碱蓬、双齿围沙蚕对文蛤养殖池塘综合修复研究

李 磊，戴 明，赵永超，陈玉生，许呈林，王帅杰，蒋 玫

（1.中国水产科学研究院东海水产研究所，农业农村部低洼盐碱地水产养殖重点实验室，盐碱水域渔业工程技术中心（上海），上海 200090；2.中国水产科学研究院南海水产研究所，广东省渔业生态环境重点实验室，广州 510300；3.江苏省海洋水产研究所，江苏南通 226007）

联合国粮农组织的报告［1］显示，水产养殖对全球渔业总产量的贡献呈现逐步上升的趋势，贡献率由2000年的25.7%增长至2016年的46.8%，其中中国的水产养殖产量长期处于世界第一的位置。中国的水产养殖包括淡水养殖和海水养殖，养殖产量约占渔业总产量的73.7%，且其占比依然在不断上升。利用近海地区人造池塘开展的养殖活动是海水养殖的重要组成部分，中国是世界上池塘水产养殖规模最大的国家，2016年全国池塘水产养殖产量达2 523.1万t，占水产养殖总量的49%，其中海水池塘养殖产量达到了236.74万t［2］。

传统的养殖池塘生态系统是为实现经济目的而建立起来的人工开放型生态系统，具有面积小、池水较浅、营养结构简单、生态平衡脆弱等特征，其生态结构和功能主要受自然气候和人为调控影响，养殖池塘的污染源主要为施肥、投饵、防病药剂等外源污染以及养殖生物的排泄物、死亡残体、残饵等内源污染，污染会导致水体富营养化、沉积物富集有机污染［3］。虽然部分污染物能够通过池塘自身的物理、化学、生物过程降解，但由于缺乏自然生态系统的物质循环功能，随着池塘海水养殖规模的不断扩大和养殖密度的不断提高，海水养殖池塘生态环境状况越来越严峻，养殖污水已经成为一类潜在污染源。建立新型的生态养殖模式、开发环保的生态修复技术、降低高密度集约化养殖的污染程度至关重要。目前，应用于水产养殖产业中的修复技术主要有物理、化学和生物修复，其中因生物修复方法（水生植物、水生动物、微生物）不干扰水产养殖，不易产生二次污染，修复效果持久，成为养殖产业的潜在最优修复方式。研究表明，海马齿（Sesuvium portulacastrum）［4］、菊 花 心 江 蓠（Gracilaria lichenoides）［5］、盐地碱蓬（Suaeda salsa）［6］等水生植物可以一定程度上降低养殖水体的营养盐水平。底栖多毛类，特别是沙蚕，因其种类多、分布广泛、适应性强，成为重要的沉积物修复物种，可以一定程度上降低沉积物中总有机氮（TN）、总有机磷（TP）、总有机碳（TOC）、硫化物、有机质等污染物质的含量［7］。目前海水养殖池塘的修复对象仅针对海水或沉积物，由于沉积物-水体的生物地球化学循环是一个互相影响的整体，因此单一的修复措施限制了整体修复效果，多品种综合修复是生态修复发展的方向［8－9］，但海水池塘养殖方式、品种繁多，其修复措施也有特异性，需要进一步开展研究。

在前期研究［10］中，通过室内模拟和现场实验筛选出了较优的修复养殖文蛤（Meretrix meretrix）沉积物的双齿围沙蚕（Perinereis aibuhitensis）密度（0.20 kg·m－2），本研究以多年文蛤养殖池塘为研究对象，选择碱蓬（Suaeda glauca）、双齿围沙蚕开展对文蛤养殖池塘水体中营养盐、沉积物中硫化物、TOC的去除实验，评估碱蓬、双齿围沙蚕的综合修复效果，以期为海水养殖池塘的可持续发展和绿色养殖提供实践数据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验沉积物取自江苏省启东市沿海滩涂文蛤多年养殖池塘，挖取深度为15 cm，将沉积物混合，挑出石块、枯枝等大颗粒物，再将混匀后的沉积物放置于－4°冰箱内2 d，以杀死各类大型底栖生物后备用。实验水体也取自文蛤养殖池塘，使用有机玻璃采水器采集上覆水，采水器底端与沉积物表面的距离为0.1～0.2 m，沉积物使用600目的筛框过筛后备用。实验碱蓬取自文蛤养殖池塘周边滩涂，单株平均鲜质量为（1.23±0.32）g，株高为（12.3±0.7）cm，根系平均长度为（4.9±0.6）cm，实验前用去离子水清洗碱蓬根系，将碱蓬固定在圆形聚乙烯材质的生态浮床中（直径16 cm、厚6 cm，5孔），在备用海水中培养3 d后取生长正常的个体进行实验。实验用双齿围沙蚕取自江苏省东台市弶港，沙蚕平均体长（15.7±1.2）cm，平均体质量（5.17±0.92）g，暂养3 d后取健康的个体进行实验，期间不投喂。

1.2 实验方法

1.2.1 实验设计

实验在聚乙烯整理箱（长：74.5 cm，宽：54.5 cm，高：44.0 cm）内进行，将沉积物均匀铺在箱底，高度为15 cm，为了不引起表层沉积物的再悬浮，采用虹吸法将海水缓慢加入到聚乙烯整理箱中，充分浸润沉积物，使水深达到20 cm，为避免沉积物均质化对沉积物生物地球化学过程的影响，参考KARLSON等［11］的研究，采用14 d的预培养恢复沉积物-水界面的氧化氛围、沉积物中微生物活性以及间隙水中营养盐浓度的剖面结构。实验共分为8组，分别为30棵碱蓬（A1），20棵碱蓬（A2），10棵碱蓬（A3）；0.20 kg·m－2的双齿围沙蚕试验组（B）；碱蓬、双齿围沙蚕复合试验组，碱蓬数量分为30棵（C1）、20棵（C2）、10棵（C3），阴影覆盖面积分别为75%、50%、25%，双齿围沙蚕密度均为0.20 kg·m－2；同时设置仅有沉积物和海水的对照组（D）。试验组及对照组各设置3个重复。使用空调控制室内温度为22℃。实验期间保持充氧（表层充氧，不引起沉积物悬浮）。

1.2 样品采集和检测

实验于2019年5月1日—7月1日进行，共61 d。实验开始前（第0天）以及第7、14、21、31、41、51、61天采集上覆水样（10 cm水层）、沉积物样品（网格采样，采样深度15 cm），每次取水量为250 mL，蒸发量比较低，实验过程中不补充水。实验过程中使用YSI 650MDS多参数水质监测仪（美国YSI公司）测定上覆水的pH（≈8.1）、温度（≈20.2℃）、盐度（≈15.3）、溶解氧（≈6.2 mg·L－1）指标；采集水样使用0.45μm孔径的醋酸纤维膜过滤后加入HgCl2固定，保存在高密度聚氯乙烯瓶中冷藏保存；在实验室使用Skalar营养盐自动分析仪（荷兰Skalar分析仪器公司）测定溶解态无机营养盐浓度，包括亚硝酸盐（NO3－）、硝酸盐（NO2－）、氨氮（NH4＋）、磷酸盐（PO43－），溶解无机氮（DIN）＝NO3－＋NO2－＋NH4＋，本实验中，溶解无机磷（DIP）是以PO43－的形式计算；TOC使用Flash EA1112元素分析仪（美国Thermo Electron SPA公司）测定；硫化物采用碘量法（以S2－计）测定［12］。实验结束后，采集碱蓬样品，冲洗干净，吸干表面水分后测定其单株鲜质量、株高（株茎下端至最高枝叶处的长度）和根系长度；将沉积物冲洗过筛采集双齿围沙蚕样品，测定其个体长度和质量。

1.3 数据处理与分析

1.3.1 修复指标的去除率、增长率计算

水体中DIN、DIP，沉积物中TOC、硫化物的去除率按照下列公式计算：

式（1）中，Wq为去除率，C0表示初始浓度，Ci表示第i天时水体中DIN、DIP浓度或沉积物中硫化物、TOC含量。

水体中DIN、DIP，沉积物中TOC、硫化物的增长率按照下列公式计算：

式（2）中，Wz为增长率，C0表示初始浓度，Ci表示第i天时水体DIN、DIP浓度或沉积物中硫化物、TOC含量。

1.3.2 碱蓬、双齿围沙蚕的生长情况计算

根据1.2在实验开始和结束后分别称量碱蓬的质量、株高、根系长值和双齿围沙蚕的质量、体长并计算生长情况，碱蓬、沙蚕的生长率（%·d－1）按照下式计算：

式（3）中，GR为生长率（%·d－1），W0为实验开始前的碱蓬或双齿围沙蚕质量（g），Wt为t时刻的碱蓬或双齿围沙蚕的质量（g），t为2次测定的时间间隔（d）。

1.3.3 数据分析

数据以平均值±标准差（means±SD）表示，使用SPSS16.0软件（美国SPSS公司）中的单因素方差分析（one-way ANOVA）统计数据之间的差异性，差异显著时进行Duncan’s test多重比较，显著性水平P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 碱蓬、双齿围沙蚕的生长情况

实验过程中，碱蓬、双齿围沙蚕未发现死亡，生长状况良好。其中，碱蓬的单株平均质量增量为（5.32±0.42）g，单株平均株高增量为（8.2±0.6）cm，单株平均须根长增量为（9.3±0.8）cm，碱蓬的生长率为2.78%·d－1，实验前后碱蓬的单株平均质量、平均株高、平均须根长均有显著性差异（P＜0.05）；双齿围沙蚕单个平均体长增量为（3.2±0.5）cm，单个平均质量增量为（0.87±0.05）g，双齿围沙蚕的生长率为0.26%·d－1，实验前后双齿围沙蚕平均个体体长、质量均有显著差异（P＜0.05）。

2.2 水体中DIN、DIP浓度的变化趋势

各试验组及对照组海水中DIN浓度变化如图1所示，A1、A2、A3碱蓬试验组水体中DIN浓度均随时间呈现逐渐下降的趋势，且前期下降幅度小于后期，水体中DIN去除率与碱蓬数量成正比，A1、A2、A3试验组的去除率分别为65.35%、56.70%、31.41%，实验前后水体中DIN浓度均有显著性差异（P＜0.05）；B试验组（双齿围沙蚕试验组）水体中DIN浓度随时间呈现逐渐上升的趋势，与第0天DIN浓度相比较，61 d后DIN浓度增长了49.47%，实验前后水体中DIN浓度有显著性差异（P＜0.05）；C1、C2、C3碱蓬＋双齿围沙蚕复合试验组水体中DIN浓度呈现出2种变化趋势，C1试验组前期上升，后期下降，实验结束后水体中DIN去除率为14.10%，C2、C3试验组水体中DIN浓度增长率分别为18.06%、42.89%，实验前后C1、C2、C3试验组水体中DIN浓度均有显著性差异（P＜0.05）；D组（对照组）水体中DIN浓度呈现缓慢增加的趋势，第0天和第61天水体中DIN浓度无显著性差异（P＞0.05）。61 d时，各个试验组、对照组之间均有显著性差异（P＜0.05）。

图1 不同试验组水体中DIN浓度的动态变化Fig.1 Dynamic changes of DIN concentration in water of different experimental groups

表1 实验结束后碱蓬、双齿围沙蚕的生长情况Tab.1 Growth state of S.glauca and P.aibuhitensis after experiments

各试验组及对照组海水中DIP浓度变化如图2所示，A1、A2、A3碱蓬试验组水体中DIP浓度均随时间呈现逐渐下降的趋势，且前期下降幅度小于后期，试验组水体中DIP去除率与碱蓬数量成正比，A1、A2、A3试验组的去除率分别为70.59%、66.04%、53.70%，实验前后水体中DIP浓度均有显著性差异（P＜0.05）；B试验组（双齿围沙蚕试验组）水体中DIP浓度呈现逐渐上升的趋势，第61天与第0天DIP浓度相比较，DIP浓度增长了38.00%，实验前后水体中DIP浓度有显著性差异（P＜0.05）；C1、C2、C3（碱蓬＋双齿围沙蚕复合试验组）水体中DIP浓度均呈现随时间逐渐下降的趋势，C1、C2、C3试验组的DIP去除率分别为40.00%、28.57%、19.30%，实验前后C1、C2、C3试验组水体中DIP浓度均有显著性差异（P＜0.05）；D试验组（对照组）水体中DIP浓度呈现随时间缓慢增加的趋势，实验前后水体中DIN浓度无显著性差异（P＞0.05）。61 d时，各个试验组、对照组之间均有显著性差异（P＜0.05）。

图2 不同试验组水体中DIP浓度的动态变化Fig.2 Dynamic changes of DIP concentration in water of different experimental groups

2.3 沉积物中硫化物、TOC含量的变化趋势

各试验组及对照组沉积物中硫化物含量变化如图3所示，A1、A2、A3碱蓬试验组沉积物中硫化物含量均呈现随时间逐渐上升的趋势，A1、A2、A3试验组的增长率分别为2.62%、3.11%、3.57%，实验前后沉积物中硫化物含量均有显著性差异（P＜0.05）；B试验组（双齿围沙蚕试验组）沉积物中硫化物含量呈现随时间逐渐下降的趋势，下降率为26.51%，实验前后沉积物中硫化物含量有显著性差异（P＜0.05）；C1、C2、C3碱蓬＋双齿围沙蚕复合试验组沉积物中硫化物含量均呈现随时间逐渐下降的变化趋势，C1、C2、C3试验组的硫化物去除率分别为26.80%、26.03%、27.03%，实验前后C1、C2、C3沉积物中硫化物含量均有显著性差异（P＜0.05）；D试验组（对照组）沉积物中硫化物含量呈现上下波动的变化趋势，实验前后沉积物中硫化物含量无显著性差异（P＞0.05）。61 d时，各个试验组、对照组之间均有显著性差异（P＜0.05）。

图3 不同试验组沉积物中硫化物含量的动态变化Fig.3 Dynamic changes of sulfide content in sediments of different experimental groups

各试验组及对照组沉积物中TOC含量变化如图4所示，A1、A2、A3碱蓬试验组沉积物中TOC含量均呈现随时间逐渐下降的趋势，下降幅度分别为2.57%、3.21%、4.05%，实验前后沉积物中TOC含量均有显著性差异（P＜0.05）；B试验组（双齿围沙蚕试验组）沉积物中TOC含量呈现随时间逐渐下降的趋势，下降率为45.24%，实验前后沉积物中TOC含量有显著性差异（P＜0.05）；C1、C2、C3碱蓬＋双齿围沙蚕复合试验组沉积物中TOC含量均呈现随时间逐渐下降的趋势，TOC去 除 率分 别为48.07%、38.71%、43.47%，实验前后C1、C2、C3沉积物中TOC含量均有显著性差异（P＜0.05）；D试验组（对照组）沉积物中TOC含量随时间呈现略微下降的变化趋势，实验前后沉积物中TOC含量无显著性差异（P＞0.05）。61 d时，A1、A2、A3、对照组之间无显著性差异（P＞0.05），B、C1、C2、C3试验组、对照组之间均有显著性差异（P＜0.05）。

图4 不同试验组沉积物中TOC含量的动态变化Fig.4 Dynamic changes of TOC content in sediments of different experimental groups

3 讨论

水体富营养化和沉积物中累积的有机质是海水养殖池塘的主要污染。生物修复的目标是转化或降解养殖环境中的污染物，水体、沉积物污染物的单一修复对养殖环境的改善效果有限，综合修复对养殖修复具有更重要的意义，修复物种的选择以及投放密度控制则是综合修复模式成功与否的关键。

碱蓬是江苏等省市沿海滩涂养殖池塘周边常见的盐碱指示植物，能够在一定盐度范围海水中存活生长，研究表明，碱蓬具有去除水体中营养盐的功能［13］，本研究（图1～图2）验证了这个结论，但本研究中碱蓬对DIN、DIP的去除率（最高分别为65.35%、70.59%）低于张亚等［13］的研究（盐度16，TN去除率为73.24%，TP去除率为73.24%），其原因可能受碱蓬个体长度的差异影响，碱蓬通过根系吸收氮、磷等营养盐，本实验用的碱蓬个体长度小于张亚等［13］实验用碱蓬，碱蓬根系长度也短，数量也少，相应的营养盐的吸收效率可能也受到影响。同时，本研究结果（图1～图2）也表明，水体中营养盐的去除效率表现为前期较低，后期较高的趋势，其原因可能是由于随着碱蓬的生长，根系长度、数量均增加，相应的营养盐的吸收效率也呈现增加的趋势。

沙蚕是沉积物污染修复的潜在优良底栖生物，前期研究表明，0.20 kg·m－2密度的双齿围沙蚕是修复文蛤养殖老化滩涂沉积物硫化物、TOC等污染指标的较优密度［14］。本研究结果（图3～图4）表明，双齿围沙蚕单独试验组（B试验组）和碱蓬＋双齿围沙蚕复合试验组（C1、C2、C3试验组）均对沉积物中的硫化物、TOC有较好的去除效果。双齿围沙蚕的生物扰动是沉积物中硫化物、TOC含量变化的主要影响因素［15－16］。本研究中双齿围沙蚕的生物扰动，特别是对沉积物的改造和生物灌溉活动，加强了沉积物颗粒的水平和垂直迁移，改变了沉积物原有的固体物理基质结构，沉积物的可穿透性增强，孔隙度增加，沉积物-水-气三相界面之间的总接触面积增加，上覆水溶解氧向间隙水中加速扩散。同时，由于沙蚕活动能力强，属于生物扰动强度较大的底栖生物，其活动深度可达15 cm以上［11，17－18］，溶解氧能够向沉积物深层输运，沉积物各个层次溶解氧的增加抑制了异养细菌的繁殖和活动，沉积物还原环境被氧化，最终导致沉积物中硫化物含量下降。沙蚕属于杂食性底栖生物，主要摄食小型浮游动植物幼体、鱼虾残饵或粪便、有机碎屑等有机质［19］，沙蚕每日摄食沉积物的量至少相当于本身体质量（干重）［20］。一方面，双齿围沙蚕摄食沉积物中的有机质使部分有机质转化为沙蚕的生物量，直接降低了沉积物中的TOC含量；另一方面，沉积物中有机质的微生物分解也是TOC含量下降的一个重要因素，有氧条件下，O2作为关键电子受体控制沉积物中有机质的分解，缺氧条件下，则依次以MnO2、Fe3＋、SO42－等作为电子受体参与有机质的分解［21－22］。双齿围沙蚕的生物干扰，特别是生物灌溉作用，富氧的水流通过洞穴将溶解氧输运到沉积物深层，增强了沉积物中的氧化氛围，形成溶解氧扩散的立体结构，加速了沉积物中有机质的分解，促进了沉积物有机质中生源要素的再生过程［23］，最终导致沉积物中TOC含量的降低。因此，双齿围沙蚕的摄食和有机质的微生物降解是导致沉积物中TOC含量下降的主要方式。

在无生物扰动时，上覆水中DIN、DIP浓度缓慢增加，沉积物-水界面营养盐浓度差驱动的分子扩散作用是主控因素［24］，双齿围沙蚕的存在（B试验组）会增加上覆水中DIN、DIP浓度，且在碱蓬数量较少时，DIN增量超过了碱蓬的吸收量（图1，C2、C3），其增加途径主要有以下几个：双齿围沙蚕的生物扰动加速了沉积物中有机质的分解，其中一部分有机质能够分解为NO3－、NO2－、NH4＋、PO43－等［21－22］，同时，研究表明，双齿围沙蚕的生物扰动增大了沉积物-水界面的表面积，直接加快了表层、次表层及深层沉积物中营养盐向上覆水的扩散速率［25］；源自双齿围沙蚕自身新陈代谢的营养盐，在生物扰动情况下，扰动生物排泄量引起的营养盐增量要远高于沉积物-水界面的营养盐交换通量，是上覆水营养盐增加的主要途径［26］；双齿围沙蚕的掘穴、摄食、排泄等生物扰动产生水流，使表层沉积物更易形成再悬浮［27－28］，导致上覆水中悬浮颗粒物浓度的增加，悬浮颗粒物上吸附的NO3－、NO2－、NH4＋、PO43－等营养盐通过颗粒物-水的吸附-解吸作用迅速释放到上覆水中。因此，双齿围沙蚕的排泄、颗粒悬浮物的吸附-解析过程和生物扰动共同导致了沉积物-水界面营养盐交换通量的增加，但随着时间的延长，其增量逐渐减小，原因可能是有机质存量越来越少，通过有机质分解产生的NO3－、NO2－、NH4＋、PO43－等营养盐及双齿围沙蚕排泄产生的NH4＋也相应降低，导致DIN、DIP增加幅度也减小。同时，图1、图2显示，上覆水中DIN浓度的增加幅度大于DIP，这与沉积物中氮、磷的生物地球化学循环差异有关，与NO3－、NO2－、NH4＋等营养盐不同，DIP一般是自然水体的限制性元素，其通过上述途径进入上覆水中的浓度较少，同时，PO43－向上覆水中的迁移受到Fe（Ⅲ）的限制，Fe（Ⅲ）能够与PO43－形成难溶解的铁结合态磷［29］，从而减小PO43－向上覆水中的释放速率，最终导致其增量小于DIN。

本研究结果表明，在一定的实验条件下，30、20、10棵数量的碱蓬和0.20 kg·m－2投放密度的双齿围沙蚕复合修复组合对文蛤养殖水体中DIN、DIP以及沉积物中硫化物、TOC均有一定的去除效果，其中30棵碱蓬和0.20 kg·m－2投放密度的双齿围沙蚕复合修复组合修复效果最佳。但在池塘实际养殖过程中，饵料藻类的生长是贝类养殖必须考虑的因素，养殖水体需要保持一定浓度的营养盐，同时，为了维持饵料藻类必需的光合作用强度，碱蓬的数量并不是越多越好，覆盖率只能维持在一定的面积范围内，综合修复的最优比例需要进一步在现场结合初级生产力等指标实验验证。