樟湖庫灣網箱養殖區沉積物氮的時空變化特征

(福建省淡水水產研究所，福建 福州 350002)

氮作為水生生態系統初級生產力的關鍵限制性因子，被認為是水生生態系統的主要營養元素[1]。在外源污染得到控制的條件下，網箱養殖區在長期養殖過程中，大量的含氮物質沉淀富集于沉積物中，當環境條件改變時又會重新釋放出來，增加水體含氮量，加速了養殖水體的富營養化，出現影響網箱養殖容量等問題[2-3]。研究網箱養殖區沉積物中氮的時空分布特征，對于了解沉積物-水體氮的循環和遷移轉化規律具有重要意義，可為庫灣網箱養殖業的可持續發展和養殖生態環境保護提供理論依據。

樟湖庫灣位于南平市延平區樟湖鎮東南方向，庫灣水域面積近530 hm2，網箱養殖是樟湖庫灣最重要的水產養殖方式，主要以小型浮式框架型網箱養殖魚排為主，每組魚排由12～18個規格為 6 m×10 m的養殖網箱構成，主要養殖品種有草魚、翹嘴紅鲌和鳊魚等，養殖周期大多數為1 年，年產量約665 t，春季放苗，冬季收獲，網箱中每年放養魚苗的時間、數量和種類大致相同。養殖所用飼料主要為人工配合飼料，日投飼量約為魚體重的3%～10%。2016年網箱養殖面積達21 hm2，水深約10～20 m，是典型密集網箱養殖庫灣。灣內四季風平浪靜，水質優良，初級生產力高，適合發展水產養殖。本文于2016年 6月至2017年 5月，按月對樟湖庫灣不同網箱養殖區進行沉積物的采樣調查，分析討論了表層沉積物中氮的時空分布和變化規律，為水庫庫灣漁業養殖模式的優化和推廣提供科學的參考依據。

1 材料與方法

1.1 采樣位點及采樣方法

根據網箱養殖魚排組數量和環境，采用 GPS 定位在樟湖庫灣養殖區設置5個采樣點，分別為S1、S2、S3、S4、S5，研究位點分布如圖 1。其中S1～S2為高密度網箱養殖區域，常年養殖魚排數達15～20組，S4～S5為低密度網箱區域，常年養殖魚排數為2～3組，S3為對照點(非養殖區)，該位點近五年無網箱養殖。于2016年6月至2017年5月進行為期1年的沉積物定位采樣，每月用彼得森抓斗式底泥采樣器采集表層沉積物，封存于雙層密封袋內并置于裝有冰塊的泡沫箱中。沉積物樣品送入實驗室，一部分放入冰箱(4℃)保存，用作沉積物銨態氮和硝態氮的測定，一部分風干用于總氮及其他項目的測定；樟湖庫灣養殖水域區主要為丘陵和水稻田土，土壤質地背景為粘土-粘壤土。

注：S1：26°23′16.706″N，118°29′22.310″E；S2：26°23′31.430″N，118°29′32.334″E；S3：26°23′16.806″N，118°29′56.256″E；S4：26°23′53.898″N，118°30′36.757″E；S5：26°24′02.053″N，118°30′45.851″E。

1.2 分析方法

總氮(TN)采用元素分析儀法[4-5]，精確稱取200～300 mg風干、過100目篩的沉積物樣品于坩堝，將樣品送入到元素自動分析儀(德國，elementar Vario MAX cube)測定；交換態氮(EXN)，用 2 mol/L KCl 溶液振蕩提取沉積物樣品( 液固比為 5∶1)1 h，其浸提液分別用于測定銨態氮和硝態氮，銨態氮用靛酚藍比色法，硝態氮采用比色法[6]。

1.3 數據統計

數據統計和分析應用SPSS20.0和EXCEL2007軟件，站位圖應用suffer8.0軟件進行繪制。

2 結果

2.1 網箱養殖區表層沉積物氮的時空變化規律

樟湖庫灣網箱養殖不同區域表層沉積物總氮、銨態氮和硝態氮的不同時間動態變化特征存在明顯差異(圖2～4)。

從時間變化來看，不同養殖區表層沉積物總氮含量以S1和S2站位相對較高，S4和S5站位相對較低(圖2)。其中S1站位表層沉積物總氮含量最高，其次是S2站位，含量分別是1 680.00～3 570.00、1 460.00～2 720.00 mg/kg，年平均值為2 435.00、2 015.00 mg/kg，分別是對照點S3站位的1.53和1.27倍。但S4和S5站位除了2017年3月表層沉積物總氮含量要明顯低于S3站位，含量分別為850.00～1 660.00、530.00～2 040.00 mg/kg，年平均值分別為1 174.17、1 125.00 mg/kg。不同養殖區表層沉積物總氮含量在不同時間的變異系數存在一定差異性，其中以S5站位相對較大(39.32%)，其他站位點變異相對較小，S1、S2、S3、S4站位表層沉積物總氮含量變異系數分別為20.98%、22.30%、29.85%、20.59%。

不同網箱養殖區表層沉積物總氮含量隨時間變化的趨勢一致，但變化幅度不同(圖2)。對照點非養殖區的表層沉積物總氮含量從2016年6月至2017年5月呈現起伏性的變化趨勢，其含量以2017年4—5月最高，2016年9月最低。與非養殖區沉積物總氮含量的時間變化趨勢不同，網箱養殖區的表層沉積物總氮含量從2016年9月至2017年4月呈逐漸增加的趨勢。對所有網箱養殖區而言，表層沉積物總氮平均含量具有冬季(2016年12月—2017年2月)和春季(2017年3月—5月)相對較高，夏季(2016年6月—8月)和秋季(2016年9月—11月)含量相對較低的特征。

沉積物中銨態氮和硝態氮屬于可交換態氮，由于與沉積物結合能力較弱，是沉積物各形態氮中最“活躍”的部分，在沉積物-上覆水體氮循環中占有重要的地位。圖3和圖4結果表明樟湖庫灣不同養殖區表層沉積物銨態氮和硝態氮的時間差異特征明顯。由于銨態氮和硝態氮容易遷移和轉化，同一站位的表層沉積物中銨態氮和硝態氮含量時間變化趨勢不同。S1站位沉積物中銨態氮和硝態氮的季節變化大，而其他采樣點的季節變化相對較小。其中S1站位夏季和秋季沉積物的銨態氮和硝態氮含量明顯高于春季和冬季，以2016年8月含量最高，分別為362.46、13.70 mg/kg。S1、S2站位夏季和秋季沉積物中銨態氮高于對照點，但S2站位沉積物中硝態氮含量與對照點相比差異不明顯。而S4、S5站位沉積物中銨態氮除了2017年3月外，其他時期均明顯低于對照點；硝態氮含量與對照點非養殖區不存在明顯時間變化差異(圖4)。

2.2 網箱養殖區不同區域表層沉積物氮的變化規律

表1為樟湖庫灣養殖區的表層沉積物總氮、銨態氮和硝態氮的含量，在一年監測中不同站位間的空間差異顯著性。網箱養殖區S1站位表層沉積物的總氮、銨態氮和硝態氮含量顯著(P<0.05)高于其他站位；養殖區S2站位沉積物中總氮含量顯著高于非養殖區(S3)，而銨態氮和硝態氮含量雖高于非養殖區(S3)但沒有顯著性差異。S4和S5站位沉積物中總氮、銨態氮和硝態氮含量均沒有顯著性差異，但與對照點相比，總氮和銨態氮含量明顯低于非養殖區(S3)，但硝態氮含量高于非養殖區(S3)，分析結果還表明，S4和S5站位沉積物總氮含量與非養殖區S3站位具有顯著性差異，但銨態氮和硝態氮含量與非養殖區沒有顯著性差異。總體而言，沉積物總氮和銨態氮年平均含量依次為S1>S2>S3>S4>S5，硝態氮年平均含量依次為S1>S4 >S2>S5>S3。

表1 樟湖庫灣網箱養殖區表層沉積物氮的變化規律

注：同一行不同小寫字母表示差異顯著，P<0.05，n=12。

Note：Different small letters in the same line meaned significant difference，P<0.05，n=12.

2.3 網箱養殖區表層沉積物總氮與氨氮、硝態氮的關系

表2為不同養殖區沉積物中不同形態氮含量一年變化之間的相關性，結果表明，受養殖環境及氮來源和外部水環境因子的影響，不同養殖區沉積物中的不同形態氮之間的相關性明顯不同。網箱養殖區沉積物中銨態氮和總氮呈極顯著相關(P<0.01)，與硝態氮呈顯著正相關(P<0.05)，表明網箱養殖區沉積物中銨態氮含量和轉化受總氮和硝態氮含量的影響；非養殖區(S3)和低密度網箱養殖區(S4+S5)沉積物中不同形態氮與總氮含量沒有顯著相關性，表明這兩個區域沉積物中交換態氮含量不受總氮含量制約，而易受外界環境的影響；高密度網箱養殖區(S1+S2)沉積物中硝態氮和總氮具有顯著相關性(P<0.05)，與銨態氮呈極顯著相關(P<0.01)，表明該區域沉積物總氮和硝態氮的含量對銨態氮轉化及其含量影響較大。結果表明，網箱養殖區沉積物中不同形態氮的相關性差異與網箱養殖密度和養殖環境有關。

表2 樟湖庫灣網箱養殖區表層沉積物氮的相關關系

注：* 表示顯著，P<0.05； **表示極顯著，P<0.01。

Note：* meaned the significant difference at the 0.05 level，**meaned the significant difference at the 0.01 level.

3 討論

3.1 網箱養殖區沉積物氮時間變化

本研究結果表明，樟湖庫灣不同網箱養殖區表層沉積物中氮含量呈現著明顯的時間變化分布特征。與其他海灣網箱養殖相似，養殖區沉積物中總氮和銨態氮含量變化與季節變化相關[7-8]，所有網箱養殖區(S1、S2、S4、S5)沉積物中總氮含量隨著時間的延長呈現逐漸增加的趨勢(圖2)，這主要是由于網箱養殖是一種精養或半精養的養殖模式，在水體中除部分被轉化成為浮游生物可利用的可溶態氮外，養殖過程中產生大量的殘餌、排泄物等進入水體后，最終進入沉積物中累積下來，使網箱區沉積物中的總氮含量隨著時間延長逐漸增加[9]。非養殖區對照點(S3)沉積物中總氮在冬季和春季的含量變化差異不大，其中秋季含量最低，而其他研究結果表明非養殖區沉積物中總氮含量秋季高于春季和夏季[7]，這可能與樟湖庫灣沉積物的組成、水體的溫度和pH、沉積物中氮負荷能力及生物活動和人為因素有關[10]。

銨態氮和硝態氮是沉積物中的有機氮被底棲微生物降解和化學氧化還原生成的交換態氮，它們吸附于沉積物中，但當水文條件改變時會重新釋放到水體中，對氮的遷移和轉換有重要作用。樟湖養殖區沉積物中銨態氮含量呈現顯著的時間變化趨勢，而硝態氮含量除了S1站位外其他站位季節變化差異不大(圖3、4)。網箱養殖區沉積物中的銨態氮含量夏季最高，但其他季節變化差異不大，主要由于樟湖庫區網箱養殖一般在春季放養魚苗，投餌量和魚類排泄物不多，而夏季水溫高，魚類生長代謝加快，投放餌料量相應提高，大量的殘餌和魚類的排泄物以沉降形式累積在沉積物表層，加大沉積物有機負荷，沉積環境的礦化過程和氨化作用，造成沉積物中銨態氮含量增加，這與沉積物總氮含量的季節變化趨勢一致(圖2)；而從秋季到冬季因水體溫度逐漸降低，部分網箱的魚類收獲，剩余的部分魚類捕食性變差和新陳代謝速度降低，投餌量和排泄量也大大減少，此外水位降低造成沉積物環境氧化條件增加，銨態氮的硝化作用使沉積物中銨態氮含量降低，這與相關研究結果一致[7，11]。

S1、S2 和S4三站點沉積物中銨態氮含量在2016年8月最高，而后有一個明顯的隨時間推移下降的趨勢，這表明可能一整年養殖過程中夏季的8月正是網箱養殖所能影響沉積物中銨態氮含量的月份。對照點 S3 沉積物處于自然狀態，但全年也呈現夏季和春季高于秋季和冬季的時間變化趨勢，這可能與外界環境如地表徑流、人類活動污水排放等引起的沉積物氨氮含量時間變化有關。除S1站點外養殖區和非養殖區沉積物中硝態氮含量全年變化差異小，這與沉積物對硝態氮的吸附能力和沉積厭氧環境引起的反硝化作用有關[12]。

3.2 網箱養殖區沉積物氮空間變化

研究結果表明，網箱養殖區沉積物中不同形態氮的含量空間分布與沉積物沉積時間及養殖環境因素有關[13-14]。樟湖網箱養殖區沉積物中總氮和交換態氮(銨態氮和硝態氮)含量也因養殖環境條件不同而呈現顯著的空間變化(圖2、3、4，表1)。不同養殖區沉積物中總氮含量空間分布順序依次為S1>S2>S3>S4>S5，銨態氮含量的空間變化分布與總氮含量一致，而硝態氮年平均含量依次為S1>S4>S2>S5>S3，這表明氮含量的空間分布與不同站位的養殖環境及養殖網箱數量有關。網箱養殖區總氮含量與非養殖區(S3)具有顯著性差異(表1)，其中高密度養殖區(S1、S2)沉積物中總氮含量均高于非養殖區，主要由于S1、S2站位網箱多且處于風浪較小的封閉灣內，沉積物與水體的交換量較少，加上魚類大量的排泄物及殘餌長期累積、沉積，增加了沉積物中氮含量，成為富含氮和有機物的養殖污染負荷；研究表明，在網箱養殖區投餌料中大約有21%的氮無法被生物利用而累積于沉積物中[15]。王文強等研究發現，養殖網箱下及養殖區內的沉積物氮含量均高于非養殖區，沉積物中經常可見殘餌，并且養殖年限越長含量越高[16]。而低密度養殖區(S4、S5)低于非養殖區，主要是因為常年網箱養殖數量少，受水體干擾大，沉積環境厭氧程度較低，微生物活動強烈，沉積物中氮與水體的交換量大，有利于降低沉積物氮含量負荷。這些結果表明，高密度網箱養殖會顯著改變沉積物氮的運移和沉積方式以及沉積環境的溶氧狀態，增加沉積物總氮含量，而低密度網箱養殖在外源污染控制下對沉積物氮負荷有緩沖作用。

沉積物氮在生物環境和非生物環境(如pH、溶解氧、氧化還原電位等)作用下發生形態轉化，在水體擾動作用下會發生再分配，向下沉積或釋放到水體中[17-18]。本研究結果表明，高密度網箱養殖區沉積物中銨態氮含量顯著高于非養殖區和低密度養殖區，主要是由于高密度網箱養殖增加沉積物中有機負荷，微生物分解有機物過程中消耗大量氧氣，使有機質在強還原狀態下銨化作用產生大量銨氮，而低密度網箱養殖區沉積物總氮含量負荷低，在厭氧環境下只有少量的有機物供礦化分解，因而其銨態氮含量低[9]。與非網箱養殖區相比，網箱養殖區位沉積物中硝態氮含量有增加趨勢，但各站位硝態氮含量遠小于銨態氮含量，這主要是由于沉積物對硝態氮吸附能力差，導致沉積物中硝態氮易向上覆水體擴散和遷移，所以沉積物中硝態氮含量較低；此外相關性結果(表2)表明網箱養殖區沉積物中銨態氮與硝態氮具有顯著相關性，說明沉積物中氮在礦化過程中同時生成銨態氮和硝態氮；但硝態氮在厭氧環境和微生物作用下，易發生反硝化作用生成對生物體有毒害作用的亞硝態氮，向上覆水體遷移和擴散，這對于網箱養殖環境會產生不利影響。因此，有關網箱養殖區影響沉積物-水體界面氮的形態轉化、遷移的環境因子及其交換態氮對養殖環境的影響有待進一步研究。

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