河蟹生態養殖池塘不同水層水質變化的研究

吳 凱，馬旭洲*，王友成，郎月林，李星星

（1上海海洋大學農業部淡水水產種質資源重點實驗室，上海201306；2上海市水產養殖工程技術研究中心，上海201306；3水產動物遺傳育種中心上海市協同創新中心，上海201306；4上海魚躍水產專業合作社，上海201611；5遵義市水產站，貴州563000）

河蟹，學名中華絨螯蟹（Eriocheir sinensis），又稱螃蟹、大閘蟹和毛蟹，隸屬方蟹科（Grapsidae）絨螯蟹屬（Eriocheir）［1］。因其具有獨特的風味和較高的營養價值而受到廣大消費者的青睞，養殖規模不斷擴大。為了增加收益，有些地區以增加放養密度及投餌量的方法來增加產量，結果造成養殖水環境的惡化。河蟹養殖離不開水，水質差必然影響河蟹的生長及品質。據調查，河蟹池塘養殖可引起周圍水環境氮、磷含量的升高［2］。但也有報道指出，河蟹的放養密度適宜，投餌科學，對環境基本無影響［3］，還可以起到凈化水質的作用［4-5］。生態養殖模式可以最大程度上避免養殖對水環境造成不良的影響，因此河蟹生態養殖模式不斷應用于實際生產中，且在不同的地方形成了具有本地特色的生態養殖模式，如“當涂模式”“宿松模式”“寶應模式”和“盤山模式”［1］。

關于河蟹生態養殖對水質影響的研究較多［6-7］。戴恒鑫等［8］研究河蟹生態養殖池塘時發現，溶解氧和溫度存在明顯的晝夜變化和垂直變化規律，但并未對其他水質因子進行監測及分析。眾所周知，氨氮對水產動物有一定的毒害作用，且氨氮的毒性隨著濃度的變化存在差異［9-10］。河蟹生態養殖池塘不同深度水層的氨氮濃度可能不同，對河蟹的影響程度可能因水層深度不同而存在區別。因此，探究河蟹生態養殖池塘不同水層水質因子的晝夜變化有助于更準確地掌握水質因子的動態變化規律。本試驗于2014年8月選擇3個連續的晴天天氣對上海松江泖港地區河蟹生態養殖池塘不同水層的溫度、DO、pH、CODMn、NH+4-N、NO－2-N、NO－3-N和PO3－4-P進行晝夜監測，以期全面了解水質因子在垂直方面的動態變化規律，增強日常管理的調控和突發事件的應對。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用池塘為上海松江泖港三泖水產養殖基地（北緯30°57′，東經121°8′）的3個河蟹養殖池塘，面積均為5 000 m2。3個池塘均為東西走向，南北相互毗鄰，周圍環境相同，河蟹的投放量相同，均為7 500只/hm2，底質環境基本一致。試驗期間，養殖池塘只進水不排水，平均水位為1.2 m，最高水位不超過1.5 m。

1.2 試驗設計

每個池塘的中央設置3個采樣點，采樣點之間相距10 m左右，每個采樣點的垂直方向距水面30 cm（上層）、65 cm（中層）和100 cm（下層）處為水樣的采集點，每個采集點每次采樣300 mL，同一池塘同一深度采集點采集到的水樣混勻。試驗于2014年8月選擇3個連續的晴天對3個池塘的3個水層的水質因子進行晝夜監測，每次試驗17：00為第一次采樣，之后每隔4 h采樣一次，每天采樣6次。本試驗的晴天為晴天、風力0—2級、全天氣溫均值約30℃，池塘無明顯波浪。

1.3 樣品分析方法

采樣后立刻測定水體的水溫、溶解氧（DO）和pH，其他水質指標于下次采樣之前在實驗室內全部測定。水質指標溫度、DO、pH、CODMn、NH4+-N、NO2－-N、NO3－-N、PO34－-P的測定方法參照《水和廢水檢測方法》（第四版）［11］。其中溫度和DO值采用美國YSI550A溶氧儀測定，pH采用pHSJ-3F型pH計測定，高錳酸鹽指數（CODMn）采用酸性高錳酸鉀法測定，氨氮（NH4+-N）濃度采用納氏試劑光度法測定，亞硝酸鹽（NO2－-N）濃度采用鹽酸萘乙二胺比色法測定，硝酸鹽（NO3－-N）濃度采用紫外分光光度法測定，磷酸鹽（PO34－-P）濃度采用鉬銻抗分光度法測定。

1.4 數據處理

試驗數據采用SPSS 20.0和Excel 2003軟件進行統計和作圖。采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和LSD法進行方差分析和差異顯著性檢驗（α＝0.05）。

2 結果與分析

2.1 水溫、DO、pH、CODMn的變化

水溫不僅影響著水生生物的生長、繁殖、水中食物的豐富程度和池塘中物質的循環速度，還影響著水生生物的垂直分布。不同水層的水體受太陽輻射強度不同，水溫存在差異，且隨著太陽活動的周期性變化而變化。由圖1可知，3個水層的水溫晝夜變化趨勢相同，17：00最高，夜晚逐漸下降，5：00最低，日出之后開始緩慢升高，一天中水溫的變化幅度不大。同一時間，3個水層溫度大小為上層＞中層＞下層，但溫差較小，表明試驗池塘在垂直方向溫差較小。溶解氧是判定水體自凈能力的一種依據，而且影響水生生物的呼吸、物質的轉化等。由于空氣、水生植物為水體供氧位置的差異和耗氧、水生生物的垂直分布不同，水體中的溶解氧在垂直方向存在差異。本試驗中3個水層的溶解氧晝夜變化趨勢和水溫相似，也是17：00最高，5：00最低，夜晚逐漸下降，日出之后開始緩慢上升，但晝夜變化幅度較小。同一時間，溶解氧濃度在垂直方向大小為上層＞中層＞下層，上層和中層溶解氧濃度顯著高于下層，但上層和中層溶解氧濃度差異不顯著。

河蟹養殖池塘種植了較多的水生植物，水生植物呼吸作用的強度可影響水體中pH的變化。試驗發現，3個水層的pH變化表現為夜晚下降、白天升高的趨勢，與水生植物呼吸作用強度的變化相吻合，表明水生植物在水體pH的變化中起到重要的作用。垂直方向上，底泥以及微生物的呼吸作用可能導致pH存在差異。同一時間，3個水層pH大小為上層＞中層＞下層，表明下層水體的呼吸作用較強，但pH差異較小。3個水層的 CODMn濃度晝夜變化趨勢相似，17：00最低，17：00—1：00緩慢升高，1：00達到最高，1：00—13：00緩慢降低，表明夜晚水體中還原性物質濃度高于白天。3個水層水體中還原性物質濃度差異不顯著，大小為上層＜中層＜下層，表明水體中還原性物質濃度在垂直方向有遞變的趨勢。

圖1 水體溫度、DO、pH、CODMn的動態變化Fig.1 Dynam ic changes of water tem perature，DO，pH，CODMn in water

2.2 NH+4-N、NO-2-N、NO-3-N和PO3-4-P的變化

由圖2可知，3個水層NH+4-N濃度晝夜變化趨勢相似，即17：00—5：00緩慢升高，5：00—13：00緩慢降低，5：00和17：00分別達到最高值和最低值。NH+4-N濃度存在明顯的分層現象，同一時間3個水層NH+4-N濃度差異顯著，大小為上層＜中層＜下層，表明隨著水體深度的增加，NH+4-N有遞增的現象。NH+4-N的晝夜變化和垂直變化均較明顯，表明NH+4-N是一種受外界影響較大的水質因子。與NH+4-N相似，NO－2-N也表現出較明顯的晝夜變化趨勢，17：00—5：00緩慢升高，5：00—13：00緩慢降低，5：00和17：00分別達到最高值和最低值。NO－2-N和NH+4-N也存在差異，同一時間3個水層NO－2-N濃度大小為上層＜中層＜下層，其中上層水體NO－2-N顯著低于下層，上層和中層及中層和下層間差異不顯著；NO－2-N的晝夜變化幅度較大，且上層和中層的變化幅度高于下層，表明下層NO－2-N濃度較穩定，不易被氧化或還原。

圖2 水體NH+4-N、NO-2-N、NO-3-N和PO3-4-P的動態變化Fig.2 Dynam ic changes of NH+4-N、NO-2-N、NO-3-N and PO3-4-P in water

3個水層NO3－-N濃度晝夜變化表現為夜晚降低、白天升高的趨勢，即17：00—5：00緩慢降低，5：00—13：00緩慢升高，5：00和17：00分別達到最低值和最高值。NO3－-N與NO2－-N和NH4+-N的變化趨勢相反，表明水體三氮（氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮）轉化影響著三氮在水體中的濃度。垂直方向上，同一時間3個水層NO3－-N濃度大小為上層＞中層＞下層，且差異顯著，表明隨著水體深度的增加，NO3－-N濃度變化較明顯。河蟹養殖池塘中每天有外源性的餌料性磷進入水體，同時可溶性的磷酸鹽被水生植物吸收利用。試驗測得，3個水層PO34－-P濃度存在晝夜變化趨勢，但變化幅度較小，沒有表現出明顯的升高或降低趨勢，表明外源性增加的磷和被吸收利用的磷基本呈持平狀態。垂直方向上，3個水層的PO34－-P濃度存在差異，但不顯著，表明隨著水層深度的變化，PO34－-P濃度的變化并不明顯。

3 討論

3.1 水溫、DO、pH、CODMn變化的原因

影響水溫變化的主要因素是太陽輻射，水面對太陽光反射及水體顆粒物的散射，使下層水體吸收的太陽光較上層水體少，水溫呈現分層現象。河蟹養殖池塘水深1.5 m左右且水質較清澈，太陽光透射率高，是3個水層水溫無顯著差異的主要原因。

河蟹養殖池塘溶解氧的主要來源為水草的光合作用和空氣擴散作用，溶解氧的消耗主要為呼吸作用［12］。河蟹養殖池塘種植了大量的水草，不僅為河蟹提供了天然的青飼料，還為水體源源不斷地輸送氧氣，光照越強光合作用效率越高［13-15］。白天光照強，水草的光合作用強，光合作用大于呼吸作用，水體的溶解氧不斷升高，夜晚光合作用停止而呼吸作用不斷消耗氧氣，水體的溶解氧不斷下降。本試驗發現，夜晚3個水層的溶解氧濃度不斷下降，5：00達到最低值，日出后溶解氧濃度開始上升，變化趨勢和水草光合作用強度變化趨勢相似，說明水草的光合作用是影響水體溶解氧濃度的主要原因。

pH的晝夜變化是多個因素作用的結果，呼吸作用產生大量的酸性氣體CO2是pH晝夜變化的主要原因。本試驗發現，河蟹養殖池塘pH的變化幅度較小，無顯著差異，pH的變化趨勢與朱浩等［16］和李奕雲等［17］的試驗結果基本相同。但朱浩等和李奕雲等測得的pH谷值時間分別是1：00和3：00左右，本試驗pH谷值時間為5：00，主要原因為3種池塘的理化條件差別較大。河蟹養殖池塘種植了大量的輪葉黑藻、伊樂藻和苦草，夜晚呼吸作用產生大量CO2使水體的pH下降，黎明前呼吸作用一直高于光合作用，CO2不斷積累，因此河蟹養殖池塘晝夜pH谷值出現的時間較魚塘和蝦塘晚。

CODMn是反應池水有機物和還原性無機物的污染指數。宋學宏等［18］研究表明，水溫在10—28℃時，微生物降解CODMn速度隨溫度增加而增加。紀曉亮等［19］對城市濕地水質晝夜變化研究發現，白天CODMn升高，夜晚下降。本試驗發現，河蟹生態養殖池塘CODMn的變化表現為白天下降、夜晚升高，看似與紀曉亮等和宋學宏等的研究相矛盾，其實不然，原因是河蟹養殖池塘無污水流入，不存在由于污水的流入而導致CODMn晝夜變化的情況；河蟹是底棲動物，夜晚活動量大于白天，河蟹取食和爬行過程中攪起早期未被攝食的飼料殘餌和底泥，使水體中有機物濃度增加，CODMn增加。河蟹養殖池塘種植了大量的伊樂藻、輪葉黑藻和苦草，白天河蟹進入水草中躲避，活動量減少，CODMn降低，水草對降低CODMn有一定的作用。

3.2 水體NH+4-N、NO-2-N、NO-3-N和PO3-4-P變化的原因

自然水體的NH4+-N濃度較NO3－-N低，但養殖水體中，由于養殖對象的代謝物以NH3的形式排出，使NH4+-N在許多養殖水環境中超標。本試驗發現，NH4+-N濃度5：00最高，17：00最低，主要原因是夜晚呼吸作用和河蟹運動消耗了大量的氧氣，有助于NH4+-N的形成，5：00前NH4+-N不斷富集，白天河蟹養殖池塘內大量的輪葉黑藻、伊樂藻和苦草等水生植物光合作用為水體輸送的氧氣較多，部分NH4+-N被氧化為NO3－-N［20］，且水生植物光合作用吸收氮磷［21-22］。

NO2－-N為無機氮中間狀態，在無機氮循環過程中，NO2－-N含量的升高常常表明水環境中氮循環受阻，NO2－-N有一定的毒性，應引起足夠的重視［23-25］。本試驗發現，17：00—5：00水體的NO2－-N濃度不斷升高，5：00—13：00水體的NO2－-N濃度不斷降低，主要原因是NO2－-N為三氮循環的中間環節，夜晚水環境溶解氧濃度下降，低氧環境有助于NO2－-N的形成，白天水環境溶解氧濃度升高，大部分NO2－-N以全程反硝化方式還原為氣態氮［26］。

NO3－-N為3種無機氮鹽中最高價態，是自然水體中無機氮鹽的主要存在形式，NO3－-N濃度與硝化反應的速率有很大關系。本研究發現，水體中NO3－-N濃度的變化趨勢表現為白天升高、夜晚降低，主要原因是NO3－-N是三氮中比較穩定的形式，白天水體中溶解氧濃度較高，NO3－-N為三氮轉化的主要方向，水體中的NO3－-N濃度升高，夜晚水體中的溶解氧濃度降低，不利于NO3－-N的生成，水體中的NO3－-N濃度降低。

磷作為各種生物必須營養元素之一，其需要量比氮低，但自然水環境中磷多以不溶解的化合物形式存在，能夠被浮游植物和沉水植物吸收的主要是可溶性磷酸鹽［27-28］。自然水體中含量較低的可溶性磷酸鹽常常是浮游植物和沉水植物的生長限制因子。河蟹養殖池塘PO34－-P的來源主要為水源的代入、餌料、生物代謝和底泥的釋放［29］。本試驗發現，一天內PO34－-P濃度變化幅度很小，主要原因是雖然每天都有餌料性可溶性磷酸鹽進入水體，但水草會吸收一部分，正因為水草對磷的吸收作用，使得養殖過程中水體中的可溶性磷酸鹽沒有持續增長。

3.3 水質因子之間的關系

當水體中溶解氧濃度下降時，氨氮和亞硝氮濃度升高；當水體中溶解氧濃度升高時，氨氮和亞硝氮濃度降低。可見，水體溶解氧濃度與氨氮和亞硝氮濃度呈負相關關系。氨氮具有一定的毒性，有研究表明氨氮可以直接或間接影響養殖水生動物的生長和繁殖［9-10］，且水體中溶解氧濃度越低，氨氮的毒性越大［30］。本試驗研究的河蟹生態養殖池塘種植了大量的輪葉黑藻、伊樂藻和苦草，可以為池塘輸送大量的溶解氧（上層最大時平均6.151 mg/L），高溶氧條件下，硝化和氨化反應都受到較大的影響，故本試驗得出的結果是水體溶解氧濃度與氨氮和亞硝氮濃度呈負相關關系。這與廖曉數等［31］研究結果不同，主要原因是低氧狀態下硝酸菌受到抑制，亞硝化菌基本不受影響，低溶氧對氨化反應的影響有限。本試驗還發現，硝氮的變化趨勢和氨氮、亞硝氮相反，且硝氮和氨氮的變化幅度相對于亞硝氮較高。俞盈等［32］研究污水三氮轉化時發現，室內和室外條件下氨氮轉化十分迅速，亞硝酸鹽氮沒有出現明顯的累積現象。張礪彥［26］研究溶解氧對好氧顆粒污泥同步硝化反硝化脫氮的影響中發現，溶解氧濃度較高時，大部分亞硝氮以全程反硝化方式還原為氣態氮。本試驗所用的池塘為河蟹生態養殖池塘，池塘內種植了大量的水草，水體溶解氧濃度較高，有利于亞硝氮的迅速轉化，晝夜變化中亞硝氮濃度積累較小，變化幅度不大。

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