不同水质调控方式对刺参养殖池沉降颗粒中碳氮磷沉降通量影响的季节变化

杨耿介，王文琳，杨申，李乐洲，王玉龙，周玮

（大连海洋大学水产与生命学院，辽宁 大连 116023）

水体沉降颗粒物由池塘浮游生物产生的颗粒有机物及沉积物再悬浮颗粒物等的沉降作用形成。在水域环境中，沉降颗粒物可被滤食性动物摄食[1];在细菌等微生物的分解作用下，大量碳、氮、磷营养盐富集在沉积物中或水体中，为池塘生态系统提供物质和能量[2]。对沉降通量的研究起自二十世纪八十年代，阐述了水域生态系统中沉降颗粒物的形成、变化和沉降过程、水体吸收、储存与转移碳、氮、磷营养盐的生物转化过程，指出沉降颗粒物可增加池塘水体稳定性，而沉降通量的性质和含量可综合评价池塘底质与水体的物质转换及池塘水域生态系统的功能[3-6]。郭志刚和杨作升[7]利用震动式取样器从东海陆架取得3 个柱状岩芯样品，分析了沉积物中碳、氮含量和粒度。表明碳在东海陆架的垂直转移主要依赖于颗粒物，夏季生物大量繁殖，许多颗粒碳可从水体转入海底沉积物，而在冬季，主要表现为去碳作用，海底沉积物-海水界面碳的收支处于动态平衡。王永香等[8]采用总氮沉降通量指标，对比发现刺参、海蜇、对虾复合养殖系统总氮沉降通量显著高于各单养系统，刺参产量提高。当前，用沉降通量指标评价水体环境多用于海洋、水库、海水养殖区等大型水体，对参池研究较少。本文通过研究参池水域生态系统中沉降颗粒物的碳氮磷沉降通量的季节变化，以探讨沉降通量作为评价水质调控的重要指标的作用和可行性。

传统参池通常每月定期纳潮换水，无法从根本上改善底质环境[9]。生产上有些海参池塘采用微孔曝气增氧技术调控水质，水体底层中溶氧量提高2～3 mg/L[10]，改善池底沉积颗粒物的氧化环境[11，12]，促进刺参生长代谢。养水机为本团队研发的一种水质调控设备（专利号：ZL200610077526.5），显示出一定的效果[13-18]，但从颗粒物质沉降通量的角度，深入探讨养水机运行对参池环境的影响还未涉及。本实验研究了上述3 类水质调控参池沉降颗粒物质平均总碳、总氮、总磷沉降通量，比较分析了不同参池的差异，为在现有水质调控方式下科学管理参池提供新思路。这3 类参池分别是：自然纳潮水质调控方式下的参池（自然池塘）、进水口底部配置微孔曝气增氧设备的参池（微孔曝气池塘）和配置养水机设备的参池（养水机池塘），以自然池塘作对照。

1 材料与方法

1.1 饲养方式

3 类参池均为600 m×85 m×1.5 m，南深北浅，泥沙池底。每月大潮（阴历初一、十五）期间换水。微孔曝气池塘在进水口底部配置微孔曝气设备，由底部的曝气管向水中扩散微气泡[19]。当参池缺氧时，微孔曝气设备开始工作，阴雨天和夏季适当增加工作时间。养水机池塘配置养水机（专利号：ZL20061 0077526.5）（图1）。该设备也放置于进水口底部，工作时抽取表层水至设备底层，经由底层750 W 水泵水平射出，打破池跃层，实现表层水与底层水强制混合。养水机每日21:00—次日9:00 工作，冬季（12～2 月）工作1 h。

1.2 样品采集和测定

2015 年10 月—2016 年9 月期间，每月换水后1，在各类参池底部中轴线的进水口、中部、排水口分别放置沉降颗粒收集装置（实用新型专利：CN 203178112 U）收集沉降颗粒物样品（图2），上端用尼龙网遮盖防止大型水生动物进入，下端嵌套重物防止漂浮[20-22]，6 d 后收回。回收后静置2 h 后去除上清液，将沉降颗粒物倒入培养皿，在60℃下烘至恒重后研磨，用天平称重后装入密封袋在干燥器中保存。每种样品采样重复3 次。

同步测定3 类参池进水口、池中部、排水口（从南向北分别记为A、B、C 点）沉降颗粒物的干重，记为mA、mB和mC，沉降颗粒物的沉降量分别记为fA、fB和fC，其中某种成分的沉降通量分别为fcA、fcB和fcC。

沉降颗粒物中某种成分的沉降通量见公式（3）：

式中：f 为沉降颗粒垂直沉降量；m 为沉降颗粒干重；h 为采样时间；a 为采样装置的横截面积，fC为沉降颗粒物中某种成分的沉降通量，b 为沉降颗粒物中某种成分的百分含量。

沉降颗粒物中总碳含量采用辽宁省海洋水产科学研究院的菲尼根Flash 2000 HT 型元素分析仪测定；总氮含量采用凯式定氮法测定（GB 17378.5—2007）；总磷含量采用硫酸-高氯酸消化钼锑比色法测定（GB 17378.5—2007）。

1.3 数据处理与分析

使用EXCEL2010 统计1.2 中各同类参池底部中轴线的进水口、中部、排水口指标，取均值作为月平均数，按季节（春季：3～5 月、夏季：6～8 月、秋季：9～11 月、冬季：12～2 月）整理，结果以平均值±标准误（means±SE）表示,使用SPSS25.0 对数据进行单因素方差分析，以P<0.05 作为差异显著水平，以P>0.05 作为差异不显著水平。

2 结果与分析

2.1 不同水质调控方式下参池沉降颗粒中总碳沉降通量季节变化

由表1 可知，参池总碳沉降通量呈“夏季高，冬季低”的变化特征；在相同季节，不同水质调控方式的参池总碳沉降通量差异水平不同。夏季自然池塘总碳沉降通量显著低于其他水质调控参池（P<0.05）。

表1 不同水质调控方式下参池沉降颗粒中总碳沉降通量季节变化Tab.1 Seasonal variation in total carbon deposition flux in sediment particles in sea cucumber culture ponds under different methods of water regulation

2.2 不同水质调控方式下参池沉降颗粒中总氮沉降通量季节变化

由表2 可知，参池总氮沉降通量呈“秋季高，夏季低”的变化特征，相同季节,不同水质调控方式的参池总氮沉降通量差异水平不同。夏季自然池塘总氮沉降通量显著低于其他参池（P<0.05），秋季养水机池塘总氮沉降通量显著低于其他参池（P<0.05）。

表2 不同水质调控方式下参池沉降颗粒中总氮沉降通量的季节变化Tab.2 Seasonal variation in total nitrogen deposition flux in sediment particles in sea cucumber culture ponds under different methods of water quality regulation

2.3 不同水质调控方式下参池沉降颗粒中总磷沉降通量季节变化

由表3 可知，参池总磷沉降通量呈“冬季高，夏季低”的变化特征，在相同季节,不同水质调控方式的参池总磷沉降通量差异水平不同: 冬季养水机池塘总磷沉降通量显著低于其他参池，与自然池塘差异显著（P<0.05）。

表3 不同水质调控方式下参池沉降颗粒中总磷沉降通量季节变化Tab.3 Seasonal variation in total phosphorus deposition flux in sediment particles in sea cucumber culture ponds under different methods of water quality regulation

3 讨论

本实验中,各组参池总碳沉降通量呈“冬季低、夏季高”的变化特征，与张曾宇[23]对水库、任贻超[24]对参池的研究趋势一致；各组参池总氮沉降通量呈“夏季低、秋冬季高”的变化特征，与刘峰[25]对参池的研究趋势一致；参池总磷沉降通量呈“夏季低、冬季高”的变化特征，与陈实[26]对粤闽海水养殖区的研究趋势一致。各组参池换水条件一致，纳潮带入各池内的外源性颗粒物质数量相似，不同水质调控方式下参池沉降颗粒中碳氮磷沉降通量的季节及水平分布差异，主要由各组参池的内源性颗粒物质数量不同引起。

3.1 不同水质调控方式下参池总碳、总氮沉降通量季节变化比较

比较表明，夏季养水机池塘总碳沉降通量与微孔曝气池塘的相近，高于自然池塘，且自然池塘与另两类参池差异显著（P<0.05）。认为有以下三个原因：一是浮游植物可以促进颗粒物质从水层向底层沉降，浮游植物生物量又影响到沉降颗粒中总碳沉降通量[24,27]。对黄渤海区浮游植物碳沉降对总碳的影响研究中[28]，发现硅藻的碳生物量占浮游植物总碳生物量的97.27%[16]。本研究中，夏季养水机池塘硅藻生物量为13.50 mg/L，微孔曝气池塘12.15 mg/L，自然池塘11.87 mg/L。养水机池塘和微孔曝气池塘硅藻生物量较高，能为刺参提供丰富的饵料。在浮游植物生产力较高的季节（如夏季），有60%的颗粒有机碳由浮游植物贡献，也可表明夏季总碳沉降通量有较大部分来源于浮游植物[29]。二是底泥沉积物中的微生物利用浮游植物呼吸作用产生的CO2，在化能合成作用下，合成糖类等自身细胞物质，生成的颗粒碳物质会沉降至池底[30]。本团队研究发现[31]，夏季养水机池塘沉积物中微生物活性均值为4.38 μg/（g·min），微孔曝气池塘为6.59 μg/（g·min），均高于自然池塘的4.03 μg/（g·min）。沉降至池底的颗粒碳较高，表明夏季养水机和微孔曝气设备的运行促进微生物固碳，升高硅藻生物量，利于刺参摄食。三是底泥再悬浮。在研究闽江下游沉积物中总碳的特征及其与环境因子的关系中发现[32]，水体扰动的悬浮物再悬浮会吸附含碳沉降颗粒物质。夏季开启养水机和微孔曝气设备导致池塘悬浮物质再悬浮，悬浮物会吸附在沉降过程中的颗粒物质，在重力的作用下自然沉底。本团队曾报道[14,17]，养水机的作用可促进表底层水体交换，为浮游植物呼吸及底泥微生物作用提供充足氧气，提高浮游植物生物量及沉积物中微生物活性，也证明了上述观点。

结果表明，夏季养水机池塘和微孔曝气池塘总氮沉降通量显著高于自然参池（P<0.05），认为这是受到参池溶氧环境的影响。对桑沟湾养殖海区的研究发现[33]，沉积物中的铁锰氧化态氮主要由沉积物的氧化还原环境控制，是沉积物中最易变的部分。该养殖区污染较其他海域严重，缺氧环境下铁锰氧化态氮中的铁离子被还原为亚铁离子，使被铁离子吸附的氨态氮释放到覆水中，使水体存在氨氮风险。缺氧条件下沉积物硝酸盐发生厌氧反硝化作用导致氮元素以N2O 和N2等气体形式散逸进入水体循环中[34-36]。本团队先前研究发现[14,16]，养水机具有打破水体跃层作用，养水机池塘溶氧均值为5.63 mg/L，与微孔曝气池塘5.10 mg/L 相近，高于自然池塘4.9 mg/L，抑制了沉积物铁锰氧化态氮中铁离子的还原，减少沉积物中氨态氮向上覆水释放风险，这是养水机池塘和微孔曝气池塘夏季总氮沉降通量高于自然池塘的原因之一。在溶氧丰富条件下，沉积物中硝酸盐不易被还原，抑制反硝化作用[37]。夏季养水机池塘和微孔曝气池塘溶氧高于自然池塘[14]，反硝化作用弱，氮元素向水体的转化率低，使同时期养水机池塘和微孔曝气池塘总氮沉降通量高于自然池塘，这是养水机池塘和微孔曝气池塘夏季总氮沉降通量高于自然池塘的又一原因。夏季开启养水机及微孔曝气设备能显著提高参池溶氧环境，沉降至池底的颗粒物质向水体中释放的氮通量较少，大都被沉积物吸收。

秋季，养水机池塘总氮沉降通量显著低于自然池塘和微孔曝气池塘，且与另两类参池差异显著（P<0.05）。研究发现[38]，底泥湖泊沉积物氧化还原环境越高，沉积物中氮的矿化、硝化和亚硝化作用越强。本团队以前研究发现[16]，秋季养水机池塘溶氧量均值为10.22 mg/L，高于微孔曝气池塘的10.12 mg/L、自然池塘的9.10 mg/L。养水机池塘氧化环境最高，表明在微生物作用下氨氮更多地转化为硝态氮，减少氨氮在底泥中的积累。溶氧是控制底泥氮释放的重要因素，对氮释放呈非线性影响[39]。在好氧条件下，抑制沉积物中的氨氮释放，而在厌氧条件下则利于沉积物中的氨氮释放。这是养水机池塘秋季总氮沉降通量低于另两类参池的原因之一。

秋季三种参池上覆水的氮营养盐含量不同[16]，也可能造成总氮沉降通量差异。研究发现[39]，上覆水体的氮营养盐含量高会抑制底泥氨氮的释放，这是水体总氮浓度与底泥氨氮浓度间的梯度差值决定，而氨氮在好氧环境及硝化细菌作用下，转化为亚硝态氮再转化为硝态氮，向上覆水体释放，最后会使得硝态氮的释放与氨氮的释放存在动态平衡过程，而上覆水体的氮营养盐含量高会抑制底泥氨氮的释放。本团队以前研究发现[16]，秋季养水机池塘总氮均值为1.19 mg/L，高于微孔曝气池塘1.12 mg/L、自然池塘1.06 mg/L。养水机池塘水体总氮含量高，底泥氨氮释放量低，水体环境好，这是养水机池塘秋季总氮沉降通量低于另两类参池的又一原因。

3.2 不同水质调控方式下参池总磷沉降通量季节变化比较

本研究中，除冬季外，各季节间不同组参池的总磷沉降通量差异不显著（P＞0.05）。冬季，养水机池塘总磷沉降通量低于另两类参池，且与自然池塘差异显著（P<0.05），认为这与参池溶氧含量有关。在溶氧丰富条件下，水中金属离子如铁等均呈高价形态吸附水体中的磷，阻碍磷的沉降。底泥在溶氧匮乏的环境中，释磷强度高[40]，有部分磷会释放至水中。冬季养水机池塘溶氧含量为12.08 mg/L[16]，与微孔曝气池塘11.80 mg/L 相近，高于自然池塘10.03 mg/L。养水机池塘含磷颗粒物质在沉降过程中，大部分被水中的金属矿物吸附，沉降至池底的总磷通量较低。浮游植物增加沉积物中磷的释放量，而沉积物中磷的释放又进一步促使浮游植物的生长，两者互相促进[41-43]。冬季养水机池塘浮游植物生物量均值为6.70 mg/L[16]，稍高于微孔曝气池塘的4.79 mg/L和自然池塘的4.60 mg/L，推测原因可能是养水机池塘浮游植物的生长吸收了水体中的磷，水中磷不能满足浮游植物正常生长需要，使沉积物中的磷释放以满足其需要。而自然池塘浮游植物生物量最低，对磷的需求较少，大部分磷沉降至池底，这是冬季养水机池塘和微孔曝气池塘总磷沉降通量低于自然池塘的又一个原因。

3.3 不同水质调控方式下参池碳氮磷沉降通量及沉积物机理分析

不同水质调理方式下，夏季养水机池塘总碳、总氮沉降通量与微孔曝气池塘相近，均高于自然池塘，而在秋季和冬季养水机池塘总氮、总磷沉降通量最低。究其原因：一是受到池塘溶氧环境的影响，夏季微孔曝气设备及养水机的开启能显著提高池塘溶氧水平、浮游植物生物量及底泥微生物活性，抑制沉积物厌氧反硝化作用，所以微孔曝气池塘及养水机池塘沉降颗粒中碳氮通量较高。同期养水机池塘沉积物有机质及弧菌数量均最低[44,31]，表明养水机池塘与微孔曝气池塘相比，在增加刺参天然饵料的同时又能避免有机质的过量积累，防止弧菌爆发，水质调控更优于微孔曝气池塘。二是开启水质设备为底泥再悬浮提供了充足条件，底泥再悬浮过程中经矿化、降解等作用释放至水体，有机物的转化效率高会显著减轻底泥的环境压力，这也是养水机池塘沉积物中有机质含量低的原因之一。

秋季养水机设备的开启可为底泥环境增加溶氧，促进底泥氧化反应，减少氨氮在底泥中的积累。底泥释放的氮营养盐也在水体中得到体现[16]，而上覆水体中氮的含量高会抑制底泥氨氮的释放，使底泥与水体之间存在动态平衡。冬季养水机池塘总磷沉降通量最低，其原因可能是养水机池塘浮游植物的生长吸收了水体中的磷，水体中磷不能满足浮游植物正常生长需要，造成沉积物中的磷释放以满足其需要。而自然池塘浮游植物生物量最低，对磷的需求较少，大部分磷沉降至池底。

3.4 结论

综上所述，在各季选择合适的水质调控设备能够影响颗粒物质的沉降。养水机池塘具有促进底泥与水体之间物质交换，改善水质的效果，与实践上淤泥少、无杂草、病害少的现象一致。虽然养水机和微孔曝气池塘间作用效果类似，但微孔曝气设备受微孔管长度和曝气盘安装距离等因素的影响[45，46]。本研究可为在现有水质调控方式下更加科学管理参池提供了新思路。