九龍江河口區養蝦塘沉積物-水界面營養鹽交換通量特征

楊 平,金寶石,譚立山,仝 川,3,*

1 福建師范大學地理科學學院, 福州 350007 2 福建師范大學濕潤亞熱帶生態地理-過程教育部重點實驗室, 福州 350007 3 福建師范大學亞熱帶濕地研究中心, 福州 350007

九龍江河口區養蝦塘沉積物-水界面營養鹽交換通量特征

楊 平1,2,金寶石1,譚立山1,仝 川1,2,3,*

1 福建師范大學地理科學學院, 福州 350007 2 福建師范大學濕潤亞熱帶生態地理-過程教育部重點實驗室, 福州 350007 3 福建師范大學亞熱帶濕地研究中心, 福州 350007

氮磷;釋放速率; 沉積物間隙水;上覆水;養殖塘;河口區

水產養殖系統作為人工圈養系統,其結構單一,缺乏自然生態系統的物質循環功能,系統自適應能力不足,反饋機制不健全。同時,該系統在養殖過程中人工投入的大量營養物質被魚蝦利用有限,大量殘餌、養殖排泄物等有機物在池塘底部沉積和積累,可致使營養元素在一定條件下釋放并擴散至上覆水中,進而引起養殖水質惡化[1- 5]。這些均已成為魚蝦類疾病頻繁發生的主要原因[6],并威脅到水產養殖業健康發展。積極研究水產養殖系統沉積物氮、磷等營養元素濃度及其釋放過程,對于調節養殖系統水質和促進水產養殖業健康發展具有重要意義。

近年來,關于水產養殖系統沉積物-水界面營養鹽通量的研究主要集中在相對開放的海水養殖,如海灣養殖[7- 10],港口養殖[11-12]等體系,對于相對封閉、高密度養殖和高強度餌料投放的陸基水產養殖塘的研究較少[4,13]。并且以上已有研究主要集中在我國北方地區的魚類、貝類及參類等養殖系統,而有關我國東南沿海地區微咸水陸基養蝦塘沉積物間隙水營養鹽濃度及其界面營養鹽交換通量時間動態特征的研究鮮見報道。該方面數據不足或缺失,一方面限制了人們對養殖系統營養鹽循環過程和機制的系統認識;另一方面,不利于宏觀評估和監測養蝦塘沉積物營養鹽釋放對養殖水質的影響程度及其預防策略制定,進而影響到我國濱海地區養蝦塘資源可持續利用。

福建省九龍江河口區是中國東南沿海具有代表性的亞熱帶河口之一。近年來,隨著人們對蝦類產品需求增長,該河口區周邊出現了大規模人工水產養殖系統,特別是人工圈養的陸基養殖塘在河口潮灘上星羅棋布,為探討微咸水養蝦塘沉積物氮、磷營養元素循環過程研究提供了較為適宜的場所。本研究以九龍江河口區紫泥鎮滸茂洲陸基養蝦塘為研究對象,通過野外原位觀測和室內模擬培養相結合的方法,初步探討不同養殖階段沉積物間隙水營養鹽濃度及其界面營養鹽交換通量時間動態特征及其主要影響因素。以期為今后深入研究河口區陸基養蝦塘沉積物氮、磷營養元素循環過程及其作用機制提供理論依據;同時,為當地養蝦塘水體富營養化預防和蝦類養殖業健康發展提供一定的科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

福建省九龍江河口區屬于南亞熱帶海洋性季風氣候,溫暖濕潤,年平均氣溫21.0℃,年均降水量1371 mm[14],降水主要集中于3—9月,潮汐屬于典型半日潮[15]。本研究區域位于九龍江河口區紫泥鎮滸茂洲(117°53′36″E, 24°26′10″N)(圖1)。該區域處于九龍江咸淡水交匯處,港道縱橫,河網交織,水質較好,海堤線總長55.6 km,可利用淡水水面1000 hm2,淺海灘涂2666 hm2,水產養殖條件優越。甘文農場是滸茂洲水產養殖業較發達區域之一,其6—10月主要從事對蝦養殖。故本研究在該農場西南角靠近海堤位置選擇3個有代表性的對蝦養殖塘作為樣品采集點(圖1)。3個養殖塘水域養殖面積在7000—8000 m2,平均水深1.5 m,養殖品種為白對蝦Penaeusvannamei,養殖所用餌料為人工配合餌料(餌料養分構成：水分11%、蛋白質42%、粗脂肪4.0%、粗纖維3.0%、粗灰分15.0%、鈣1.0%—3.0%、總磷1.0%、食鹽0.5%—2.5%、賴氨酸2.3%),日投餌量約為蝦體重的3%—10%,具體餌料投放量根據攝食情況進行調整。

圖1 研究區域和采樣點位置Fig.1 Map of the Jiulong River Estuary and the sampling sites

1.2 樣品采集與現場觀測

綜合考慮對蝦生長周期和養殖戶許可,在每個養殖塘布設3個采樣點(每個采樣點均插入竹竿進行標記,以便每次樣品采集時均在同點開展,進而達到減少實驗誤差的目的)設計3次采樣,分別為2015年6月中旬(養殖初期)、8月中旬(養殖中期)和10月中旬(養殖末期),具體樣品采集情況如下：

柱狀沉積物采集：運用奧地利進口的不銹鋼柱狀采泥器(Corer- 60, Austria)(采泥器配備內徑和長度分別為6 cm和30 cm有機玻璃管),在每個養殖塘3個采樣點采集0—15 cm深垂直無擾動柱狀沉積物芯樣,每個樣點采集3根,分別用于沉積物基本理化性質測定、沉積物間隙水營養鹽濃度測定和沉積物-水界面營養鹽交換通量培養實驗。所有柱狀沉積物樣品在2 h內完成采集工作,并且柱狀沉積物采集后,現場用橡皮塞將采樣管上下兩端密封,加鋁箔紙避光,垂直放置于墊有塑料泡沫的保溫箱(保溫箱中放置冰塊或冰袋)中,于4小時內運回實驗室并立刻進行樣品前處理與培養實驗。

上覆水水樣采集：與沉積物樣品采集同步,利用Sea-Bird II型采水器(Sea-bird Electronics,USA),在每個采樣點采集沉積物表面以上上覆水水樣3份,并將水樣裝滿采集瓶(250 mL),其中用于上覆水營養鹽和葉綠素a濃度測定的水樣需要加入2 mL HgCl2溶液以到達抑制微生物活性效果,所有樣品均置于保溫箱中低溫遮光保存,并且在4 h內運回實驗室進行樣品前處理與培養實驗。

現場觀測：采用IQ150便攜式pH/氧化還原電位/溫度計(IQ Scientific Instruments, USA)測定沉積物溫度,采用多參數水質監測儀(HORIBA, Japan)測定上覆水體溶解氧DO濃度,利用電子天平稱重收獲的50尾對蝦重量。

1.3 水化學、沉積物理化參數和生物參數測定分析

1.4 沉積物-水界面營養鹽交換通量培養實驗與計算

沉積物-水界面營養鹽交換通量采用SONE方法[18]進行模擬研究,模擬實驗裝置參照陳朱虹等[19]的設計。培養管內徑和長度分別為6 cm和30 cm,柱狀沉積物長度為15 cm。主要實驗步驟[19]如下：(1)將培養管置于恒溫震蕩培養箱,并設定培養溫度和震蕩頻率(設定溫度為每個養殖階段現場采樣時的沉積物溫度;震蕩頻率根據預實驗對比觀察結果,分別設置為20、40 r/min和80 r/min,表征養殖初期、中期和后期階段蝦的覓食及代謝活動對沉積物表面及上覆水影響);(2)通過重力溢流方式,用水袋中的上覆水(已經過孔徑為0.45 μm濾紙過濾)更新柱狀培養管沉積物上覆水,塞緊頂部瓶蓋,連接進入和出水管路;(3)將0.5 m長的引流硅膠管置于培養管中,其入水口置于培養管中部位置(靠近沉積物)以獲得代表性水樣;(4)利用醫用注射器在引流硅膠管的出水口處采集水樣60 mL。遮光培養9 h,分別在培養實驗初始時刻和結束時刻取樣。每次采集完水樣后,在重力和負壓作用下,水袋中的上覆水會自動補充到培養管中。水樣經孔徑0.45 μm濾紙過濾后立刻采用采用流動注射分析儀(SKALAR San++, Netherlands)測定各種營養鹽濃度。沉積物-水界面營養鹽交換通量根據培養始末上覆水體中營養鹽濃度變化差值計算獲得[4],計算公式如下：

FS-W-M=(CW-E-CW-B)×V/T/S

式中,FS-W-M為沉積物-水界面營養鹽通量(mg m-2h-1),CW-E為培養后上覆水體中營養鹽濃度(mg/L),CW-B為培養前上覆水體中營養鹽濃度(mg/L),V為上覆水體積(L),T為培養時間(h),S為沉積物土柱橫截面積(m2)。計算結果若為正值,表示營養鹽由沉積物向上覆水釋放; 若為負值,表示營養鹽被沉積物吸收。

1.5 數據處理與統計分析

采用Excel 2003對原始數據進行處理和繪圖。利用SPSS 17.0統計軟件包中單因素方差(One-Way ANOVA)分析法中的LSD法(least significant difference test)檢驗不同養殖階段沉積物間隙水營養鹽濃度、沉積物-水界面營養交換通量及環境變量的差異性。沉積物間隙水營養鹽濃度、沉積物-水界面營養鹽交換通量與環境變量間的相關性采用SPSS 17.0中的Pearson相關分析法進行統計分析。文中誤差線均為標準誤差。

2 結果與分析

2.1 沉積物理化性質與生物參數變化特征

蝦塘水溫、沉積物理化性質及生物參數隨養殖時間的變化情況如表1所示。水溫和孔隙度隨養殖時間推移呈下降趨勢,其變化范圍分別介于28.19—31.34℃和107.00—122.00%,且不同養殖階段之間的水溫差異性均達到顯著性水平(P<0.05)。沉積物pH值變化范圍介于6.15—6.65,養殖末期的沉積物pH顯著高于初期和中期(P<0.05)。養殖期間,沉積物鹽度與孔隙度變化趨勢基本一致,最大值出現在養殖末期并且顯著高于其它兩個養殖階段(P<0.05)。生物量(蝦)隨養殖時間推移呈現顯著增加趨勢,不同養殖階段生物量差異性均達到顯著性水平(P<0.05)(表1)。此外,沉積物粒徑組成在整個觀測期間變化較小(表1)。

表1 養殖期間水溫、沉積物理化性質及生物參數

表中數據為：均值±標準誤差, 樣本數n= 9;表中不同字母表示在0.05水平上差異顯著(P<0.05),表中相同字母表示在0.05水平上差異不顯著(P>0.05)

2.2 沉積物間隙水與上覆水營養鹽濃度變化特征

表2 養殖期蝦塘沉積物間隙水與上覆水營養鹽濃度變化特征

表中數據為：均值±標準誤差;營養鹽濃度梯度=間隙水營養鹽濃度-上覆水營養鹽濃度;同一列數據標注不同小寫字母表示不同養殖階段的營養鹽濃度差異性達到顯著性水平(P<0.05),相同字母表示差異性未達到顯著性水平(P>0.05)

2.3 養蝦塘沉積物-水界面營養鹽交換通量特征

圖2 養殖期蝦塘沉積物-水界面營養鹽通量變化特征Fig.2 Temporal variation of nutrients fluxes across the interface of sediment-water in shrimp ponds

2.4 沉積物-水界面營養鹽通量與環境變量關系

圖3 蝦塘沉積物-水界面營養鹽通量與營養鹽濃度差的相關關系(營養鹽濃度梯度=間隙水營養鹽濃度-上覆水營養鹽濃度)Fig.3 Relationships between nutrients fluxes concentration and the gradient of nutrients concentrations in shrimp ponds

Table 3 Pearson′s correlation coefficient between nutrients fluxes and sediment physiochemical properties, biological parameters in shrimp ponds

營養鹽通Nutrientsfluxes溫度TemperaturepH孔隙度ФPorosity鹽度Salinity沉積物粒徑組成Sedimentgraincomposition粘粒Clay粉粒Silt砂粒Sand蝦生物量ShrimpbiomassNO-2-N0.749**-0.3090.1810.454*-0.3650.0770.220-0.744**NO-3-N0.506**-0.520**0.2770.2450.1280.168-0.217-0.636**NH+4-N0.362*-0.2900.2340.3270.1370.422*-0.407*-0.744**PO3-4-N0.782**-0.289-0.0340.202-0.152-0.0310.141-0.744**

**顯著性水平P<0.01; *顯著性水平P<0.05

3 討論

3.1 養蝦塘沉積物-水界面營養鹽通量特征的主要影響因素

3.2 與其它水產養殖系統沉積物-水界面營養鹽通量的比較

表4 國內不同養殖系統沉積物-水界面營養鹽的交換通量比較

ND表示沒有數據

由于研究測定方法不同, 不同研究測定的結果并不具有精確的可比性[5],因此本研究與先前相關研究的比較僅作為養殖系統沉積物-水界面營養鹽交換通量的大概評價。通常擴散模型法在估算交換通量時,更多地只是考慮營養鹽在沉積物-上覆水之間的濃度梯度以及沉積物孔隙度、顆粒阻礙等因子對溶解態營養鹽遷移擴散影響的理論通量值[5],并且沉積物間隙水獲取的方法多為傳統破壞性的離心法[4-5,48-49],這些因素均有可能導致養殖系統沉積物-水界面營養鹽的交換通量被低估[5,48]。相對于擴散模型法,原位柱狀沉積物模擬法可基本不破壞沉積物性狀,且在多種控制條件下進行模擬,特別是在模擬過程中會考慮到生物擾動等影響因素,因此在理論上該方法比擴散模型法的估算結果較為接近實際情況[48,50]。但原位柱狀沉積物模擬法也存在一些不足,如柱狀體系的體積通常較小,易產生壁效應[48],也會造成界面通量評估的不確定性。相對前述兩種測定方法,水下原位模擬法可在不移動沉積物情況下進行模擬,能夠真實反映沉積物的實際條件,其結果最接近實際;但該種方法費用較大、技術難度較高,目前在國際上僅被少數研究所采用[9,51-53],國內研究中采用該方法的較為鮮見。

與先前研究相比,本研究也存在一些不足之處,其主要表現在：(1)只進行了3次野外樣品采集和室內模擬培養實驗,在實驗觀測頻次上顯得單薄,可能會低估或高估沉積物-水界面營養鹽交換通量;(2)在培養過程中雖然考慮到根據不同養殖階段蝦的增長情況設定震蕩頻率,表征蝦的擾動對界面營養鹽交換通量帶來的影響,但設定的頻率與實際情況存在一定差距,所以該種頻率的設置只能表征隨養殖時間推移蝦的擾動對界面交換通量影響強度的大概趨勢;(3)與多數研究相似,沉積物間隙水是通過離心法獲得,在樣品處理過程中雖嚴格執行實驗操作規范,仍不可避免少部分沉積物間隙水營養鹽被氧化的可能性,進而可能會增加沉積物間隙水營養鹽濃度測定值的誤差;(4)未對沉積物微生物指標(硝化細菌、反硝化細菌及氨化細菌等)和一些具有吸附解吸能力的金屬元素(Fe、Mn等)進行測定,不能從機理方面對研究結果給予解釋與探討。在今后研究工作中,需側重利用Peeper法獲取沉積物間隙水,增加野外樣品采樣頻次和室內培養周期以及充分考慮測定微生物和Fe、Mn等重金屬指標來完善該方面的研究。

4 結論

致謝：感謝福建師范大學亞地理科學學院任鵬、杜威寧、張璟鈺等同學在野外樣品采集和室內分析中給予的幫助。

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Temporal variation of nutrients fluxes across the sediment-water interface of shrimp ponds and influencing factors in the Jiulong River Estuary

YANG Ping1,2, JIN Baoshi1, TANG Lishan1, TONG Chuan1,2,3,*

1SchoolofGeographicalSciences,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China2KeyLaboratoryofHumidSub-tropicalEco-geographicalProcessoftheMinistryofEducation,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China3ResearchCentreofWetlandsinSubtropicalRegion,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China

nitrogen and phosphorus; release rate; porewater; overlying water; aquaculture ponds; estuary

福建省基本科研專項重點資助項目 (2014R1034-1); 國家自然科學基金資助項目 (41671088,41371127); 福建師范大學校級創新團隊資助項目(IRTL1205) ；福建師范大學地理科學學院研究生出國(境)訪學資助計劃和地理科學學院研究生科研創新資助項目(GY201601)

2016- 03- 13;

2016- 06- 27

10.5846/stxb201603130448

*通訊作者Corresponding author.E-mail: tongch@finu.edu.cn

楊平,金寶石,譚立山,仝川.九龍江河口區養蝦塘沉積物-水界面營養鹽交換通量特征.生態學報,2017,37(1):192- 203.

Yang P, Jin B S, Tang L S, Tong C.Temporal variation of nutrients fluxes across the sediment-water interface of shrimp ponds and influencing factors in the Jiulong River Estuary.Acta Ecologica Sinica,2017,37(1):192- 203.