凡纳滨对虾池塘沉积物中氮、磷形态的赋存特征

刘金金, 张玉平,李晓蓓

凡纳滨对虾池塘沉积物中氮、磷形态的赋存特征

刘金金, 张玉平,李晓蓓

（上海市水产研究所，上海 200433）

研究凡纳滨对虾（）养殖池塘沉积物中氮、磷形态的赋存特征。于对虾养殖周期的前、中和后期对池塘沉积物采样，测定和分析沉积物中各形态氮和磷含量。对虾养殖池塘沉积物中总氮质量分数（1 131.36±349.00）mg/kg，有机氮平均占总氮的74.14%，养殖中期总氮及有机态氮含量相对较高。无机氮主要为固定态铵，平均占75.71%，可交换态氮主要由硝态氮和氨态氮组成。总磷质量分数（854.17±254）mg/kg，主要磷形态为铁结合态磷（Fe-P）、自生钙磷（ACa-P）和闭蓄态磷（Oc-P），养殖周期内沉积物中Fe-P含量变化频繁，较活跃。垂直方向上，总氮及有机氮在次表层4 ~ 6 cm含量较高，总磷、Fe-P及Oc-P均有表层富集现象。对虾养殖过程中池塘沉积物中的氮磷总量未见明显累积，生物活性磷（BAP）在总磷中比例增加，池塘沉积物内源磷负荷加重。氮和磷分别主要以有机态氮和生物活性磷形式存在，养殖过程使沉积物中内源磷释放潜力增加。

凡纳滨对虾; 氮形态; 磷形态; 池塘沉积物; 赋存特征

氮和磷是水域生态系统物质循环的主要组成部分，直接影响水中浮游植物的群落结构，氮、磷含量过高极易引发水体富营养化[1-2]，需合理控制进入水体的氮磷总量。当水生态系统外源性氮磷输入得到有效控制后，内源性氮磷的释放成为影响水环境营养状态的主因。水域生态系统中的沉积物既是水体中氮磷的“汇”，又是“源”[3]，沉积物中氮磷的内源负荷和沉积物-上覆水之间氮磷的迁移转化均直接影响上层水质。在淡水池塘养殖系统中，饵料、饲料等外源输入丰富，但利用率极其有限。国内虾类露天养殖池塘内饵料中氮和磷的保留率仅为13.88% ~ 20.67%和7.20% ~ 9.57%[4]，其他以各种形式进入水环境中的氮磷大部分沉积下来成为沉积物的内源负荷[5-6]。

近年来，随着近海、湖泊等水体富营养化问题日益加重，水环境中氮、磷等元素的分布和迁移转化研究备受关注[7-8]。研究发现，氮磷的生物有效性及迁移转化过程均与其分布形态密切相关[9-10]。目前，对沉积物中氮、磷形态的研究主体主要集中在近海[11-12]、湖泊[13]、河流[14]和水库[15]等水域，养殖池塘相关方面的研究鲜见报道[16]。探究池塘沉积物中氮磷的赋存特征是准确理解水生态系统氮磷物质循环及其对环境影响的基础，对防治水体富营养化、控制内源负荷[17-18]有重要意义。本研究分析凡纳滨对虾（）养殖池塘沉积物中氮、磷的形态，旨在明晰虾类养殖池塘沉积物中氮和磷的赋存特征，为了解淡水养殖池塘内源负荷提供参考。

1 材料与方法

1.1 采样及处理

本研究池塘为上海市青浦区水产科研基地2014年翻修后未清淤淡水养殖池塘，分别编号为LS1、LS2和LS3，面积均为0.267 hm2。2017年5–10月，3池塘养殖了凡纳滨对虾。苗种规格0.7 ~ 1.0 cm/尾，苗种密度3×105尾/hm2，养殖周期内水深1.5 m左右，对虾收获期LS1、LS2和LS3分别收获成虾1 360、796、821 kg。分别于对虾养殖前期（5月30日）、中期（6月25日）和后期（9月13日）采集池塘水样和沉积物样品。利用彼得森采水器（北京普雷德仪器设备有限公司）采集水面下0.5 m处水样，现场测定水温、pH值、溶解氧（DO）和盐度（）。水样运回实验室后立即测定营养盐类水质指标。利用柱状采泥器（北京普雷德仪器设备有限公司）采集表层10 cm沉积物，每个池塘采集3管，混匀，对LS3池塘采集后的沉积物柱状样品按2 cm垂直分层，所有沉积物样品经冷冻干燥，研磨，过孔径0.150 mm筛，存储待测。

1.2 分析方法

1.2.1 氮形态的测定 沉积物中氮形态分为有机态氮和无机态氮，无机态氮包括固定态铵和可交换态氮，其中可交换态氮包括硝态氮、亚硝态氮和氨态氮。可交换态氮的测定方法：称取沉积物样品1.0 g于50 mL离心管中，添加2 mol/L K2SO4溶液20 mL，在180 r/min条件下振荡30 min，以8 000 r/min的转速离心5 min，获得上清液，利用连续流动注射分析仪（SKALAR SAN++）测定提取液中硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和氨氮含量。

固定态铵的测定方法：Silva-Bremner[19]提出的KOBr-KOH提取法。称取沉积物样品0.25 g于100 mL高型烧杯内，添加5 mL现配的KOBr-KOH混合液，混匀，盖上表玻璃静置2 h。加入15 mL去离子水，加热煮沸5 min。静置12 h后将烧杯内上清液转移至50 mL离心管中，用0.5 mol/L的KCl溶液反复冲洗烧杯内沉淀物，合并冲洗液，至液体总量达40 mL。离心，去除上清液，再次加入40 mL 0.5 mol/L的KCl溶液，摇匀，离心，去上清液，反复两次，加入HF（5 mol/L）-HCl（1 mol/L）混合溶液5 mL，振荡24 h，以8 000 r/min离心10 min，取上清液待测。利用连续流动注射分析仪测定溶液中NH4+-N含量。

总氮的测定方法为，称取0.5 g样品和5 g CuSO4-K2SO4混合催化剂于消解管中，添加8 mL浓硫酸，420 ℃下消解1 h，用全自动凯氏定氮仪（KJELTEC 8400 AUTO SYSTEM，上海沛欧分析仪器有限公司）测定消解液中氮含量。

1.2.2 磷形态的测定 磷形态的提取采用李悦等改进的化学连续提取法[20]，提取磷形态分别为易交换态磷（Ex-P）、铝结合态磷（Al-P）、铁结合态磷（Fe-P）、闭蓄态磷（Oc-P）、自生钙结合态磷（ACa-P）、碎屑磷（De-P）和有机磷（Or-P），提取过程见表1。

1.2.3 其他指标分析方法 水样中氮、磷相关指标的测定，总氮（TN）、总磷（TP）、硝酸盐氮（NO3--N）、亚硝酸盐氮（NO2--N）、氨氮（NH4+-N）、活性磷（PO43--P）和总磷（TP）均采用连续流动注射分析仪测定。水中无机氮（TIN）含量为NO3--N、NO2--N和NH4+-N总和，水中有机氮（TON）含量为TN与TIN之差。高锰酸盐指数（CODMn）采用《水质高锰酸盐指数的测定》（GB 11892-89）测定，叶绿素a（Chl_a）采用《水质叶绿素a的测定分光光度法》（HJ 897-2017）测定，沉积物中总磷按《土壤总磷的测定碱熔-钼锑抗分光光度法》（HJ 632-2011）进行测定。

1.2.4 数据处理 文中数据利用Office Excel 2013 软件进行汇总分析，利用SPSS 19.0软件进行统计分析，以单因素方差分析数据差异的显著性，以= 0.05作为差异显著性水平。

2 结果与分析

2.1 水质概况

对虾养殖周期内水体呈弱碱性，水温24 ~ 29℃，盐度0.27 ~ 0.50，溶解氧（DO）6.21 ~ 11.86 mg/L。在养殖前期和中期，Chl_a质量浓度为1.59 ~ 4.47 µg/L，养殖后期增至19.76 ~ 57.94 µg/L（< 0.05）。图1可见，池塘水体中TN、TP含量在养殖前期最高，质量浓度分别为（2.61±0.60）mg/L和（0.313±0.041）mg/L，随养殖生产的进行，水体中TN和TP含量逐渐降低，其中TN含量下降显著（< 0.05）。养殖前期水体中TIN在TN中占比60%左右，随养殖生产的进行，NO3--N含量下降，导致TIN含量显著降低（< 0.05）。水体中的磷主要为PO43--P，在TP中的比例达56% ~ 90%。养殖后期池塘内浮游植物和水生植物的快速繁殖使水体中NO3--N和PO43--P被大量消耗，导致后期池塘水体中无机态氮和磷含量及在TN和TP中的占比显著降低。

图1 对虾养殖池塘水体中氮和磷的分布概况

2.2 氮形态的分布

对虾养殖池塘沉积物中总氮质量分数为716.38 ~ 1 649.92 mg/kg（图2），池塘LS1和LS2沉积物中总氮平均含量显著高于LS3（< 0.05）（表2）。LS1沉积物中总氮含量在养殖中期最高，前期最低，LS2沉积物中总氮含量随养殖的进行逐渐降低，LS3沉积物中总氮含量在养殖前、中、后期差异不显著（> 0.05）。对虾养殖池塘沉积物中的氮主要以有机态存在（图2），质量分数为389.20 ~1 408.47 mg/kg，平均为总氮的74.14%，与一般水域沉积物中有机态氮占总氮70% ~ 90%[21]的结果相似，因此，有机氮含量的变化会主导总氮的变化趋势。虾塘沉积物中总氮及有机态氮含量变化与养殖期间饲料投喂总量和消耗量紧密相关，池塘LS1内对虾生长状况较LS2和LS3好，饲料投喂量相对较多，沉积物中累积氮量较高，体现在养殖中期LS1内有机态氮和总氮含量明显高于LS2和LS3。对虾养殖中期至后期经历夏季高温，沉积物中微生物活跃，氨化、硝化、反硝化等微生物参与的氮转化反应剧烈[22]，导致养殖后期沉积物中有机氮及总氮含量均有所下降。

图2 对虾池塘沉积物中氮形态的分布

表2 对虾养殖池塘沉积物中氮形态的年均分布

说明：= 7；同列上标字母相同者无显著性差异（> 0.05）。

Notes:= 7; The data in same column with same letter indicate no significant difference between them (> 0.05).

对虾养殖池塘沉积物中固定态铵的质量分数为159.0 ~ 298.0 mg/kg，占总无机态氮的70.85% ~ 80.85%，池塘LS1、LS2和 LS3之间无显著差异，各虾塘在不同养殖阶段内固定态铵的分布变化趋势有所不同，LS1和LS2沉积物中固定态铵含量在养殖后期略有增加，LS3则略有降低。沉积物中可交换态氮质量分数为57.53 ~ 85.31 mg/kg，在总氮中的平均占比不足7%，其中氨态氮平均质量分数为32.60 mg/kg，在可交换态氮中占比47.80%，硝态氮平均质量分数为34.11 mg/kg，占比50.02%，亚硝态氮含量极低。可交换态氮含量虽低，却是沉积物中重要的氮形态，可交换态氮可直接参与到生态系统氮的生物地球化学循环，是沉积物中最活跃的氮形态[23]。

对虾养殖池塘LS3表层沉积物以2 cm为间隔垂直分层，图3表明，总氮含量随深度的增加先增加后降低，在次表层4 ~ 6 cm层有最高值，有机态氮含量的垂直分布趋势同总氮，固定态铵及可交换态氮含量在垂直方向上变化幅度相对较小。

2.3 磷形态的分布

对虾养殖池塘沉积物中各磷形态组成见表3和图4。各虾塘沉积物总磷质量分数506.29 ~ 1 211.70 mg/kg，LS1和LS2沉积物中总磷平均含量显著高于LS3（< 0.05）。随养殖的进行，LS1沉积物中总磷含量有所下降，养殖后期总磷含量较养殖前期下降26%；LS2在养殖后期总磷含量较前、中期骤增46%；LS3塘养殖中期总磷含量最高，是前、中期的1.4倍。

图3 对虾养殖池塘LS3沉积物中总氮及各形态氮垂直分布

表3 凡纳滨对虾池塘不同养殖阶段沉积物中各形态磷的分布

说明Note：= 3.

图4 对虾养殖池塘沉积物中磷形态的分布

池塘LS1沉积物中主要磷形态为Fe-P、ACa-P和De-P，LS2沉积物中主要磷形态为ACa-P、Fe-P和OC-P，LS3沉积物中主要磷形态为Fe-P和Oc-P，主要磷形态组成表明，LS1和LS2沉积物中的磷主要为钙结合态磷（ACa-P和 De-P），LS3沉积物中的磷主要为铁结合态磷（Fe-P和OC-P）。沉积物中的钙结合态磷与碳酸钙吸附的磷和钙磷酸盐沉淀关联，状态稳定，铁结合态磷常与沉积物中铁的氧化/氢氧化物结合在一起，条件适宜时较易发生磷的释放[24]，可见LS1和LS2沉积物中磷含量较高的主因可能是土壤中钙镁含量较高，利于稳态磷的形成和累积。LS1池塘沉积物中Fe-P含量在养殖中、后期大幅降低，ACa-P和De-P含量有所增加。LS2在养殖前期各形态磷含量大小依次为ACa-P、Oc-P、Fe-P、De-P、Al-P、Or-P、Ex-P，养殖中期Fe-P含量大幅增加，为主要磷形态，Oc-P含量略有增加，ACa-P含量明显降低，养殖后期Fe-P含量有所回落，ACa-P和De-P含量明显增加，致LS2沉积物中总磷含量在后期显著上升。LS3较其他虾塘磷形态含量及组成随养殖的进行变化幅度不大，主要磷形态为Fe-P和Oc-P。各形态磷之间的相关性研究表明，Ex-P与Oc-P、De-P，Oc-P与TP、Or-P、Ex-P、Al-P、ACa-P，Fe-P与Al-P、Oc-P等显著相关（< 0.05），可见Ex-P、Fe-P、Al-P以及Oc-P在磷形态转化过程中相对较活跃。

虾塘LS3表层沉积物间隔2 cm垂直分层，磷形态提取测定结果表明（图5），在0 ~ 10 cm层总磷含量随深度的增加略有降低，深度0 ~ 6 cm总磷含量相对较高，但差异不显著。垂直方向磷形态的组成中Fe-P、Oc-P和ACa-P占总磷比例变化相对较大，Fe-P在2 ~ 6 cm层占比最高，达27%，Oc-P在2 ~ 4 cm层和8 ~ 10 cm层占比较高，在25%左右，ACa-P在4 ~ 8 cm层占比较高（18%），垂直方向上其他形态磷占总磷比例无明显变化。

图5 池塘（LS3）沉积物中总磷及各形态磷的垂直分布

3 讨论

3.1 对虾养殖池塘沉积物中氮形态的分布

本研究的凡纳滨对虾养殖池塘沉积物中总氮含量与冯奇飞等[25]对上海市金山区罗氏沼虾养殖池塘底质中总氮的监测值相当，高于新建对虾养殖池塘[26]，低于高密度混养鱼塘[27-28]，与同处长江中下游的浅水湖泊[29]相比，虾塘沉积物中总氮含量与太湖、鄱阳湖等自然湖泊类水域相当，显著低于武汉的月湖和南京的玄武湖等水体处于严重富营养化状态的城市浅水型湖泊（< 0.05）。可见，本研究中，凡纳滨对虾养殖池塘沉积物中氮的累积总量尚处一般水平。

本研究沉积物中的氮主要以有机态存在，而有机态氮须经一系列分解转化成无机氮后方可被吸收和利用。沉积物中的无机氮主要为固定态铵，固定态铵的特点是NH4+-N被镶嵌在2∶1型黏土矿物晶层中，是上覆水体氮的重要蓄积库[30]。K+、Na+、Ca2+等金属离子以及H+、Al3+、Fe3+可引起晶层间距扩大，有利于NH4+-N的固定[11]。本研究对虾养殖水体硬度较大，金属阳离子含量较高，同时有机质来源丰富，使沉积物中氨化作用的反应物充足，故对虾养殖池塘沉积物中固定态铵含量相对较高。可交换态氮是沉积物和上覆水体之间氮素交换的主要方式[31]，高效江等[32]研究表明，上海滨岸潮滩表层沉积物中氨态氮在无机可交换态氮中占比达40% ~ 85%，硝态氮占比15% ~ 30%。浅水湖泊沉积物中可交换态氮的组成与上海滨岸潮滩类似，氨态氮为主要可交换态氮，占比74.61% ~ 85.85%。本研究对虾养殖池塘沉积物中氨态氮在可交换态氮中占比较前两者低，硝态氮占比更高。其原因是，养殖生产过程中增氧机频繁充氧，水体扰动剧烈，养殖水体及表层沉积物中氧含量相对较高，促进了沉积物中硝化作用，导致对虾养殖池塘沉积物中硝态氮在可交换态氮中的占比较高。

不同对虾养殖池塘沉积物中无机态氮平均含量之间无明显差异，总氮含量的差异主要由有机态氮含量不同造成。对虾养殖后期池塘水体中水生植物量骤增，对水体中溶解性氮、磷营养盐的需求急剧增加，水体中TIN含量显著降低，沉积物中的有机态氮受此驱动发生矿化分解，以应对上覆水体对营养盐的需求，矿化分解的产物在沉积物中也会有一定程度上的累积。LS1和LS2水体中TIN含量在养殖后期下降幅度高于LS3，可能是导致养殖后期LS1和LS2沉积物中有机态氮含量降低、固定态铵含量增加的原因之一。

3.2 对虾养殖池塘沉积物中磷形态的分布

沉积物中总磷含量的变化趋势与饲料利用率及沉积物-水界面磷的迁移转化密切相关，池塘LS1内对虾长势较好，磷需求量大，尽管饲料投喂量增加，但沉积物中总磷含量随养殖的进行逐渐降低，是因为水体中磷的快速消耗促进了沉积物中Ex-P、Fe-P和Al-P等活跃态磷的释放。养殖中、后期LS1水体中磷含量下降幅度显著高于LS2和LS3（< 0.05），且LS1沉积物中各形态磷含量在养殖中、后期降幅最高的是Fe-P。沉积物中的易交换态磷、铝结合态磷和铁结合态磷相对更活跃，易被生物所利用，故称为生物活性磷（Bio-available P，BAP）。对虾养殖池塘沉积物中BAP质量分数为117.21~ 684.57 mg/kg，占总磷的23.32% ~ 60.96%。自然状态下水域沉积物中BAP含量一般不足总磷的10%[33]，研究表明BAP含量较总磷更能反映沉积物的污染情况及内源释放潜力[13]，可见对虾养殖池塘沉积物中磷污染状况较一般自然水域重。据报道，同地区混养鱼塘沉积物中BAP质量分数0.10 ~ 0.21 mg/g，占总磷的25.30% ~ 27.93%[34]，广州市郊养殖鱼塘沉积物中BAP在总磷中平均占比36.4%[28]，可见，水产品养殖生产会使池塘沉积物中磷活跃程度加剧，增加池塘沉积物中内源磷的释放潜力。

3.3 氮、磷的垂向分布

已有关于近海[35]、河口[36]、湖泊等水域沉积物中氮、磷形态的垂直分布的报道，研究表明，在沉积物表层，无机态氮、磷越靠近上层含量越高，有机态的氮、磷含量会随深度的增加而减少，次表层无机态及有机态氮磷含量一般趋向稳定或者变化较小。养殖池塘沉积物的淤泥层较厚，一般在10 ~ 50 cm不等[37]，总氮在沉积物次表层4 ~ 6 cm含量最高。池塘水体水深较浅，表层沉积物受人工增氧及水体扰动等影响溶解氧含量相对较高，氧化环境有利于有机态氮的矿化，故有机态氮的累积层相对下移，致总氮含量在次表层最高。对虾养殖池塘沉积物中各形态磷的垂向分布表现出表层富集的特点，0 ~ 6 cm层总磷含量较高，主要磷形态为铁结合态磷、闭蓄态磷和自生钙磷。沉积物表层的铁、锰氧化层会吸附表层以下还原环境中释放的磷酸盐，“屏蔽”磷酸盐向上覆水体的进一步扩散[38]。沉积物中钙磷含量一般与土壤粒度等沉积环境，水动力状况、水温、酸碱度等条件密切相关[39]，对虾养殖池塘沉积物中自生钙磷含量变化还与生物骨骼碎屑有关，具体变化原因还有待进一步研究。

4 结论

凡纳滨对虾池塘沉积物中总氮年均质量分数1131.36 mg/kg，其中有机态氮平均占比74.14%，无机态氮主要为固定态铵，年均质量分数215.53 mg/kg，可交换态氮主要以硝态氮和氨态氮形式存在，养殖周期内无机态氮含量相对稳定，有机态氮和总氮含量的变化趋势同池塘对虾生长状况及用料量有关。凡纳滨对虾养殖过程中池塘沉积物中氮总量未见明显累积，可交换态氮中硝态氮占比较一般自然水域沉积物高。对虾养殖池塘沉积物中总磷年均质量分数854.17 mg/kg，主要磷形态为铁结合态磷、自生钙结合态磷和闭蓄态磷，在总磷中的占比均在20%左右，其中生物活性磷在总磷中平均占比38.3%，对虾的养殖过程使池塘沉积物内源磷释放潜力升高。

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Nitrogen and Phosphorus Fractions Occurrence Characteristic in Sediment ofPonds

LIU Jin-jin, ZHANG Yu-ping, LI Xiao-bei

（,200433,）

To study the nitrogen and phosphorus occurrence characteristics in the sediment of aquaculture pond for.Sediments ofponds were researched on nitrogen forms and phosphorus fractions. Samples were collected in the early, middle and late culture stages respectively.Results showed that average content of total nitrogen was (1131.36±349) mg/kg and the proportion of organic nitrogen proportion in total N was 74.14%. Fixed ammonium accounting for 75.71% was the main part of inorganic nitrogen. Nitrate nitrogen and ammonium nitrogen were the major components of exchangeable nitrogen. Values of total N and organic nitrogen in the middle stage of cultivation were higher than other aquacultural stages. Average amount of total phosphorus was (854.17±254) mg/kg, and ferric fraction phosphorus (Fe-P), auto-calcium bounded phosphorus (ACa-P) and occluded phosphorus (Oc-P) were the main parts of total P. The subsurface layer had the highest contents of total N and organic N in vertical direction, and there were enrichment in the surface sediment of total P, Fe-P and Oc-P while other forms of phosphorus had distributed evenly in a vertical direction. No significant accumulation of total N and total P in the sediment was observed after the shrimp culture, and the proportion of bio-available phosphorus in total P increased which enhanced sediment endogenous phosphorus load. The fractionation structures of N and P had both changed. Endogenous phosphorus release potential increased after the shrimp culture.

; nitrogen form; phosphorus fraction; sediment

S968.22+9.43

A

1673-9159（2019）06-0039-09

10.3969/j.issn.1673-9159.2019.06.006

2019-06-14

上海市科技兴农重点攻关项目（沪农科攻字（2015）第6-3-3号）；上海市科技兴农推广项目（沪农科推字（2017）第1-12号）

刘金金（1989－），女，硕士研究生，研究方向为渔业环境评价与修复。E-mail：jinjin0611@126.com

张玉平（1979－），男，高级工程师，研究方向为环境评价与修复、水产品质量安全检测与评价。E-mail：hjkx1979@163.com

刘金金，张玉平，李晓蓓. 凡纳滨对虾池塘沉积物中氮、磷形态的赋存特征[J]. 广东海洋大学学报，2019，39（6）：39-47.

（责任编辑：刘庆颖、刘胐）