有机海水围塘养殖生态系统氮磷的变化规律及相关性研究

李廷友，陆 波，何清明，胡志强

有机海水围塘养殖生态系统氮磷的变化规律及相关性研究

*李廷友1，陆 波2，何清明1，胡志强1

（1. 泰州学院医药与化学化工学院，江苏，泰州 225300；2. 连云港市海洋与渔业发展促进中心，江苏，连云港 222300）

为了解海水围塘养殖区氮磷的变化规律以及围塘养殖对水环境的影响，以沿海滩涂地区的海水围塘养殖池为研究案例，定点监测了虾-鱼-贝混合养殖池和对虾单养池的无机氮（氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐）、总氮、磷酸盐、总磷和高锰酸盐指数等指标，并分析了该养殖区各种水化学要素在养殖期间的变化特征以及它们之间的相关性。研究结果表明：两种养殖方式下水环境中无机氮之间的转化是完全的，在高溶解氧时硝酸盐氮含量始终较高，而在混合养殖中，硝酸盐氮是该养殖区水体无机氮的主要存在形态；混养池中总磷和总氮、磷酸盐均正相关，与无机氮之间无相关；而单养区总磷也与总氮显著正相关，但与磷酸盐和无机氮无相关；在混养区对总氮主要作用的是物理过程，单养区则是物理过程和化学过程同时起作用；对NH3+-N的影响虽然同是物理过程起作用，但混养区是盐度，而单养区是pH值和溶解氧；影响磷的各种形态变化的主要是化学过程起作用，但在单养区对PO43--P的影响还有pH值；通过采用有机养殖技术，围塘养殖的水质基本符合养殖要求标准，说明有机养殖、混合养殖等可以减少环境污染，应加强对这方面养殖技术的推广和应用。

海水围塘养殖；有机养殖；氮磷变化；相关性

海水围塘养殖是我国目前海水养殖的主要模式之一，这一养殖模式的特点是定期清淤、消毒，同时围塘生态系统与外围生态系统之间既通过潮汐交换水流携载的物质、能量与生物信息，又通过一定网目的滤网隔绝大型生物的往来。然而，养殖过程中人为的施肥与投饵却又赋予系统富营养的人工生态系统特征。

海水围塘养殖的自身污染和对水体的富营养化现象一直受到人们的关注。研究者从不同的角度，采用了不同的方法对养殖水体产生污染的程度进行了研究。夏丽华等[1]利用卫星影像技术，对不同养殖方式所产生的污染量进行了估算；张玉珍等[2]利用化学分析法、罗辉等[3]利用改进的化学分析法，对池塘等封闭或半封闭的养殖系统的水产养殖氮磷污染负荷进行了初步估算；Teodorowicz等[4］利用与之类似的化学增量法研究澳大利亚某鳟鱼养殖场对环境的影响；还有学者围绕养殖水域的污染物浓度变化展开研究[5-10]。虽然方法和角度不同，但研究结果均表明，海水养殖所带来的污染量是逐年增加的，成为近岸海域的重要污染源之一[11]。海水围塘养殖是受人工调控的一种特殊水环境，其水环境中的氮、磷的转化和循环必然受到影响，因此，研究围塘养殖水环境中这几种元素间的相关性以及它们和周围环境因子之间的相关性，对于认识它们在特殊水环境中的转化和循环，了解它们受调控的主要因素，这是非常有意义的。

本研究选择沿海滩涂地区海水围塘养殖池作为海水养殖系统氮磷研究案例，该养殖池已通过有机养殖认证。本研究主要根据2017年至2018年养殖期间对养殖区的水质进行定点监测，主要监测指标是无机氮（氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐）、总氮、磷酸盐、总磷和高锰酸盐指数。分析该养殖区各种水化学要素在养殖期间的变化特征，以及它们之间的内在联系，即相关性，为正确认识和了解海水围塘养殖区氮磷的变化规律以及围塘养殖对水环境的影响提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验设计

本研究在江苏省连云港市宋庄镇有机海水养殖基地进行，基地养殖面积约66.67公顷，均按有机水产养殖方式管理。选择1个虾-鱼-贝混养池（以对虾养殖为主）、1个对虾单养池进行监测实验，实验时间为2017年3月~2017年10月，2018年3月~2018年10月进行重复。

1.2 实验方法

每隔30 d测定1次水质，测定项目为NO2--N、NO3--N、NH4+-N和TN、PO43--P、TP、CODMn。除NO3--N以铜镉还原法测定外，其余水质指标均按《海洋调查规范》(GB12763-2007)中的方法测定。

每天测定养殖池的水温、透明度、溶氧(DO)和pH值，分别以海水温度计、萨氏盘、YSI-5型溶氧仪(以Winkler法标定)、pHS-29型酸度计测得；盐度(S)每隔15 d测定1次，先用比重计测取比重，而后据海水比重-盐度表换算为盐度。

1.3 相关性分析

相关性分析工具是逐步回归分析和SPSS软件中的Pearson相关分析。

Pearson 相关系数代表了二元正态分布总体中两个变量共同变化的程度，其取值在-1和+l之间。该系数为0，说明两个变量完全不相关。有正相关关系的两个变量表现出共同增加或共同减少的趋势。反之，若一个变量的增加伴随着另一个变量的减少，则它们有负相关关系。随着这种关系的加强，相关系数趋向-1。适用于等间隔测量的变量X和Y间的相关系数。Pearson相关分析公式如下：

2 结果与分析

2.1 围塘养殖海水中N、P变化

养殖期间，围塘海水温度为17.5~34.2 ℃；pH值：8.2~8.7；DO：4.0~4.8。围塘海水中无机氮、总氮、磷酸盐和总磷的变化见表1。无机氮指标值呈现由低到高，又由高到低的变化趋势，其中7-8月（夏季）的值最高；磷酸盐、总氮、总磷则一路走高，在8月达最大值，9月有所回落。混养池和单养池的海水化学指标变化趋势一致，相差不大。

实验期间，总氮的观测值中混养池在0.25~0.92 mg/L，平均0.53 mg/L；单养池在0.25~1.16 mg/L，平均0.59 mg/L。单养池的总氮均高于混养池，但二者差异不显著（t-检验，α﹥0.05）；氨氮的观测值在0.0015~0.0145 mg/L，硝酸盐氮的观测值在0.23~1.105 mg/L，亚硝酸盐氮观测值在0.012~0.05 mg/L；围塘海水氨氮和亚硝酸盐氮的含量虽在7~8月份有所升高，其它时间均维持在较低水平，唯硝酸盐氮的含量较高，6~9月混合养殖和单养池的含量均超过《海水水质标准》（GB3077-1997）中无机氮的二类海水标准，这可能与养殖海水水质的硝酸盐氮的含量较高有关；混养池和单养池均差异不显著（-检验，＞0.05）。

总磷的观测值中混养池在0.024~0.046，平均0.0356；单养池在0.024~043 mg/L，平均0.0354 mg/L，混养池略高于单养池。无机磷的观测值混养池在0.015~0.053 mg/L，平均0.031 mg/L；单养池在0.015~0.045 mg/L，平均0.026 mg/L，混养池也略高于单养池。

表1 围塘海水中氮、磷的变化值

Table 1 Variations of nitrogen and phosphorus in seawater of enclosure pond

4月5月6月7月8月9月 NH4+-N混养0.00150.0040.00750.01450.0060.007 单养0.0020.00150.00730.010.0070.009 NO2--N混养0.0120.00450.0350.04650.01950.021 单养0.01650.00150.0360.04950.0170.0153 NO3--N混养0.250.2650.480.860.6750.6 单养0.230.260.4651.1050.630.62 TN混养0.250.270.520.920.70.5 单养0.250.260.511.160.750.6 PO43--P混养0.0150.0220.0250.02250.05350.045 单养0.0150.0350.02650.0450.04150.042 TP混养0.0240.0390.0320.0370.0460.041 单养0.0240.0380.0330.0390.0430.04

2.2 围塘养殖水环境中N、P的相关分析

根据海水围塘监测的数据资料，利用SPSS软件对它们各自的N、P的各种形态的相关性进行了分析，采用的分析方法是相关分析中常用的Pearson相关分析，此分析方法适用于等间隔测定的数据，结果见表2至表3。

表2 混养池水环境中N、P各形态的相关分析表

Table 2 Relevant analysis table of N and P forms in polyculture pond

NH4+-NNO3--NNO2--NPO43--PTNTP NH4+-N1.0000.8240.901*-0.610.5820.221 NO3--N 1.0000.8140.4580.916*0.520 NO2--N 1.0000.0000.5730.032 PO43--P 1.0000.7690.813 TN 1.0000.772 TP 1.000

表3 单养池水环境中N、P各形态的相关分析表

Table 3 Relevant analysis table of N and P forms in monoculture pond

NH4+-NNO3--NNO2--NPO43--PTNTP NH4+-N1.0000.7800.959**0.926*0.1850.131 NO3--N 1.0000.8050.942*0.5500.548 NO2--N 1.0000.956*0.1770.067 PO43--P 1.0000.3420.290 TN 1.0000.949* TP 1.000

注：表2和表3中*代表＜0.05，差异显著，**代表＜0.01，差异极显著。

2.2.1 混合养殖区水环境中N、P间的相关分析

(1) 总氮和无机氮之间存在相关性，且总氮和硝酸盐氮、氨氮和亚硝酸盐氮之间相关显著，这说明围塘海水混合养殖中，氮的循环较完全；且总氮的变化和无机氮，特别是和硝酸盐氮和氨氮相关。(2) 磷酸盐和无机氮之间无相关，甚至与氨氮之间呈负相关；但与总氮、总磷呈正相关。(3) 总磷和无机氮之间无相关，但与磷酸盐、总氮呈正相关。

2.2.2 单养区水环境中N、P间的相关分析

(1) 无机氮之间存在相关性，但是总氮与无机氮之间无相关性。说明围塘海水单养养殖中，无机氮之间的变换较完全，而与总氮之间的变换不完全。(2) 磷酸盐和无机氮之间相关显著，而与总氮、总磷无相关。(3) 总氮与无机氮、磷酸盐均不相关，但与总磷相关显著。

2.2.3围塘海水中N、P与环境因子之间的回归分析

水环境中影响N、P各种形态转化分布过程的环境因子主要包括物理过程、化学过程和生物过程。在研究中根据海水围塘监测的数据资料，利用逐步回归分析方法分析了该养殖区N、P各种形态与主要水环境因子(水温(T)、盐度(S)、pH值、DO、COD)之间的相关性，找出影响这些水化学存在形态变化的主要的环境因子，并建立了相关的回归模式，结果见表4至表5。

在混合养殖区，N、P和环境因子之间的关系主要是：(1)影响NH3+-N的主要环境因子是COD和pH值；影响NO3--N的主要环境因子是盐度；影响NO2--N的主要环境因子是COD；影响TN的主要环境因子是盐度。(2)影响TP和PO43--P的主要环境因子是COD。(3)影响COD的主要环境因子是温度和溶解氧。

在单养区，N、P和环境因子之间的关系主要是：(1)影响NH3+-N的主要环境因子是COD和温度；影响NO3--N的主要环境因子是pH值和溶解氧；影响NO2--N的主要环境因子是COD；影响TN的主要环境因子是COD和pH值。(2)影响TP的主要环境因子是COD；影响PO43-P的主要环境因子是pH值。(3)影响COD的主要环境因子是温度和溶解氧。

表4 混养池水环境中N、P各形态与环境因子的回归方程

Table 4 Regression equations of n and p forms and environmental factors in polyculture pond

项目相关模式R(复相关系数)S(剩余标准差)f值 NH4+-NNH4+-N =0.187pH -1.315 + 0.009COD0.728 0.00515.251 NO3--NNO3--N =0.293S - 0.5810.6870.0068.294 NO2--NNO2--N =0.06 - 0.001 COD0.6480.0056.418 TNTN= 1.532 - 0.553S0.7320.0438.798 PO43--PPO43--P =0.07 - 0.006COD0.7240.0036.822 TPTP=0.008 + 0.005COD0.7720.0079.759

表5 单养池水环境中N、P各形态与环境因子的回归方程

Table 5 Regression equations of n and p forms and environmental factors in monoculture pond

项目相关模式R(复相关系数)S(剩余标准差)f值 NH4+-NNH4+-N = 0.126T - 2.473 - 0.003COD0.7920.0358.163 NO3--NNO3--N = -0.635 + 0.054pH + 0.047D00.7150.0038.941 NO2--NNO2--N = 0.007 - 0.002COD0.6240.0019.819 TNTN = 15.425 + 0.228COD - 2.216pH0.9290.07453.041 PO43--PPO43--P = 0.754 - 0.092 pH0.5870.00510.125 TPTP = 0.0065COD + 0.009 0.9080.0065.914

3 讨论

3.1 围塘海水养殖水体中的氮的变化

两种养殖方式下水环境中氮之间的转化则有如下关系：

(1) 按照水体中无机氮之间的相互转化(NH3==NH40H==NO2-==NO3-)的热力学趋势，达到平衡时氮基本以NO3-的形式存在，如果无机氮之间转化完全，NO3--N应该与NH3+-N和NO2--N之间相关[12]。混养和单养区，无机氮之间的转化是完全的，因为无机氮之间均相关。

(2) 水体中无机氮之间的转化与水体溶解氧(DO)程度有关，在DO高时氨氮向硝酸盐氮转化，硝酸盐氮占绝对优势；在缺氧条件下，硝酸盐氮向亚硝酸盐氮和氨氮转化，水体氨氮占优势[13]。本研究中混养和单养区硝酸盐氮含量始终较高，而养殖期间的DO也证明始终在5 mg/L左右的浓度高水体溶解氧。

(3) 围塘混合养殖中总氮的变化主要是由硝酸盐氮决定，或者说硝酸盐氮是该养殖区水体无机氮的主要存在形态，因为总氮和硝酸盐氮之间都存在显著相关，本研究的监测数据也证实了这一点。

3.2 围塘海水养殖水体中的磷的变化

混养池总磷和总氮、磷酸盐均正相关，但与无机氮之间无相关；而单养区总磷也与总氮显著正相关，而与磷酸盐和无机氮无相关。磷和氮对海洋生态系统浮游植物、浮游动物的数量、生长速率均有不同程度的影响。研究表明，高N:P（20-30 以上）会维持微型硅藻的优势，桡足类主要摄食硅藻，分配更多的能量到传统食物链上。相反，低 N:P 会促进微微型鞭毛藻的优势，而使流动到微生物环的能量增加[14]。本研究表明，围塘海水中的无机氮总和与活性磷酸盐的比值大于16（混养为19.6，单养为25.2）（研究结果另文发布），说明硅藻是浮游植物的优势种群[15]。

3.3 围塘海水养殖水体中的N、P与环境因子关系分析

在混养区对TN起主要作用的是物理过程，而单养区对TN则是物理过程和化学过程同时起作用；对NH3+-N的影响虽然同是物理过程起作用，但混养区是盐度，而单养区是pH值和溶解氧。影响磷的各种形态变化的主要是化学过程起作用，但在单养区对PO43--P的影响还有pH值。在海水养殖中，营养盐与浮游动植物、叶绿素也有很明显的相关性[16]，因此影响海水中氮、磷形态变化的过程除了物理过程和化学过程以外，生物过程也十分重要。

3.4 有机水产养殖对海水水质的变化的影响

海水养殖业本身所带来的污染量不可小觑，沿海海水养殖污染贡献率已高达到25%[1]。有机水产养殖是指建立一种水产品生产系统，在水产养殖过程中不投入任何化学合成物质和常规饲料，完全按照有机认证标准进行生产，建立从苗种、养殖过程、收获、储藏、加工和销售的全过程质量控制体系[16]。

本研究在有机水产养殖模式下对氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮、无机磷、总磷等方面的测定结果表明，养殖水体的水质基本符合养殖标准。在养殖技术方法方面应加大对实用养殖技术的推广，有机养殖、混合养殖等可以减少环境污染，应加强对这方面养殖技术的推广和应用。

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[2] 张玉珍. 水产养殖氮磷污染负荷估算初探[J].厦门大学学报:自然科学版,2003,42(2)：223-227.

[3] 罗辉,李廷友. 海水围塘养殖生态系统氮磷负荷的研究[J].井冈山大学学报:自然科学版, 2012,33(2):41-44

[4] Teodorowicz M. Surface water quality and intensive fish culture[J]. Archives of Polish Fisheries,2013,21(2): 65-111.

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[11] 赵宁.《中国海洋发展报告（2015）》发布[N].中国海洋报,2015-06-24.

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[13] 席峰. 海水养殖生态环境系统演化机制研究—以半精养虾蟹混养系统为例[D].厦门:厦门大学,2007:62.

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[16] 陈其焕,庄亮钟,陈兴群,等. 大亚湾叶绿素a与初级生产力[A].大亚湾海洋生态文集[C],北京:海洋出版社，1990.

VARIATION AND CORRELATION OF N AND P OF ORGANIC AQUACULTURE ECOSYSTEM IN SEAWATER ENCLOSURE POND

*LI Ting-you1, LU Bo2, HE Qing-ming1, HU Zhi-qiang1

(1. College of Pharmacy and Chemistry & Chemical Engineering, Taizhou University, Taizhou, Jiangsu 225300, China; 2. Lianyungang Marine and Fishery Development Promotion Center, Lianyungang, Jiangsu 222300, China)

In order to understand the change rule of N and P and the influence of aquaculture on aquatic environment in seawater enclosure area, the indexes of inorganic nitrogen (NH4+-N, NO2—N, NO3--N), TN, PO43-P, TP and CODMn, were fixed-point monitored; and variation characteristics of various hydro-chemical elements in the aquaculture area during the period of cultivation and their correlation were analyzed. The results showed that the transformation was complete in inorganic nitrogen, and nitrate nitrogen content was always high in higher dissolved oxygen, while nitrate nitrogen was the main form of inorganic nitrogen in polyculture pond; TP, TN and phosphate in polyculture pond were positively correlated, but not with inorganic nitrogen; and TP in monoculture pond was also correlated with TN, and no correlation with phosphate and inorganic nitrogen. The physical process played a major role to TN in polyculture pond, while the physical process and chemical process played a simultaneous role in monoculture pond; although the physical process played a role in NH3+-N, the salinity was in polyculture pond, while the pH and DO were in monoculture zone; the chemical process played a major role in influencing the morphological changes of phosphorus, however, the effect of PO43--P in monoculture pond is pH value. By adopting organic culture technology, the water quality of pond basically meets the requirements of aquaculture, which shows that organic culture and polyculture can reduce environmental pollution, and the popularization and application of aquaculture technology in this area should be strengthened.

seawater enclosure pond aquaculture; organic aquaculture; nitrogen and phosphorus change; correlation

S949/X55

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2019.06.005

1674-8085(2019)06-0023-05

2019-07-13；

2019-08-20

泰州市科技支撑计划(社会发展)项目(201601)；泰州学院人才工程科研启动项目(QD2016040)

*李廷友(1968-)，男，江苏东海人，教授，博士，主要从事水生态与渔业生态工程方面的研究(E-mail:litingyou@tzu.edu.cn);

陆 波(1971-)，男，江苏连云港人，高级工程师，硕士，主要从事水产养殖研究(E-mail:243474091@qq.com);

何清明(1987-)，男，河南新乡人，副教授，博士，主要从事环境科学与工程研究(E-mail:389296148@qq.com);

胡志强(1979-)，男，江苏泰州人，讲师，博士，主要从事环境工程研究(E-mail:zhiqiang-hu215@163.com).