上海崇明中华绒螯蟹养殖池塘水环境质量及氮磷负荷估算

刘金金,张玉平,孙振中

(上海市水产研究所，上海市渔业环境监测站，上海 200433)

中华绒螯蟹(Eriocheirsinensis)俗称河蟹，肉质鲜美、营养价值高，是中国重要的水产养殖种类之一，具有重要的市场价值和市场前景[1]。中华绒螯蟹国内种群主要包括辽河、黄河、长江、瓯江和闽江种群[2]，长江流域河蟹产量稳定在75万t左右，产值超500亿元[3]。崇明岛位于长江入海口，其独特的地理位置和天然水域条件使其成为长江河蟹产业的主产业带之一[4]。河蟹养殖业作为上海市崇明区农业的产业支柱，在实现崇明生态农业和建设世界级生态岛进程中扮演重要角色。随着我国淡水养殖产业的迅猛发展，养殖水体水质恶化、尾水排污等环境问题日益严峻[5]，崇明区为实现“生态+”战略构想，其河蟹产业坚持标准化和生态化养殖模式，有研究表明上海市淡水养殖业中河蟹养殖水体水质要优于淡水鱼和虾[6]，但目前崇明区河蟹生态养殖模式下其水环境质量及产生的环境负荷量尚未见报道。为掌握河蟹生态养殖水环境现状，助力崇明实现生态岛建设的“十三五”规划，本研究通过对多家标准化河蟹养殖场进行蟹塘水环境跟踪监测，核算氮、磷收支，估算河蟹养殖氮、磷环境负荷量，为当地养殖产业管理和环境建设规划提供理论依据和数据支撑。

1 材料和方法

1.1 样品采集

2019年对崇明区竖新镇、城桥镇、陈家镇的3家养殖场4口中华绒螯蟹池塘(以下简称蟹塘，编号为A1、A2、B、C，A1和A2属同一养殖场)养殖环境进行跟踪监测，记录全年养殖信息(表1)，养殖初期种植水草后(包括伊乐藻(Elodeanuttallii)、苦草(Vallisnerianatans(Lour.) Hara)等)，只进水不排水，以养草为主，直至池塘内水位达1～1.5 m左右，养殖末期收获成蟹以地笼捕捉和干塘收捕为主。

2019年3-11月期间，每月对蟹塘A1、A2及其引水河道(南横引河，ASY)采集水样和池塘底泥样品，分别于3月26日、5月20日、8月28日和11月28日对蟹塘B、C及其引水河道(BSY、CSY)采集水样，同时采集池塘底泥样品。利用三合一水质测定仪(WTW Multi 3430)现场测定水温(T)、pH和溶解氧(DO)，水样采集器采集水面下0.5 m处水样，实验室内测定水质。柱状采泥器采集表层20 cm底泥，各池塘样点采集三管底泥样品，现场分0～10层和10～20 cm层，同层底泥样品混匀，实验室内阴凉通风处干燥，研磨过100目筛，存储待测。

表1 中华绒螯蟹池塘养殖信息汇总Tab.1 Aquaculture information of E.sinensis ponds

1.2 测定方法

1.3 数据处理

利用Office Excel 2013 软件进行数据汇总，SPSS 19.0软件进行数据统计分析，数据显著性差异分析方法为单因素ANOVA分析，以P<0.05作为差异显著性水平。

1.4 氮磷负荷估算

河蟹养殖对周边环境的直接影响途径是养殖水体排放，因此将养殖生产过程中排放水体中产生的氮、磷增量定义为氮、磷表观负荷(apparent load,AL)，计算公式为

ALN，P=(Cout-N，P×Vout-Cin-N，P×Vin)×10-2

(1)

其中，ALN，P为氮、磷表观负荷(kg/hm2)，Cout-N，p和Cin-N，P为排水和进水水体中氮、磷浓度(mg/L)，Vout和Vin为排水和进水体积(m3/hm2)。

氮、磷环境总负荷(total environmental load,TL)则由氮、磷总输入量减去渔获物(成蟹)体内氮、磷含量所得，根据氮、磷收支计算TL：

TLN，P=(Cin-N，P×Vin+Cseed-N，P×Mseed+Cfeed-N，P×Mfeed-Ccrab-N，P×Mcrab)×10-3

(2)

其中，TLN，P为氮、磷环境总负荷(kg/hm2)，Cseed-N，P、Cfeed-N，P和Ccrab-N，P分别为苗种、饲料和成蟹内氮、磷含量(g/kg)，Mseed、Mfeed和Mcrab分别为苗种、饲料投入量和成蟹收获量(kg/hm2)。

蟹塘水环境中氮、磷输入总量INN，P和总输出量OUTN，P分别为

INN，P=(Cin-N，P×Vin+Cseed-N，P×Mseed+Cfeed-N，P×Mfeed)×10-3

(3)

OUTN，P=(Cout-N，P×Vout+Cplant-N，P×Mplant+Ccrab-N，P×Mcrab)×10-3+Qother

(4)

Cplant-N，P为水草中氮、磷含量(g/kg)，Mplant为水草收获量(kg/hm2)，Qother为未知的氮、磷其他输出项总量(kg/hm2)。

饲料中氮、磷利用率UN,P为渔获物与饲料中氮、磷含量之比，计算公式为：

(5)

2 结果

2.1 水质

蟹塘及其引水河道水体中各指标年均值见表2，蟹塘水体pH和DO分别为8.92～9.53和10.65 ～12.82 mg/L，平均值均显著高于河道，主要原因为蟹塘内种植大量水草，较强的光合作用导致蟹塘水体中pH和DO值较高。水体中TN、TP和CODMn含量范围分别为0.64 ～4.73 mg/L、0.058 ～0.77 mg/L及5.02 ～17.18 mg/L，B塘水体中TP年均值显著高于其他蟹塘，其余水体各指标在不同蟹塘的年均分布无显著差异。养殖水体中各指标变化趋势(图1和图2)显示：A1塘水体中TN和TP含量在养殖末期骤然增加，A2塘水体中TN、TP变化趋势同ASY相似：养殖初期TN和TP含量较中后期高，A1和A2塘水体中CODMn和SS含量在养殖中后期较高。B塘水体中TN和TP含量随养殖进程呈明显上升趋势、养殖周期内CODMn和SS含量均较高。C塘水体中TN、TP含量随养殖进程呈下降趋势，养殖中后期CODMn和SS含量略高于养殖初期，不同蟹塘之间水质及其指标具体变化趋势差异明显。

养殖周期内蟹塘水体中各指标平均含量同其引水河道比，A1、A2和B塘水体中CODMn平均分布显著高于其引水河道，B塘水体中TP平均含量和C塘水体中pH平均值显著高于其对应引水河道，其他指标间差异不显著，可见养殖生产使蟹塘水体中有机质含量增加明显。

表2 崇明区中华绒螯蟹池塘及其水源水质指标年均值汇总Tab.2 Annual average summuary of water quality index in crab ponds and source rivers in Chongming district

根据《渔业水质标准》(GB 11607-89)和《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)，河蟹池塘水体中TN、TP和CODMn年均含量分别超标1.32、0.53和0.49倍，样品超标率分别为88.46%、50%和80.77%，蟹塘水体中重金属年均值均未超标，A1和A2塘部分水样中Cu出现超标现象，超标率平均为16.67%。引水河道水体中TP、CODMn及各重金属指标平均含量均未超标，样品超标率分别为25%和12.5%， TN平均超标1.13倍，样品超标率为100%。整体上对比蟹塘及其引水河道水源水质，蟹塘水体中TP和CODMn含量随养殖生产有所增加，TN及重金属含量变化不大。

2.2 底质

蟹塘底质中STN含量425 ～1 352 mg/kg，STN极值均出现A1塘，STN年均含量由高至低分别为：C(1 007.13 mg/kg)>A2(786.67 mg/kg)>A1(771.61 mg/kg)>B(702.75 mg/kg)，C塘显著高于A1和B塘。蟹塘底质中STP年均含量无显著差异，总年均含量为711.14 mg/kg。A1、A2和B塘底质中STOC年均含量无显著差异，平均为5.16 mg/g，C塘底质中STOC年均含量最高，为7.9 mg/g，显著高于其他塘。蟹塘底质中STN、STP和STOC月际变化趋势如图3，A1和A2塘底质中氮、磷和碳的变化趋势类似，养殖初期3月和养殖中期7-8月底质中氮、磷、碳含量相对较低，5月和养殖末期11月池塘底质中氮、磷、碳含量相对较高。蟹塘B和C底质中氮、磷、碳含量不同月份之间的平均分布无显著差异。

图1 崇明区蟹塘A1、A2及其引水河道ASY水体中TN、TP、CODMn以及SS含量变化趋势Fig.1 Concentration variation of TN,TP,CODMn,and SS in the water of crab pond A1,A2 and diversion river ASY in Chongming district

图2 崇明区蟹塘B、C及其引水河道BSY、CSY水体中TN、TP、CODMn以及SS含量变化趋势Fig.2 Concentration variation of TN,TP,CODMn,and SS in water of crab pond B,C and diversion river BSY and CSY in Chongming district

图3 崇明区中华绒螯蟹池塘底质中STN、STP和STOC月际变化Fig.3 Monthly variation of STN,STP,and STOC in the sediment of crab ponds (A1,A2,B,and C) in Chongming district同一池塘内标有相同上标的平均值之间无显著差异(P>0.05)

南横引河(ASY)底质状况可代表崇明蟹塘引水河道底质现状。引水河道底质中STN、STP和STOC含量及其变化趋势如图4，STN、STP和STOC年均含量均显著高于蟹塘，分别为蟹塘的1.42、1.19和1.81倍，养殖周期内氮、磷、有机碳变化趋势类似，均在8月出现最低值，8-11月各指标含量逐渐增加，同蟹塘变化趋势相似。

各蟹塘及引水河道底质中重金属年均分布见表3，整体上引水河道底质中各重金属平均分布显著高于蟹塘，河道底质中各重金属含量平均为蟹塘的1.88倍。参考《无公害农产品 淡水养殖产地环境条件》中对底质Pb、Cd、Cr、Hg和As的质量要求，蟹塘底质样品100%达标，引水河道底质样品中Pb、Cr、Hg和As100%达标，38.89%的底质样品Cd超标，平均超标0.22倍。

2.3 氮磷负荷量估算

崇明蟹塘水环境中氮(N)、磷(P)的主要输入途径为添加饲料、进水和苗种，主要输出途径为排水、成蟹、水草、底质沉积等其他项，根据物料守恒原理：N、P总输入量=N、P总输出量，基于河蟹养殖池塘投入和产出品中N、P含量(表4)及蟹塘养殖信息(表1)，计算蟹塘水环境中N、P的收支(图5)。蟹塘N、P输入总量范围分别为195.17～262.71 kg/hm2和37.64～66.45 kg/hm2，饲料携带的N、P分别平均占总输入的84.61%和94.32%，是蟹塘中N、P输入的主要途径，进水输入N、P分别占比13.63%和4.69%，苗种携带入塘的N、P分别平均占比1.01%和0.39%。蟹塘N、P输出项中，水草贡献率较高，平均占总输入N和P的46.08%和25.18%，其次为其他输出项，平均占总输入N和P的28.41%和65.22%，排水输出的N、P分别平均占总输入的15.47%和6.76%，收获成蟹输出N、P量分别平均占总输入的10.04%和2.84%。蟹塘投喂饲料中氮、磷的利用率平均为12.13%和3.02%。A1和A2投饵量较高，N、P输入量较高，C塘投饵量最低，苗种密度小，N、P总输入量最低，因进水水体中N、P含量较高，故进水携带入塘的N、P占比相对较高，B塘成蟹单位面积产量最高，饲料中N、P利用率最高。

图4 崇明区南横引河底质中STN、STP和STOC含量变化趋势Fig.4 Concentrations variation of STN,STP and STOC in the sediment of Nanhengyinhe River in Chongming district

表3 崇明区中华绒螯蟹池塘底质中重金属年均含量汇总Tab.3 Annual averages of heavy metals in sediment of crab ponds in Chongming district

根据氮磷收支对蟹塘A1、A2、B和C塘内N、P表观负荷和环境总负荷进行估算(表5)，不同蟹塘N、P表观负荷差异较大，A1和B蟹塘内N、P表观负荷量较高，平均分别为29.8 kg/hm2和2.9 kg/hm2，这与养殖中后期浮游植物暴发、水质恶化、水体中TN和TP浓度升高有关，A2塘N、P表观负荷较低，C塘N、P表观负荷均为负值。不同蟹塘N、P环境总负荷相当，平均分别为210.27 kg/hm2和53.50 kg/hm2。

表4 河蟹池塘投入和产出品氮、磷含量Tab.4 Content of nitrogen and phosphorus of input and output in crab ponds

图5 崇明区中华绒螯蟹池塘内氮和磷输入、输出量堆积图Fig.5 Stack column of nitrogen and phosphorus input and output in crab ponds in Chongming district

表5 崇明区中华绒螯蟹池塘N、P环境负荷估算汇总Tab.5 Estimation of nitrogen and phosphorus environmental load in crab ponds in Chongming district

3 讨论

3.1 蟹塘水质及底质

蟹塘水环境质量与池塘中伊乐藻生物量紧密相关，有研究表明伊乐藻可显著提高池塘水质[9]，且有明显的抑藻效应[10]，本研究也发现，养殖中后期A2塘内水草长势明显优于A1塘，此时蟹塘A2水体中叶绿素a含量(11.82 mg/L)明显低于A1塘(241.20 mg/L)，且A2塘水体中氮、磷总量、CODMn和SS含量较养殖中期无明显变化，而A1塘因浮游植物暴发水体中氮、磷、有机物等含量骤增。同时有研究表明河蟹品质与伊乐藻密度存在正比关系[11]，伊乐藻含有丰富营养，可补充蟹塘投喂饲料多种不足维生素，是河蟹优良的天然饵料，在本研究中4口蟹塘内水草生物量与河蟹产量之间未见明显相关性，河蟹品质方面的差异还有待进一步研究。

本地蟹塘底质中氮、磷和有机碳含量同淡水鱼和凡纳滨对虾养殖池塘无显著差异[12]，整体低于其他省市高产鱼塘[13-14]，同华东地区虾塘[15]相当。蟹塘底质中氮、磷含量在8月出现最低值，高温季节水体中水生植物生长旺盛，对底质中氮、磷、碳等营养元素需求量高，同时高温季底质-水界面间氧化条件良好，氮、磷交换通量因温度升高而增加[16]，氮、磷消耗量的增加进一步促进底质中有机物的分解。在投饵量较大的A1和A2塘，3-5月间池塘底质中氮、磷和碳逐渐累积，夏季随水生植物的大量繁殖，底质中营养物质含量降低，养殖后期水草生物量不再增加，底质中氮磷等物质又逐渐累积。蟹塘较其河道拥有更高生物量的水草，是其底质中STN、STP和STOC年均含量明显低于其引水河道的主要原因。南横引河底质中重金属年均分布量同马锐等[17]的研究结果相当，略低于上海市其他区城郊河道[18]，而显著高于引河周边蟹塘。据调查研究崇明区蟹塘底质中重金属平均分布量同本地鱼塘和虾塘无显著差异[12]，明显低于浙江北部大型淡水养殖区池塘[19]。

3.2 蟹塘氮、磷收支

崇明蟹塘水环境中的氮、磷主要由饲料携带入塘，分别占氮、磷总输入的84.61%和94.32%，这与戴修赢[8]、陈家长等[7]对太湖流域蟹塘相关的研究结果一致，氮、磷输出项中水草贡献率较高，携带出的氮、磷分别占总输入的46.08%和25.18%，磷的主要输出项为底质沉积等其它途径，占磷总输入的65.22%，苏州市蟹塘底泥沉积的磷含量占总输入磷的68.44%[8]，与本研究结果相当，太湖流域蟹塘相关研究中底泥沉积等其它途径磷输出占比46.68%～49.76%[7,20]。

本地蟹塘氮、磷其他输出项主要包括底质沉积、N挥发和其他生物(小龙虾、螺蛳等)。池塘底质沉积是N、P输出的主要途径之一，尤其是P，磷是典型的沉积型循环，土壤中磷的累积速度要高于氮[21]。高密度单养虾塘内N、P的底质沉积分别占总输入的24%和84%[22]，淡水鱼养殖池塘中沉积到池塘底质中的N、P占总输入的61%和77%[12]。蟹塘底质中N、P含量研究表明养殖周期结束后蟹塘A1和A2底质中N、P增加量较B塘和C塘高，这与其输出项中“其他”部分对比结果相一致。关于池塘氮挥发有研究表明亚热带高密度虾塘N挥发量在总输出中占比达30%[13]，水体N挥发量主要受水体pH影响，pH<7.5的水体中N挥发可忽略不计，当pH>9时水体N挥发速率要高于浮游植物对N的吸收速率[25]，崇明蟹塘水体pH平均为9.33，因此N挥发也是蟹塘水体N的主要输出项之一，这也是蟹塘底质中有机碳累积程度高于氮的原因之一。本研究中蟹塘均为单养河蟹模式，养殖初期未投入其他动物苗种，但池塘内自发生长的小龙虾和螺蛳等生物量具有一定规模，如A1和A2塘小龙虾产量约为450 kg/hm2，这部分生物也会携带出部分氮、磷。

3.3 蟹塘氮、磷负荷

淡水池塘养殖污染负荷估算方法主要有两种，化学分析法和物料平衡法，本研究基于化学分析法估算蟹塘氮、磷表观负荷量，可直观评价养殖水体对周边水环境带来的影响，A1和B蟹塘内氮、磷表观负荷同戴捷等[26]对洪湖流域河蟹养殖池塘的研究结果相当，相对较高的氮、磷表观负荷会对周边环境带来较高负担，A2塘氮、磷表观负荷较低，同高月香等[27]对太湖流域江苏地区河蟹养殖池塘的调查结果相当，C塘氮、磷表观负荷均为负值，表明河蟹的养殖生产可以对水质有净化效果，有研究表明中华绒螯蟹池塘养殖的氮、磷表观负荷要低于鱼类和虾类等[28]，混养鱼塘氮、磷排放量达166.14 kg/hm2和32.94 kg/hm2[7]，氮、磷表观负荷量与排水量和进、排水水质有关，通常养殖水体中水草生物量较高的养殖模式水质较优，对周边水环境更加友好[29]，同时C塘苗种密度和投饵量均较低的情况下产量可观，可见合理的养殖密度及养殖生产管理可实现饲料成本更低、水质更优、产量更高的绿色养殖目标。

氮、磷环境总负荷是指进入到环境中的氮、磷总量，主要反映养殖生产所带来的环境总负荷量，本研究中氮、磷环境总负荷涵盖底质沉积部分、水草利用部分、氮挥发部分和被其他生物利用部分。沉积到池塘底质和被水草利用的氮、磷如果得到有效利用会成为有益营养源[29]，否则水草腐烂和淤积的底质将会成为二次污染源，对养殖生产和周边环境十分不利。挥发和被其他生物利用的氮和磷对环境不构成负面威胁，因此本文估算的氮、磷环境总负荷量要高于实际环境负荷。崇明区蟹塘氮、磷环境总负荷同江苏省固城湖围垦区河蟹池塘[31]及蔡春芳[20]等人对东太湖附近河蟹养殖池塘的研究结果相当。氮、磷环境总负荷与饲料投喂量和饲料中氮磷转化率有关，太湖流域池塘养蟹[7]的调查结果表明其颗粒饲料使用总量为崇明区蟹塘的20%左右，而饲料中氮、磷转化率是后者的2～3倍，固城湖围垦区河蟹[31]养殖中饲料氮、磷转化率分别为2.4%和0.5%。饲料氮、磷转化率不仅与其品质有关，还与饲料结构组成有关，戴修赢等[32]的研究结果显示使用配合饲料组饵料中氮、磷转化率为投喂冰鲜鱼组的2.43和6.29倍。饲料结构组成还对养殖水质存在明显影响，动物性饲料如冰鲜杂鱼在水中稳定性较差、营养成分溶失率较高，对养殖水体水质的影响较配合饲料大。

中华绒螯蟹养殖过程中全程投喂冰鲜鱼与全程投喂配合饲料河蟹产量、品质差异不大，且投喂配合饲料成本更低，环境更友好，更有利于渔业健康可持续发展。崇明区中华绒螯蟹养殖饲料结构多为全程投喂配合饲料，做好养殖管理可显著降低氮、磷表观负荷，不仅不会给周边水环境带来负担，还可以净化水质。水产养殖模式(单养和混养)也会影响池塘水环境质量及环境负荷，崇明河蟹生态养殖包括河蟹单养、鱼蟹混养和稻蟹共生模式，有研究[33]提及混养模式可降低水质污染、提高水体利用率、提升养殖效益，环境负荷方面的问题还有待进一步研究。本地中华绒螯蟹养殖过程中也存在部分蟹塘饲料投喂量较高、氮磷利用率低、环境总负荷较高的问题，这可能与养殖管理技术水平有关。提高饲料品质和利用率，探索养殖尾水及沉积底质再利用化处理工艺将是促进中华绒螯蟹养殖产业可持续发展的两个关键要素，也是助力崇明区建设世界级生态岛强有力的举措。