季水體轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸雀粻I(yíng)養(yǎng)(表4)，而對(duì)照區(qū)在三個(gè)季節(jié)均處于中度富營(yíng)養(yǎng)，這表明網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)底層水體營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)存在季節(jié)變化差異。春季和夏季水體營(yíng)養(yǎng)化水平主要與外源投餌及養(yǎng)殖魚類的代謝產(chǎn)物中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽輸入有關(guān)[3]，但在秋季整個(gè)樟湖庫(kù)灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)和對(duì)照區(qū)水體的富營(yíng)養(yǎng)化與樟湖庫(kù)灣水交換能力有關(guān)。前期研究認(rèn)為N營(yíng)養(yǎng)鹽是限制水體富營(yíng)養(yǎng)化和初級(jí)生產(chǎn)力的主要因素[16]，本研究的數(shù)據(jù)表明樟湖庫(kù)灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖在春季和夏季的水體富營(yíng)養(yǎng)化和初級(jí)生產(chǎn)力主要受P營(yíng)養(yǎng)鹽的控制，說(shuō)明樟湖庫(kù)灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖底層水體氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的季節(jié)性變化，會(huì)引起浮游植物種類組成和數(shù)量的變化，進(jìn)而影響?zhàn)B殖生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，樟湖庫(kù)灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖水體中春、夏季的TLI(TP)和TLI(TN)較高，進(jìn)入秋季，TLI(TP)和TLI(TN)及TLI(∑)降低(表4)，說(shuō)明在春季和夏季外界輸入N、P營(yíng)養(yǎng)鹽不均衡和養(yǎng)殖過程中投餌不規(guī)律可能會(huì)加劇養(yǎng)殖區(qū)底層水體的富營(yíng)養(yǎng)化，因此為降低網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化程度，樟湖庫(kù)灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)在春、夏季節(jié)應(yīng)選擇合理高效的投餌方式，提高餌料的利用率，也應(yīng)根據(jù)魚的體重和品種，科學(xué)調(diào)整投喂次數(shù)和投喂量，減少餌料進(jìn)入水體，從而降低輸入水體的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽含量。