堿蓬、雙齒圍沙蠶對文蛤養殖池塘綜合修復研究

李 磊，戴 明，趙永超，陳玉生，許呈林，王帥杰，蔣 玫

（1.中國水產科學研究院東海水產研究所，農業農村部低洼鹽堿地水產養殖重點實驗室，鹽堿水域漁業工程技術中心（上海），上海 200090；2.中國水產科學研究院南海水產研究所，廣東省漁業生態環境重點實驗室，廣州 510300；3.江蘇省海洋水產研究所，江蘇南通 226007）

聯合國糧農組織的報告［1］顯示，水產養殖對全球漁業總產量的貢獻呈現逐步上升的趨勢，貢獻率由2000年的25.7%增長至2016年的46.8%，其中中國的水產養殖產量長期處于世界第一的位置。中國的水產養殖包括淡水養殖和海水養殖，養殖產量約占漁業總產量的73.7%，且其占比依然在不斷上升。利用近海地區人造池塘開展的養殖活動是海水養殖的重要組成部分，中國是世界上池塘水產養殖規模最大的國家，2016年全國池塘水產養殖產量達2 523.1萬t，占水產養殖總量的49%，其中海水池塘養殖產量達到了236.74萬t［2］。

傳統的養殖池塘生態系統是為實現經濟目的而建立起來的人工開放型生態系統，具有面積小、池水較淺、營養結構簡單、生態平衡脆弱等特征，其生態結構和功能主要受自然氣候和人為調控影響，養殖池塘的污染源主要為施肥、投餌、防病藥劑等外源污染以及養殖生物的排泄物、死亡殘體、殘餌等內源污染，污染會導致水體富營養化、沉積物富集有機污染［3］。雖然部分污染物能夠通過池塘自身的物理、化學、生物過程降解，但由于缺乏自然生態系統的物質循環功能，隨著池塘海水養殖規模的不斷擴大和養殖密度的不斷提高，海水養殖池塘生態環境狀況越來越嚴峻，養殖污水已經成為一類潛在污染源。建立新型的生態養殖模式、開發環保的生態修復技術、降低高密度集約化養殖的污染程度至關重要。目前，應用于水產養殖產業中的修復技術主要有物理、化學和生物修復，其中因生物修復方法（水生植物、水生動物、微生物）不干擾水產養殖，不易產生二次污染，修復效果持久，成為養殖產業的潛在最優修復方式。研究表明，海馬齒（Sesuvium portulacastrum）［4］、菊 花 心 江 蘺（Gracilaria lichenoides）［5］、鹽地堿蓬（Suaeda salsa）［6］等水生植物可以一定程度上降低養殖水體的營養鹽水平。底棲多毛類，特別是沙蠶，因其種類多、分布廣泛、適應性強，成為重要的沉積物修復物種，可以一定程度上降低沉積物中總有機氮（TN）、總有機磷（TP）、總有機碳（TOC）、硫化物、有機質等污染物質的含量［7］。目前海水養殖池塘的修復對象僅針對海水或沉積物，由于沉積物-水體的生物地球化學循環是一個互相影響的整體，因此單一的修復措施限制了整體修復效果，多品種綜合修復是生態修復發展的方向［8－9］，但海水池塘養殖方式、品種繁多，其修復措施也有特異性，需要進一步開展研究。

在前期研究［10］中，通過室內模擬和現場實驗篩選出了較優的修復養殖文蛤（Meretrix meretrix）沉積物的雙齒圍沙蠶（Perinereis aibuhitensis）密度（0.20 kg·m－2），本研究以多年文蛤養殖池塘為研究對象，選擇堿蓬（Suaeda glauca）、雙齒圍沙蠶開展對文蛤養殖池塘水體中營養鹽、沉積物中硫化物、TOC的去除實驗，評估堿蓬、雙齒圍沙蠶的綜合修復效果，以期為海水養殖池塘的可持續發展和綠色養殖提供實踐數據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗沉積物取自江蘇省啟東市沿海灘涂文蛤多年養殖池塘，挖取深度為15 cm，將沉積物混合，挑出石塊、枯枝等大顆粒物，再將混勻后的沉積物放置于－4°冰箱內2 d，以殺死各類大型底棲生物后備用。實驗水體也取自文蛤養殖池塘，使用有機玻璃采水器采集上覆水，采水器底端與沉積物表面的距離為0.1～0.2 m，沉積物使用600目的篩框過篩后備用。實驗堿蓬取自文蛤養殖池塘周邊灘涂，單株平均鮮質量為（1.23±0.32）g，株高為（12.3±0.7）cm，根系平均長度為（4.9±0.6）cm，實驗前用去離子水清洗堿蓬根系，將堿蓬固定在圓形聚乙烯材質的生態浮床中（直徑16 cm、厚6 cm，5孔），在備用海水中培養3 d后取生長正常的個體進行實驗。實驗用雙齒圍沙蠶取自江蘇省東臺市弶港，沙蠶平均體長（15.7±1.2）cm，平均體質量（5.17±0.92）g，暫養3 d后取健康的個體進行實驗，期間不投喂。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗設計

實驗在聚乙烯整理箱（長：74.5 cm，寬：54.5 cm，高：44.0 cm）內進行，將沉積物均勻鋪在箱底，高度為15 cm，為了不引起表層沉積物的再懸浮，采用虹吸法將海水緩慢加入到聚乙烯整理箱中，充分浸潤沉積物，使水深達到20 cm，為避免沉積物均質化對沉積物生物地球化學過程的影響，參考KARLSON等［11］的研究，采用14 d的預培養恢復沉積物-水界面的氧化氛圍、沉積物中微生物活性以及間隙水中營養鹽濃度的剖面結構。實驗共分為8組，分別為30棵堿蓬（A1），20棵堿蓬（A2），10棵堿蓬（A3）；0.20 kg·m－2的雙齒圍沙蠶試驗組（B）；堿蓬、雙齒圍沙蠶復合試驗組，堿蓬數量分為30棵（C1）、20棵（C2）、10棵（C3），陰影覆蓋面積分別為75%、50%、25%，雙齒圍沙蠶密度均為0.20 kg·m－2；同時設置僅有沉積物和海水的對照組（D）。試驗組及對照組各設置3個重復。使用空調控制室內溫度為22℃。實驗期間保持充氧（表層充氧，不引起沉積物懸?。?。

1.2 樣品采集和檢測

實驗于2019年5月1日—7月1日進行，共61 d。實驗開始前（第0天）以及第7、14、21、31、41、51、61天采集上覆水樣（10 cm水層）、沉積物樣品（網格采樣，采樣深度15 cm），每次取水量為250 mL，蒸發量比較低，實驗過程中不補充水。實驗過程中使用YSI 650MDS多參數水質監測儀（美國YSI公司）測定上覆水的pH（≈8.1）、溫度（≈20.2℃）、鹽度（≈15.3）、溶解氧（≈6.2 mg·L－1）指標；采集水樣使用0.45μm孔徑的醋酸纖維膜過濾后加入HgCl2固定，保存在高密度聚氯乙烯瓶中冷藏保存；在實驗室使用Skalar營養鹽自動分析儀（荷蘭Skalar分析儀器公司）測定溶解態無機營養鹽濃度，包括亞硝酸鹽（NO3－）、硝酸鹽（NO2－）、氨氮（NH4＋）、磷酸鹽（PO43－），溶解無機氮（DIN）＝NO3－＋NO2－＋NH4＋，本實驗中，溶解無機磷（DIP）是以PO43－的形式計算；TOC使用Flash EA1112元素分析儀（美國Thermo Electron SPA公司）測定；硫化物采用碘量法（以S2－計）測定［12］。實驗結束后，采集堿蓬樣品，沖洗干凈，吸干表面水分后測定其單株鮮質量、株高（株莖下端至最高枝葉處的長度）和根系長度；將沉積物沖洗過篩采集雙齒圍沙蠶樣品，測定其個體長度和質量。

1.3 數據處理與分析

1.3.1 修復指標的去除率、增長率計算

水體中DIN、DIP，沉積物中TOC、硫化物的去除率按照下列公式計算：

式（1）中，Wq為去除率，C0表示初始濃度，Ci表示第i天時水體中DIN、DIP濃度或沉積物中硫化物、TOC含量。

水體中DIN、DIP，沉積物中TOC、硫化物的增長率按照下列公式計算：

式（2）中，Wz為增長率，C0表示初始濃度，Ci表示第i天時水體DIN、DIP濃度或沉積物中硫化物、TOC含量。

1.3.2 堿蓬、雙齒圍沙蠶的生長情況計算

根據1.2在實驗開始和結束后分別稱量堿蓬的質量、株高、根系長值和雙齒圍沙蠶的質量、體長并計算生長情況，堿蓬、沙蠶的生長率（%·d－1）按照下式計算：

式（3）中，GR為生長率（%·d－1），W0為實驗開始前的堿蓬或雙齒圍沙蠶質量（g），Wt為t時刻的堿蓬或雙齒圍沙蠶的質量（g），t為2次測定的時間間隔（d）。

1.3.3 數據分析

數據以平均值±標準差（means±SD）表示，使用SPSS16.0軟件（美國SPSS公司）中的單因素方差分析（one-way ANOVA）統計數據之間的差異性，差異顯著時進行Duncan’s test多重比較，顯著性水平P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 堿蓬、雙齒圍沙蠶的生長情況

實驗過程中，堿蓬、雙齒圍沙蠶未發現死亡，生長狀況良好。其中，堿蓬的單株平均質量增量為（5.32±0.42）g，單株平均株高增量為（8.2±0.6）cm，單株平均須根長增量為（9.3±0.8）cm，堿蓬的生長率為2.78%·d－1，實驗前后堿蓬的單株平均質量、平均株高、平均須根長均有顯著性差異（P＜0.05）；雙齒圍沙蠶單個平均體長增量為（3.2±0.5）cm，單個平均質量增量為（0.87±0.05）g，雙齒圍沙蠶的生長率為0.26%·d－1，實驗前后雙齒圍沙蠶平均個體體長、質量均有顯著差異（P＜0.05）。

2.2 水體中DIN、DIP濃度的變化趨勢

各試驗組及對照組海水中DIN濃度變化如圖1所示，A1、A2、A3堿蓬試驗組水體中DIN濃度均隨時間呈現逐漸下降的趨勢，且前期下降幅度小于后期，水體中DIN去除率與堿蓬數量成正比，A1、A2、A3試驗組的去除率分別為65.35%、56.70%、31.41%，實驗前后水體中DIN濃度均有顯著性差異（P＜0.05）；B試驗組（雙齒圍沙蠶試驗組）水體中DIN濃度隨時間呈現逐漸上升的趨勢，與第0天DIN濃度相比較，61 d后DIN濃度增長了49.47%，實驗前后水體中DIN濃度有顯著性差異（P＜0.05）；C1、C2、C3堿蓬＋雙齒圍沙蠶復合試驗組水體中DIN濃度呈現出2種變化趨勢，C1試驗組前期上升，后期下降，實驗結束后水體中DIN去除率為14.10%，C2、C3試驗組水體中DIN濃度增長率分別為18.06%、42.89%，實驗前后C1、C2、C3試驗組水體中DIN濃度均有顯著性差異（P＜0.05）；D組（對照組）水體中DIN濃度呈現緩慢增加的趨勢，第0天和第61天水體中DIN濃度無顯著性差異（P＞0.05）。61 d時，各個試驗組、對照組之間均有顯著性差異（P＜0.05）。

圖1 不同試驗組水體中DIN濃度的動態變化Fig.1 Dynamic changes of DIN concentration in water of different experimental groups

表1 實驗結束后堿蓬、雙齒圍沙蠶的生長情況Tab.1 Growth state of S.glauca and P.aibuhitensis after experiments

各試驗組及對照組海水中DIP濃度變化如圖2所示，A1、A2、A3堿蓬試驗組水體中DIP濃度均隨時間呈現逐漸下降的趨勢，且前期下降幅度小于后期，試驗組水體中DIP去除率與堿蓬數量成正比，A1、A2、A3試驗組的去除率分別為70.59%、66.04%、53.70%，實驗前后水體中DIP濃度均有顯著性差異（P＜0.05）；B試驗組（雙齒圍沙蠶試驗組）水體中DIP濃度呈現逐漸上升的趨勢，第61天與第0天DIP濃度相比較，DIP濃度增長了38.00%，實驗前后水體中DIP濃度有顯著性差異（P＜0.05）；C1、C2、C3（堿蓬＋雙齒圍沙蠶復合試驗組）水體中DIP濃度均呈現隨時間逐漸下降的趨勢，C1、C2、C3試驗組的DIP去除率分別為40.00%、28.57%、19.30%，實驗前后C1、C2、C3試驗組水體中DIP濃度均有顯著性差異（P＜0.05）；D試驗組（對照組）水體中DIP濃度呈現隨時間緩慢增加的趨勢，實驗前后水體中DIN濃度無顯著性差異（P＞0.05）。61 d時，各個試驗組、對照組之間均有顯著性差異（P＜0.05）。

圖2 不同試驗組水體中DIP濃度的動態變化Fig.2 Dynamic changes of DIP concentration in water of different experimental groups

2.3 沉積物中硫化物、TOC含量的變化趨勢

各試驗組及對照組沉積物中硫化物含量變化如圖3所示，A1、A2、A3堿蓬試驗組沉積物中硫化物含量均呈現隨時間逐漸上升的趨勢，A1、A2、A3試驗組的增長率分別為2.62%、3.11%、3.57%，實驗前后沉積物中硫化物含量均有顯著性差異（P＜0.05）；B試驗組（雙齒圍沙蠶試驗組）沉積物中硫化物含量呈現隨時間逐漸下降的趨勢，下降率為26.51%，實驗前后沉積物中硫化物含量有顯著性差異（P＜0.05）；C1、C2、C3堿蓬＋雙齒圍沙蠶復合試驗組沉積物中硫化物含量均呈現隨時間逐漸下降的變化趨勢，C1、C2、C3試驗組的硫化物去除率分別為26.80%、26.03%、27.03%，實驗前后C1、C2、C3沉積物中硫化物含量均有顯著性差異（P＜0.05）；D試驗組（對照組）沉積物中硫化物含量呈現上下波動的變化趨勢，實驗前后沉積物中硫化物含量無顯著性差異（P＞0.05）。61 d時，各個試驗組、對照組之間均有顯著性差異（P＜0.05）。

圖3 不同試驗組沉積物中硫化物含量的動態變化Fig.3 Dynamic changes of sulfide content in sediments of different experimental groups

各試驗組及對照組沉積物中TOC含量變化如圖4所示，A1、A2、A3堿蓬試驗組沉積物中TOC含量均呈現隨時間逐漸下降的趨勢，下降幅度分別為2.57%、3.21%、4.05%，實驗前后沉積物中TOC含量均有顯著性差異（P＜0.05）；B試驗組（雙齒圍沙蠶試驗組）沉積物中TOC含量呈現隨時間逐漸下降的趨勢，下降率為45.24%，實驗前后沉積物中TOC含量有顯著性差異（P＜0.05）；C1、C2、C3堿蓬＋雙齒圍沙蠶復合試驗組沉積物中TOC含量均呈現隨時間逐漸下降的趨勢，TOC去 除 率分 別為48.07%、38.71%、43.47%，實驗前后C1、C2、C3沉積物中TOC含量均有顯著性差異（P＜0.05）；D試驗組（對照組）沉積物中TOC含量隨時間呈現略微下降的變化趨勢，實驗前后沉積物中TOC含量無顯著性差異（P＞0.05）。61 d時，A1、A2、A3、對照組之間無顯著性差異（P＞0.05），B、C1、C2、C3試驗組、對照組之間均有顯著性差異（P＜0.05）。

圖4 不同試驗組沉積物中TOC含量的動態變化Fig.4 Dynamic changes of TOC content in sediments of different experimental groups

3 討論

水體富營養化和沉積物中累積的有機質是海水養殖池塘的主要污染。生物修復的目標是轉化或降解養殖環境中的污染物，水體、沉積物污染物的單一修復對養殖環境的改善效果有限，綜合修復對養殖修復具有更重要的意義，修復物種的選擇以及投放密度控制則是綜合修復模式成功與否的關鍵。

堿蓬是江蘇等省市沿海灘涂養殖池塘周邊常見的鹽堿指示植物，能夠在一定鹽度范圍海水中存活生長，研究表明，堿蓬具有去除水體中營養鹽的功能［13］，本研究（圖1～圖2）驗證了這個結論，但本研究中堿蓬對DIN、DIP的去除率（最高分別為65.35%、70.59%）低于張亞等［13］的研究（鹽度16，TN去除率為73.24%，TP去除率為73.24%），其原因可能受堿蓬個體長度的差異影響，堿蓬通過根系吸收氮、磷等營養鹽，本實驗用的堿蓬個體長度小于張亞等［13］實驗用堿蓬，堿蓬根系長度也短，數量也少，相應的營養鹽的吸收效率可能也受到影響。同時，本研究結果（圖1～圖2）也表明，水體中營養鹽的去除效率表現為前期較低，后期較高的趨勢，其原因可能是由于隨著堿蓬的生長，根系長度、數量均增加，相應的營養鹽的吸收效率也呈現增加的趨勢。

沙蠶是沉積物污染修復的潛在優良底棲生物，前期研究表明，0.20 kg·m－2密度的雙齒圍沙蠶是修復文蛤養殖老化灘涂沉積物硫化物、TOC等污染指標的較優密度［14］。本研究結果（圖3～圖4）表明，雙齒圍沙蠶單獨試驗組（B試驗組）和堿蓬＋雙齒圍沙蠶復合試驗組（C1、C2、C3試驗組）均對沉積物中的硫化物、TOC有較好的去除效果。雙齒圍沙蠶的生物擾動是沉積物中硫化物、TOC含量變化的主要影響因素［15－16］。本研究中雙齒圍沙蠶的生物擾動，特別是對沉積物的改造和生物灌溉活動，加強了沉積物顆粒的水平和垂直遷移，改變了沉積物原有的固體物理基質結構，沉積物的可穿透性增強，孔隙度增加，沉積物-水-氣三相界面之間的總接觸面積增加，上覆水溶解氧向間隙水中加速擴散。同時，由于沙蠶活動能力強，屬于生物擾動強度較大的底棲生物，其活動深度可達15 cm以上［11，17－18］，溶解氧能夠向沉積物深層輸運，沉積物各個層次溶解氧的增加抑制了異養細菌的繁殖和活動，沉積物還原環境被氧化，最終導致沉積物中硫化物含量下降。沙蠶屬于雜食性底棲生物，主要攝食小型浮游動植物幼體、魚蝦殘餌或糞便、有機碎屑等有機質［19］，沙蠶每日攝食沉積物的量至少相當于本身體質量（干重）［20］。一方面，雙齒圍沙蠶攝食沉積物中的有機質使部分有機質轉化為沙蠶的生物量，直接降低了沉積物中的TOC含量；另一方面，沉積物中有機質的微生物分解也是TOC含量下降的一個重要因素，有氧條件下，O2作為關鍵電子受體控制沉積物中有機質的分解，缺氧條件下，則依次以MnO2、Fe3＋、SO42－等作為電子受體參與有機質的分解［21－22］。雙齒圍沙蠶的生物干擾，特別是生物灌溉作用，富氧的水流通過洞穴將溶解氧輸運到沉積物深層，增強了沉積物中的氧化氛圍，形成溶解氧擴散的立體結構，加速了沉積物中有機質的分解，促進了沉積物有機質中生源要素的再生過程［23］，最終導致沉積物中TOC含量的降低。因此，雙齒圍沙蠶的攝食和有機質的微生物降解是導致沉積物中TOC含量下降的主要方式。

在無生物擾動時，上覆水中DIN、DIP濃度緩慢增加，沉積物-水界面營養鹽濃度差驅動的分子擴散作用是主控因素［24］，雙齒圍沙蠶的存在（B試驗組）會增加上覆水中DIN、DIP濃度，且在堿蓬數量較少時，DIN增量超過了堿蓬的吸收量（圖1，C2、C3），其增加途徑主要有以下幾個：雙齒圍沙蠶的生物擾動加速了沉積物中有機質的分解，其中一部分有機質能夠分解為NO3－、NO2－、NH4＋、PO43－等［21－22］，同時，研究表明，雙齒圍沙蠶的生物擾動增大了沉積物-水界面的表面積，直接加快了表層、次表層及深層沉積物中營養鹽向上覆水的擴散速率［25］；源自雙齒圍沙蠶自身新陳代謝的營養鹽，在生物擾動情況下，擾動生物排泄量引起的營養鹽增量要遠高于沉積物-水界面的營養鹽交換通量，是上覆水營養鹽增加的主要途徑［26］；雙齒圍沙蠶的掘穴、攝食、排泄等生物擾動產生水流，使表層沉積物更易形成再懸浮［27－28］，導致上覆水中懸浮顆粒物濃度的增加，懸浮顆粒物上吸附的NO3－、NO2－、NH4＋、PO43－等營養鹽通過顆粒物-水的吸附-解吸作用迅速釋放到上覆水中。因此，雙齒圍沙蠶的排泄、顆粒懸浮物的吸附-解析過程和生物擾動共同導致了沉積物-水界面營養鹽交換通量的增加，但隨著時間的延長，其增量逐漸減小，原因可能是有機質存量越來越少，通過有機質分解產生的NO3－、NO2－、NH4＋、PO43－等營養鹽及雙齒圍沙蠶排泄產生的NH4＋也相應降低，導致DIN、DIP增加幅度也減小。同時，圖1、圖2顯示，上覆水中DIN濃度的增加幅度大于DIP，這與沉積物中氮、磷的生物地球化學循環差異有關，與NO3－、NO2－、NH4＋等營養鹽不同，DIP一般是自然水體的限制性元素，其通過上述途徑進入上覆水中的濃度較少，同時，PO43－向上覆水中的遷移受到Fe（Ⅲ）的限制，Fe（Ⅲ）能夠與PO43－形成難溶解的鐵結合態磷［29］，從而減小PO43－向上覆水中的釋放速率，最終導致其增量小于DIN。

本研究結果表明，在一定的實驗條件下，30、20、10棵數量的堿蓬和0.20 kg·m－2投放密度的雙齒圍沙蠶復合修復組合對文蛤養殖水體中DIN、DIP以及沉積物中硫化物、TOC均有一定的去除效果，其中30棵堿蓬和0.20 kg·m－2投放密度的雙齒圍沙蠶復合修復組合修復效果最佳。但在池塘實際養殖過程中，餌料藻類的生長是貝類養殖必須考慮的因素，養殖水體需要保持一定濃度的營養鹽，同時，為了維持餌料藻類必需的光合作用強度，堿蓬的數量并不是越多越好，覆蓋率只能維持在一定的面積范圍內，綜合修復的最優比例需要進一步在現場結合初級生產力等指標實驗驗證。