蟹塘生態(tài)調控技術對“淤泥-水界面”N，P交換通量的影響

陸麗華 ，施林林 ，沈明星 ，王海候 ，周新偉 ，金梅娟 ，陸長嬰

（1.蘇州市農業(yè)科學院，江蘇 蘇州 215000；2.蘇州市吳中區(qū)金庭鎮(zhèn)農林服務中心，江蘇 蘇州 215000）

長三角地區(qū)是中國主要的河蟹養(yǎng)殖和消費地區(qū)之一,僅陽澄湖東岸巴城鎮(zhèn)每年產優(yōu)質大閘蟹2 500 t，2009年全鎮(zhèn)產業(yè)規(guī)模達25億元[1]。但河蟹養(yǎng)殖中為了肥水長草必須投入大量的有機肥和化肥,加上殘留的餌料和河蟹排泄物，養(yǎng)殖塘沉積物已成為營養(yǎng)物質重要的存儲庫。同時從環(huán)境角度而言，河蟹的養(yǎng)殖容量受到水環(huán)境及社會、經濟和現(xiàn)有生產技術條件的約束，據(jù)羅國芝等估計東太湖的圍欄養(yǎng)殖容量僅為600 kg/hm2[2]，原因在于在高溫期淤泥中大量營養(yǎng)物質常向水體釋放，造成水體富營養(yǎng)化，嚴重影響河蟹產量和水體環(huán)境，如何通過生態(tài)控養(yǎng)技術調節(jié)蟹塘水質仍是值得研究的問題。

目前國內外對“沉積物-水界面”的研究通常集中在海洋和湖泊等大水體[3-4]，對河蟹養(yǎng)殖塘等小規(guī)模水體的研究嚴重匱乏，但鑒于養(yǎng)殖塘系統(tǒng)淤泥養(yǎng)分含量遠高于一般水體沉積物，研究“淤泥-水界面”養(yǎng)分的交換具有現(xiàn)實意義。

該文根據(jù)陽澄湖地區(qū)標準化河蟹養(yǎng)殖常用農藝調控措施,包括調節(jié)pH，加鈣（生石灰）和微孔增氧，利用實驗裝置模擬并監(jiān)測了“淤泥-水界面”N和P營養(yǎng)的動態(tài)和交換規(guī)律，為降低富營養(yǎng)化養(yǎng)殖尾水的排放提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 樣品準備

淤泥采樣地點為蘇州市陽澄湖鎮(zhèn)陽澄湖產業(yè)園A010號塘，采樣時間為2012年2月15日（干塘期）。在養(yǎng)殖塘中采用網格法，挖掘0～20 cm塘底淤泥土樣約200 kg，帶回實驗室后，加入純凈水將淤泥混合均勻，保持水層深度為30 cm，自然條件下預培養(yǎng)20 d。

試驗裝置為內徑12 cm，高50 cm的量筒,筒內加入20 cm深淤泥，同時加入預培養(yǎng)過程中的上覆水，水層深度為30 cm。

1.2 試驗設計

1.2.1 pH調控 試驗采用HCl和NaOH調節(jié)水體pH值，分別調節(jié)上覆水 pH值為6、7和8，每個pH值梯度重復3次。

1.2.2 加鈣調控 試驗處理通過投加CaO使水體pH值為8，對照采用NaOH調節(jié)至水體pH值為8,重復3次。

1.2.3 增氧聯(lián)合加鈣和pH調控 設置4個處理1個對照，包括：不增氧加鈣（CaOy）；不增氧不加鈣（NaOHy）；增氧加鈣（CaOz）；增氧不加鈣（NaOHz）；不增氧不加鈣不調pH（CK）。

其中增氧指利用微孔增氧泵，曝氣量采用螺旋止水夾控制，增氧后保持水體溶解氧濃度為7 mg/L左右，并保持微孔增氧頭距淤泥-水界面20 cm。加鈣指向模擬養(yǎng)殖水體中投加CaO，直至水體pH=8.5，除對照（CK）外，所有處理不加鈣處理均用NaOH調節(jié)pH至8.5。試驗重復3次。

上述3組試驗均在25℃環(huán)境中培養(yǎng)，光照自然,分別在 0、6、12、24、48、72、96 h,利用 50 mL 針筒取深度為15 cm水樣30 mL，定量濾紙過濾后,流動分析儀（荷蘭SKALA）測定水體TN（總氮），TP（總磷），NO3--N（硝態(tài)氮）和NH4+-N（銨態(tài)氮）含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

每次取樣水體進行方差分析，并用LSD法進行多重比較,顯著水平取0.05。對“淤泥-水界面”N，P養(yǎng)分交換計算公式：

JDM=V（C（t）-D（t-1））/At[5]

式中：JDM 為“淤泥-水界面”N，P物質測定通量（mg·m2/h）；A為量筒橫截面積（m2）；V為上覆水體積（V）；C（t）為 t時刻測定上覆水 N，P 濃度（mg/L）；D（t-1）為t-1時刻上覆水中N，P濃度（mg/L）。

2 結果與分析

2.1 pH調控

河蟹養(yǎng)殖過程中水體適宜pH值為7.5～8.5，過高或者過低pH值均能影響河蟹生長。試驗中分別采用NaOH和HCl調節(jié)養(yǎng)殖水體pH值，經過連續(xù)4 d的靜置培養(yǎng)，水體pH逐步向pH值為7.5靠攏（圖1b）。水體pH值變化對TN含量影響明顯，0～72 h內pH＝8處理水體TN含量顯著高于pH＝6處理，水體TN在培養(yǎng)期內有增加趨勢，至試驗結束，pH＝6，pH=7，pH=8 處理水體 TN 含量分別增加25%,4%和14%,表明調節(jié)水體pH能改變淤泥向水體的N釋放量（圖1a）。pH＝6處理水體TP濃度在0～72 h內也顯著低于pH=8處理，pH＝7與pH＝8兩處理間TP差異并不具統(tǒng)計學意義，水體TP有降低趨勢（圖 1b），試驗期內,pH＝6，pH=7，pH=8 處理水體TP含量分別降低59%，60%和50%，表明不同pH條件下水體中P元素總向淤泥中遷移。NO3--N含量在不同pH處理間差異不具統(tǒng)計學意義（圖1c），NH4+-N與水體TN類似，高pH處理水體NH4+-N含量顯著高于低pH處理（圖1d）。

圖1 pH調節(jié)條件下水體N、P養(yǎng)分

2.2 加鈣調控

河蟹養(yǎng)殖過程中加鈣措施具有調節(jié)水體pH值和滿足河蟹生長過程中對鈣元素需求的雙重作用[6]，試驗通過直接投加少量生石灰,使水體pH值穩(wěn)定在pH=8，結果表明，在試驗周期內，加鈣處理水體TN含量顯著低于對照（NaOH調節(jié)水體pH=8），但處理間水體NO3--N含量差異不具統(tǒng)計學意義，加鈣處理NH4+-N含量均高于對照處理，其中3、48、72 h采樣數(shù)據(jù)差異具統(tǒng)計學意義（圖2a,c,d），整個培養(yǎng)期內，不同處理水體N養(yǎng)分無明顯的增加或者降低趨勢。加鈣處理能有效降低模擬養(yǎng)殖水體P養(yǎng)分含量，方差分析表明，在0、48、72 h采樣水體TP差異均具統(tǒng)計學意義（圖2b），且不同處理在培養(yǎng)內水體P元素均明顯降低，至培養(yǎng)結束加鈣處理與對照水體P含量分別降低36%和50%。

2.3 增氧聯(lián)合加鈣和pH調控

圖2 加鈣調節(jié)條件下水體N、P含量

實際河蟹養(yǎng)殖過程中，多種物理及化學調控措施常常配合使用，其中微孔增氧，加鈣，調節(jié)pH值是最常見的養(yǎng)殖調控手段，但養(yǎng)殖者多關注于河蟹的生長，而對這類措施造成的水體N，P養(yǎng)分失調關注較少。該研究中增氧措施保持水體中氧氣濃度維持在7 mg/L左右，不增氧措施水體氧氣濃度為4 mg/L左右（圖3e）。結果表明，培養(yǎng)期內不同處理TN含量差異具有統(tǒng)計學意義（圖3a），其中增氧處理（CaOz，NaOHz）水體TN顯著高于不增氧處理（CaOy，NaOHy），在培養(yǎng)結束時增氧處理水體平均TN是不增氧處理的1.68倍。同時增氧措施有助于提高水體TN含量，至試驗結束，增氧加鈣和增氧不加鈣水體TN分別增長152%和173%。

增氧措施顯著提高了水體NO3--N含量,至試驗結束，增氧處理（CaOz，NaOHz）水體 NO3--N 含量是不增氧處理（CaOy，NaOHy）的 7.43倍（圖 3c）。

增氧措施在0～24 h內提高了水體NH4+-N含量，但之后持續(xù)降低，整體而言，增氧不加鈣和增氧加鈣處理水體NH4+-N分別降低75%和70%（圖3d）。培養(yǎng)期內不增氧處理NH4+-N含量持續(xù)增加，至試驗結束，不增氧不加鈣和不增氧加鈣水體NH4+-N分別增長352%和391%。

圖3 復合調控條件下水體N、P含量

水體TP含量在不同處理間差異均無統(tǒng)計學意義，培養(yǎng)期內水體TP均有降低趨勢，這與僅調節(jié)pH和僅加鈣的結果相同（圖3b），在培養(yǎng)期內，不增氧不加鈣，不增氧加鈣，增氧加鈣，增氧不加鈣和對照，水體TP含量分別降低34%，56%，21%，51%，51%。

2.4 復合調控下“淤泥-水界面”N,P交換通量

養(yǎng)殖塘“淤泥-水”界面N，P養(yǎng)分交換通量對指導科學養(yǎng)殖和避免水體富營養(yǎng)化具有重要意義，該研究中所有復合調控措施均導致N營養(yǎng)從淤泥向水體流動，增氧不加鈣處理N通量顯著高于不增氧不加鈣，N 通量差異為 2.47 mg·m2/h（圖 4），增氧加鈣處理N通量也顯著高于不增氧加鈣，N通量差異為3.74 mg·m2/h，增氧措施能激發(fā)淤泥向水體的N營養(yǎng)流動。增氧不加鈣處理N通量顯著高于增氧加鈣處理，N通量差異為0.36 mg·m2/h，不增氧不加鈣處理N通量也顯著高于不增氧加鈣處理，N通量差異為1.64 mg·m2/h，加鈣措施降低了淤泥向水體N流動，增氧措施對“淤泥-水界面”的N交換通量的貢獻高于加鈣措施（圖4）。

圖4 復合調控下N、P通量

所有處理中P營養(yǎng)均從水體流向淤泥，不同處理間“淤泥-水界面”P交換通量差異無統(tǒng)計學意義（圖4），且P營養(yǎng)的交換量遠低于N營養(yǎng)，平均僅為-0.1 mg·m2/h。

3 討論

河蟹養(yǎng)殖過程中水體pH過高或者過低均容易導致河蟹食欲下降，生理活力減弱[3,7]，因此一般需要調節(jié)養(yǎng)殖水體pH值在7.5～8.5。模擬試驗表明，pH提高模擬養(yǎng)殖水體TN和NH4+-N含量，這主要是由于高pH值促進了淤泥中NH4+-N向水體的擴散，因此過高pH值不利用水體NH4+-N濃度的控制。不同pH下水體中TP均有顯著降低，且pH=6和pH=7處理降低幅度高于pH=8，這可能是由于淤泥中Fe氧化物對P酸根離子的吸附作用[8]。

對蟹塘投加石灰，不僅能滿足水體消毒，降低河蟹染病風險，但對投加石灰對養(yǎng)殖水體N，P含量的研究較少。試驗表明短期內加鈣處理對水體N和P含量具有明顯削減效果，這可能是由于鈣離子增加了懸浮顆粒對其他離子的吸附，懸浮顆粒的降低會有效降低水體中N和P含量。

復合調控實驗中，增氧措施對水體N，P含量的調控作用最為顯著，其效應遠大于加鈣措施。增氧極大增加了水體TN含量，淤泥中N向水體大量輸入，其原因是增氧過程的水體擾動[9-10]，而水體-N含量增長是水體氧濃度提高后硝化作用的產物[11]。同理前期-N的增長也是由于增氧導致的擾動，后期-N的降低則是由于N被氨氧化微生物利用。不增氧條件下水體TN，-N在培養(yǎng)期內并無顯著變化，而N含量穩(wěn)定增加,表明在pH=8.5條件下，淤泥向水體持續(xù)釋放-N。盡管增氧或不增氧對水體TP含量影響有限，但水體P元素持續(xù)向淤泥移動。

通過對淤泥-水體N，P交換通量的計算，充分證明在蟹塘生態(tài)調控技術中，增氧措施是提高TN交換通量的主要因素，增氧后平均提高2.47～3.74 mg·m2/h，加鈣措施對TN通量的提高作用平均僅為0.36～1.64 mg·m2/h。而P的交換通量遠低于N通量,表明河蟹養(yǎng)殖系統(tǒng)中，“淤泥-水界面”的主要遷移元素為N，且通常都是由淤泥向水體遷移的正向流動，而P元素通常由水體向淤泥遷移的負向流動。