生态综合养殖池塘氮磷沉积研究

黄红宣，胡雪怡，吴维鹏，李倨莹

(1．漳州卫生职业学院药学系，福建 漳州 363000;2．厦门大学海洋与地球学院，福建 厦门 361102;3．厦门大学环境与生态学院，福建省海陆界面生态环境重点实验室，滨海湿地生态系统教育部重点实验室，福建 厦门 361102)

0 引言

生态综合养殖 (Integrated Multi-Trophic Aquaculture，IMTA)把投饵养殖品种和非投饵养殖品种混养在同一系统中，充分利用水体空间和生态位;能够最大限度地利用投入系统中的营养物质和能量，从而实现养殖效率或生产效率的最大化，以及养殖环境影响的最小化 (实现原位生态修复)[1]．生态养殖模式通过利用生物不同的生态位来增加养殖区生态系统的结构和空间层次性，从而减少对环境的负面影响，实现水产养殖业的可持续发展．

氮 (N)、磷 (P)收支能够揭示水体中重要营养物质氮、磷的来源和归宿，是评价养殖池塘中氮和磷的重要性、转化效率及养殖污染程度的有效方法[2－6]．在以缢蛏(Sinonovacula constrzcta)为主的生态综合养殖池塘中，缢蛏的生物沉积作用 (biodeposits)能够对养殖系统的营养盐循环产生重要影响．Jordon[7]在对England盐沼地泻湖的贻贝种群的N收支情况的研究中发现贻贝吸收滤食颗粒氮的一半，另一半颗粒氮作为粪便 (faecalpellets)和假粪 (pseudofaecal)沉积下来;Kuenzler[8]研究了Georgia潮间带盐泽区贻贝种群磷的收支情况，结果表明种群内大部分磷 (94%)形成粪便，最终以生物沉积方式沉积于底泥中．国内专门对缢蛏生物沉积及养殖池塘氮磷沉积的研究较少．

本研究通过测定以缢蛏为主的生态综合养殖池塘沉积物中的N、P含量和海水界面通量，并利用室内模拟实验估算出缢蛏生物沉积作用所产生的N、P，同时运用N、P平衡方程，分析沉积作用在池塘N、P输出中所占的比例以及沉降导致池塘沉积物中N、P的累积可能给生态综合养殖带来的影响，为进一步探究提高养殖过程中N、P利用率的方法提供科学依据．

1 材料与方法

1.1 实验过程

实验选用位于云霄漳江口南岸的中漳水产公司的养殖池塘．采样池塘面积S池=0.5 hm2，水深50～60 cm，采样期间水温19～25℃、盐度18～26．两口池塘为一个养殖组 (如图1所示)，养殖周期约为240 d，分贝类养殖池 (B池)和饵料藻类培育池 (A池)．在B池养殖缢蛏，在A池养殖凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei)和罗非鱼 (Oreochromis niloticus aureus)．每天向A池投放对虾饲料和小杂鱼，同时投入碳酸氢铵和过磷酸钙，用于培养饵料藻类．待A池水体成浓黄褐色后，将富含藻类的海水由B池排入A池，B池重新纳入海水，待B池水色变澄清即大部分藻类被缢蛏摄食后，将B池水通过水渠排入海区，对B池进行干露．

图1 生态综合养殖池塘结构模式图Fig.1 The structure of IMTA ponds

1.2 实验方法

1)池塘底泥采集

于2012年3月中旬至5月底共90 d进行3次采样．分别在A池和B池的4个角及池塘中央选取合适位置，分别设立为采样点，标上编号，用长500 mm、内径90 mm的自制PVC采样管在每个样点四周1 m2范围内采集底泥—池塘水原样，底泥采集深度约40 cm，将柱状样按深度10、20、30、40 cm切割成10 cm的样段，每个样段冷冻干燥研磨混匀后待测．

2)自然沉降沉积物采集

在A、B池选择适当位置放一定数量的用玻璃培养皿制成的面积为78.5 cm2的沉积物捕集器，使捕集器底部正好接触底泥表面，放置24 h后取出，将捕集器中采集到的沉积物用Milli－Q水冲洗过滤到滤纸膜上，用冷冻干燥器干燥后称重测定．

3)底泥及沉积物总氮 (total nitroger，TN)、总磷 (total phosphorus，TP)的测定

底泥及沉积物样品用冷冻干燥器干燥．冻干后的样品用玛瑙研钵研磨后过100目筛，低温保存，待分析[9]．TN测定将低温保存的样品用蒸馏水脱盐在烘箱中 (70℃)烘干后研磨成粉过60目分样筛[10]，用元素分析仪 (Elementar Vario EL III)测定TN．TP采用酸熔一钼锑抗分光光度法分析[11]．

4)上覆水与间隙水采集和测定

在藻类池和贝类池分别选取一个池水搅动较小的采样点，将自制聚丙烯柱式采泥器垂直插入底泥中取底泥15 cm左右，静止后用虹吸法分离出上覆水．底泥按照5、10、15 cm的深度分割成3个样段，每个样段切割成2 cm装入离心管中，以5000 r/min离心20 min，虹吸法吸取上清液即为间隙水样品．用Milli－Q将间隙水和上覆水稀释后进行NH4+－N，NO2－－N，NO3－－N和PO43－－P的测定分析，方法参照《海洋调查规范第4部分:海水化学要素调查 《(GB12763.4—2007)》[12]．

5)沉积物－海水界面扩散通量分析方法

沉积物海水界面氮、磷营养盐的通量估算采用Fick第一定律[13]:F=φ×DS(∂Ci/∂x)，DS=φnD0(φ〈0.7时，n=1;φ≥0.7时，n=2)，其中，F为沉积物－海水界面营养盐扩散通量 (μmol·m－2·d－1)，φ表示沉积物孔隙度，∂Ci/∂x为界面浓度梯度，一般可用某一深度处间隙水与上覆水浓度差C/x估算，DS为总扩散系数，D0为理想溶液的扩散系数．

6)缢蛏生物沉积作用所产生的氮、磷测定

取养殖池内一定数量的缢蛏用人工海水反复冲洗后称重，再放入一只装满过滤海水 (0.45 μm醋酸纤维脂膜过滤)的塑料桶中，塑料桶直径为30 cm、高为50 cm．放置一昼夜后取出缢蛏，取200 mL桶中水过滤到经450℃马弗炉灼烧的GF/F膜上，收集沉积物用蒸馏水脱盐并烘干 (65℃，60～72 h)测定TN、TP．贝类池中缢蛏生物量的估算:在池中随机选取4个位点，取样范围大小为30 cm、深度为40 cm，称重及计算按照《海洋监测规范 (GB 17378.7－1998)》[14]规定的方法进行．

2 实验结果

2.1 藻类池、贝类池的沉积速度以及自然沉降一昼夜累积的N、P

沉积物捕获器面积为S捕=78.5 cm2，实验期内A池沉积物捕获器24 h累积沉积物平均为m沉A=0.35 g，B池沉积物捕获器24 h累积沉积物平均为m沉B=0.11 g．则A池沉积速度为44.59 g·m－2·d－1;B池沉积速度为14.01 g·m－2·d－1．测定总磷时取处理后沉积物0.5 g用超纯水稀释至100 mL，获得A池数据为CA=1.5 g/m3，B池数据为CB=0.9 g/m3．元素分析仪测得A池沉积物总氮的质量分数ωA=0.086%，B池沉积物总氮的质量分数ωB=0.037%．则A、B池自然沉降24 h累积的N、P:

2.2 藻类池、贝类池底泥TN、TP含量的垂直分布

3、4月TN、TP含量的测定值，取平均值后计算得养殖池塘不同深度氮、磷含量变化．由图2可知藻类池中底泥的TN、TP含量在10～40 cm呈现随着深度的增加而增加的趋势，贝类池底泥中TN、TP含量则未出现此种趋势．

2.3 沉积物－海水界面氮、磷的扩散通量

扩散通量计算用Fick第一定律，其中池塘孔隙度用实际测量的值，φ=0.5，NO3－－N，NO2－－N，NH4+－N，PO34－－P在理想溶液25℃下的扩散系数分别为19.9 ×10－6，19.1 ×10－6，19.8 ×10－6，7.45 ×10－6cm2·s－1[15]，由于水土界面物质交换主要发生在沉积物表层0 ～10 cm 范围内[16]，∂Ci/∂x根据沉积物0 ～10 cm间隙水的平均浓度与上覆水浓度之差代替微分估算，采用Fick第一定律计算得养殖组一天的N、P释放量为 (见表1):试验期内 (90 d)池塘沉积物底泥通过扩散向上

层池水输入的N，P分别为:m氮释总=197．250×90≈17753 (g)，m磷释总=16．150 ×90≈1453(g)．

图2 养殖池塘底泥沉积物总氮总磷含量Fig.2 TN and TP of sediments in two ponds

表1 养殖池塘沉积物－海水界面扩散通量Tab．1 The sediment－ water interface diffusion flux of two ponds(mg·m －2·d －1)

2.4 贝类池缢蛏活动一昼夜累积的N、P

经测定，贝类池的缢蛏活动一昼夜生物沉积量 (干品，包括壳)为5.88 mg/g，年沉积量约为2.12 g/g．缢蛏生物沉积作用产生的沉积物总磷质量比为1.00 mg/g，总氮质量比为4.20 mg/g，即氮的0.42%和磷的0.1%(质量分数)．贝类池缢蛏总生物量经过估算为6.89×105g，则贝类池缢蛏活动一昼夜累计的N、P分别mSN=1.70×104mg，mSP=4.05×103mg．0.5 hm2的缢蛏90 d可产生约364.5 kg的粪便和假粪 (干品)，含有N、P分别为1.53 kg和0.36 kg．

2.5 养殖组在实验期间N、P净沉积量

养殖组实验期间 (90 d)N、P净沉积量MN、MP分别为

根据生态综合养殖池塘的管理模式得出一个养殖周期N、P物质平衡模式可表示为:化肥+饲料+幼苗+动力输入+底泥释放+其他=成体收获+底泥沉积+动力输出+其他．

实验期间定期向藻类池内投入氮肥和磷肥，期间还向水体中投放饲料，估算出90 d水体中的N、P总输入见表2，实验期间净沉积量MN、MP占N、P输出量 (质量)的2.2%和5.8%．

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

3 讨论

3.1 藻类池与贝类池底泥沉积物N、P的来源分析及分布

沉积物中N和P的形态分布受多种因素的影响，有时甚至几种环境因素会共同产生作用．而随着深度的改变，控制N和P形态的关键因子会发生变化，也有报道说其中沉积速率的影响显著[17]．据文献 [18－20]，在沉积物表层，无机N和P的含量一般都随着深度的增加而增加，在次表层则一般趋于稳定或变化较小，而有机N和P的垂直分布情况正好相反，并且随着深度的增加，这种对应的分布性更趋明显．本实验养殖场藻类池与贝类池的使用年限均已超过20年．由于定期向藻类池投入无机氮肥和磷肥，大量的无机氮、磷透过沉积渗漏作用渗漏到底泥中，使藻类池中底泥N、P逐年累积，而池塘表层沉积物的N、P通过扩散作用扩散到上覆水中又通过每天的换水排水流失，从而使池塘表层沉积物N、P含量较低，底泥的N、P含量在10～40 cm呈现随着深度的增加而增加的趋势．贝类池由于每年投放缢蛏苗和收获成体缢蛏时都是人工下池作业，再加上周期性的人为翻晒底泥及缢蛏的生物活动，使得贝类养殖池底泥上下搅动比较剧烈，N、P含量随深度变化无规律．

3.2 缢蛏生物排泄作用对养殖池塘N、P循环的影响

滤食性双壳贝类具有很强的滤食能力，它们能够从水体中过滤或通过水动力学摄食大量细小的颗粒物质 (如浮游藻类、微生物、贝类幼虫和中型浮游动物及其他碎屑)，然后对食物进行筛选并最终以粪和假粪的形式沉积下来．有研究表明从滤食性双壳贝类排出的粪便和假粪被粘膜分泌的粘液粘在一起，比没有粘在一起的颗粒物沉积速度明显要快[21]．本实验组测定表明实验期内贝类池的缢蛏活动一昼夜生物沉积 (干品，包括壳)为5.88 mg/g，年沉积量约为2.12 g/g，含有N 0.42%和P 0.1%(质量分数)，0.5 hm2的缢蛏90 d可产生约364.5 kg的粪便和假粪 (干品)，含有N、P分别为1.53 kg和0.36 kg．国外对贻贝的生物沉积有较多报道，Kautsky＆Evans[22]在北Baltic海对贻贝生物沉积速率的测定结果显示每克包括壳重的贻贝每年生物沉积为1.76 g，这与本实验对于缢蛏的测定结果相近;Jaramillo等[23]用现场测定法对南智利Queule河口湾潮下带贻贝Choromytilus chorus和M.chilensis(密度为250～300 ind/m2，壳高75～90 mm)每年的平均生物沉积速率分别为271和234 g·m－2·a－1(干品)，前者生物沉积物中含22%有机物、6.4%C和0.3%N，后者含有机质21%、C 6.0%和N 0.4%(质量分数)．本实验生物沉积物中的N、P含量均高于上述报道，分析可能是养殖池塘投放过多肥料及饲料导致的．

滤食性贝类的生物沉降使养殖水域具备了营养滞留机制，减少了养殖区内颗粒物的外移[24]，大量的沉降物构成了丰富的营养物库，经矿化作用和再悬浮后又可重新进入水体营养盐循环．然而这种营养滞留机制却没有得到有效的利用．以本实验养殖池塘为例，贝类池每天纳入排出藻类池水两次，通过矿化作用和再悬浮后进入水体的营养盐N以NO3－－N、NO2－－N、NH4+－N为主，P则以PO43－－P为主，这些营养盐通过扩散作用进入上覆水，随后通过水交换直接排入海区，不仅造成了这些生源要素的浪费，还加剧了养殖区海水的富营养化．

4 结论

在本研究中，生态综合养殖池塘试验期内N、P净沉积量分别为6061.5 g和3411 g，分别占N、P总输出的2.2%和5.8%(质量分数)．贝类池试验期内可产生约364.5 kg的粪便和假粪 (干品)，其中含有N、P分别为1.53 kg和0.36 kg．藻类池中底泥的N、P含量呈现随着深度的增加而增加的趋势，而贝类池底泥中N、P含量则未出现此种趋势，分析是由于缢蛏的养殖管理方式导致的．虽然生态综合养殖模式在一定程度上提高了N、P的利用率，但从测定数据中可以看出藻类池和贝类池底泥中的N、P含量都较大且在沉积物－水体界面发生迁移转化．试验期内池塘沉积物底泥中的N、P通过扩散向上层池水输入分别达17.753 kg和1.454 kg，这些营养物质在贝类池短暂停留后最终几乎全通过水渠直接排入养殖区的近海中．由于海水养殖区大多位于近岸滩涂或港湾，水交换条件差，富含N、P的养殖废水很容易造成局部海洋环境的恶化，还很可能导致赤潮的发生，威胁养殖生物的安全．因此，探索出能够更高效利用N、P等营养物质的养殖模式，通过尽可能地提高N、P利用率来降低养殖成本，减少养殖污染是进一步研究的重点．在实践中可根据实际情况，科学地选择不同养殖品种进行组合，并对富含营养物质的养殖废水再次合理利用，真正达到生态综合养殖的目的和效果．

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