上海崇明中華絨螯蟹養殖池塘水環境質量及氮磷負荷估算

劉金金,張玉平,孫振中

(上海市水產研究所，上海市漁業環境監測站，上海 200433)

中華絨螯蟹(Eriocheirsinensis)俗稱河蟹，肉質鮮美、營養價值高，是中國重要的水產養殖種類之一，具有重要的市場價值和市場前景[1]。中華絨螯蟹國內種群主要包括遼河、黃河、長江、甌江和閩江種群[2]，長江流域河蟹產量穩定在75萬t左右，產值超500億元[3]。崇明島位于長江入海口，其獨特的地理位置和天然水域條件使其成為長江河蟹產業的主產業帶之一[4]。河蟹養殖業作為上海市崇明區農業的產業支柱，在實現崇明生態農業和建設世界級生態島進程中扮演重要角色。隨著我國淡水養殖產業的迅猛發展，養殖水體水質惡化、尾水排污等環境問題日益嚴峻[5]，崇明區為實現“生態+”戰略構想，其河蟹產業堅持標準化和生態化養殖模式，有研究表明上海市淡水養殖業中河蟹養殖水體水質要優于淡水魚和蝦[6]，但目前崇明區河蟹生態養殖模式下其水環境質量及產生的環境負荷量尚未見報道。為掌握河蟹生態養殖水環境現狀，助力崇明實現生態島建設的“十三五”規劃，本研究通過對多家標準化河蟹養殖場進行蟹塘水環境跟蹤監測，核算氮、磷收支，估算河蟹養殖氮、磷環境負荷量，為當地養殖產業管理和環境建設規劃提供理論依據和數據支撐。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

2019年對崇明區豎新鎮、城橋鎮、陳家鎮的3家養殖場4口中華絨螯蟹池塘(以下簡稱蟹塘，編號為A1、A2、B、C，A1和A2屬同一養殖場)養殖環境進行跟蹤監測，記錄全年養殖信息(表1)，養殖初期種植水草后(包括伊樂藻(Elodeanuttallii)、苦草(Vallisnerianatans(Lour.) Hara)等)，只進水不排水，以養草為主，直至池塘內水位達1～1.5 m左右，養殖末期收獲成蟹以地籠捕捉和干塘收捕為主。

2019年3-11月期間，每月對蟹塘A1、A2及其引水河道(南橫引河，ASY)采集水樣和池塘底泥樣品，分別于3月26日、5月20日、8月28日和11月28日對蟹塘B、C及其引水河道(BSY、CSY)采集水樣，同時采集池塘底泥樣品。利用三合一水質測定儀(WTW Multi 3430)現場測定水溫(T)、pH和溶解氧(DO)，水樣采集器采集水面下0.5 m處水樣，實驗室內測定水質。柱狀采泥器采集表層20 cm底泥，各池塘樣點采集三管底泥樣品，現場分0～10層和10～20 cm層，同層底泥樣品混勻，實驗室內陰涼通風處干燥，研磨過100目篩，存儲待測。

表1 中華絨螯蟹池塘養殖信息匯總Tab.1 Aquaculture information of E.sinensis ponds

1.2 測定方法

1.3 數據處理

利用Office Excel 2013 軟件進行數據匯總，SPSS 19.0軟件進行數據統計分析，數據顯著性差異分析方法為單因素ANOVA分析，以P<0.05作為差異顯著性水平。

1.4 氮磷負荷估算

河蟹養殖對周邊環境的直接影響途徑是養殖水體排放，因此將養殖生產過程中排放水體中產生的氮、磷增量定義為氮、磷表觀負荷(apparent load,AL)，計算公式為

ALN，P=(Cout-N，P×Vout-Cin-N，P×Vin)×10-2

(1)

其中，ALN，P為氮、磷表觀負荷(kg/hm2)，Cout-N，p和Cin-N，P為排水和進水水體中氮、磷濃度(mg/L)，Vout和Vin為排水和進水體積(m3/hm2)。

氮、磷環境總負荷(total environmental load,TL)則由氮、磷總輸入量減去漁獲物(成蟹)體內氮、磷含量所得，根據氮、磷收支計算TL：

TLN，P=(Cin-N，P×Vin+Cseed-N，P×Mseed+Cfeed-N，P×Mfeed-Ccrab-N，P×Mcrab)×10-3

(2)

其中，TLN，P為氮、磷環境總負荷(kg/hm2)，Cseed-N，P、Cfeed-N，P和Ccrab-N，P分別為苗種、飼料和成蟹內氮、磷含量(g/kg)，Mseed、Mfeed和Mcrab分別為苗種、飼料投入量和成蟹收獲量(kg/hm2)。

蟹塘水環境中氮、磷輸入總量INN，P和總輸出量OUTN，P分別為

INN，P=(Cin-N，P×Vin+Cseed-N，P×Mseed+Cfeed-N，P×Mfeed)×10-3

(3)

OUTN，P=(Cout-N，P×Vout+Cplant-N，P×Mplant+Ccrab-N，P×Mcrab)×10-3+Qother

(4)

Cplant-N，P為水草中氮、磷含量(g/kg)，Mplant為水草收獲量(kg/hm2)，Qother為未知的氮、磷其他輸出項總量(kg/hm2)。

飼料中氮、磷利用率UN,P為漁獲物與飼料中氮、磷含量之比，計算公式為：

(5)

2 結果

2.1 水質

蟹塘及其引水河道水體中各指標年均值見表2，蟹塘水體pH和DO分別為8.92～9.53和10.65 ～12.82 mg/L，平均值均顯著高于河道，主要原因為蟹塘內種植大量水草，較強的光合作用導致蟹塘水體中pH和DO值較高。水體中TN、TP和CODMn含量范圍分別為0.64 ～4.73 mg/L、0.058 ～0.77 mg/L及5.02 ～17.18 mg/L，B塘水體中TP年均值顯著高于其他蟹塘，其余水體各指標在不同蟹塘的年均分布無顯著差異。養殖水體中各指標變化趨勢(圖1和圖2)顯示：A1塘水體中TN和TP含量在養殖末期驟然增加，A2塘水體中TN、TP變化趨勢同ASY相似：養殖初期TN和TP含量較中后期高，A1和A2塘水體中CODMn和SS含量在養殖中后期較高。B塘水體中TN和TP含量隨養殖進程呈明顯上升趨勢、養殖周期內CODMn和SS含量均較高。C塘水體中TN、TP含量隨養殖進程呈下降趨勢，養殖中后期CODMn和SS含量略高于養殖初期，不同蟹塘之間水質及其指標具體變化趨勢差異明顯。

養殖周期內蟹塘水體中各指標平均含量同其引水河道比，A1、A2和B塘水體中CODMn平均分布顯著高于其引水河道，B塘水體中TP平均含量和C塘水體中pH平均值顯著高于其對應引水河道，其他指標間差異不顯著，可見養殖生產使蟹塘水體中有機質含量增加明顯。

表2 崇明區中華絨螯蟹池塘及其水源水質指標年均值匯總Tab.2 Annual average summuary of water quality index in crab ponds and source rivers in Chongming district

根據《漁業水質標準》(GB 11607-89)和《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)，河蟹池塘水體中TN、TP和CODMn年均含量分別超標1.32、0.53和0.49倍，樣品超標率分別為88.46%、50%和80.77%，蟹塘水體中重金屬年均值均未超標，A1和A2塘部分水樣中Cu出現超標現象，超標率平均為16.67%。引水河道水體中TP、CODMn及各重金屬指標平均含量均未超標，樣品超標率分別為25%和12.5%， TN平均超標1.13倍，樣品超標率為100%。整體上對比蟹塘及其引水河道水源水質，蟹塘水體中TP和CODMn含量隨養殖生產有所增加，TN及重金屬含量變化不大。

2.2 底質

蟹塘底質中STN含量425 ～1 352 mg/kg，STN極值均出現A1塘，STN年均含量由高至低分別為：C(1 007.13 mg/kg)>A2(786.67 mg/kg)>A1(771.61 mg/kg)>B(702.75 mg/kg)，C塘顯著高于A1和B塘。蟹塘底質中STP年均含量無顯著差異，總年均含量為711.14 mg/kg。A1、A2和B塘底質中STOC年均含量無顯著差異，平均為5.16 mg/g，C塘底質中STOC年均含量最高，為7.9 mg/g，顯著高于其他塘。蟹塘底質中STN、STP和STOC月際變化趨勢如圖3，A1和A2塘底質中氮、磷和碳的變化趨勢類似，養殖初期3月和養殖中期7-8月底質中氮、磷、碳含量相對較低，5月和養殖末期11月池塘底質中氮、磷、碳含量相對較高。蟹塘B和C底質中氮、磷、碳含量不同月份之間的平均分布無顯著差異。

圖1 崇明區蟹塘A1、A2及其引水河道ASY水體中TN、TP、CODMn以及SS含量變化趨勢Fig.1 Concentration variation of TN,TP,CODMn,and SS in the water of crab pond A1,A2 and diversion river ASY in Chongming district

圖2 崇明區蟹塘B、C及其引水河道BSY、CSY水體中TN、TP、CODMn以及SS含量變化趨勢Fig.2 Concentration variation of TN,TP,CODMn,and SS in water of crab pond B,C and diversion river BSY and CSY in Chongming district

圖3 崇明區中華絨螯蟹池塘底質中STN、STP和STOC月際變化Fig.3 Monthly variation of STN,STP,and STOC in the sediment of crab ponds (A1,A2,B,and C) in Chongming district同一池塘內標有相同上標的平均值之間無顯著差異(P>0.05)

南橫引河(ASY)底質狀況可代表崇明蟹塘引水河道底質現狀。引水河道底質中STN、STP和STOC含量及其變化趨勢如圖4，STN、STP和STOC年均含量均顯著高于蟹塘，分別為蟹塘的1.42、1.19和1.81倍，養殖周期內氮、磷、有機碳變化趨勢類似，均在8月出現最低值，8-11月各指標含量逐漸增加，同蟹塘變化趨勢相似。

各蟹塘及引水河道底質中重金屬年均分布見表3，整體上引水河道底質中各重金屬平均分布顯著高于蟹塘，河道底質中各重金屬含量平均為蟹塘的1.88倍。參考《無公害農產品 淡水養殖產地環境條件》中對底質Pb、Cd、Cr、Hg和As的質量要求，蟹塘底質樣品100%達標，引水河道底質樣品中Pb、Cr、Hg和As100%達標，38.89%的底質樣品Cd超標，平均超標0.22倍。

2.3 氮磷負荷量估算

崇明蟹塘水環境中氮(N)、磷(P)的主要輸入途徑為添加飼料、進水和苗種，主要輸出途徑為排水、成蟹、水草、底質沉積等其他項，根據物料守恒原理：N、P總輸入量=N、P總輸出量，基于河蟹養殖池塘投入和產出品中N、P含量(表4)及蟹塘養殖信息(表1)，計算蟹塘水環境中N、P的收支(圖5)。蟹塘N、P輸入總量范圍分別為195.17～262.71 kg/hm2和37.64～66.45 kg/hm2，飼料攜帶的N、P分別平均占總輸入的84.61%和94.32%，是蟹塘中N、P輸入的主要途徑，進水輸入N、P分別占比13.63%和4.69%，苗種攜帶入塘的N、P分別平均占比1.01%和0.39%。蟹塘N、P輸出項中，水草貢獻率較高，平均占總輸入N和P的46.08%和25.18%，其次為其他輸出項，平均占總輸入N和P的28.41%和65.22%，排水輸出的N、P分別平均占總輸入的15.47%和6.76%，收獲成蟹輸出N、P量分別平均占總輸入的10.04%和2.84%。蟹塘投喂飼料中氮、磷的利用率平均為12.13%和3.02%。A1和A2投餌量較高，N、P輸入量較高，C塘投餌量最低，苗種密度小，N、P總輸入量最低，因進水水體中N、P含量較高，故進水攜帶入塘的N、P占比相對較高，B塘成蟹單位面積產量最高，飼料中N、P利用率最高。

圖4 崇明區南橫引河底質中STN、STP和STOC含量變化趨勢Fig.4 Concentrations variation of STN,STP and STOC in the sediment of Nanhengyinhe River in Chongming district

表3 崇明區中華絨螯蟹池塘底質中重金屬年均含量匯總Tab.3 Annual averages of heavy metals in sediment of crab ponds in Chongming district

根據氮磷收支對蟹塘A1、A2、B和C塘內N、P表觀負荷和環境總負荷進行估算(表5)，不同蟹塘N、P表觀負荷差異較大，A1和B蟹塘內N、P表觀負荷量較高，平均分別為29.8 kg/hm2和2.9 kg/hm2，這與養殖中后期浮游植物暴發、水質惡化、水體中TN和TP濃度升高有關，A2塘N、P表觀負荷較低，C塘N、P表觀負荷均為負值。不同蟹塘N、P環境總負荷相當，平均分別為210.27 kg/hm2和53.50 kg/hm2。

表4 河蟹池塘投入和產出品氮、磷含量Tab.4 Content of nitrogen and phosphorus of input and output in crab ponds

圖5 崇明區中華絨螯蟹池塘內氮和磷輸入、輸出量堆積圖Fig.5 Stack column of nitrogen and phosphorus input and output in crab ponds in Chongming district

表5 崇明區中華絨螯蟹池塘N、P環境負荷估算匯總Tab.5 Estimation of nitrogen and phosphorus environmental load in crab ponds in Chongming district

3 討論

3.1 蟹塘水質及底質

蟹塘水環境質量與池塘中伊樂藻生物量緊密相關，有研究表明伊樂藻可顯著提高池塘水質[9]，且有明顯的抑藻效應[10]，本研究也發現，養殖中后期A2塘內水草長勢明顯優于A1塘，此時蟹塘A2水體中葉綠素a含量(11.82 mg/L)明顯低于A1塘(241.20 mg/L)，且A2塘水體中氮、磷總量、CODMn和SS含量較養殖中期無明顯變化，而A1塘因浮游植物暴發水體中氮、磷、有機物等含量驟增。同時有研究表明河蟹品質與伊樂藻密度存在正比關系[11]，伊樂藻含有豐富營養，可補充蟹塘投喂飼料多種不足維生素，是河蟹優良的天然餌料，在本研究中4口蟹塘內水草生物量與河蟹產量之間未見明顯相關性，河蟹品質方面的差異還有待進一步研究。

本地蟹塘底質中氮、磷和有機碳含量同淡水魚和凡納濱對蝦養殖池塘無顯著差異[12]，整體低于其他省市高產魚塘[13-14]，同華東地區蝦塘[15]相當。蟹塘底質中氮、磷含量在8月出現最低值，高溫季節水體中水生植物生長旺盛，對底質中氮、磷、碳等營養元素需求量高，同時高溫季底質-水界面間氧化條件良好，氮、磷交換通量因溫度升高而增加[16]，氮、磷消耗量的增加進一步促進底質中有機物的分解。在投餌量較大的A1和A2塘，3-5月間池塘底質中氮、磷和碳逐漸累積，夏季隨水生植物的大量繁殖，底質中營養物質含量降低，養殖后期水草生物量不再增加，底質中氮磷等物質又逐漸累積。蟹塘較其河道擁有更高生物量的水草，是其底質中STN、STP和STOC年均含量明顯低于其引水河道的主要原因。南橫引河底質中重金屬年均分布量同馬銳等[17]的研究結果相當，略低于上海市其他區城郊河道[18]，而顯著高于引河周邊蟹塘。據調查研究崇明區蟹塘底質中重金屬平均分布量同本地魚塘和蝦塘無顯著差異[12]，明顯低于浙江北部大型淡水養殖區池塘[19]。

3.2 蟹塘氮、磷收支

崇明蟹塘水環境中的氮、磷主要由飼料攜帶入塘，分別占氮、磷總輸入的84.61%和94.32%，這與戴修贏[8]、陳家長等[7]對太湖流域蟹塘相關的研究結果一致，氮、磷輸出項中水草貢獻率較高，攜帶出的氮、磷分別占總輸入的46.08%和25.18%，磷的主要輸出項為底質沉積等其它途徑，占磷總輸入的65.22%，蘇州市蟹塘底泥沉積的磷含量占總輸入磷的68.44%[8]，與本研究結果相當，太湖流域蟹塘相關研究中底泥沉積等其它途徑磷輸出占比46.68%～49.76%[7,20]。

本地蟹塘氮、磷其他輸出項主要包括底質沉積、N揮發和其他生物(小龍蝦、螺螄等)。池塘底質沉積是N、P輸出的主要途徑之一，尤其是P，磷是典型的沉積型循環，土壤中磷的累積速度要高于氮[21]。高密度單養蝦塘內N、P的底質沉積分別占總輸入的24%和84%[22]，淡水魚養殖池塘中沉積到池塘底質中的N、P占總輸入的61%和77%[12]。蟹塘底質中N、P含量研究表明養殖周期結束后蟹塘A1和A2底質中N、P增加量較B塘和C塘高，這與其輸出項中“其他”部分對比結果相一致。關于池塘氮揮發有研究表明亞熱帶高密度蝦塘N揮發量在總輸出中占比達30%[13]，水體N揮發量主要受水體pH影響，pH<7.5的水體中N揮發可忽略不計，當pH>9時水體N揮發速率要高于浮游植物對N的吸收速率[25]，崇明蟹塘水體pH平均為9.33，因此N揮發也是蟹塘水體N的主要輸出項之一，這也是蟹塘底質中有機碳累積程度高于氮的原因之一。本研究中蟹塘均為單養河蟹模式，養殖初期未投入其他動物苗種，但池塘內自發生長的小龍蝦和螺螄等生物量具有一定規模，如A1和A2塘小龍蝦產量約為450 kg/hm2，這部分生物也會攜帶出部分氮、磷。

3.3 蟹塘氮、磷負荷

淡水池塘養殖污染負荷估算方法主要有兩種，化學分析法和物料平衡法，本研究基于化學分析法估算蟹塘氮、磷表觀負荷量，可直觀評價養殖水體對周邊水環境帶來的影響，A1和B蟹塘內氮、磷表觀負荷同戴捷等[26]對洪湖流域河蟹養殖池塘的研究結果相當，相對較高的氮、磷表觀負荷會對周邊環境帶來較高負擔，A2塘氮、磷表觀負荷較低，同高月香等[27]對太湖流域江蘇地區河蟹養殖池塘的調查結果相當，C塘氮、磷表觀負荷均為負值，表明河蟹的養殖生產可以對水質有凈化效果，有研究表明中華絨螯蟹池塘養殖的氮、磷表觀負荷要低于魚類和蝦類等[28]，混養魚塘氮、磷排放量達166.14 kg/hm2和32.94 kg/hm2[7]，氮、磷表觀負荷量與排水量和進、排水水質有關，通常養殖水體中水草生物量較高的養殖模式水質較優，對周邊水環境更加友好[29]，同時C塘苗種密度和投餌量均較低的情況下產量可觀，可見合理的養殖密度及養殖生產管理可實現飼料成本更低、水質更優、產量更高的綠色養殖目標。

氮、磷環境總負荷是指進入到環境中的氮、磷總量，主要反映養殖生產所帶來的環境總負荷量，本研究中氮、磷環境總負荷涵蓋底質沉積部分、水草利用部分、氮揮發部分和被其他生物利用部分。沉積到池塘底質和被水草利用的氮、磷如果得到有效利用會成為有益營養源[29]，否則水草腐爛和淤積的底質將會成為二次污染源，對養殖生產和周邊環境十分不利。揮發和被其他生物利用的氮和磷對環境不構成負面威脅，因此本文估算的氮、磷環境總負荷量要高于實際環境負荷。崇明區蟹塘氮、磷環境總負荷同江蘇省固城湖圍墾區河蟹池塘[31]及蔡春芳[20]等人對東太湖附近河蟹養殖池塘的研究結果相當。氮、磷環境總負荷與飼料投喂量和飼料中氮磷轉化率有關，太湖流域池塘養蟹[7]的調查結果表明其顆粒飼料使用總量為崇明區蟹塘的20%左右，而飼料中氮、磷轉化率是后者的2～3倍，固城湖圍墾區河蟹[31]養殖中飼料氮、磷轉化率分別為2.4%和0.5%。飼料氮、磷轉化率不僅與其品質有關，還與飼料結構組成有關，戴修贏等[32]的研究結果顯示使用配合飼料組餌料中氮、磷轉化率為投喂冰鮮魚組的2.43和6.29倍。飼料結構組成還對養殖水質存在明顯影響，動物性飼料如冰鮮雜魚在水中穩定性較差、營養成分溶失率較高，對養殖水體水質的影響較配合飼料大。

中華絨螯蟹養殖過程中全程投喂冰鮮魚與全程投喂配合飼料河蟹產量、品質差異不大，且投喂配合飼料成本更低，環境更友好，更有利于漁業健康可持續發展。崇明區中華絨螯蟹養殖飼料結構多為全程投喂配合飼料，做好養殖管理可顯著降低氮、磷表觀負荷，不僅不會給周邊水環境帶來負擔，還可以凈化水質。水產養殖模式(單養和混養)也會影響池塘水環境質量及環境負荷，崇明河蟹生態養殖包括河蟹單養、魚蟹混養和稻蟹共生模式，有研究[33]提及混養模式可降低水質污染、提高水體利用率、提升養殖效益，環境負荷方面的問題還有待進一步研究。本地中華絨螯蟹養殖過程中也存在部分蟹塘飼料投喂量較高、氮磷利用率低、環境總負荷較高的問題，這可能與養殖管理技術水平有關。提高飼料品質和利用率，探索養殖尾水及沉積底質再利用化處理工藝將是促進中華絨螯蟹養殖產業可持續發展的兩個關鍵要素，也是助力崇明區建設世界級生態島強有力的舉措。