不同修复方式下养殖池塘底质营养物质的迁移特征

李保民，张 敏，蔡清武，苏溪阳

( 华中农业大学 水产学院，淡水水产健康养殖湖北省协同创新中心，池塘健康养殖湖北省工程实验室，湖北 武汉 430070 )

自2013年12月8日起至2014年5月5日，以养殖池塘污染沉积物为研究对象，采用室内模拟法研究了种青、暴晒、投放生石灰等方法修复淡水养殖池塘沉积物的效果。结果表明，在池塘沉积物修复期，种青组沉积物中总氮和总磷的含量、碱性磷酸酶的活性、烧失量均显著低于对照组(P<0.01)；生石灰组沉积物中烧失量显著低于对照组(P<0.01)。覆水处理后，种青组水体中正磷酸盐、叶绿素a含量显著高于对照组(P<0.01)，种青组水体总磷含量低于对照组(P<0.05)；暴晒组水体中正磷酸盐、总磷含量低于对照组(P<0.05)；生石灰组水体中各项指标均无明显差异。分析结果表明，种青、暴晒、投放生石灰降低了养殖池塘底泥中营养物质的含量，其中种青组沉积物中总磷的含量降低显著，覆水后水体中总磷的含量也有明显降低，以种青组的综合修复效果最佳。

沉积物；修复；营养物质；动态迁移

水产品营养价值丰富，随着社会的发展和人们社会水平的提高，对水产品的需求与日俱增。水产养殖业所占的比重也在不断提高，尤其是池塘养殖业的产量和面积分别占总淡水养殖的69.88% 和42.76%[1-2]。池塘养殖环境比较封闭，外界输入的氮和磷除部分以养殖品种输出外，至少有50%沉降到沉积物中[3-4]。沉积物是湖泊水体中营养盐的重要蓄积库，也是上覆水营养盐的重要来源[5-7]。水体中营养盐减少时，沉积物通过扩散、对流、沉积物再悬浮等过程向上覆水体释放，使水体仍维持较高的磷营养水平[8-9]。近年来，有关养殖环境的修复已有广泛研究，表明利用光合细菌能吸收分解水中氨氮等有害物质，改善水质[10-12]。金春华等[13]研究表明，用微生物的方法修复对虾养殖池效果很好。人工湿地微生物的脱氮能充分发挥反硝化脱氮作用，适合于硝态氮的去除[14]。但对休渔期养殖池塘底质的修复，对沉积物中氮、磷、有机质的迁移转化特征的研究较少。

本研究拟采用室内模拟法，采用种青、暴晒、投放生石灰等方法修复淡水养殖池塘底泥，研究修复过程沉积物中总碳、总氮、总磷以及有机质的变化特征，分析碱性磷酸酶活性的变化规律；研究修复沉积物覆水处理后水体中营养物质的迁移特征，探讨各指标的变化规律及其相关性，以期为有效控制池塘自身污染和改善养殖池塘底泥环境提供参考。

1 材料与方法

1.1 模拟装置

试验于2013年12月8日至2014年5月5日在华中农业大学水产学院养殖基地进行。利用16个50 cm×40 cm×30 cm的塑料箱，设置4个处理，每组4个平行。1～3组为试验组：1组为种青组，首先使小白菜种子在实验室萌发，取大小相同的小白菜，平均每株质量为0.05 g，每个塑料箱中定植50棵；2组为暴晒组，将采集的底泥直接在阳光下暴晒；3组为生石灰组，每个平行洒入37.5 g的生石灰[15]。4组为对照组，将采集的底泥加入20 cm养殖池塘的水。试验用养殖池塘底泥均采自华中农业大学养殖基地池塘，试验用水来自日常养殖中补水的水源。将从养殖池塘采集的底泥充分混匀后铺设在塑料箱中，厚5 cm。种青处理中选取了市场上常见的南京矮脚黄作为试验作物，生石灰则采用分析纯生石灰。试验容器随机排列放置在室外有阳光直射的地方，以模拟闲置期池塘的自然状态。底质修复期为2013年12月至2014年2月，从2014年3月开始进行不同底质改良方式下覆水后营养物质的迁移特征研究。

1.2 方法

1.2.1 样品的采集

2013年12月至2014年2月每10 d采集沉积物样品一次，2014年3月至2014年5月每7 d采集一次沉积物；用普通采水器采集一次表层水样。

1.2.2 样品的处理

采集500 mL水样，在实验室摇匀后取300 mL立即通过0.45 μm 的滤膜抽滤，滤膜冷冻保存，以测定叶绿素a。剩余水样和抽滤后水样直接测定相关指标；采集10 g沉积物样品在60 ℃下烘干至质量恒定后研磨过100目筛，置于干燥器中保存备用。

1.2.3 测定方法

测定原水样中的总氮、总磷含量；测定抽滤后水样中的硝态氮、氨氮和正磷酸盐含量。总氮与总磷采用碱性过硫酸钾联合消解法测定，硝态氮、氨氮和正磷酸盐分别采用紫外分光光度法、纳氏比色法和钼酸铵法测定[16-17]。依照反复冻融丙酮法测定水体中的叶绿素a含量[18]。

测定采集沉积物样品中的总碳、总氮、总磷、烧失量、碱性磷酸酶的活性。总磷采用硫酸—高氯酸消化钼锑抗比色法测定[19]，总碳、总氮采用Thermo Flash 2000元素分析仪测定，烧失量采用马福炉灼烧法测定[20]。碱性磷酸酶的活性采用对硝基苯酚二钠法测定[21]。

在Excel中，将相同时间不同处理组的数据进行单因素方差分析，对一些指标进行线性回归分析，以探究其随时间的变化趋势。

2 结 果

2.1 沉积物中总磷、总碳与总氮的变化

试验期间，种青组沉积物中总碳的含量显著高于对照组(P<0.01，图1)，其他处理组与对照组沉积物中总碳的含量均无显著性差异。线性回归分析显示，4个处理组沉积物中总碳的含量无显著变化(P>0.05)(图1)。种青组沉积物中总氮的含量显著低于对照组(P<0.01)，暴晒和生石灰处理组沉积物中总氮的含量显著高于对照组(P<0.01)。4个处理两两之间有显著性差异(P<0.01)，其中，种青处理沉积物中总氮含量显著低于其他处理，4个处理组沉积物中总氮的含量亦无显著的变化(P>0.05)(图1)。整个试验过程中，种青组沉积物中总磷的含量显著低于对照组(P<0.01)，生石灰组沉积物中总磷的含量显著高于对照组(P<0.01)，暴晒组沉积物总磷的含量显著高于对照组(P<0.05)，4个处理组沉积物中总磷的含量在整个试验过程中先降后升(图1)。

图1 沉积物中总碳、总氮 和总磷含量的变化

图中红色虚线前为修复期，红色虚线后为覆水期.*表示差异显著(P<0.05)；**表示差异极显著(P<0.01)，无标示则表明不显著(P>0.05).下图同.

2.2 沉积物中碱性磷酸酶的活性与烧失量的变化

在整个试验过程中，种青组沉积物中碱性磷酸酶活性显著低于对照组(P<0.01, 图2)，暴晒和生石灰组沉积物的碱性磷酸酶活性与对照组无显著性差异(P>0.05)。回归分析显示，种青、暴晒、对照组、生石灰组沉积物的碱性磷酸酶活性没有显著变化。

种青和生石灰组沉积物中烧失量的含量与对照组有显著差异(P<0.01)，暴晒组沉积物中烧失量的含量与对照组无显著性差异(P>0.05)(图3)。

图2 沉积物中碱性磷酸酶活性的变化

图3 沉积物中烧失量的变化

2.3 水体正磷酸盐和总磷含量的变化

4个处理水体正磷酸盐初始质量浓度均小于0.1 mg/L，到3月17号后呈现上升趋势，到4月14号达到峰值，试验末期下降。种青和暴晒组水体中正磷酸盐含量和对照组有显著差异(P<0.01)，生石灰组水体中正磷酸盐含量与对照组无显著性差异(P>0.05)(图4)。试验后期，生石灰组、暴晒组以及对照组水体总磷初始质量浓度均为0.20 mg/L，种青组水体总磷初始质量浓度为0.37 mg/L，4种处理水体中总磷呈现上升趋势，其中对照处理上升趋势更为明显，至4月14日种青组和对照组达到峰值，水体中总磷质量浓度分别为0.50 mg/L、0.72 mg/L，试验末期下降。生石灰组水体中总磷含量在整个试验阶段均缓慢上升，暴晒组水体中总磷质量浓度在4月21日升至0.64 mg/L 达到峰值。种青和暴晒组水体总磷含量显著低于对照组(P<0.05)，生石灰组水体中总磷含量与对照组无显著性差异(P>0.05)(图4)。

2.4 水体硝态氮、氨氮和总氮含量的变化

试验开始后4个处理组水体硝态氮的含量缓慢下降，覆水后，种青、暴晒和生石灰组水体中硝态氮含量和对照组无显著性差异(P>0.05)(图5)。试验开始后，4个处理组水体的氨氮质量浓度短暂上升，3月24日开始下降，至3月31日降至0.4 mg/L，至4月14日各处理组氨氮含量稳定上升，试验后期下降。在整个试验过程中，暴晒组水体中氨氮含量显著低于对照组(P<0.05)，种青和生石灰组水体中氨氮含量和对照组均无显著性差异(P>0.05)。试验开始后4个处理组水体的总氮含量变化平稳，在4月7日升高至峰值，然后略下降后趋于稳定。种青组水体中总氮含量显著高于对照组(P<0.01)，而暴晒组水体中总氮含量显著低于对照组(P<0.05)，生石灰组水体中总氮含量和对照组无显著性差异(图5)。

图4 水体中正磷酸盐和总磷的含量变化

图5 水体中3种形态氮的含量变化

2.5 水体叶绿素a含量的变化

覆水后，种青组水体中叶绿素a含量和对照组有显著差异(P<0.01)，暴晒和生石灰组水体中叶绿素a含量和对照组无显著性差异(P>0.05)(图6)。

图6 水体叶绿素a含量的变化

2.6 小白菜产量的变化

平均每箱盒收获小白菜300 g，即1.5 kg/m2(图7)，低于农田的种植产量(4.5 kg/m2)，在闲置期种植小白菜不但能改善池塘底质，也能带来良好的经济效益。

图7 小白菜的产量

3 讨 论

3.1 不同底质修复技术下沉积物中营养物质的迁移特征

在种青修复沉积物过程中，小白菜吸收沉积物中的氮和磷，尤其是对氮的吸收量较多[22-23]，导致沉积物中总氮和总磷的含量明显低于对照处理组。种青组沉积物中碱性磷酸酶的活性显著低于对照组(P<0.01)，这与长江口潮滩表层沉积物中的研究结果[24]相一致。本试验采用干法清塘，生石灰遇水变成碳酸钙。碳酸钙能使淤泥变的松软，改善底泥通气条件，加速底泥有机质分解，释放出淤泥吸附的氮、磷等营养元素[25]。生石灰组沉积物中总磷、总氮的含量显著高于对照组(P<0.01)，这可能与干法清塘中上覆水较少、沉积物向水体中释放氮、磷有关，导致生石灰组沉积物中总磷、总氮的含量高于对照处理组。经过暴晒后，沉积物中氨氮、硝态氮等含量增加，改善了沉积物结构[26]。经过干湿交替过程，沉积物中的氮、磷有形态的变化，其本身总含量的变化并不明显[27]。暴晒组沉积物中总磷、总氮的含量显著高于对照组(P<0.05)，可能也与试验的过程中对照处理(既不做处理)沉积物向水体中释放氮、磷相关。暴晒和生石灰处理的过程主要是杀灭水体中的有害水生动物，消除一些导致鱼病发生的诱导因素。试验期间，种青组沉积物中总碳的含量显著高于对照组(P<0.01)，其他处理组沉积物中总碳的含量与对照组无显著性差异，这可能是因为小白菜生长过程有固碳作用[28]。 结果表明，种青、暴晒、投放生石灰均能降低养殖池塘底泥中营养物质的含量，其中种青组沉积物中总磷的含量降低显著，覆水后水体中总磷含量也有明显降低，综合修复效果最佳。

3.2 不同底质修复技术处理后水体中营养物质的迁移特征

沉积物是水体中氮、磷等元素的重要储存库，水体中氮、磷等营养盐含量的增加是引起湖泊富营养化的主要因素[29-32]。本研究中，覆水后水体中的正磷酸盐、总磷含量变化趋势说明沉积物向水体中释放磷，这与长江中下游湖泊中沉积物磷释放的研究结果[33]相类似。覆水后沉积物中总磷的含量升高可能与温度上升后水体中生物活动以及覆水处理的扰动有关。本试验中种青组沉积物中碱性磷酸酶活性同沉积物中总磷的含量变化有相关性。研究发现，微生物作用是影响海河沉积物中磷释放量的主要因素；厌氧条件下，磷从沉积物向水体的释放量远高于好氧条件下[34]。水温的上升也能引起水体中营养盐的释放[35-36]，覆水后各个处理组水体中磷的含量均上升。本试验中，3月1日开始覆水，在武汉温度已经有明显的上升，水体中正磷酸盐和总磷的含量随着试验的进行而明显升高。研究表明，升温并未显著影响沉积物氮元素的释放[36]，本试验中水体的总氮含量在覆水后变化平稳，后期有所上升。水体硝态氮、氨氮含量随水体中总氮含量变化。有研究表明，叶绿素a含量与总氮、总磷含量呈正相关[37],种青组覆水处理后水体中叶绿素a含量明显高于其他试验组，其后随水体中总氮、总磷含量而变化。

由于种植条件的限制，未进行施肥，小白菜的产量只有实际生产效果的1/3，但是在闲置期种植小白菜，在改善池塘底质的同时，也能带来一定的经济效益。

[1] 农业部渔业局.中国渔业统计年鉴[M].北京:中国农业出版社，2012:1-2.

[2] 农业部渔业局.中国渔业统计年鉴[M].北京:中国农业出版社，2013:3-7.

[3] 周劲风,温琰茂.珠江三角洲基塘水产养殖对水环境的影响[J].中山大学学报：自然科学版, 2004,43(5):103-106.

[4] Daniels H V, Boyd C E. Chemical budgets for polyethylene lined brackish water ponds [J]. Journal of the World Aquaculture Society, 1989, 20(2):53-60.

[5] 卢少勇,王佩,王殿武,等.北京六湖泊表层底泥磷吸附容量及潜在释风险[J].中国环境科学, 2011,31(11):1836-1841.

[6] 张彬,陈猷鹏,方芳,等.三峡库区淹没消落区土壤氮素形态及分布特征[J].环境科学学报,2012, 32(5):1126-1133.

[7] 范成新,王春霞.长江中下游湖泊环境地球化学与富营养化[M].北京:科学出版社,2007:386-463.

[8] Boström B, Andersen J M, Fleischer S, et al. Exchange of phosphorus across the sediment-water interface [J]. Hydrobiologia, 1988, 170(1):229-244.

[9] Fang T, Liu J T, Xiao B D, et al. Mobilization potential of heavy metals:a comparison between river and lake sediments [J]. Water, Air and Soil Pollution, 2005, 161(1):209-225.

[10] 朱建新,曲克明,刘慧,等.小球藻和光合细菌在大菱鲆育苗中对水质调节作用的研究[J].海洋水产研究, 2008, 29(6):116-121.

[11] 郑耀通,胡开辉.固定化光合细菌净化养鱼水质试验[J].中国水产科学,1999,6(4):55-58.

[12] 蒲红宇,胡兆群,王福强. 微生态制剂及其在水产养殖中的应用研究现状[J].海洋水产研究, 2003，24(4):80-84.

[13] 金春华,陆开宏,郑忠明,等.固定化微生物在凡纳滨对虾养成池中的应用[J].水产学报,2010,34(2):296-291.

[14] 王晓娟,张荣社.人工湿地微生物硝化和反硝化强度对比研究[J].环境科学学报,2006,26(2):225-229.

[15] 肖建普. 生石灰在池塘养鱼中的作用及应用[J].云南农业,2012(12):17-18.

[16] Seebens H, Straile D, Hoegg R, et al. Population dynamics of a freshwater calanoid copepod:complex responses to changes in trophic status and climate variability [J]. Limnology Oceanography, 2007,52(6):2364-2372.

[17] 国家环境保护总局水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法[M]. 北京:中国环境科学出版社,1989:243-284.

[18] 林少君,贺立静,黄沛生,等. 浮游植物中叶绿素a 提取方法的比较与改进[J].生态科学,2005, 24(1):9-11.

[19] Quinn T P, Adams D J. Environmental changes affecting the migratory timing of American shad and sockeye salmon[J]. Ecology, 1996, 77(4):1151-1162.

[20] 鲁如坤.土壤农业化学分析方法 [M].北京:中国农业科技出版社,2002:166-168.

[21] 王圣瑞.湖泊沉积物—水界面过程基本理论与常用检测方法[M].北京:科学出版社,2014：138-140.

[22] 陈秀虎,杨敏,黎晓.磷、钾和不同氮源对小白菜产量和品质的影响与分析[J].江西农业大学学报, 2008,30(3):443-448.

[23] 黄东风,王果,李卫华, 等.不同施肥模式对小白菜生长、营养累积及菜地氮、磷流失的影响[J].中国生态农业学报,2009,7(17):619-624.

[24] 姜经梅,赵慧,沈铭能,等.长江口潮滩表层沉积物中碱性磷酸酶活性及其影响因素[J].环境科学学报,2011，31(10):2233-2239.

[25] 郭键.生石灰清塘的关键技术[J].黑龙江水产,2014(2):9-10.

[26] 刘松林.国外应用土壤暴晒技术防治土传有害生物[J].植保技术与推广,2000,20(6):43-44.

[27] 韩建刚,曹雪.典型滨海湿地干湿交替过程氮素动态的模拟研究[J].环境科学,2013, 34(6):2383-2389.

[28] 王平,盛连喜,燕红,等.植物功能性状与湿地生态系统土壤碳汇功能 [J].生态学报,2010,30(24):6990-7000.

[29] 卢少勇,远野,金相灿,等.7条环太湖河流沉积物氮含量沿程分布规律[J].环境科学,2012,33(5):1497-1502.

[30] 秦伯强,杨柳燕,陈非洲,等.湖泊富营养化发生机制与控制技术及其应用[J].科学通报,2006, 51(16):1857-1866.

[31] 刘敏,侯立军,许世远,等.河口滨岸潮滩沉积物—水界面N、P 的扩散通量[J].海洋环境科学, 2001,20(3):19-23.

[32] 宋金明,李学刚,邵君波,等.南黄海沉积物中氮、磷的生物地球化学行为[J].海洋与湖沼,2006, 37(4):370-376.

[33] 秦伯强,朱广伟.长江中下游地区湖泊水和沉积物中营养盐的赋存、循环及其交换特征[J].中国科学(D辑：地球科学), 2005,35(增刊2):1-10.

[34] 孙淑娟,黄岁樑.海河沉积物中磷释放的模拟研究[J]. 环境科学研究，2008,21(4):126-131.

[35] 李高金,周杰.环境因子对南四湖沉积物中磷释放的影响[J].农业环境科学学报, 2006,25(增刊2):653-656.

[36] 李庚辰,刘足根,张敏,等.升温对超富营养型浅水湖泊沉积物营养盐动态迁移影响的初步研究[J]. 生态学报,2015,35(12):1-15.

[37] 陈永根,刘伟龙,韩红娟,等.太湖水体叶绿素a含量与氮磷浓度的关系[J].生态学杂志,2007,26(12):2062-2068.