蝦塘養殖對紅樹林沉積物和間隙水理化性質的影響

覃盈盈，羅萬次，梁銘忠，魏明月，高長顥，鄭海雷

（1. 廣西師范大學珍稀瀕危動植物生態與環境保護教育部重點實驗室，廣西 桂林 541006；2. 廈門大學濱海濕地生態系統教育部重點實驗室，福建 廈門 361102；3. 防城港市海洋環境監測預報中心，廣西 防城港 538000；4. 北部灣大學廣西北部灣海洋生物多樣性養護重點實驗室，廣西 欽州 535011）

受規律性潮汐和季節性洪澇影響，紅樹林濕地與周邊環境物質交換頻繁，調節了陸地-海岸生境的養分流通[1-2]。紅樹植物與潮間帶灘涂以及水環境間的積極互動，使其在復雜的人為干擾中能積極應對，以適應并修復惡化了的濱海濕地生境[3]。紅樹林濕地生態功能的正常運轉由沉積物、水體和植被相互作用共同維持。作為底棲生物棲息地、陸海物質交換及污染物接納與自凈的重要場所，沉積物記錄了各種污染物質的來源、分布、遷移和轉化的歷史，是揭示林下環境演化特征和人類活動影響程度的最佳工具[4-6]。而間隙水作為水土界面物質交換的重要媒介，對調節沉積物與上覆水體、植物與毗鄰河口間物質交換有重要作用[7]。對紅樹林下沉積物和間隙水理化性質及其變化的研究可很好地反映紅樹林的生態環境適應性，對揭示紅樹林生態及環境功能具有重要的科學意義。

水產養殖(主要是蝦塘養殖)是導致當今全球紅樹林面積減少和生態功能退化的主要原因之一[8-11]：一方面養殖需要大面積砍伐紅樹林建造蝦塘，另一方面蝦塘養殖廢水和池塘底泥集中排放成為濱海濕地重要的面源污染源[8,12-13]。蝦塘養殖的發展導致濱海濕地生產力受到嚴重損害[14]，除導致地上植被的衰退，還導致土壤養分和質地的變化，重塑了植被-環境關系，對紅樹林的生存和生態系統功能的維持帶來了嚴峻挑戰[8,12-13,15-17]。如對蝦養殖破壞紅樹林使得環境惡化并導致蝦病爆發[18]，同時導致紅樹林碳儲量流失58%～82%[19-20]。盡管當前紅樹林衰退趨勢已得到有效控制，但集約化對蝦養殖對鄰近紅樹林的影響仍在持續。紅樹林生態系統自身的高開放性和簡單的群落結構導致其在破壞后很難恢復。蝦塘養殖廢水的長期排放必將對毗鄰區紅樹植物的生長和發育產生級聯效應，從而影響整個紅樹林系統生態服務功能。

截至2014年，中國東南沿海蝦塘面積已是紅樹林面積的9.49倍，僅廣西海水蝦塘面積就高達4.68萬hm2[21]。系列研究表明，水產養殖導致北部灣濱海濕地生態環境問題嚴峻，亟需關注[22-24]。但當前有關蝦塘養殖對濱海濕地影響的研究主要集中在蝦塘養殖廢水的水體特征、流經區地表水的特征和富營養化評估等幾個方面[25-27]，而有關蝦塘養殖對紅樹林沉積物和間隙水理化性質影響的研究仍不多見。因此本文以蝦塘養殖邊鄰區的紅樹林為研究樣地，測定不同區域林下沉積物和間隙水理化性質，探討了不同區域差異性及變化規律，以期為紅樹林濕地的保護和管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

欽 州 灣（21°33′20″～21°54′30″N，108°28′20″～108°45′30″E）位于北部灣頂部，廣西沿岸中段（圖1）。該灣中間狹窄，兩端開闊，東、西、北三面為陸地環繞，南面與北部灣相通，是一個半封閉型天然海灣。潮汐屬于規則全日潮，最高潮位5.83 m，最低潮位-0.68 m，平均潮差2.40 m。氣候屬南亞熱帶海洋性季風氣候，年平均氣溫22 ℃，全年最熱月（7月）平均氣溫為28.3 ℃，最冷月（1月）平均氣溫為13.4 ℃，多年平均降雨量2 055.8 mm。欽州紅樹林面積為3 603.42 hm2，是廣西紅樹林的最大分布地。近20 a間，欽州灣的蝦塘養殖面積共計增長了6 049.3 hm2，紅樹林面積減少411.1 hm2[21]。在本研究區，蝦塘養殖大約有10 a歷史，每年進行3次捕撈。養殖期間蝦塘養殖廢水每天進行部分更換，并沿著三個人工排水溝進入紅樹林潮溝。蝦塘養殖廢水理化性質為：pH 7.23～7.80，懸浮物濃度130～162 mg/L，總氮濃度4.73～6.31 mg/L，總磷濃度1.35～1.62 mg/L。

1.2 樣品采集

經實地踏查，綜合考慮紅樹分布、養殖面積、養殖廢水排放及潮位變化等因素，2019年8～9月在蝦塘養殖鄰近區(無排放區、直排區和修復區，三個區均處于相同的潮位)中，選擇底質類型相對均勻、人為擾動較小且相對較穩定的紅樹林區進行樣品采集。無排放區為遠離蝦塘養殖廢水溝渠排放口區，直排區為臨近溝渠排放口區，修復區為曾臨近排污溝口且在蝦塘被填埋2 a后不再有徑流排入區。無排放區、直排區和修復區的距離均在100 m以上。每個區選擇3個采樣點，每個采樣點3個重復。樣品采集時盡量選擇生境及植物群落特征相同的區域。共采集沉積物樣品54份，間隙水樣品27份。

沉積物取樣：采樣時先除去地面掉落物，然后用柱狀采泥器挖取土層（0～20 cm）、（20～60 cm）的沉積物樣品，每個樣點采用梅花采樣法取5個土樣混合，采集500 g土樣，用聚乙烯袋封裝做好標記后帶回實驗室。沉積物樣品一部分進行含水量分析，其余的置于實驗室陰涼通風處自然風干后，撿出其中的根系、砂石及動植物殘體等雜物后研磨、過篩（100目），進行pH、有機質、全氮、全磷指標的測定。

間隙水采集：在取完沉積物土柱的坑中，周邊間隙水自然滲出，用頭部包有干凈紗絹的100 ml注射器抽取滲出的間隙水共500 ml裝到聚乙烯瓶，避光拿回實驗室后立即用孔徑為0.45 μm的醋酸纖維濾膜過濾，過濾后的水樣置于清潔的聚乙烯瓶中，遮光-20 ℃冷凍保存，并在24 h內完成水化學分析測定。

1.3 樣品處理與測定

沉積物樣品測定在北部灣大學廣西北部灣海洋災害研究重點實驗室和華南農業大學分析測定中心共同完成，間隙水樣品測定分析在北部灣大學廣西北部灣海洋災害研究重點實驗室和防城港海洋環境監測預報中心共同完成。

沉積物含水量的測定步驟為：取50 g鮮土放烘箱中烘干至恒重，稱量后計算含水量[28]；沉積物中的總氮(TN)、總磷(TP)和有機質(OM)分別采用凱氏定氮法、硫酸-高氯酸消解法、重鉻酸鉀氧化-還原容量法進行測定[29-30]。OM1、OM2分別對應0～20 cm、20～60 cm有機質；TN1、TN2分別對應0～20 cm、20～60 cm總氮；TP1、TP2分別對應0～20 cm、20～60 cm總磷；WC1、WC2分別對應0～20 cm、20～60 cm含水率。

間隙水測定的指標參照《海洋監測規范》第4部分：海水分析 GB17378.4-2007的方法分別進行測定，其中硅酸鹽(SiO32--Si)采用硅鉬藍法，磷酸鹽(PO43--P)采用磷鉬藍分光光度法，亞硝酸鹽(NO2--N)采用萘乙二胺分光光度法，硝酸鹽(NO3--N)采用鋅-鎘還原法，氨氮(NH4+-N)采用次溴酸鹽氧化法，無機氮(Dissolved inorganic nitrogen, DIN)為NO2--N、NO3--N和NH4+-N之和。

1.4 數據處理與分析

所有數據的正態分布使用Shapiro-Wilk檢驗，對不滿足正態分布的數據進行對數轉化。用Oneway ANOVA和LSD檢驗不同區域紅樹林下沉積物理化性質和間隙水營養鹽差異性。由于沉積物理化性質有9個參數，為便于分析我們采用了PCA降維處理。基于提取軸信息的判斷準則：①排序軸累積解釋方差比例達到85%時；②具有解讀價值的PCA軸的Kaiser-Guttma標準，即選取特征根超過平均值的軸提取排序軸，并根據各環境因子在PCA軸上載荷的大小判斷其作用大小。

One-way ANOVA和LSD檢驗通過SPSS 22.0完成后在Graph Pad Prism 7.0進行繪圖，其余分析作圖均在R studio 3.5.2中完成。

2 結果與分析

2.1 沉積物理化特征

研究結果表明大多數沉積物因子隨著蝦塘養殖廢水的排入而發生了顯著的變化（圖2）。OM1、OM2、TN1、TN2、TP1和TP2均表現為對照區和直排區高于修復區；WC1、WC2、C:N、N:P和C:P均表現為對照區高于直排區和修復區；pH以直排區最低。

2.2 沉積物理化性質相關性和PCA分析

相關性分析發現：不同區域沉積物理化性質相關性結果有明顯差異（圖3和圖4）。對照區中TN1與TP1，OM2與WC2、C:N顯著正相關；直排區沉積物理化性質因子間基本呈正相關，而修復區中的OM、TN、TP、WC除與pH、C:N負相關外，其他因子間均呈現顯著甚至極顯著正相關。

PCA分析發現：前2個PCA軸累積方差比例達84.60%，且特征根都大于1(PCA軸的Kaise-Guttman標準，圖4)，說明沉積物的前二排序軸的荷載值較高。因此，提取了這兩軸做進一步分析。第一主成分累積貢獻率為62.60%，主要體現為OM、TN和TP的貢獻；第二主成分的累積貢獻率為22.00%，主要體現為pH、C:N和N:P的貢獻。這與相關性分析結果相吻合，表明直排區和恢復區沉積物中OM、TN、TP均呈極顯著正相關。

2.3 孔隙水營養鹽特征

受蝦塘養殖廢水影響，除PO43--P外，其余營養鹽在直排區均與對照區有顯著差異（圖5）；除NO2--N和DIN外，其余營養鹽在修復區和直排區中差異也顯著。三個生境中SiO32--Si含量為對照區＞直排區＞修復區；磷酸鹽含量以修復區最低；亞硝酸鹽含量表現為直排區大于對照區和修復區，而氨氮含量則呈相反趨勢；硝酸鹽含量和無機氮含量呈相同變化趨勢，均表現為直排區和修復區明顯高于對照區。

2.4 紅樹林下間隙水無機氮(DIN)組成

DIN組成中，三個生境間隙水中NH4+-N占的比例均較高（圖6），其中以照區最高（81.58%），其次是修復區和直排區，比例分別為58.41%和46.72%。三種生境中直排區NO2--N占DIN的比例最高。

3 討論

3.1 紅樹林下沉積物理化性質分析

沉積物中有機質含量是肥力的重要指標[31]，紅樹植物有將近40%的初級生產力通過凋落物和根系分解等方式返還環境[32]，是沉積物中有機質的重要來源。在河口地區，沉積物理化性質的變化依賴于沉積物中的有機質[33]。本研究野外調查發現對照區和恢復區林下凋落葉腐殖質層的厚度明顯高于直排區，表明直排區蝦塘養殖廢水排放對林下腐殖層的沖刷使得該區OM明顯低于對照區。很多研究表明：有機質含量豐富的地方，氮素的含量也高[34-36]。本研究中沉積物TN和OM分布格局的一致性也驗證了土壤中氮與有機質呈正協同作用的結論。沉積物表層的磷主要來自上覆水中顆粒態磷沉降，養殖活動中產生的有機碎屑在蝦塘沉積物經礦化后產生大量的磷酸鹽進入上覆水，通過排換水進入林下成為沉積物中磷酸鹽的“匯”，這可能是造成直排區總磷明顯高于其他兩區的重要原因。

pH對養分的賦存、轉化和有效性，以及植物的生長發育、根系的生理狀態均有直接影響[37]。干濕交替情況下，埋藏有紅樹殘體的土壤經圍墾后,含硫的紅樹殘體分解后產生黃鐵礦。同時由于紅樹林下沉積物氧氣不足，水中硫化氫還原底質中的鐵化合物，形成各種水合硫化亞鐵。黃鐵礦和硫化亞鐵氧化產生了硫酸，這可能是紅樹林區pH低的一個重要原因。另外一個原因則可能是紅樹凋落物分解產生的鞣酸和有機物分解產生的有機酸及H2S[27]。本研究表明pH直排區最低，這可能是因為蝦塘養殖廢水含豐富養分，直排區林下異養微生物的增殖速率高于其他區域，微生物在厭氧條件下對有機物分解不徹底而產生多種有機酸，進而導致了pH值下降，這也驗證了灘涂養殖和模擬排污條件使得土壤酸化的結論[38-39]。此外，三個生境中pH與OM基本呈現負相關，這可能是與蝦塘養殖廢水帶來了大量的碳源和氮營養物，沉積物中的硝化/反硝化作用加強有關[40-41]。

3.2 紅樹林下間隙水營養鹽特征分析

NO2--N和NH4+-N是蝦塘養殖的關鍵指標，尤其是NO2--N對養殖動物毒性較大。高密度、高投餌的集約化養殖是水體NO2--N濃度不斷升高的主要原因[42-44]。缺氧狀態下紅樹林沉積物中的有機物硝化作用只能停留在NH4+-N的階段，已有的硝酸鹽還會被反硝化成氣態氮及其氧化物[22]，因此，NH4+-N是紅樹林水解物間隙水無機氮的主要形式。無養殖廢水排入的林下沉積物中還原性較強，更利于有機氮通過氨化作用釋放的NH4+-N累積在間隙水中。

硅酸鹽在海洋環境中含量極為豐富，潮水沖刷和滯留對灘涂濕地硅含量有重要影響[45-47]。潮汐攜帶的水量和水淹時間與硅在濕地的滯留時間呈正比，進而導致沉積物間隙水中硅酸鹽含量升高[44]。硅酸鹽濃度較低的蝦塘養殖廢水排放到毗鄰區紅樹林下，滲透到間隙水中，產生了稀釋效應，導致直排區和修復區SiO32--Si含量均低于對照區。有研究發現潮汐濕地中硅與DIN呈正相關關系[48-49]，而本研究中SiO32--Si和DIN呈現負相關關系。這可能主要由以下原因導致：一方面可能是由于植被類型不同，對間隙水養分的吸收選擇性差異造成的；另一方面蝦塘養殖廢水排入可通過改變氧化還原環境、氮可利用性和含水量等途徑影響紅樹林下生物地球化學循環過程，進而影響硅與DIN的相關性。

通常情況下，沉積物表面的磷主要來自上覆水中顆粒態磷沉降，并通過各種生物化學過程在沉積物中沉積，或釋放溶解態磷到間隙水中，并與上覆水中的磷發生交換[50]。磷酸鹽通量與沉積物-水界面的氧化/還原狀態關系密切。一方面，蝦塘產生的有機碎屑經礦化后產生大量PO43--P進入上覆水，通過排換水直接排出，納入區林下成了PO43--P的“匯”，這與淡水池塘養殖和青蟹養殖池塘的結果相似[51-52]；另一方面，養殖活動中的人工增氧利于Fe3+結合PO43-形成膠體形式的Fe(OH)3，吸附上覆水中游離性磷[25,51]，使上覆水中的PO43-向沉積物擴散。

3.3 紅樹林下沉積物理化性質與間隙水營養鹽間的關系

沉積物-水界面間的硝化與反硝化作用是沉積物中氮遷移、轉化和循環的主要過程，在生態系統物質傳遞和能量循環中起著重要作用[53]。一般認為，紅樹對沉積物中的無機氮和總氮有顯著的累積作用[54]。間隙水中的無機氮主要由土壤中有機質礦化作用提供，與土壤有機質的化學組成、微生物的種類及環境特征密切相關[55]。本研究中，直排區OM高于修復區，這可能是以下原因導致的：一是沉積物粒徑組成的差異即間隙水硅酸鹽含量的差異，另一個是源頭差異。蝦塘廢水中有大量的有機質，直排區捕獲的量要遠遠高于修復區，因此導致直排區OM高。雖然對照區沒有蝦塘廢水直接排入，但其林下間隙水的硅酸鹽含量與OM均比直排區和修復區中高，這與前人的研究結果一致，即硅酸鹽與有機質含量呈正比[56]。

圍墾養殖導致沉積物磷內源負荷增大，潛在的釋放風險也隨之增加[57]。本研究中，隨著沉積物TP的升高，間隙水中的磷酸鹽釋放量也隨之上升。隨著蝦塘養殖廢水的排入，沉積物中的OM、TN和TP總體上會顯著增加。但在本研究中，受影響區域沉積物中的這些指標并未比對照區的高。這可能與該區紅樹植物的生長調節密切相關。高養分輸入導致紅樹植物養分吸收能力增強，因此林下沉積物的養分積累相應下降。在今后的研究中，需重點分析紅樹林沉積物和間隙水的生物地球化學循環過程及調控機制，為進一步分析蝦塘養殖對紅樹林生態系統的影響提供科學依據。

4 結論

1）蝦塘養殖廢水排放區中沉積物TN與OM、TP均呈正相關關系，養殖廢水直排對林下沉積物酸化作用明顯。

2）NH4+-N是紅樹林下可溶性無機氮(DIN)的主要組分，對照區林下沉積物還原性強，有利于氨化作用釋放的NH4+-N累積在間隙水中；NO3--N與DIN呈極顯著相關，蝦塘養殖廢水導致紅樹林下NO3--N、NO2--N和DIN累積效應明顯。

3）沉積物和間隙水的理化性質變化是一個協同作用的過程，可作為評價蝦塘養殖區邊鄰紅樹林下生境演變規律的定量指標之一。