高位虾池养殖水对沟渠土营养盐的影响

唐少霞，王子爱，魏伊宁，傅雨萱，袁 莹，郑 苗，张 波

（海南师范大学地理与环境科学学院，海南 海口 571158）

高位虾池一般建于开放海区的潮间带以上区域，通过管道抽取外海水或经砂井过滤后的海水作为养殖用水，并利用地势落差排放养殖废水，每口虾池面积为 5 336～6 670 m2，深 3～4 m，高位虾池的内壁常用塑料薄膜或混凝土护坡，池底铺沙或地膜［1-2］。近年来，农业污染对我国水土环境的影响越来越受到社会各界的关注。茅尾海养殖区沉积物中重金属总含量呈递增趋势，潜在生态危害较大的是镉和汞［3］；全国平均单位耕地面积的畜禽氮污染负荷达138.13 kg/hm2，其中四川等6省市已达202.98 kg/hm2以上［4］；苏州市养殖老区东山镇，1个养殖周期中，养殖池塘通过沟渠排入外界的 TN、TP 含量分别为 21.25、2.34 kg/hm2［5］；南方河网地区典型养殖场的鱼塘及其附近河涌底泥的污染程度已相当严重［6］。目前国内外对高位虾池养殖的研究主要集中在水质对养殖的影响［7-8］、对虾养殖业的可持续发展对策［9］、养殖水体的净化方式及技术［10-16］。高位虾池养殖过程中投加的饲料磷和氮大约只有 9.1% 和17.4% 被虾消化［17］，除投入饵料外还需换海水、喷洒抗生素及消毒剂，一般每周换水1次，平均每667 m2虾塘换水量达 67 t。而这些养虾废水绝大部分未经处理便采用沟渠岸边排放方式进行排放［18］，富含残饵、排泄物和粪便的养殖污水直接排海，导致近岸海洋生物种类减少，生物多样性降低，藻类大量繁殖，近岸水域水质恶化或富营养化，赤潮时有发生［19-21］。此外，养殖尾水也导致养殖区土壤污染。王凌等［22］调查认为，三亚市崖城镇、东方市板桥镇、文昌市铺前镇和会文镇、儋州市排浦镇、万宁市龙滚镇等地均因高位池养殖造成部分农田盐碱化。对于高位虾池养殖废水造成沟渠土环境的污染研究鲜见报道。本研究以海口市东营镇虾塘养殖场为研究区，通过对养殖中、后期养殖水的分析以及对养殖排污沟渠中土壤沉积物的分析，旨在揭示高位虾池养殖对土壤生态风险的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

海口市东营镇地处南渡江以东3 km处，北临琼州海峡，东接海口桂林洋开发区，平均海拔4 m，土地面积约459 hm2，有高位虾塘28 hm2；属于热带季风气候区，冬季温暖少雨，夏季高温多雨。研究靶点（20°02′54″N，110°25′28″E）位置如图1A所示，该区域的虾池面积较小，一般每口虾池面积为667～1 334 m2，虾塘池壁均用土面或红砖砌成，并用水泥抹面，研究区未建污水处理设施，养殖废水通过管道或沟渠直接排入海域。本研究所选择的虾池通过沟渠排放废水，研究点距北面海岸360 m。

1.2 样品采集

对虾的养殖周期一般为4个月左右。本研究于虾塘养殖中期（2017年11月4日）及后期（2017年12月24日）17: 00对养殖池进行采样，养殖中期水样记为M1，养殖后期水样记为M2。采样期间天气晴朗，采样前1周内未下雨，采样点在池中央（距池边260 m）及池四周（距池边20 m），每次采集5个水样，每个水样 1 L ，将池中的5个水样放进干净的水桶中混和均匀，取1 L混合水样放置冰盒中带回实验室，避光保存于-4℃环境中 。

2017年12月24日在虾池排水口设采样点1，沿着排水渠每隔100 m设1个采样点，共设5个采样点，依次为1、2、3、4、5，如图1B，采样点1～4为裸露的沟渠，采样点5沟渠被两侧浓密的灌丛草本遮蔽，沟渠水最终流入近海。用柱状采泥器，按每隔10 cm间距分层采集0～10 cm、11～20 cm 2层底泥样品，每个土样取500 g，0～10 cm的土样记Bt，11～20 cm土样记为St。

图1 研究区位置（A）及采样点（B）

1.3 样品处理及检测

现场用WYY-Ⅱ便携式折射盐度计检测混合虾池水中的盐度；用PHB-1 型便携式 pH 计检测pH 值；用Thermo Orion 型号 810 便携式溶解氧仪检测溶解氧DO值。在实验室用高锰酸钾在酸性条件下氧化水中有机物以及还原性物质来检测CODMn含量，用优化后的钼酸铵分光光度法［23］测定水体中的氨氮、总磷含量。

土样带回实验室当天用恒温干燥箱在 80℃下烘干 24 h，冷却后取出除去明显杂物，研磨、混匀后过孔径为74 μm的筛，用Vario TOC检测仪测定排污沟渠土层中的TN（总氮）和TC（总碳），检测TOC时先准确称取过筛后土样m13 g，加10%盐酸浸泡去除无机碳，60℃下再烘24 h，烘干土样称重记m2，称取每个烘干样品10 mg，并将Vario TOC检测仪检测条件设置为：氧气压力为0.1 MPa、燃烧温度950℃、流速160～180 mL/min。该检测条件下10、20、50、100、200 mg标样绘制标准曲线的相关系数R为0.999809。每个土样每次测3个平行样，沉积物中的TOC含量等于土样沉积物中TOC的实测值乘以m2/m1。

2 结果与分析

2.1 养殖中、后期水质的对比

从表1可知，虾池养殖中、后期水体中的pH值、水温、盐度、OD值都在对虾养殖的适应范围［24］内，养殖中期的DO在最佳范围［25］内，但养殖后期DO值则随着耗氧微生物的增加而减少。养殖中期的氨氮和COD虽然在适应范围内，但养殖后期的氨氮和COD明显超出养殖适应范围值，养殖后期水体与养殖中期相比，氨氮含量增加了137%，COD含量增加了33%，与养殖适应范围上限值相比，氨氮超标1.94倍，COD超标1.17倍，可见养殖后期虾池水体中有机污染物明显增加。与广东汕尾市红海湾田乾镇东洲虾塘7月份采集的中后期养殖水的平均值［26］对比，氨氮含量偏高，但COD含量控制较好。

表1 虾池养殖中、后期养殖水体水质比较

2.2 废水沟渠土沉积物中营养盐的空间赋存

2.2.1 沟渠土沉积物中碳、氮含量的空间赋存特征 营养盐除了在水中迁移外，还会随水流在土壤中富集。水体-沉积物的交互作用会使营养盐在沉积物中沉积下来，沉积物中的氮主要来源于水体中有机物颗粒的沉降积累。从图2可看出，虾塘排水口附近采样点1和采样点2处沟渠土中的TC、TOC、TN均为深层土含量高于表层土，尤其是TC采样点3和采样点4也都是深层高于表层，采样点5的TC、TOC、TN变为深层土低于表层土，有可能与该采样点沟渠两侧为茂密植被枯枝叶的腐殖质有关。将沟渠中各检测点的TC、TOC、TN数据与距虾塘1 km上风区尚未开垦的草坪土背景值相比，TC、TOC超标6～48倍，采样点1～3深层土中的TN及采样点4中的TN均超标1倍（表2）。由此可见，受养殖废水的影响，虾塘排污沟中的营养盐有明显的积淀富集作用。

图2 沟渠各采样点中 TC、TOC、TN含量比较

表2 沟渠各采样点沉积物的碳、氮含量

2.2.2 沟渠土沉积物营养盐的生态毒性 以加拿大安大略省环境和能源部关于沉积物质量指南为参照［27］，沉积物中能引起最低级别生态毒性效应的TN、TOC 浓度分别为 550、10 000 mg/kg，具有严重级别生态毒性效应的TN、TOC浓度分别为 4 800、100 000 mg/kg［28］。沟渠土壤中TN的质量分数范围为 475～5 520 mg/kg、TOC质量分数范围分别为 4 019～1 6000 mg/kg，可见沟渠土沉积物中TOC质量分数范围全部在安全级别，TN除了采样点5的表土层属严重级别外，其他点的质量分数范围也在安全级别。

有机质含量通常也能反映沉积物的营养水平，是评价沉积物环境质量的重要特征指标。采用有机指数对沉积物进行评价，有机指数＜0.05，等级为Ⅰ（清洁）；0.05≤有机指数＜0.20，等级为Ⅱ（较清洁）；0.20≤有机指数＜0.50，等级为Ⅲ（尚清洁）；0.50≤有机指数，等级为Ⅳ（有机污染）。

有机指数 = 有机碳百分比×有机氮百分比［29］

有机氮百分比= 总氮百分比× 0.5

结果（表3）显示，10个采样点沉积物除5-Bt外有机指数总体保持在Ⅰ～Ⅱ区间，营养评级为清洁水平。

表3 沟渠沉积物有机指数评价结果

2.2.3 沟渠土沉积物中的C/N比 C/N比值反映土壤生物分解过程中C和N转化作用之间的密切关系，在正常耕地中，土壤生物获得平衡营养的土壤C/N比约为25。如果土壤C/N比值大于25，不仅表示土壤中N的含量不能满足细菌的需要，而且腐败菌类会迅速繁殖，加速土壤有机质的分解；而当C/N比值小于25时，微生物的分解作用会较快，有利于腐殖质形成［30］。沟渠土沉积物中的C/N比值虽然比背景土的大，但均介于2.8～16.0之间（表4），表明沟渠土沉积物中有机碳的腐殖化程度高、有机氮容易矿化，可以直接导致沟渠土沉积物中有机质分解和矿质氮的增加。

表4 沟渠各检测点沉积物的C/N比值

3 结论与讨论

由于高位虾池养殖过程中投加的饲料磷和氮大约只有 9.1% 和 17.4% 被虾消化［17］，在高密度养殖条件下，水体负荷重，容易导致养殖环境被破坏，水质恶化［31］，尤其是养殖后期残饵、排泄物的累积使得水质的控制难度加大。对养殖中、后期水体的对比研究，结果表明高位虾池养殖后期水体与养殖中期的相比，氨氮含量增加了137%，COD含量增加了33%，与养殖适应范围上限值相比，氨氮超标1.94倍，COD超标1.17倍，可见养殖后期虾池水体中有机污染物明显增加，胡晓娟等［32］研究也认为养殖中后期水体氮素水平的控制尤为重要。研究区高位虾池养殖后期水体与广东汕尾市红海湾田乾镇东洲虾塘7月份采集的中后期养殖水的平均值［26］对比，氨氮含量虽然偏高，但研究区养殖水体的COD含量控制较好。

本研究将沟渠土沉积物与背景土中所含的营养盐进行对比分析，结果显示，沟渠土沉积物中所含营养盐超标6～48倍，而且C/N也比背景值的大。严桦等［16］对鱼塘与河滩底泥的重金属研究，也表明鱼塘与河涌底泥各采样点中的 As、Cr、Cu、Pb、Zn 等重金属含量均明显高于区域背景值。从排污口往沟渠下游看，各采样点的营养盐含量基本为深层含量大于表层，说明养殖水体中富含的营养盐随着废水的排放在沟渠中有富集作用。王凌等［22］研究表明，海水养殖密集区的土壤比未养殖区有机碳含量增加 30%，总氮含量增加20%；陈文山等［33］研究也表明，养殖水体向周边土壤渗透会导致土壤盐碱化和污染。排污沟渠靠海边的第5个采样点TC、TOC、TN深层土的含量低于表层土，与沟渠两侧茂密的植被有一定关系。吕国红等［34］研究表明，大量的植物残骸是表层土有机碳、氮的重要来源。

白龙等［35］研究表明，自然生草（Wild grass）土壤中的 C/N在 13.56～21.39 之间，而且在自然生草土壤中，0～15 cm土层的土壤 C/N与氮素净硝化速率呈现显著负相关关系，即 C/N增加会对土壤硝化过程产生抑制作用；吕国红等［34］研究表明，土壤C/N随土壤深度的增加呈下降趋势，C/N比还与土壤温度、水分有一定关系。本研究期间，高位虾池排污沟渠沉积物中的C/N均介于2.8～16.0，C/N小于25，表明沟渠沉积土中有机碳的腐殖化程度高、有机氮容易矿化，有利于沟渠土沉积物中有机质分解形成腐殖质。但海南岛属于季风区，暴雨季节沟渠土中的C/N变化有待进一步研究。

本研究中，沟渠土沉积物中的营养盐对底栖生物可能引起的生态毒性效应为安全级别，与所研究沟渠连接的虾池面积较小、承接的养殖废水排放量较少有一定关系。罗先香等［28］采用综合潜在生态风险指数法对黄河口潮间带表层沉积物的营养元素进行过研究，结果也显示TN 和 TOC 质量分数范围在安全级别。